CN106108939A - 一种基于混沌特性的心音混沌反控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于心音混沌特性的心音混沌反控制器，针对心音信号所具有的混沌特性和正常、异常心音信号所存在的混沌性差异，运用混沌反馈控制方法,并结合微分跟踪思想、PID控制方法理论和模糊控制理念设计了一种适用于心音混沌反控制的控制，使得异常(病理)心音信号能够实时的跟踪正常(健康)心音信号，激励病理心音快速转为有规律的跳动。通过对反控制后得到的心音信号进行混沌性分析，结果表明心音的混沌性得到明显增强。该心音混沌反控制器能产生符合心音混沌反控制规律的机械震动，通过对早搏心脏疾病患者的胸部进行外在有规律的敲打，以辅助心脏早搏患者尽快恢复到心跳正常状态,缓解患者的不舒。

Description

一种基于混沌特性的心音混沌反控制器

技术领域

本发明涉及一种基于心音混沌特性的心音混沌反控制器。

背景技术

生物体是一个具有高度非线性且通常表现出混沌现象的***，因此人体在生理上表现出较强的混沌性。混沌是指确定性方法中出现随机性运动的现象，它揭示了非线性方法中的确定性与随机性，有序与无序的统一。研究生命体的混沌现象有助于更好地认识人体生命过程的非线性和非规则动力学特性。

心脏作为人体最为重要和复杂的非线性动力***之一，自从发现心脏是一个混沌***以来，人们对其进行了大量基于混沌理论的心脏动力学研究。心音信号作为心脏舒张和收缩的复杂机械运动过程中心肌、血液、心血管及瓣膜等所产生的复合音，能很好的反映心脏各个部分如心房、心室、心血管及各个瓣膜功能状态的大量的生理和病理信息与心脏病变的早期病理信息。大量的研究认为健康的心脏具有一定程度的固有可变性即呈现为混沌状态；正常、异常心音的混沌特性存在显著差异的结论；混沌控制理论可以控制心率失常，通过正比扰动反馈的控制方法所产生混沌信号去激励心律不齐的心脏可以使得心脏转为规律跳动。这些为心脏早期病变的计算机辅助诊断和基于心音混沌特性设计心音混沌反控制器提供了理论基础。

但在现有技术中，目前还缺乏成熟的基于上述基于混沌特性的心音混沌反控制器产品，能够辅助心脏早搏患者尽快恢复到心跳正常状态,缓解患者的不舒。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种基于心音混沌特性的心音混沌反控制器，能产生符合心音混沌反控制规律的机械震动，通过对早搏心脏疾病患者的胸部进行外在有规律的敲打，以辅助心脏早搏患者尽快恢复到心跳正常状态,缓解患者的不舒。

为解决上述问题，本发明提出的技术方案为一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，该心音信号混沌反控制器包括心音传感器、存储器、微处理器、语音播放器和敲打式按摩器。所述的心音传感器用于采集患者的实时心音信号，存储器用于存储正常的心音信号与采集到的实时心音信号，微处理器是整个电路的核心，用于产生适用于病理心音混沌反控制与敲打式按摩器的按摩头震动的控制规律，语音播放器用于进行心率结果播报，心音传感器、存储器、语音播放器与敲打式按摩器分别与微处理器进行连接，构成整个心音混沌反控制器。

进一步，上述敲打式按摩器采用电磁震动方式，敲打式按摩器震动的强度与震动频率由心音信号混沌反控制方法控制，通过对实时采集到的病理心音信号进行混沌反控制，得到适合使用者自身心音特性的控制律U，将该控制规律U作用在电磁震动式的按摩头上，使得敲打式按摩器的按摩头按该控制规律U进行工作。

又进一步，上述心音信号混沌反控制方法的工作过程是：先采集一段时间实时心音波形得到控制规律U，然后按照U的规律控制敲打式按摩头在患者胸外部进行敲打；敲打持续一段时间，再进行一段时间的实时心音采集，再由新采集的心音信号获得新的控制规律U，然后按照新的U进行再一次的敲打式按摩，依次循环，使得心音采集与敲打按摩两个过程交替进行，通过多次反复，使早搏心音逐步恢复为正常心音，以减缓患者的症状。

作为优选，上述敲打持续一段时间的时间长度为3-5分钟。

作为优选，所述按摩头采用扁平式结构。

进一步，上述控制规律U通过以下方法产生:

1)采集使用者的心音信号并读取存储器中的正常心音信号；

2)将上述采集和读取到的两路信号分别经跟踪‐微分器处理，分别得到两路信号的跟踪信号和跟踪信号的近似微分信号；

3)由两路信号的跟踪信号差得到信号误差e，由两路跟踪信号的近似微分信号差得到信号误差变化率ec；

4)将得到的信号误差e和信号误差变化率ec作为混沌模糊控制模块的输入，从而实时地得到模糊控制的三个控制参数Ki、kp、kd，并由这三个控制参数的线性组合得到心音混沌反控制控制律U。

与现有技术中治疗早搏心脏疾病的技术相比，本发明的心音混沌反控制器利用了心音信号所具有的混沌特性和正常、异常心音信号所存在的混沌性差异，运用混沌反馈控制方法,并结合微分跟踪思想、PID控制方法理论和模糊控制理念，使得异常(病理)心音信号能够实时的跟踪正常(健康)心音信号，激励病理心音快速转为有规律的跳动。而且通过对反控制后得到的心音信号进行混沌性分析，结果表明该心音的混沌性得到明显增强。心音混沌反控制器能产生符合心音混沌反控制规律的机械震动，通过对早搏心脏疾病患者的胸部进行外在有规律的敲打，可以辅助心脏早搏患者尽快恢复到心跳正常状态,有效缓解患者的不舒。

附图说明

图1为心音信号混沌反控制器电路实现结构图。

图2为语音播报器和MCU的连接图。

图3为心音信号混沌反控制方法结构图。

图4为心音信号混沌反控制方法工作流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。具体来说，本发明提出的一种基于混沌特性的心音混沌反控制器由五个部分组成，控制电路实现结构如图1所示，分别为：心音传感器、存储器、微处理器、语音播放器与敲打式按摩器。其中心音传感器用于采集患者的实时心音信号；存储器用于存储正常的心音信号与采集到的实时心音信号；微处理器是整个电路的核心用于产生适用于病理心音混沌反控制与敲打式按摩头震动的控制规律；语音播放器用于进行心率结果播报。

心音传感器在功能上需要实现心音模拟信号的采集、模拟信号的滤波和放大。心音传感器由密封的听诊共振腔和声音传感器组成，并将音传感器放置于密封共振腔内以获取低频特性较好的心音信号。

微处理器选用TI公司MSP430系列产品，其中MSP430F149是一种具有硬件乘法器、12位ADC、支持锂电池和USB 1.8～3.6V双供电。语音播放器选用SYN6288语音合成芯片。SYN6288语音合成芯片和微处理器之间通过串口通信，处理器可以向SYN6288芯片发送控制命令和待合成的文本，SYN6288语音合成芯片在把文本合成为语音后，通过输出端以语音模拟信号的形式输出，输出的信号可以直接和低功率的扬声器连接，如图2所示，也可以通过功率放大器再和大功率的扬声器连接进行播放。本方案利用语音播放器实时播放操作过程提示，诸如“开始心音采集”、“采集完毕”、“开始敲打”、“再一次采集心音”、“再一次敲打”，等等。

基于心音混沌特性，用于病理心音混沌反控制和敲打式按摩头震动控制规律的产生方法是，如附图3、图4所示：

1)采集使用者的心音信号与读取存储器中的正常心音信号；

2)将采集和读取到的两路信号分别经跟踪‐微分器(Differential‐Tracker，TD)处理，分别得到两路信号的跟踪信号和跟踪信号的近似微分信号；

3)由两路信号的跟踪信号差得到信号误差e与两路跟踪信号的近似微分信号差得到信号误差变化率ec；

4)将得到的信号误差e和信号误差变化率ec作为混沌模糊控制(Fuzzy‐PID)模块的输入，从而实时的得到模糊控制的三个控制参数Ki、kp、kd，并由三个控制参数的线性组合得到心音混沌反控制控制律U；

5)将得到心音混沌反控制控制律U作用在采集到的使用者心音信号上，使其跟踪正常心音信号的轨迹，以实现心音混沌反控制。

敲打式按摩器采用电磁震动的按摩器，按摩头采用扁平式，敲打式按摩器震动的强度与震动频率由心音信号混沌反控制方法控制。通过对实时采集到的病理心音信号进行混沌反控制得到适合使用者自身心音特性的控制律U。将控制律U作用在电磁震动式的按摩头上，使得敲打式按摩头按控制律U进行工作。

基于心音信号混沌反控制器的工作过程是：先采集一段时间实时心音波形得到控制律U，然后按照U的规律控制敲打式按摩头在患者胸外部进行敲打；敲打3～5分钟后，再进行一段时间的实时心音采集，再由新采集的心音信号获得新的控制律U，然后按照新的U进行再一次的敲打式按摩。依次循环，使得心音采集与敲打按摩两个过程交替进行，通过多次反复，使早搏心音有可能逐步恢复为正常心音，以减缓患者的症状。

Claims (6)

1.一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，其特征在于，所述心音信号混沌反控制器包括心音传感器、存储器、微处理器、语音播放器和敲打式按摩器；所述心音传感器用于采集患者的实时心音信号，存储器用于存储正常的心音信号与采集到的实时心音信号，微处理器是整个电路的核心，用于产生适用于病理心音混沌反控制与敲打式按摩器的按摩头震动的控制规律，语音播放器用于进行心率结果播报，心音传感器、存储器、语音播放器与敲打式按摩器分别与微处理器进行连接，构成整个心音混沌反控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，其特征在于，所述敲打式按摩器采用电磁震动方式，敲打式按摩器震动的强度与震动频率由心音信号混沌反控制方法控制，通过对实时采集到的病理心音信号进行混沌反控制，得到适合使用者自身心音特性的控制律U，将该控制规律U作用在电磁震动式的按摩头上，使得敲打式按摩器的按摩头按该控制规律U进行工作。

3.根据权利要求2所述的一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，其特征在于，所述心音信号混沌反控制方法的工作过程是：先采集一段时间实时心音波形得到控制规律U，然后按照U的规律控制敲打式按摩头在患者胸外部进行敲打；敲打持续一段时间，再进行一段时间的实时心音采集，再由新采集的心音信号获得新的控制规律U，然后按照新的U进行再一次的敲打式按摩，依次循环，使得心音采集与敲打按摩两个过程交替进行，通过多次反复，使早搏心音逐步恢复为正常心音，以减缓患者的症状。

4.根据权利要求3所述的一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，其特征在于所述敲打持续一段时间的时间长度为3-5分钟。

5.根据权利要求2所述的一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，其特征在于所述按摩头采用扁平式结构。

6.根据权利要求2或3所述的一种基于混沌特性的心音混沌反控制器，其特征在于所述控制规律U通过以下方法产生:

1)采集使用者的心音信号并读取存储器中的正常心音信号；

2)将上述采集和读取到的两路信号分别经跟踪‐微分器处理，分别得到两路信号的跟踪信号和跟踪信号的近似微分信号；

3)由两路信号的跟踪信号差得到信号误差e，由两路跟踪信号的近似微分信号差得到信号误差变化率ec；

4)将得到的信号误差e和信号误差变化率ec作为混沌模糊控制模块的输入，从而实时地得到模糊控制的三个控制参数Ki、kp、kd，并由这三个控制参数的线性组合得到心音混沌反控制控制律U。