一种可穿戴式心音监测设备的制作方法
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种可穿戴式心音监测设备。
背景技术：
与临床上诊断心血管疾病的其他方法相比，比如与心电图(ecg)相比，心音图(pcg)具有心电不可替代的诊断信息；与价格昂贵、仪器复杂的超声多普勒仪和核磁共振成像等相比，心音检测具有成本低廉、方便快捷等显著优势。而且心音与心功能具有明显相关性，可以通过对心音的分析实现对心功能的基本评估。心血管疾病涉及心脏及血液循环系统，典型病种有高血压、冠心病、心肌梗塞等。研究发现，当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变，如心电信号变化以前，心音中出现的杂音和畸变就是重要的诊断信息。因此，心音信号检测方便、无创、花费极小，可作为心脏疾病检测、预防的常规手段，也可作为健康体检的普及措施。
本发明综合采用心音信号来检测7种不同的心脏工作状态，分别为：(1)正常，(2)二尖瓣狭窄，(3)二尖瓣关闭不全，(4)主动脉瓣狭窄，(5)主动脉瓣关闭不全，(6)肺动脉瓣狭窄，(7)房间隔缺损。
技术实现要素：
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种可穿戴式心音监测设备，旨在能够检测心音信号，当心音信号出现异常时，自动发出提示，为健康普查提供技术支持。
本发明采用如下设计方案：一种可穿戴式心音监测设备，所述心音监测设备包括单导联心音装置1和穿戴装置2，所述单导联心音装置1用于贴设在心脏位置，所述穿戴装置2用于佩戴在患者腕部，所述单导联心音装置1采集心音信号，并将心音信号发送到云端，所述云端进行分析将该分析结果发送回穿戴装置2，通过穿戴装置2上的显示屏显示判断结果、提示灯闪烁、喇叭发出提示音和震动头震动方式告知心脏病患者，提醒其心脏的工作状态。
进一步地，所述单导联心音装置1包括连接板1.1、贴片1.2、电源1.3、mcu1.4、蓝牙1.5、无线通讯模块和无线充电模块1.6，所述连接板1.1呈三角形，在顶点处设置有贴片1.2，所述连接板1.1的下侧面上设置电极，连接板1.1内设置有空腔，所述空腔内设置有电源1.3、mcu1.4、蓝牙1.5、无线通讯模块和无线充电模块1.6，所述电源1.3用于向mcu1.4、蓝牙1.5、电极和无线通讯模块供电，所述mcu1.4接收电极的测量信号，通过无线通讯模块将测量信号发送到云端，所述蓝牙1.5将云端返回的分析结果发送到穿戴装置2上，所述电源1.3与无线充电模块1.6的连接。
进一步地，所述穿戴装置2具有外壳2.1，所述外壳2.1上设置第一显示屏2.2和第二显示屏2.3，在显示屏的周围设置提示灯2.4，在提示灯2.4的外侧设置有各提示灯2.4对应的按钮2.5，外壳2.1的侧面设置旋钮2.6，在与旋钮2.6相对的外壳2.1的另一侧上设置喇叭2.7，所述外壳2.1的背面设置震动头2.8，所述第一显示屏2.2用于显示心脏的状态，所述第二显示屏2.3用于提示、确认服用药物的信息，所述旋钮2.6用于调节喇叭2.7的提示音的大小。
进一步地，所述单导联心音装置1获取心音信号后发送到mcu，当单导联心音装置采集到常规12导联系统v2导联位置处的心音信号，mcu进行如下处理：
步骤一，通过内部自带的mcu，利用可调q小波变换函数(tunable-qwavelettransform，tqwt)对其去噪重构；
步骤二，对去噪重构后的心音信号采集信号能量最集中的子带信号，进行变分模态分解(variationalmodedecomposition，vmd)，将心音信号分解为本征模态分量imf(intrinsicmodefunction，imf)，并且提取包含大部分心音信号能量的前四个imf分量将其作为主要的imf；
步骤三，对这四个主要的imf分量进行相空间重构，其中保留与心音系统动态相关联的属性，对这四个主要的imf分量进行相空间重构后计算欧几里德距离ed，用于推导特征，所述特征证明了心脏不同的工作状态(正常工作状态与六类异常工作状态：二尖瓣狭窄、二尖瓣关闭不全、主动脉瓣狭窄、主动脉瓣关闭不全、肺动脉瓣狭窄、房间隔缺损)之间的差异；
步骤四，将推导得到的特征信号通过无线装置发送到云端，作为云端rbf神经网络的输入信号，并利用神经网络构建一组动态估计器，计算输入信号与云端存储的数据库中心音信号模式(包括了正常工作状态与六类异常工作状态：二尖瓣狭窄、二尖瓣关闭不全、主动脉瓣狭窄、主动脉瓣关闭不全、肺动脉瓣狭窄、房间隔缺损)之间的差异，
若输入信号与模式库中的六类异常工作状态的心音信号中的其中一种信号差异最小，则该输入信号判断为异常心音信号；若输入信号与模式库中的正常工作状态的心音信号差异最小，则该输入信号判断为正常的心音信号；
步骤五，对于判断为某种心脏异常工作状态的心音信号，云端将该判断结果发送回穿戴装置，通过显示屏显示判断结果、提示灯闪烁、喇叭发出提示音和震动头震动等多种方式告知心脏病患者，提醒其心脏的状态并及时服用药物。
进一步地，所述步骤一，设计低通滤波器lfilter(ω)和高通滤波器hfilter(ω)进行去噪重构，低通和高通比例因子分别表示为λ和σ，其中0＜λ＜1、0＜σ＜1、λ+σ＞1：
低通滤波器表示为：
高通滤波器表示为：
其中θ(ω)是daubechies滤波器的频率响应，表达式为：
q-因子、r、jmax表示为：
中l是分析的心音信号的长度，fc表示心音信号中心频率，bω表示心音信号频带宽度。
进一步地，所述步骤二，vmd旨在将合成输入信号x(t)分解为n个本征模态分量μn(t)，这些本征模态分量μn(t)在再现输入信号时具有特定的稀疏性，分解过程可以写成具有以下函数的约束变分问题：
k是分解模式的数量，
考虑二次惩罚项和拉格朗日乘数a，可以将上述约束变分问题转换为无约束优化问题，表示如下：
其中l表示增强的拉格朗日，α是数据保真度约束的平衡参数，‘<·>，’代表内积。
在每个模式的移位操作时，已经使用乘法器的交替方向方法(admm)来生成各种分解模式和中心频率。方程的解可以通过使用admm导出，其中μn和ωn的解过程主要由以下步骤组成：
步骤1：内部模式更新。嵌入了wiener滤波，可使用调谐到当前中心频率的滤波器直接在fourier域中更新模式。更新模式的解决方案如下：
其中k是迭代次数，
步骤2：中心频率更新。中心频率被更新为相应模式的功率谱的重心，如下所示：
进一步地，所述提示灯2.4设置有多个，所述按钮2.5对应设置多个，所述按钮2.5用于控制提示灯2.4提示的个数，调节提醒的强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置安装方便，减少患者的手术痛苦，在需要更换时能够比较快速的取下，对患者的心脏伤害较小；本发明具有与装置对应的心音信号处理方法，基于装置获取心音信号并结合处理方法能够有效的对心脏工作状态进行监测并提醒。
附图说明
图1本发明心音装置俯视图；
图2本发明电极装置主视图；
图3本发明穿戴装置正面结构示意图；
图4本发明穿戴装置右侧结构示意图；
图5本发明穿戴装置左侧结构示意图；
图6本发明穿戴装置后侧结构示意图；
图中单导联心音装置1、连接板1.1、贴片1.2、电源1.3、mcu1.4、蓝牙1.5、无线充电模块1.6、穿戴装置2、外壳2.1、第一显示屏2.2、第二显示屏2.3、提示灯2.4、按钮2.5、旋钮2.6、喇叭2.7、震动头2.8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
如图1-2，表示本发明中的单导联心音装置1，图1为单导联心音装置1的俯视图，图2为单导联心音装置1的主视图，单导联心音装置1属于可穿戴式心音监测设备的一部分，其用于贴设在人体的心脏部位，可穿戴式心音监测设备的另一主要部分为穿戴装置2，图3-6所示，穿戴装置2用于接收单导联心音装置1的监测信号，向患者显示心脏的状态。
具体的本发明的一种可穿戴式心音监测设备，所述心音监测设备包括单导联心音装置1和穿戴装置2，所述单导联心音装置1用于贴设在心脏位置，所述穿戴装置2用于佩戴在患者腕部，所述单导联心音装置1采集心音信号，并将心音信号发送到云端，所述云端进行分析将该分析结果发送回穿戴装置2，通过穿戴装置2上的显示屏显示判断结果、提示灯闪烁、喇叭发出提示音和震动头震动方式告知心脏病患者，提醒其心脏的工作状态。
所述单导联心音装置1包括连接板1.1、贴片1.2、电源1.3、mcu1.4、蓝牙1.5、无线通讯模块和无线充电模块1.6，所述连接板1.1呈三角形，在顶点处设置有贴片1.2，所述连接板1.1的下侧面上设置电极，连接板1.1内设置有空腔，所述空腔内设置有电源1.3、mcu1.4、蓝牙1.5、无线通讯模块和无线充电模块1.6，所述电源1.3用于向mcu1.4、蓝牙1.5、电极和无线通讯模块供电，所述mcu1.4接收电极的测量信号，通过无线通讯模块将测量信号发送到云端，所述蓝牙1.5将云端返回的分析结果发送到穿戴装置2上，所述电源1.3与无线充电模块1.6的连接。
所述穿戴装置2具有外壳2.1，所述外壳2.1上设置第一显示屏2.2和第二显示屏2.3，在显示屏的周围设置提示灯2.4，在提示灯2.4的外侧设置有各提示灯2.4对应的按钮2.5，外壳2.1的侧面设置旋钮2.6，在与旋钮2.6相对的外壳2.1的另一侧上设置喇叭2.7，所述外壳2.1的背面设置震动头2.8，所述第一显示屏2.2用于显示心脏的状态，所述第二显示屏2.3用于提示、确认服用药物的信息，所述旋钮2.6用于调节喇叭2.7的提示音的大小。
对mcu的工作方式进一步限定，本发明中的mcu为根据心音监测开发，所述单导联心音装置1获取心音信号后发送到mcu，当单导联心音装置采集到常规12导联系统v2导联位置处的心音信号，mcu进行如下处理：
步骤一，通过内部自带的mcu，利用可调q小波变换函数(tunable-qwavelettransform，tqwt)对其去噪重构；
步骤二，对去噪重构后的心音信号采集信号能量最集中的子带信号，进行变分模态分解(variationalmodedecomposition，vmd)，将心音信号分解为本征模态分量imf(intrinsicmodefunction，imf)，并且提取包含大部分心音信号能量的前四个imf分量将其作为主要的imf；
步骤三，对这四个主要的imf分量进行相空间重构，其中保留与心音系统动态相关联的属性，对这四个主要的imf分量进行相空间重构后计算欧几里德距离ed，用于推导特征，所述特征证明了心脏不同的工作状态(正常工作状态与六类异常工作状态：二尖瓣狭窄、二尖瓣关闭不全、主动脉瓣狭窄、主动脉瓣关闭不全、肺动脉瓣狭窄、房间隔缺损)之间的差异；
步骤四，将推导得到的特征信号通过无线装置发送到云端，作为云端径向基rbf神经网络的输入信号，并利用神经网络构建一组动态估计器，计算输入信号与云端存储的数据库中心音信号模式(包括了正常工作状态与六类异常工作状态：二尖瓣狭窄、二尖瓣关闭不全、主动脉瓣狭窄、主动脉瓣关闭不全、肺动脉瓣狭窄、房间隔缺损)之间的差异，
若输入信号与模式库中的六类异常工作状态的心音信号中的其中一种信号差异最小，则该输入信号判断为异常心音信号；若输入信号与模式库中的正常工作状态的心音信号差异最小，则该输入信号判断为正常的心音信号；
步骤五，对于判断为某种心脏异常工作状态的心音信号，云端将该判断结果发送回穿戴装置，通过显示屏显示判断结果、提示灯闪烁、喇叭发出提示音和震动头震动等多种方式告知心脏病患者，提醒其心脏的状态并及时服用药物。第一显示屏用于显示心脏的状态，第二显示屏用于显示服用药物的种类、用量等信息。
所述步骤一，设计低通滤波器lfilter(ω)和高通滤波器hfilter(ω)进行去噪重构，低通和高通比例因子分别表示为λ和σ，其中0＜λ＜1、0＜σ＜1、λ+σ＞1：
低通滤波器表示为：
高通滤波器表示为：
其中θ(ω)是daubechies滤波器的频率响应，表达式为：
q-因子、r、jmax表示为：
中l是分析的心音信号的长度，fc表示心音信号中心频率，bω表示心音信号频带宽度。
所述步骤二，vmd旨在将合成输入信号x(t)分解为n个本征模态分量μn(t)，这些本征模态分量μn(t)在再现输入信号时具有特定的稀疏性，分解过程可以写成具有以下函数的约束变分问题：
k是分解模式的数量，
考虑二次惩罚项和拉格朗日乘数a，可以将上述约束变分问题转换为无约束优化问题，表示如下：
其中l表示增强的拉格朗日，α是数据保真度约束的平衡参数，‘<·>，’代表内积。
在每个模式的移位操作时，已经使用乘法器的交替方向方法(admm)来生成各种分解模式和中心频率。方程的解可以通过使用admm导出，其中μn和ωn的解过程主要由以下步骤组成：
步骤1：内部模式更新。嵌入了wiener滤波，可使用调谐到当前中心频率的滤波器直接在fourier域中更新模式。更新模式的解决方案如下：
其中k是迭代次数，
步骤2：中心频率更新。中心频率被更新为相应模式的功率谱的重心，如下所示：
所述提示灯2.4设置有多个，所述按钮2.5对应设置多个，所述按钮2.5用于控制提示灯2.4提示的个数，调节提醒的强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置安装方便，减少患者的手术痛苦，在需要更换时能够比较快速的取下，对患者的心脏伤害较小；本发明具有与装置对应的心音信号处理方法，基于装置获取心音信号并结合处理方法能够有效的对心脏工作状态进行监测并提醒。
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