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CN108024760B - 可穿戴式呼吸疾病监测设备 - Google Patents

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CN108024760B
CN108024760B CN201680053359.2A CN201680053359A CN108024760B CN 108024760 B CN108024760 B CN 108024760B CN 201680053359 A CN201680053359 A CN 201680053359A CN 108024760 B CN108024760 B CN 108024760B
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Health Care Originals Inc
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Abstract

公开了一种可以通过呼吸组件用于任何状况的监测和警报系统。根据用户的基线跟踪呼吸症状以及辅助的生理功能，并在趋势恶化时提醒用户。该系统独立于可穿戴设备中，可检测并记录信号，分析信号并生成警报。可穿戴设备在使用过程中不受束缚，并且可以以各种方式(例如使用粘合剂、衣服、夹子、皮带、链条、项链、耳机、衣服电路等)连接到身体上。信息可以进一步无线传输并通过有线传输到设备、云存储等。

Description

可穿戴式呼吸疾病监测设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年9月14日提交的第62/218,109号美国临时专利申请的优先权并且通过引用并入于此。
技术领域
本发明的一个或多个实施例一般涉及监测和警报系统。更具体地说，本发明涉及用于通过呼吸组件来监测和提醒用户任何状况的系统和方法。
背景技术
以下背景信息可以呈现现有技术的特定方面(例如但不限于方法、事实或常识)的示例，虽然预期有助于进一步教育读者关于现有技术的其他方面，但是不应被解释为将本发明或其任何实施例限制于其中所陈述或隐含的或推断的任何实施例。
呼吸测量可以提供对个人健康的洞察。呼吸测量可以指示个体的生理和/或精神状态，以及关于医学状况诊断的预兆。例如，呼吸测量可以提供对个人的压力水平的洞察，并且可以证实更严重的肺部病症失常，例如与慢性阻塞性肺病(COPD)和哮喘相关的病症。
哮喘可被认为是需要频繁使用紧急护理服务的最可预防的状况之一。为防止住院和急诊就诊，医生可能需要准确评估受试者的哮喘症状控制情况。受试者对其哮喘控制的感知和看护者的感知可能非常不同且经常可能与客观测量不相关。由于哮喘表型不同、哮喘控制感知较差以及哮喘成本增加，适当的哮喘控制措施非常重要。这些控制措施包括监测用户呼吸参数以获得患者症状的准确评估的方法。
然而，传统上，呼吸监测已经发生在临床环境中，其得益于呼吸监测设备的发展，目前的呼吸监测设备固定、缺乏便携性并且难以使用。其它类型的呼吸监测设备是连接到另一个设备以获得其完整功能的设备。
这些传统设备包括连接到具有或不具有数据记录器的传感器的智能设备(例如智能手机)，其中传感器数据在智能设备上发生有意义的处理、缺乏检测、数据记录和分析声学生理信号的能力的可穿戴设备、必须体现在背心或其他大于预期可穿戴设备的系统中的可穿戴设备、与另一个与可穿戴设备分开封装的组件或设备进行有线或无线连接的可穿戴设备、尝试检测推断声学生理信号存在的可穿戴设备。
许多常规设备存在以下的一个或多个问题：体积庞大或沉重的设备需要同样的用于固定到身体上的纤细装置；有线或无线传感器与处理和数据记录组件分离的需求；需要在与感测和/或数据记录组件分离的设备/系统上处理数据；功耗大，需要大量的储能设备可能与能量采集设备一起工作；传感器和处理设备之间需要连续的数据传输；由于收集需要大量空间的子组件，设备往往很大；设备往往具有低处理能力来补偿尺寸和功耗；由于功耗大的性质，设备往往运行时间短；并且设备往往需要其他设备的完整功能，例如处理信息或长距离传输数据的附加设备。
可以看出，可用于呼吸监测的设备存在重大缺陷。这导致了哮喘监测系统的评估，称为哮喘监测自动设备的出现，这代表了迄今为止最引人注目的解决方案。但是，这个解决方案在上述段落提出的很多问题上都失败了。
鉴于上述情况，显然需要一种能够连续检测、测量、记录、数据记录(data-log)、分析并与基准，声学生理信号(即心肺信号)以及体温和反射率导出的血氧水平进行比较并在微型、非固定、自主可穿戴设备中捕获相应的活动和运动的设备。该设备应该(1)提供包括声学生理信号的呼吸系统的实时监测；(2)实时捕获活动数据；(3)能够在广阔的区域内向一个或多个设备传输有意义的数据；(4)具有相对小的形状因数；以及(5)具有全天测量的连续运行时间。如下所述，本发明提供了满足常规设备的一个或多个缺陷的设备。
发明内容
本发明的实施例提供了一种可穿戴式生理监测设备，包括：至少一个传感器，用于测量用户的生理参数；声学传感器，用于接收声学信号；以及集成处理器，用于分析从至少一个传感器和声学传感器接收到的数据，并将测量的生理属性与用户的基线进行比较。
本发明的实施例还提供了一种可穿戴式呼吸和生理监测设备，包括：至少两个不同传感器，用于测量用户的生理参数；声学传感器，用于接收声学信号；预处理器，用于执行来自至少两个不同传感器和声学传感器的信号的第一处理；以及主处理器，周期性地运行以分析从至少两个不同的传感器和声学传感器接收的数据，并将测量的生理特性与用户的基线进行比较。
本发明的实施例还提供了一种用于测量用户的生理参数的方法，包括：在用户处布置可穿戴设备；通过至少一个传感器测量用户的至少一个生理参数；通过声学传感器测量来自用户传感器的声学信号；通过集成处理器分析从至少一个传感器和声学传感器接收的数据；并将测量的生理属性与用户的基线进行比较。
在一些实施例中，至少一个传感器包括布置在传感器阵列中的至少两个不同的传感器。
在一些实施例中，集成处理器包括用于执行来自至少一个传感器和声学传感器的信号的第一处理的预处理器。缓冲器/存储器可以用于存储由预处理器处理之后的信号。
在一些实施例中，集成处理器包括主处理器，主处理器如本文所定义的那样周期性地运行。主存储器可以用于存储由主处理器处理的信号。
在一些实施例中，该设备可以包括用于向外部设备发送数据或警报的数据通信模块。数据通信模块可以如本文所定义的那样周期性地或者根据需要运行以发送警报。
该设备可以执行全天测量的实时连续监测。
通常，声音信号被直接从用户腰部和颈部的基部之间的用户表面检测并记录。
传感器可以布置在传感器阵列中，传感器阵列可以包括加速度计、陀螺仪、麦克风、温度传感器、振动传感器、光学传感器和用于测量身体的电势的传感器。以上描述的一些或全部传感器可以根据期望的信息准确度和深度来使用。
参照下面的附图、说明书和权利要求书，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。
附图说明
本发明的一些实施例作为示例来进行说明，并且不受附图中的图示的限制，其中相同的附图标记表示类似的元素。
图1A至图1C示出根据本发明的示例性实施例的用于用户上的一个或多个可穿戴设备的各种布置选项；
图2示出了图1A至图1C中所示的可穿戴设备的不同构造；
图3示出了根据本发明的示例性实施例的可穿戴设备的侧视图；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的在可穿戴设备内执行的示例性处理；
图5示出了根据本发明的示例性实施例的在声学传感器附近的可穿戴设备的剖视图；以及
图6示出了根据本发明的示例性实施例的可穿戴设备的壳体的侧视图，示出了厚度减小区域以帮助促进随着身体运动而弯曲。
除非另有说明，附图中的图示不一定按比例绘制。
现在可以通过以下详细描述(其中描述了所示的实施例)以更好地理解本发明及其各种实施例。应该清楚地理解，所示出的实施例作为示例而不是限制由权利要求书最终限定的本发明。
具体实施方式
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在包括复数形式以及单数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元素、组件和/或其组合。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在常用字典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关技术和本公开中的含义相一致的含义，并且将不被理解为理想化的或过分正式的意义，除非本文明确地如此定义。
在描述本发明时，将会理解，公开了许多技术和步骤。其中每一个都有各自效果，并且每个都可以与其他公开的技术中的一个或多个或在一些情况下全部一起使用。因此，为了清楚起见，该描述将避免以不必要的方式重复各个步骤的每个可能的组合。尽管如此，说明书和权利要求书应理解为这些组合完全在本发明和权利要求书的范围内。
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。
本公开被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制于以下附图或描述所示的具体实施例。
除非另外明确规定，彼此至少一般通信的设备或系统模块不需要彼此持续通信。另外，彼此至少一般通信的设备或系统模块可以直接或通过一个或多个中间媒介间接通信。
具有彼此通信的若干组件的实施例的描述并不意味着需要所有这些组件。相反，描述各种可选组件以说明本发明的各种可能的实施例。
“计算机”或“计算设备”可以指能够接受结构化输入、根据规定规则处理结构化输入并且产生处理结果作为输出的一个或多个设备和/或一个或多个系统。计算机或计算设备的示例可以包括：计算机；固定式和/或便携式计算机；具有可并行和/或不并行操作的单处理器、多处理器或多核处理器的计算机；通用计算机；超级计算机；大型机；超级迷你计算机；迷你计算机；工作站；微型计算机；服务器；客户机；交互式电视；网络设备；具有互联网接入的远程通信设备；计算机和交互式电视的混合组合；便携式计算机；平板电脑(PC)；个人数字助理(PDA)；便携式电话；模仿计算机和/或软件的应用程序专用硬件，例如数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、芯片、多个芯片、片上系统或芯片组；数据采集设备；光学计算机；量子计算机；生物计算机；一般而言，可以接受数据、根据一个或多个存储的软件程序处理数据、产生结果并且通常包括输入、输出、存储、算术、逻辑和控制单元的装置。
“软件”或“应用程序”可以指用来操作计算机的规定规则。软件或应用程序的示例可以包括：以一种或多种计算机可读语言编写的代码段；图形和/或文字说明；小程序；预编译代码；解释代码；编译代码；以及计算机程序。
本文描述的示例实施例可以在包括安装在计算机上的计算机可执行指令(例如，软件)的操作环境中、在硬件中或在软件和硬件的组合中实现。计算机可执行指令可以用计算机编程语言编写，或者可以用固件逻辑来实现。如果用符合公认标准的编程语言编写，则可以在各种硬件平台上并且针对连接到各种操作系统的接口执行这些指令。尽管不限于此，但可以以一种或多种合适的编程语言的任意组合来编写用于执行本发明的各个方面的操作的计算机软件程序代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言和/或常规的过程性编程语言，和/或诸如超文本标记语言(HTML)、动态HTML、可扩展标记语言(XML)、可扩展样式表语言(XSL)、文档样式语义和规范语言(DSSSL)、级联样式表(CSS)、同步多媒体集成语言(SMIL)、无线标记语言(WML)、Java.TM.、Jini.TM.、C、C++、Smalltalk、Python、Perl、UNIXShell、Visual Basic或Visual Basic Script、虚拟现实标记语言(VRML)、ColdFusion.TM.或其他编译器、汇编器、解释器或其他计算机语言或平台。
用于执行本发明的各个方面的操作的计算机程序代码可以以一种或多种编程语言的任何组合来编写，所述编程语言包括面向对象的编程语言，诸如Java、Smalltalk、C++等，以及常规的过程性编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。程序代码可以完全在用户的计算机上、部分在用户的计算机上、作为独立的软件包、部分在用户的计算机上、部分在远程计算机上、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户的计算机，或者可以连接到外部计算机(用于例如通过互联网使用互联网服务提供商)。程序代码也可以分布在多个计算单元中，其中每个单元处理总计算的一部分。
互联网是计算机和计算机网络的全球网络，用于在计算机用户之间轻松而稳健地交换信息。全球数以亿计的人可以通过互联网服务提供商(ISP)访问连接到互联网的计算机。内容提供商(例如，网站所有者或运营商)在被称为网页的互联网上的特定位置处放置多媒体信息(例如，文本、图形、音频、视频、动画和其他形式的数据)。网站包含一系列关联或以其他方式相关的网页。所有网站及其在互联网上的相应网页的组合通常称为万维网(WWW)或简称为网(Web)。
尽管过程步骤、方法步骤、算法等可以按序列顺序描述，但是这样的过程、方法和算法可以被配置成以交替的顺序工作。换句话说，可能描述的步骤的任何序列或顺序不一定表示要求以该顺序执行这些步骤。这里描述的过程的步骤可以以任何实际的顺序执行。此外，一些步骤可以同时执行。
显而易见的是，本文描述的各种方法和算法可以通过例如适当编程的通用计算机和计算设备来实现。典型地，处理器(例如微处理器)将接收来自存储器或类似设备的指令，并执行这些指令，由此执行由这些指令定义的过程。此外，实现这些方法和算法的程序可以使用各种已知介质来存储和传输。
当本文描述单个设备或物品时，显而易见的是可以使用多于一个设备/物品(不管它们是否配合)代替单个设备/物品。类似地，在本文描述了多于一个设备或物品(不管它们是否配合)的情况下，显而易见的是，可以使用单个设备/物品来代替多于一个设备或物品。
本文使用的术语“计算机可读介质”是指参与提供可以由计算机、处理器或类似设备读取的数据(例如，指令)的任何介质。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质包括动态随机存取存储器(DRAM)，其通常构成主存储器。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成耦合到处理器的系统总线的导线。传输介质可以包括或传送声波、光波和电磁发射，例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的那些。计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光介质、打孔卡、纸带、任何具有孔图案的其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASHEEPROM、任何其它存储器芯片或盒式磁带、以下所述的载波或计算机可读取的任何其他介质。
计算机可读介质的各种形式可能涉及将指令序列传送给处理器。例如，指令序列(i)可以从RAM传送到处理器，(ii)可以通过无线传输介质传送，和/或(iii)可以根据多种格式、标准或协议(例如蓝牙、TDMA、CDMA、3G)来格式化。
在描述数据库的情况下，本领域普通技术人员将会理解：(i)可以容易地使用所描述的那些数据库结构的替代数据库结构，(ii)可以容易地使用除了数据库之外的其他存储结构。本文中呈现的任何样本数据库的任何示意图和相关描述是用于存储的信息表示的示例性设置。除了所示表格中提出的那些以外，可以采用任何其他的设置。同样地，数据库的任何示出的条目仅代表示例性信息；本领域技术人员将理解，条目的数量和内容可以不同于本文所示的条目。此外，尽管将数据库描述为表格，但是可以使用基于对象的模型来存储和操作本发明的数据类型，并且同样地，可以使用对象方法或行为来实现本发明的过程。
本发明的实施例可以包括用于执行本文公开的操作的装置。装置可以为了所需的目的而专门构造，或者它可以包括通过存储在设备中的程序选择性地激活或重新配置的通用设备。
除非特别指出，并且从以下描述和权利要求书中可以明显看出，应该理解的是，在采用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等术语的说明书描述中，指的是计算机或计算系统或类似电子计算设备的动作和/或过程，该动作和/或过程将计算系统的寄存器和/或存储器内表示为物理(例如电子)量的数据操作和/或变换成类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
以类似的方式，术语“处理器”可以指任何设备或设备的一部分，其处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据转换为可以存储在寄存器和/或存储器中或者可以被传送到外部设备以引起外部设备的物理变化或致动的其他电子数据。
概括地说，本发明的实施例涉及一种具有呼吸组件的用于任何状况的监测和警报系统。根据用户的基线跟踪呼吸症状以及辅助的(supporting)生理功能，并在趋势恶化时提醒用户。系统独立于可穿戴设备中，可检测并记录信号，分析信号并生成警报。可穿戴设备在使用过程中不受束缚，并且可以以各种方式(例如使用粘合剂、衣服、夹子、皮带、链条、项链、耳机、衣服电路等)连接到身体上。信息可以进一步无线传输并通过有线传输到设备、云存储等。
目前，没有连续监测、微型、非固定、自主呼吸设备可以检测和测量类似于普通办公室实践设备(如温度计、听诊器、血氧仪和血压计)的传统症状。此外，目前还没有连续监测、微型、非固定、自主设备可以测量用户的体温、血氧浓度、脉搏和血压，同时记录活动信息，该活动信息被进一步分析以识别异常情况。此外，目前还没有连续监测、微型、非固定、自主设备完成至少两种不同的测量，并确定用户的基线，目的是指示症状与自生基线相比何时恶化。本发明提供了提供现有技术中缺乏的这些特征的设备、系统和方法。
此外，目前没有用于长期的实时使用的非固定设备可以检测和监测身体信号的阵列，其中声学信号是关键的，例如需要从腰部和颈部的基部之间的身体表面直接检测并记录声学信号(即接触感测)。这与尝试通过松散地连接/佩戴在身体上或附属物上或颈部上或作为耳机的设备或麦克风收集音频信号是不同的。而且，不存在声学信号伴随着上部躯干的运动的非固定设备，使得该运动也被检测并且与音频匹配以进行时间关联。市场上可用的设备可以测量除声学以外的各种信号或仅可以测量短期的声学信号。最靠近的设备是护理点或床边实施。
声学信号是许多应用的关键，从心脏病学应用到呼吸系统。迄今为止，几乎所有的心脏病学应用都是作为非声学系统实施的，但现在这使得声学实现成为可能。
这些实施是为了在一段时间内收集数据以帮助治疗和/或诊断。分析取决于最终用户相应处理信号。此外，它还可以用于非专业人士的普通健康，其应用范围很广，并且每天都在增长。
本发明的设备和系统可以连续地检测、测量、记录、数据记录、分析并与基准声学生理信号(即心肺信号)以及体温和反射率导出的血氧水平进行比较并在微型、非固定、自主可穿戴设备中捕获相应的活动和运动。本发明的设备和系统可以(1)提供包括声学生理信号的呼吸系统的实时监测；(2)实时捕获活动数据；(3)能够在广阔的区域内向设备传输有意义的数据；(4)具有相对小的形状因数；以及(5)具有全天测量的连续运行时间。
图1A至图1C示出了附接到用户10的可穿戴设备12。通常，单个可穿戴设备12可以被附接并且包括如下面所讨论的内置于其中的多个功能。在一些实施例中，用户可以在不同的位置佩戴多于一个可穿戴设备12。例如，在需要分别检测每个肺中的喘呜或罗音的情况下，可以在每个肺部位置处佩戴两个可穿戴设备12。图1A至图1C示出了可穿戴设备12中的一个或多个可位于用户10的身体上的不同位置的示例。当然，在本发明的范围内考虑了那些具体示出的位置之外的其他位置。
可穿戴设备12可以采取各种形状或尺寸的形式。图2示出了可穿戴设备12的各种形状和尺寸的示例。在一些实施例中，具体尺寸和形状可以取决于特定应用、期望的佩戴位置、用户的活动水平等。
参考图3，例如，当可穿戴设备12附接到皮肤表面时，可穿戴设备12可经由粘合剂14附着到安装材料16。然后可以用粘合剂18将安装材料16附接到用户10的皮肤上，以与皮肤粘合。
现在参考图4和图5，可穿戴设备12可以包括各种组件和/或模块。可穿戴设备可以包括一个或多个传感器42，通常为用于检测佩戴者的各种生理参数的多个传感器42。传感器42可以包括一个或多个声学传感器50，其可以嵌入到保护层52中，该保护层促进通过可穿戴设备12的壳体54的声音传输。可穿戴设备12可以还包括用于传感器数据的预处理器44、缓冲器/存储器46、主处理器48和主存储器58。可穿戴设备12还可以包括警报产生机构(未示出)，以提醒用户与基线相比测量的生理或声学参数的显著变化。在一些实施例中，警报生成可以由接收来自可穿戴设备12的信号的外部设备执行。这些组件中的每一个将在下面更详细地讨论。
传感器阵列中的传感器42可以包括以下中的一个或多个：加速度计、陀螺仪、麦克风(其中麦克风可以是电容式、压电式、电磁式、驻极体等中的任何一种)、温度传感器(其中温度传感器可以是热电偶、RTD、热敏电阻、红外等中的任何一种)、振动传感器、光学传感器(其中光学传感器可以被配置用于各种应用)和用于测量身体的电势的传感器。以上描述的一些或全部传感器可以根据期望的信息准确度和深度来使用。
传感器阵列42利用预处理器44的处理。通常，预处理器44可以位于传感器42和/或传感器阵列上。预处理的范围从简单的信号调节到模式和事件识别。
此外，传感器42和/或传感器阵列可以包括将数据直接传输到存储器(进入缓冲器/存储器46)以供存储而不与主处理器48接合的能力。
另外，来自传感器42的信号可以保持分开或者被组合在传感器阵列内以形成传感器信号的融合。
预处理器44可以是低功耗类型的。尽管传感器42可能不被分类为低功耗，但它们连接到专用低功耗预处理器44以用于初始的信号处理。
通过首先在专用低功耗预处理器44处理传感器数据，然后将感兴趣事件直接存储到存储器58和/或缓冲器/存储器46中，实现降低的功耗。在一段时间和/或存储器计数之后，主处理器48可以运行来处理信号。原因在于主处理器48使用最多功率，因此应该尽可能在最短时间内运行。例如，主处理器48使用最多功率，因为它操作可穿戴设备12的主要功能和处理算法。传感器上的预处理器44仅运行基本筛选算法以及支持存储器转移，从而将其限定为低功耗应用。
可穿戴设备12可以根据时间表通过数据传输模块56无线传输数据。下一个主要功耗组件-无线电发射机(数据传输模块56的一部分)由于其非常低的占空比而被制成低功耗组件。尽管发射机按照完整的设计规格运行，但它在短时间内完成工作，从而降低功耗。通过对机载信号进行处理，设备得到结果，并且该结果对于显示、操作、传输等是简单的，因为它明显低于必须输出原始数据流。因此，这个简短结果的传输构成了极低的占空比。
此外，电源管理算法能够在电池电量不足时去除一些功能，从而在剩余电量上实现更长的运行时间。
这里应用的降低功耗的方法不仅仅是简单地使用低功耗组件，而是管理可穿戴设备12的过程和体系结构。
与外部设备的通信以及用于设置、信息中继、升级等的环境经由物理端口(未示出，但可以是例如微型和/或迷你USB端口)、无线地经由低功耗蓝牙、蓝牙常规、机器对机器(基于蜂窝)、体域网(Body Area Networks)、ZigBee等，并且该方法由应用确定。无线通信可以直接指向终端或中继单元，并且因此可以包含必要的天线。一种或多种通信方法可以内置于可穿戴设备12。
虽然可穿戴设备12用于穿在身体上的，虽然没有实质证据表明上述无线电通信导致身体伤害，但可穿戴设备12可以包含增加步骤以减少暴露。例如，无线基础设施的运行时间可以由用户设置，但从每十五分钟一次到每两小时一次。通过这样的程序，身体仅在那些时间内暴露于从设备发出的无线电信号。而且，在这些时间内的传输长度估计不超过九十秒，例如在设计功率下。
可穿戴设备12的通信范围取决于其操作。为了设置和可视化输出数据，例如，可穿戴设备12可以通过例如蓝牙和/或低功耗蓝牙架构连接到智能手机或智能设备。当智能手机或智能设备不可用或超出范围时，为了设置和可视化输出数据，设备可以通过蜂窝服务连接终端、中继单元或数据服务。在这种情况下，数据被重新路由到智能手机或智能设备，也可通过网络门户获得。
不管模式如何，设备都通过所有通信模式发送警报，从而增加超出体域网、蓝牙和BTLE、节点到节点Wi-Fi等的范围。
与市场上现有的设备相比，该可穿戴设备完全自主。目前的想法是处理耗电很大，所以传感器数据实时传输到另一个设备进行处理或周期性地上传进行处理。然后可穿戴设备基本上连接到另一个设备上，完成传感器数据的分析，致使其简化为数据采集设备。在该实施例中，本发明的可穿戴设备12能够根据存储的算法处理传感器数据以得出结果，并且进一步研究该结果，无论是作为实例还是以一组先前的结果来呈现包括生成警报的决定。
该过程通过使传感器输出耦合到快速低功耗处理器(例如预处理器44)来运行限定或过滤算法，消除与使用的传感器数据具有小于50％至80％相似性的传感器信息。与提供具有小于2％误差的响应的算法相比，能够以这种方式限定传感器数据的算法通常需要明显较少的运行功率。所选择的数据立即存储在同样快速的存储器中，例如缓冲器/存储器46，其中其被保存直到存储器满或指定的时间已经过去，以先发生者为准。此时，运行非常准确的算法的主处理器48被调用以处理存储的传感器数据。当感兴趣的信息发生间歇时，这可能导致仅10％至30％的时间段包含这些信息。因此，主处理器48操作较少，显著节省了功率。这构成了自主可穿戴设备运行的基础，其可用时间与那些不是自主的但是需要将实时数据传输到另一设备的可穿戴设备的时间相当。
上面实现的自主是独特的，并将可穿戴设备12放置在许多应用中，用于实时监测音频事件、运动事件或组合音频和运动事件。有趣的是，当前的实时监测产品连接到另一个设备的原因，即为了节省功耗，是实现全面的机载处理导致自主性即节省功耗的原因。
低功耗使得可以使用更小的电池；分布式处理使得不需要那么强大的处理器；在迷你包装中使用新传感器、最近在小型化方面取得进展等都在可穿戴设备12的最终物理性能中起作用。该设备的尺寸和重量与市场上的其他可穿戴设备相当，而这些可穿戴设备如上所述真的只是遥感器。
小形状因素在可穿戴性以及创新的制造方法方面起着重要作用。可穿戴设备12可以利用柔性电路板和柔性电池的最新研究进展。所有这三者耦合在一起产生的可穿戴设备可以符合人体运动时的轮廓，从而减少对可穿戴设备存在的意识。虽然目前的制造商正在硬壳体中继续开发，但根据本发明的实施例，可穿戴设备12被封装在坚固而柔软的材料中，从而减少了其对皮肤的感觉。如图6所示，可穿戴设备12的壳体材料60可以包括厚度减小区域62以便于随着身体移动而弯曲。
另外，可穿戴设备12被设计成适应粘附在其上的各种粘合剂，以便随后粘附到皮肤上。可穿戴设备12的轻质特性意味着粘合剂(例如图3的粘合剂14、18)可以不像许多现有可穿戴设备的粘合剂那样容易剥离。
如上所述，可穿戴设备12具有主处理器48或多个处理器以控制其操作、执行信号处理、执行利用信号数据和/或存储数据的算法、执行功率管理、存储器管理、用户交互、无线通信和任何其他过程和/或功能。
处理器48可以是低功耗类型，并且当它是这样的时候，该设备具有较长的运行时间。另外，可以将处理器48设置为按需执行程序或应用程序，而不必执行包括大部分或全部功能的指令集。
此外，程序或应用程序以及处理器的操作系统即使在启动操作之后也可以被修改、更改或更新。这种方法允许设备被用于多种用途，以及利用自动远程错误修复和/或功能增强。
通过对机载信号进行处理，可穿戴设备12得出结果，并且该结果对于显示、操纵、传输等是简单的，因为它明显小于必须输出原始数据流。
换句话说，主处理器48和通信模块56可以周期性地运行。如本文所使用的，可穿戴设备12的组件的周期性运行意味着组件运行少于其使用时间的50％，通常少于其使用时间的25％，并且通常少于其使用时间的10％使用时间。例如，如上所述，例如，无线基础设施可以按用户可设置的时间表运行，但是范围从每十五分钟一次到每两小时一次。而且，在这些时间内的传输长度例如在设计功率下估计不超过九十秒。这导致例如在15分钟的时间内(其中周期性地在这里意味着10％的时间)到2小时(其中周期性地在这里意味着1.25％的时间)内进行90秒的数据通信。
咳嗽是一种听觉症状，大多数制造商已严格采用基于音频的方法来识别它。在本发明的可穿戴设备12中，基于音频的咳嗽识别算法被用于与咳嗽相关的运动。通过组合两者，环境咳嗽(即不是源自用户的咳嗽)由于未检测到对应的咳嗽运动而被拒绝。虽然这看起来合乎逻辑，但以前的尝试并不富有成效，因为可穿戴设备需要特定的操作对齐。利用本发明的可穿戴设备12，通过其他传感器如陀螺仪来校正传感器定向。另外，近来发展到九自由度传感器现在可以准确捕获可穿戴设备12可以利用的有用的运动数据。
目前的咳嗽设备容易出现误报，需要庞大的计算机进行处理，有些甚至需要人为因素进行复查。可穿戴设备12利用学习迭代，学习迭代是音频事件识别算法的标准特征，以训练其在咳嗽识别中的技能。
当穿着可穿戴设备12时，它同时用作电子听诊器，但更重要的是，拾取人耳听觉之外的声音，这对于识别模式很重要。算法的多功能性意味着可穿戴设备可以编程为检测和记录可能从上躯干的区域收集到的几乎任何声学生理症状或事件。
目前，市场上还没有多传感器可穿戴设备，其中还包含实时检测和监测来自上躯干区域的基于音频的信号。这也适用于完全自主可穿戴设备。
可穿戴设备12可以进一步配备用于通过音频和振动方法检测和记录心率。
可穿戴设备12还可以配备用于通过热电偶、热敏电阻、红外等检测和记录身体皮肤温度。
示例-哮喘应用
可穿戴设备12可以用于各种应用。一种应用是在其发生之前检测到哮喘发作。传统上，哮喘监测主要集中在发作期间明显的症状，而不是之前；用于健康解决方案的声学监测侧重于复制听诊器的性能；分离的传感器倾向于拾取环境噪声到目标信号被遮蔽的程度；一些生理症状需要多种传感器类型才能同时记录症状的各种组成以确认症状。可穿戴设备12解决了传统设备的这些缺陷。
传统上，监测到表明哮喘发作的症状(无论是自我监测还是借助设备)一直是与持续发作有关的症状。主要原因是它们是最容易发现的，并且在需要时它们需要最简单的技术。例如，发作是由识别喘呜的自我监测方法确定的，或由通过肺活量计识别肺功能变化的设备监测方法确定。选择这些典型症状是为了匹配技术的可用性或易于理解，但它们都是持续性发作的一种症状，而这种发作更多地是一种反应发性的方法。
本发明的实施例集中于在发作一开始时出现的症状，这通常在发作期间发现的传统症状很久之前发生-哮喘发作随时间的推移而加剧。与传统的反应性方法相比，该方法具有前瞻性。早先了解指标可以在情况恶化之前采取补救措施。众所周知，这些症状很难在无需经常使用大量设备的情况下进行识别和监测。本发明的可穿戴设备12已经使设备组小型化，有助于以非侵入方式经常使用。
就听人体而论，听诊器是无与伦比的，因为听诊器直接与身体接触，并且声音被放大并直接传送给听者。实质上，听者实际上听到整个可听频谱而没有任何重大的损失。听诊器是医生检查并确定哮喘相关症状严重程度的关键。我们使用现有的数字听诊器的问题在于，我们需要复杂的拾音麦克风、全谱放大器和数字信号处理能力以获得高质量的信号-这些功能是模仿简单听诊器所必需的。对于哮喘症状监测，不需要全频谱麦克风和信号处理-仅用于所需的频率范围。本发明的实施例去除了导致尺寸、工艺要求和功耗减小的超额能力-本质上，其导致了针对听觉哮喘症状优化的超便携式听诊器。没有这个，可穿戴设备12可能在尺寸、功耗、相关性、成本等方面存在问题。
目前市场上用于感应和测量哮喘相关症状的方法很容易拾取和测量过多的和错误的数据。例如，智能手机或其他设备的内置麦克风即使佩戴在衣服口袋中或用带子固定也会拾取环境噪音。同样，耳机中的麦克风也会这样做。来自佩戴在口袋中、用带子捆绑等等的智能设备的加速度计都会拾取额外的运动，而引发错误。拿在手中的设备中的加速度计会拾取更多无关的数据。除非非接触式传感器单元伴随用户，非接触式传感器降低了完全移动性的能力，这是不切实际的。
本发明的可穿戴设备12可以定位传感器并将它们固定在最佳位置，从而显著降低外来的、环境的和错误的读数。此外，通过牢固地附接于用户，大部分信号的范围限于人体可能的范围。因此，可穿戴设备解决了具有错误和滋扰信号的问题，并且有助于拾取医生将寻找的症状。
就拾取人体症状而论，市场上可用的一些经过修改的设备(即增加了缺失的传感器)在结构上受到限制。大多数症状由多个参数组成，例如呼吸涉及运动、声音和振动，或者说咳嗽涉及声音、运动和振动。为了拾取这些症状，需要使用来自多于一种类型传感器的信号，并且这些信号必须彼此及时。类似地，识别症状的处理必须在每个信号上完成，而且处理对于每个信号通常是不同的。可用设备无法以有效方式实现支持作为可穿戴设备的实施这一点。
本发明的可穿戴设备12可以包括在第一种情况下内置的各种传感器，并且它们全部被拾取、采样、测量、存储和处理，使得它们的完整性被保留以得出症状被拾取并确定的结论。
虽然以上对可穿戴设备12的描述针对呼吸疾病，但本发明的可穿戴设备12可用于人类、家畜和其他动物的心脏病学、健康和其他健康/生物测定要求。此外，该设备可用于识别特定声音的任何应用，例如城市的枪击监测、森林中的链锯、采矿活动、自然保护区和公园的枪击监测、监测迁徙动物的到达、SIDS研究等。
虽然预期的应用是可穿戴设备，但从上面可以看出，它可以在任何天气条件下包装进行室外安装，也可以室内安装。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以做出许多改变和修改。因此，必须理解的是，所示出的实施例仅出于示例的目的而被阐述，并且它们不应被视为限制由所附权利要求书限定的本发明。例如，尽管权利要求的元素在下面以特定组合进行阐述，但必须清楚地理解，本发明包括所公开元素中的更少、更多或不同元素的其他组合。
本说明书中使用的用于描述本发明及其各种实施方式的词语不仅应当理解为其通常定义的含义，而且还应该通过本说明书中的特殊定义来包括它们表示单一物种的一般结构、材料或动作。
因此，在本说明书中定义所附权利要求书的词语或元素的定义不仅包括字面上阐述的元素的组合。因此从这个意义上说，可以设想，可以对于所述权利要求书中的任何一个元素进行两个或更多个元素的等同替换，或者可以将单个元素替换为权利要求中的两个或更多个元素。尽管上文可能将元素描述为以某些组合起作用并且甚至最初要求如此，但是应该明确理解的是，来自要求保护的组合的一个或多个元素可以在某些情况下从该组合中去除，并且可以指向要求保护的组合到子组合或子组合的变体。
明确地将本领域普通技术人员所看到的要求保护的主题的目前已知或以后设想的非实质性变化视为等同地在权利要求书的范围内。因此，本领域普通技术人员现在或以后知道的明显替代被定义为在所定义元素的范围内。
因此，权利要求书被理解为包括以上具体示出和描述的内容、概念上等同的内容、可以明显替代的内容以及包含本发明的基本思想的内容。

Claims (19)

1.一种可穿戴式生理监测设备，包括：
至少一个传感器，用于测量用户的生理参数；
声学传感器，用于接收声学信号；
预处理器，其能够用于接收来自所述至少一个传感器和所述声学传感器中的各个传感器的数据；
主处理器，其与所述预处理器是分开的处理单元，所述预处理器同时接收来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的输出，并对来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的信号执行基本筛选算法，以检测感兴趣事件，所述基本筛选算法从来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的信号中消除部分不满足用于检测感兴趣事件的预设标准的信号，以形成筛选后的信号；
缓冲器/存储器，用于存储所述筛选后的信号，
其中所存储的筛选后的信号由所述主处理器中的主处理器算法在预定的一段时间之后或预定的存储器计数之后周期性地处理，以确定所述筛选后的信号包括有所述感兴趣事件，所述主处理器算法检测感兴趣事件的准确率高于所述基本筛选算法；
主存储器，用于存储经由所述主处理器处理后的信号；
其中所述主处理器的功耗大于所述预处理器的功耗；以及
其中，所述至少一个传感器、所述声学传感器、所述主处理器和所述预处理器集成到单个可穿戴设备中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个传感器包括布置在传感器阵列中的至少两个不同的传感器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主处理器周期性地运行。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括用于存储由所述主处理器处理的信号的主存储器。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括用于向外部设备发送数据或警报的数据通信模块。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述数据通信模块周期性地或根据需要运行以发送警报。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备执行全天测量的实时连续监测。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声学信号直接从所述用户的腰部和颈部的基部之间的用户表面被检测并记录。
9.根据权利要求2所述的设备，其中，所述至少两个不同传感器中的至少一个是运动传感器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声学传感器被嵌入在便于通过所述设备的壳体传递声音的保护层中。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述壳体包括一个或多个厚度减小的区域以允许当附接到所述用户时弯曲所述厚度减小区域。
12.一种可穿戴式呼吸和生理监测设备，包括：
至少两个不同的传感器，用于测量用户的生理参数；
声学传感器，用于接收声学信号；
预处理器，用于执行来自所述至少两个不同的传感器和所述声学传感器的信号的基本筛选算法，形成预处理后的信号，所述基本筛选算法从来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的信号中消除部分不满足用于检测感兴趣事件的预设标准的信号，以形成所述预处理后的信号；
缓冲器/存储器，用于存储由所述预处理器预处理后的信号；
主处理器，周期性地运行以分析从所述缓冲器/存储器接收的数据，并且将测量的生理参数与用户的基线进行比较，其中
所述预处理器是与所述主处理器分开的处理单元，所述预处理器接收来自所述至少两个不同的传感器和所述声学传感器的输出；
所存储的预处理后的信号由所述主处理器中的主处理器算法在预定的一段时间之后或预定的存储器计数之后周期性地处理，以确定所述筛选后的信号包括有所述感兴趣事件，所述主处理器算法检测感兴趣事件的准确率高于所述基本筛选算法；
主存储器，用于存储由所述主处理器处理的结果信号；以及
所述主处理器的功耗大于所述预处理器的功耗。
13.根据权利要求12所述的设备，还包括用于存储由所述主处理器处理的信号的主存储器。
14.根据权利要求12所述的设备，还包括用于向外部设备发送数据或警报的数据通信模块。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述数据通信模块周期性地或根据需要运行以发送警报。
16.根据权利要求12所述的设备，其中，所述设备执行全天测量的实时连续监测。
17.一种用于测量用户的生理参数的方法，包括：
在用户身上布置可穿戴设备；
通过至少一个传感器测量所述用户的至少一个生理参数；
通过声学传感器测量来自所述用户感应的声学信号；
通过集成处理器分析从所述至少一个传感器和所述声学传感器接收的数据，所述集成处理器包括预处理器和主处理器，所述预处理器是与所述主处理器分开的处理单元，所述预处理器同时接收来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的输出；以及
其中，所述通过集成处理器分析从所述至少一个传感器和所述声学传感器接收的数据的步骤包括通过预处理器执行基本筛选算法以从所述至少一个传感器和所述声学传感器接收的输出中检测出感兴趣事件，以及将由检测感兴趣事件的基本筛选算法产生的预处理后的信号存储在缓冲器/存储器中，所述基本筛选算法从来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的信号中消除部分不满足用于检测感兴趣事件的预设标准的信号，以形成所述预处理后的信号；以及其中所述至少一个传感器、所述声学传感器、所述主处理器和所述预处理器集成到所述可穿戴设备中；以及
将测量的生理参数与用户的基线进行比较，其中
所述主处理器的功耗大于所述预处理器的功耗；以及
所述通过集成处理器分析从所述至少一个传感器和所述声学传感器接收的数据的步骤包括由所述主处理器中的主处理器算法在预定的一段时间之后或预定的存储器计数之后周期性地处理所述预处理后的信号，并在主存储器中存储由所述主处理器处理的结果信号，所述主处理器算法确定所述预处理后的信号中包括有所述感兴趣事件，所述主处理器算法检测感兴趣事件的准确率高于所述基本筛选算法。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
通过主处理器处理来自所述至少一个传感器和所述声学传感器的信号以及来自所述预处理器的预处理信号，所述主处理器在所述可穿戴设备内周期性地运行。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括通过数据通信模块向外部设备发送数据或警报，所述数据通信模块周期性地或按照需要运行以发送警报。
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