CN220001797U - 一种基于压电薄膜的数字听诊器*** - Google Patents

一种基于压电薄膜的数字听诊器*** Download PDF

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任凯亮
田钧元
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Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
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Abstract

本实用新型提供一种基于压电薄膜的数字听诊器***,属于心血管状况测量领域。包括基于压电薄膜的听诊器、数据采集装置以及移动端;听诊器用于采集检测对象的声音信号和/或振动信号,并将其转化为电信号;数据采集装置与听诊器电连接,用于接收听诊器的电信号、处理电信号并将处理后的数据发送到移动端;移动端与数据采集装置无线连接,用于接收数据采集装置发送的数据并根据数据绘制数据波形。本方案用于解决传统听诊器无法实时显示信号波形、无法传输并记录实时监测数据的问题,用户可以直接在移动端应用程序上实时查看听诊器的监测数据;同时听诊器的接触面具有柔性,在检测心音时能够消除体温信号或环境电磁场噪音的影响,准确性高。

Description

一种基于压电薄膜的数字听诊器***
技术领域
本实用新型涉及心血管状况测量领域,具体涉及一种基于压电薄膜的数字听诊器***。
背景技术
数字听诊器是利用电子技术采集来自身体的声音或振动信号,将目标信号转换为电信号并进行处理的电子设备。压电式传感器由于可以无源地实现机电转换,非常适合于作为数字听诊器。压电式数字听诊器的检测对象是心冲击图(Ballistocardiography,BCG)、脉搏信号以及心音信号。心冲击图和广泛使用的心电图(Electrocardiogram,ECG)在反应心脏健康状态上具有相当的医学价值。与反应心脏活动所引起的体表生物电变化的心电图不同,心冲击图是伴随心脏活动和血液运动而产生的力学振动特征信息。两者虽然属性不同、波形各异,但具有很好的一致性。由于两者都由于心脏活动和动脉射血引起,两者周期一致,并且在体表的相同测量点位上,波形的各特征成份具有很好的对照关系,两者均包含着重要的健康信息。心音信号是心脏活动产生的具有较高频率的声音信号,其频率范围大约为80-400Hz。心音强度、频率以及相互关系可以反应心脏瓣膜、心肌功能和心内血流状况,是医生使用听诊器进行诊断时的重要证据之一。但由于患者的个体差异和医生听感的主观性,使得基于心音的诊断虽有常用标准但标准量化困难。数字听诊器的出现使得医生能够对记录下来的心音信号进行量化分析。
因此,在个性化医疗方兴未艾的现代生活中,个人自主健康监测完全依赖数字听诊器进行,在功能方面更为重要的是能够准确测量并保存数据,这样可以便于远程医生提供在线指导,或为专用健康状态分析软件提供基础数据。因此,一种准确性高、简单易用、成本低廉、体积小巧、能实时显示信号波形的便携式听诊器***,可以降低使用者对自身健康状态随时进行监测的壁垒,丰富心源性疾病的预防手段。
实用新型内容
针对上述问题,本实用新型实施例的目的是提供一种基于压电薄膜的数字听诊器***,用于部分解决传统听诊器无法实时显示信号波形、无法传输并记录实时监测数据等技术问题,用户使用本***时可以直接在移动端应用程序上实时查看听诊器的监测数据。
本实用新型提供的基于压电薄膜的数字听诊器***,包括:
基于压电薄膜的听诊器、数据采集装置以及移动端;
所述听诊器用于采集检测对象的声音信号和/或振动信号,并将所述声音信号和/或振动信号转化为电信号;
所述数据采集装置与所述听诊器电连接,用于接收所述听诊器的电信号、对所述电信号进行处理并将处理后的数据发送到所述移动端;
所述移动端与所述数据采集装置无线连接,用于接收所述数据采集装置发送的数据并根据所述数据绘制数据波形。
可选地,所述听诊器包括柔性的压电薄膜、支撑片、上盖和下盖;
所述压电薄膜位于所述上盖与所述支撑片之间并且在所述支撑片一侧平整地张紧,所述压电薄膜的两面附加有电极,所述下盖与所述支撑片之间形成空腔。
可选地,所述听诊器与所述数据采集装置是相互独立的器件,所述数据采集装置与所述听诊器通过接线部进行连接,所述接线部位于所述下盖的表面或横穿于所述下盖内部;
所述数字听诊器***还包括第一连接线和第二连接线,所述第一连接线位于所述空腔内并将所述压电薄膜与所述接线部相连,所述第一连接线与所述第二连接线在所述接线部处连接,所述第二连接线的另一端连接至所述数据采集装置。
可选地,所述连接线为射频线,所述连接线具有绝缘层和/或屏蔽层。
可选地,所述听诊器与所述数据采集装置是一体式器件,所述数据采集装置位于所述空腔内,所述空腔中具有隔断部,所述隔断部将所述数据采集装置与所述压电薄膜分隔开。
可选地,所述数据采集装置包括电压放大模块、降噪模块、模数转换模块、微处理器、无线通信模块,所述电信号依次经过电压放大模块、降噪模块、模数转换模块、微处理器进行处理;
所述电压放大模块用于对所述电信号进行放大处理,所述降噪模块用于对所述电信号进行降噪处理,所述模数转换模块用于将所述电信号由模拟信号转换为数字信号,所述微处理器用于按照其中储存的数据处理程序对所述数字信号进行处理,所述无线通信模块用于将处理后的数据发送至所述移动端。
可选地,所述电压放大模块和所述降噪模块被配置成能够匹配所述听诊器的输出阻抗。
可选地,所述电压放大模块具有稳压单元,所述降噪模块为低通滤波器并能够对滤波电路的截止频率进行调整。
可选地,所述数据采集装置还包括电源管理模块和电池,所述电源管理模块从所述电池接收电输入并对所述电输入进行稳压处理,为所述电压放大模块、模数转换模块、微处理器和无线通信模块供电。
可选地,所述电源管理模块、所述模数转换模块和所述微处理器集成于单片机开发板内部,所述单片机开发板为Arduino UNO开发板。
可选地,所述移动端与所述数据采集装置的无线连接方式选自以下中的至少一者:WiFi、4G、5G、蓝牙、ZigBee。
可选地,所述移动端设有对数据大小的显示范围进行放大或缩小的按钮,所述移动端设有数据保存按钮。
本实用新型的有益效果为:
1)通过听诊器与移动端的无线连接,可以将听诊器采集到的数据发送到移动端并在移动端应用程序上实时显示信号波形,让使用者可以方便地查看心脏活动的实时监测数据;
2)将压电薄膜设置为柔性,可以在听诊器表面平整地张紧,能够提供听诊器响应外部振动的最佳灵敏度,同时柔性的压电薄膜可以增强用户使用的舒适度,改进测量体验;
3)将数据采集装置内置于听诊器内部的设计可以使得听诊器***体积小巧,便于携带;
4)数据采集装置中的处理模块可以对采集信号进行放大、降噪及数模转换处理,将外界体温或环境电磁场噪音对采集信号的影响最小化,可以实现不受温度及电磁干扰的数字听诊器的功能,提高测量的准确性;
5)移动端上设置的按钮可以对波形显示范围可调以方便用户查看波形,同时设置数据保存按钮,便于远程医生提供在线指导,也能够为专用健康状态分析软件提供基础数据,在可穿戴健康监测、家庭医疗、物联网等方面具有较高的应用价值。
本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例,但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中:
图1示意性示出了根据本实用新型实施例,基于压电薄膜的听诊器***的结构示意图;
图2示意性示出了根据本实用新型实施例,基于压电薄膜的听诊器的结构示意图;
图3示意性示出了根据本实用新型实施例,数据采集装置的结构示意图;
图4示意性示出了根据本实用新型实施例,移动端的应用程序界面示意图;
图5示意性示出了根据本实用新型实施例,基于压电薄膜的听诊器采集到的心音信号;
图6示意性示出了根据本实用新型实施例,进行心跳采集得到的数据波形图。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本实用新型的限制;为了更好地说明本实用新型的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本实用新型的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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实用新型和简化描述,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,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本实用新型的限制,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的具体含义。
本实用新型的基于压电薄膜的数字听诊器***的结构如图1所示,主要包括:基于压电薄膜的听诊器110、数据采集装置120、移动端130。
听诊器110用于采集检测对象的声音信号和/或振动信号,并将其转化为电信号。优选地,检测目标对象可以为心冲击图、脉搏和心音信号,例如,听诊器110可以在贴附于心脏处的皮肤表面时采集心冲击信号。
数据采集装置120与听诊器110电连接,用于接收听诊器110的电信号、对电信号进行处理并将处理后的数据发送到移动端130。优选地,数据采集装置120通过射频线与听诊器110连接,采集听诊器110的电信号并通过内置的无线传输模块将数据发送到移动端130。
移动端130与数据采集装置120无线连接,用于接收数据采集装置120通过无线传输模块发送的数据并根据所发送的数据绘制数据波形,同时进行数据存储。
听诊器110的结构如图2所示,主要包括压电薄膜112、支撑片113、外壳。其中,外壳由上盖111、下盖116构成。压电薄膜112为可以感应外部声音或振动的敏感层,并将声音或振动转化为电信号输出,输出电信号的频率通常与外部振动的频率一致,电信号的幅度通常与外部振动的幅度成正比。支撑片113具有凸起面,而且能够使压电薄膜112在听诊器110表面平整地张紧,以提供听诊器110响应外部振动的最佳灵敏度。优选地,压电薄膜112被上盖111和支撑片113压紧,并且在支撑片113的凸起面上平整地张紧。外壳用于紧固压电薄膜112,同时对听诊器110内部的所有组件进行封装。另外,可以对听诊器110内部各组件进行特定的排布而出现空腔115,优选地,空腔115在下盖116与支撑片113之间形成。
可选地,听诊器110还包括连接线(未示出),连接线用于连接压电薄膜112与数据采集装置120,以传导压电薄膜112输出的电信号,所述连接线包括但不限于射频线等。优选地,连接线具有绝缘层或/和屏蔽层,以最大限度降低静电或外部噪声的干扰。
在一些实施例中,压电薄膜112在材料选择上需使用压电聚合物材料,以保证足够的接触紧密度和舒适度,所述压电聚合物材料包括但不限于聚左旋乳酸、聚右旋乳酸、聚偏二氟乙烯等压电聚合物,优选地选用为聚左旋乳酸、聚右旋乳酸,因为这类材料不具有热释电性质,可以提高听诊器采集信号的准确度。优选地,压电薄膜112两面镀有导电材料,导电材料包括但不限于金、银、铜、铝、氧化铟锡等。
在一些实施例中,支撑片113选用能够提供一定强度支撑而硬度较低的塑料材料,以避免金属材料锐利的边缘损坏压电薄膜。优选地,支撑片113的材料为聚四氟乙烯。
在一些实施例中,所述听诊器110的结构和尺寸根据实际需求可以进行调整,关键性特征包括听诊器本身的几何外形尺寸、支撑片的结构和材料、以及外壳的材料和封装方式等。
在一些实施例中,听诊器110与数据采集装置120布置为相互独立的器件。在这种情况下,数字听诊器***还包括接线部114、第一连接线和第二连接线,接线部114位于下盖116表面或横穿于下盖116内部,用于提供听诊器110与数据采集装置120的连接点;第一连接线位于空腔115内并穿过支撑片113将压电薄膜112与接线部114相连,第一连接线与所述第二连接线在接线部114处连接,第二连接线的另一端连接至数据采集装置120,从而将听诊器110连接至数据采集装置120。可选地,在本实用新型用于原理验证的实施例中,接线部114为SMA线的接线座,第二连接线为SMA转BNC线;优选地,接线部114为BNC线的接线座,第二连接线为BNC线。
在一些实施例中,听诊器110与数据采集装置120布置为一体式器件。其中,数据采集装置120是由微机电***(MEMS)制造工艺制作的小型化集成电路,因此可以与听诊器110集成在一台便携式设备中。在这种情况下,空腔115可以用于为数据采集装置120提供容纳空间。压电薄膜112通过连接线直接连接至数据采集装置120,而无需接线部114。可选地,空腔115中具有隔断部,隔断部用于将压电薄膜112与数据采集装置120分隔开,并在空腔115内做电气绝缘和电磁屏蔽处理。
数据采集装置120的结构如图3所示,主要包括微处理器121、电压放大模块122、降噪模块123、模数转换模块124、无线通信模块125、电源管理模块126和电池127。来自听诊器110的信号从电压放大模块122的信号输入端进入数据采集装置120,依次经过电压放大模块122、降噪模块123、模数转换模块124、微处理器121进行处理,最后通过无线通信模块125发送至移动端130。
电压放大模块122可以实时地对来自听诊器110的原始模拟信号进行初步放大处理,使其满足电学处理的基本要求,经过预放大的模拟信号进入降噪模块123。在一些实施例中,电压放大模块122可以附带稳压单元,用于为电压放大模块122提供所需的稳定的供电电压和参考电压,以保证电压放大功能的稳定性。
降噪模块123用于去除在听诊器110进行信号采集的过程中引入的无关信号,例如心肺活动发出的声音信号、尤其是高频噪声,同时对电压放大模块122产生的电学噪声进行去除和/或抑制,而后将经过降噪处理的模拟信号传输给模数转换模块124。可选地,降噪模块123为低通滤波器;可选地,降噪模块123由包含电阻和电容的简易低通滤波电路构成,通过调节电阻和电容的选型可以改变滤波电路的截止频率;可选地,降噪模块123由包含一个或数个芯片的复杂滤波电路构成,以提供更丰富的滤波特性。
优选地,本实用新型提供的电压放大模块122、降噪模块123根据听诊器110的电气特性进行了专门化设计,使得能够匹配压电薄膜112的高输出阻抗。具体地,电压放大模块122使用电荷积分电路,以匹配压电薄膜122的高输出阻抗。例如,降噪模块123可以根据检测信号的特征,通过调整电路的结构和振荡频率,对滤波电路的截止频率进行调整。
模数转换模块124用于将经过前置处理的模拟信号转换为数字信号,传入微处理器121。可选地,模数转换模块124在来自微处理器121的时钟信号的控制下,将经过放大和降噪处理的模拟信号转换为数字信号。
微处理器121中储存有数据处理程序,并按照该数据处理程序对信号进行处理,将处理后的信号传输给无线通信模块125。可选地,微处理器121可以控制模数转换模块124和无线通信模块125,例如,可以控制无线通信模块125将数据进行广播或点对点传输给绑定的移动设备。
无线通信模块125用于将微处理器121传递的信息发送给移动端130。可选地,无线通信模块125的通信方式包括但不限于WiFi、4G、5G、蓝牙、ZigBee等。
电源管理模块126用于从电池127接收电输入,并对其进行稳压处理,同时能够为整体/部分数据采集装置120提供稳定的供电。优选地,供电连接线如图3中的虚线所示,需要由电源管理模块126进行供电的模块包括微处理器121、电压放大模块122、模数转换模块124、无线通信模块125。
在本实用新型用于原理验证的实施例中,可以将电源管理模块126、模数转换模块124和微处理器121集成于单片机开发板内部,换言之,数据采集装置120中的微处理器121、模数转换模块124和电源管理模块126可以由单片机开发板中的集成功能代替实现。可选地,单片机开发板包括但不限于Arduino UNO开发板。具体工作过程为,将经过降噪处理的模拟信号接入Arduino UNO开发板的模拟信号端口作为信号输入,将Arduino UNO开发板的数字信号端口连接无线通信模块125作为信号输出。
在***供电方面,Arduino UNO开发板的供电可以采用USB接口连接至电脑供电的方案,也可以采用可充电锂电池或干电池进行供电的方案。在一些要求设备体积尽可能小的实施例中,可以使用纽扣电池进行供电,例如,使用3节3V锂锰纽扣电池进行供电。
图4为本实用新型实施例提供的移动端130的应用程序界面示意图。该移动端130及其应用程序具有的功能包括但不限于连接无线通信模块125、根据自身通信模块接收到的数据连续绘制波形、波形显示范围可调、保存数据至文件等。
在一些实施例中,移动端的应用程序通过调用移动设备的无线通信模块,接收数据采集装置120发送的数据,将数据点绘制为折线图并实时打印在屏幕上。可选地,移动设备的无线通信模块包括但不限于手机端蓝牙模块、WiFi模块、4G模块、5G模块。
在一些实施例中,移动端的应用程序设有放大或缩小数据大小的显示范围的按钮,显示范围可以由用户数据的大小自行调整,以方便用户查看波形。
在一些实施例中,移动端的应用程序设有数据保存按钮,通过点击该按钮,应用程序可以在本地生成文本文档,并将接收到的数据保存在该文本文档中。
本实用新型的基于压电薄膜的数字听诊器***进行心音采集测试的工作流程如下:
首先,使用听诊器110进行心音采集测试,直接输出的模拟信号如图5所示。该信号为被测对象的心音信号,可以用于对被测对象的心血管健康状态进行量化分析。
而后,将听诊器110采集的信号传输至数据采集装置120进行处理,将经处理后的数据发送至移动端130,根据移动端130的应用程序生成数据文件,绘制出被测试者的心冲击波形图如图6所示。数据显示被测试者的心律是80次/分,处于正常成年人的心律范围内,说明该数字听诊器***采集到的心冲击波形的频率与心脏活动频率一致。
通过上述技术方案,本实用新型提供的基于压电薄膜的数字听诊器***有益效果为:
1)通过听诊器与移动端的无线连接,可以将听诊器采集到的数据发送到移动端并在移动端应用程序上实时显示信号波形,让使用者可以方便地查看心脏活动的实时监测数据;
2)将压电薄膜设置为柔性,可以在听诊器表面平整地张紧,能够提供听诊器响应外部振动的最佳灵敏度,同时柔性的压电薄膜可以增强用户使用的舒适度,改进测量体验;
3)将数据采集装置内置于听诊器内部的设计可以使得听诊器***体积小巧,便于携带;
4)数据采集装置中的处理模块可以对采集信号进行放大、降噪及数模转换处理,将外界体温或环境电磁场噪音对采集信号的影响最小化,可以实现不受温度及电磁干扰的数字听诊器的功能,提高测量的准确性;
5)移动端上设置的按钮可以对波形显示范围可调以方便用户查看波形,同时设置数据保存按钮,便于远程医生提供在线指导,也能够为专用健康状态分析软件提供基础数据,在可穿戴健康监测、家庭医疗、物联网等方面具有较高的应用价值。
在本说明书的描述中,具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种基于压电薄膜的数字听诊器***,其特征在于,包括:
基于压电薄膜的听诊器、数据采集装置以及移动端;
所述听诊器用于采集检测对象的声音信号和/或振动信号,并将所述声音信号和/或振动信号转化为电信号;
所述数据采集装置与所述听诊器电连接,用于接收所述听诊器的电信号、对所述电信号进行处理并将处理后的数据发送到所述移动端;
所述移动端与所述数据采集装置无线连接,用于接收所述数据采集装置发送的数据并根据所述数据绘制数据波形。
2.根据权利要求1所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述听诊器包括柔性的压电薄膜、支撑片、上盖和下盖;
所述压电薄膜位于所述上盖与所述支撑片之间并且在所述支撑片一侧平整地张紧,所述压电薄膜的两面附加有电极,所述下盖与所述支撑片之间形成空腔。
3.根据权利要求2所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述听诊器与所述数据采集装置是相互独立的器件,所述数据采集装置与所述听诊器通过接线部进行连接,所述接线部位于所述下盖的表面或横穿于所述下盖内部;
所述数字听诊器***还包括第一连接线和第二连接线,所述第一连接线位于所述空腔内并将所述压电薄膜与所述接线部相连,所述第一连接线与所述第二连接线在所述接线部处连接,所述第二连接线的另一端连接至所述数据采集装置。
4.根据权利要求3所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述连接线为射频线,所述连接线具有绝缘层和/或屏蔽层。
5.根据权利要求2所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述听诊器与所述数据采集装置是一体式器件,所述数据采集装置位于所述空腔内,所述空腔中具有隔断部,所述隔断部将所述数据采集装置与所述压电薄膜分隔开。
6.根据权利要求1所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述数据采集装置包括电压放大模块、降噪模块、模数转换模块、微处理器、无线通信模块,所述电信号依次经过电压放大模块、降噪模块、模数转换模块、微处理器进行处理;
所述电压放大模块用于对所述电信号进行放大处理,所述降噪模块用于对所述电信号进行降噪处理,所述模数转换模块用于将所述电信号由模拟信号转换为数字信号,所述微处理器用于按照其中储存的数据处理程序对所述数字信号进行处理,所述无线通信模块用于将处理后的数据发送至所述移动端。
7.根据权利要求6所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述电压放大模块和所述降噪模块被配置成能够匹配所述压电薄膜的输出阻抗。
8.根据权利要求6所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述电压放大模块具有稳压单元,所述降噪模块为低通滤波器并能够对滤波电路的截止频率进行调整。
9.根据权利要求6所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述数据采集装置还包括电源管理模块和电池,所述电源管理模块从所述电池接收电输入并对所述电输入进行稳压处理,为所述电压放大模块、模数转换模块、微处理器和无线通信模块供电。
10.根据权利要求9所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述电源管理模块、所述模数转换模块和所述微处理器集成于单片机开发板内部,所述单片机开发板为Arduino UNO开发板。
11.根据权利要求1所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述移动端与所述数据采集装置的无线连接方式选自以下中的至少一者:WiFi、4G、5G、蓝牙、ZigBee。
12.根据权利要求1所述的数字听诊器***,其特征在于,
所述移动端设有对数据大小的显示范围进行放大或缩小的按钮,所述移动端设有数据保存按钮。
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