CN203153748U

CN203153748U - 基于音频口通信的血氧仪

Info

Publication number: CN203153748U
Application number: CN 201320110855
Authority: CN
Inventors: 林祝发
Original assignee: Individual
Current assignee: Qianhai Shenzhen Universal Health Technology Co Ltd
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: WO2014139354A1

Abstract

一种基于音频口通信的血氧仪，包括电源模块、传感器控制模块、传感器、传感器信号处理模块和标准音频接口的物理硬件；由音频接口的左声道信号传输线路、右声道信号传输线路和麦克风信号传输线路分别承担电源传输、控制信号输入和采集信号输出；传感器控制模块的控制信号输入端连接音频接口的控制信号输入线路；电源模块的输入端连接音频接口的电源传输线路；传感器信号处理模块的输出端连接音频接口的采集信号输出线路；所述传感器控制模块的控制信号输出端连接传感器的控制信号输入端；所述传感器的信号输出端连接传感器信号处理模块的输入端。

Description

基于音频口通信的血氧仪

技术领域

本发明属于个人医疗应用领域，具体是基于音频口基于音频口通信的血氧仪。

背景技术

目前，社会的发展和生活水平的提高，人们越来越关注自身的健康，随之出现了许多基于生命体征采集设备类的个人医疗产品，如便携式的血氧仪、血糖仪、胎心仪和心电仪等。目前的个人医疗产品主要由数据采集模块、计算模块、显示模块和电源模块等组成，存在不足主要包括：首先，成本较高。其次，体积较大；再者，缺乏数据储存和分析功能；还有，缺乏远程数据传输功能。同时，目前以智能手机为代表的移动设备日益普及，而且移动设备具备很强的计算和显示能力，并具备电源提供，数据存储分析和远程传输功能。

发明内容

为了解决现有个人医疗产品的上述不足，本实用新型基于音频口提供个人医疗产品的方法，提出一种基于音频口通信的血氧仪，从而降低产品成本，减小产品体积，并提供数据存储分析和远程传输的功能。

为了实现上述目的，本实用新型基于的基于音频口设计个人医疗产品的方法，其设计思想是，利用通用的移动终端（例如智能手机、PDA和便携电脑等）和生命体征的采集装置（可以由现有的生命体征的采集装置改装而成），由移动终端给采集装置供电，并且驱动采集装置进行生命体征信号采集，然后接收生命体征的信号并进行计算、显示、数据存储、分析和远程传输处理；

在采集装置上加装标准音频接口的物理硬件，把采集装置的数据信号输出端子、控制信号输入端子和电源输入端子分别连接至标准音频口的接线端子上；

采集装置与移动终端通过标准音频口进行物理连接，由音频口的左声道信号传输线路、右声道信号传输线路和麦克风信号传输线路分别承担电源传输以及信号传输。

基于上述设计思想，该方法的具体技术方案如下：

所述移动终端载有音频口硬件和应用软件，该应用软件包括电源驱动模块、传感驱动模块、采样滤波模块、计算模块、数据存储模块、数据分析模块、显示模块和远程通信模块；

步骤一是电源供电：

由移动终端的电源驱动模块通过移动终端的声卡的左或右声道向采集装置输出某一频率的正弦波，该正弦波有对应正弦波频率的音频文件；采集装置中的电源模块将正弦波处理后提供稳定的功率输出；

步骤二是采集装置的采集工作控制：

由移动终端的传感驱动模块产生方波，该方波有对应方波的音频文件；方波通过与电源驱动模块输出相异的声道传输到采集装置的控制信号输入端；

步骤三是生命体征数据信号的采集：

由采集装置的控制模块利用方波的上升沿和下降沿来控制采集工作；

步骤四是生命体征数据信号的处理：

经采集装置采集的生命体征数据信号通过麦克风信号传输线路送入移动终端的麦克风信号的输入端；

步骤五是生命体征数据信号的采样滤波：

由移动终端的采样滤波模块对来自麦克风信号传输线路的数据信号进行采样处理，得到所需信号；

步骤六是数值计算：

由移动终端的计算模块对数据信号进行计算，得到反映生命体征的数值；

步骤七是数据储存：

由移动终端的数据存储模块存储数值计算得到的数据；

步骤八是数据分析：

由移动终端的数据分析模块对数据存储模块中的历史数据首先进行数据统计，再对统计数据进行分析，然后将分析结果通过存储模块送到移动终端的存储空间里；

步骤九是数据显示：

由移动终端的数据显示模块到移动终端的存储空间取出数据，将当前采集的实时数据显示到移动终端的屏幕上，并将数据分析的结果以报表或图形的方式显示到屏幕上；

步骤十是远程数据传输：

由移动终端远程通信模块是利用移动终端的gprs模块、3G模块或wifi模块连入互联网，将采集数据实时或批量传输到远端的服务器。

作为进一步改进，所述步骤一中，采集装置中的电源模块的处理过程为：首先正弦波通过升压变压器进行升压，然后进行FET整流，最后经过阻塞二极管和滤波电容进行稳压后实现稳定功率输出，为采集装置供电；

其中整流电路在低压的系统中的死区压降是电源模块的关键问题，如果在整流处理中使用低压二极管，在实际测量中发现，整流中多数功率已经损耗，只有少部分传送到负载。如果用 FET代替二极管，同步整流通常会用在减少损耗。

所述步骤五中，由移动终端的采样滤波模块对来自麦克风信号传输线路的数据信号进行采样处理，步骤如下：

首先对从麦克风通道输入的生命体征数据的模拟信号以一定采样率进行采样；然后提取采样结果的直流分量，采用一个IIR滤波器来跟踪直流分量；接着从输入的生命体征数据的模拟信号中减去直流分量得到交流分量；采用一个转折频率为6Hz和50Hz及以上频率，用－50dB衰减的低通FIR滤波器来去掉交流分量中50Hz以上的环境噪音；这时交流分量信号就用于后续处理的信号。

所述步骤七中，由移动终端的数据存储模块存储数据数据压缩算法为：如果在一段时间内的测量值相同，将被以开始时间、结束时间、测量次数和测量值等属性的一个记录来存储。

具体到本实用新型：

一种基于音频口通信的血氧仪，其特征是包括电源模块、传感器控制模块、传感器、传感器信号处理模块和标准音频接口的物理硬件；由音频接口的左声道信号传输线路、右声道信号传输线路和麦克风信号传输线路分别承担电源传输、控制信号输入和采集信号输出；

传感器控制模块的控制信号输入端连接音频接口的控制信号输入线路；

电源模块的输入端连接音频接口的电源传输线路；

传感器信号处理模块的输出端连接音频接口的采集信号输出线路；

所述传感器控制模块的控制信号输出端连接传感器的控制信号输入端；

所述传感器的信号输出端连接传感器信号处理模块的输入端。

所述电源模块包括升压变压器、FET整流电路、阻塞二极管和滤波电容；所述升压变压器的初级侧为电源模块的输入端；升压变压器的次级侧连接FET整流电路的输入端；FET整流电路的输出端连接由阻塞二极管和滤波电容构成的∏形电路的输入端，∏形电路的输出端即为电源模块的输出端。

所述传感器控制模块和传感器信号处理模块为微处理器或模拟电路。

所述传感器包括PIN二极管、红光LED和红外光LED；所述PIN二极管接收来自红光LED和红外光LED的光；PIN二极管的一端连接电源，即为传感器的输出端；

一、传感器控制模块和传感器信号处理模块为微处理器：微处理器的控制信号输出端分别通过驱动电路连接驱动红光LED和红外光LED；同时，该微处理器作为传感器信号处理模块，传感器的输出端连接微处理的信号输入端；

或者，

二、传感器控制模块为模拟电路，它包括：

a）由D触发器和反相器构成的1位二进制计数器；D触发器的时钟信号输入端连接音频接口的控制信号输入线路，D触发器的输出端连接反相器两个输入端；红光LED和红外光LED的阳极分别连接在反相器的输入端和输出端；D触发器的D端连接反相器的输出端；

b）由运算放大器与三级管构成的压控恒流电路；运算放大器的高电平输入端连接音频接口的控制信号输入线路；运算放大器的输出端连接三极管的基极，三极管的集电极连接红光LED和红外光LED的阴极；运算放大器的低电平输入端连接三极管的发射极；

传感器信号处理模块为模拟电路，它的结构为PIN二极管的一端的另一端连接放大电路的输入端，该放大电路的输出端连接音频接口的采集信号输出线路，该放大电路作为传感器信号处理模块。

微处理器输出端还包括血氧值输出端。由于微处理的运算功能能满足血氧信号—>血氧值的运算，所以，可以在血氧仪内完成运算。

所述电源模块还包括法拉电容，该法拉电容与∏形电路并联。采用法拉电容的原因是能更好地满足采集装置的功率需求，在LED这样功率较大的元器件工作间隙给法拉电容充电，在LED工作的时候，由法拉电容和∏形电路一起进行功率输出，使整个采集装置处于良好的功率供给状态。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于音频接口提供血氧生命体征测量系统的结构原理图；

图2为本实用新型实施例的血氧生命体征测量系统的结构框图；

图3为本实用新型实施例的血氧生命体征测量系统的基本流程图；

图4为本实用新型实施例的血氧生命体征测量系统的电源模块的电路原理图；

图5为本实用新型实施例的血氧生命体征测量系统的LED控制模块电路原理图；

图6为本实用新型实施例的血氧生命体征测量系统的 PIN信号处理模块电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的设计思想是一种基于音频口设计个人医疗产品的方法，利用通用的移动终端和生命体征的采集装置，由移动终端给采集装置供电，并且驱动采集装置进行生命体征信号采集，然后接收生命体征的信号并进行后续处理；在采集装置上加装标准音频接口的物理硬件，把采集装置的数据信号输出端子、控制信号输入端子和电源输入端子分别连接至标准音频口的接线端子上；移动终端输出音频信号的功率满足采集装置的工作功率要求，从而实现移动终端给采集装置供电；采集装置与移动终端通过标准音频口进行物理连接，由音频口的左声道信号传输线路、右声道信号传输线路和麦克风信号传输线路分别承担电源传输以及信号传输。

所述移动终端接收生命体征的信号后进行后续的处理包括收生命体征的信号的计算、显示、数据存储、分析和远程传输处理。

所述采集装置包括电源模块、传感器控制模块、传感器、传感器信号处理模块；所述移动终端载有音频口硬件和应用软件，该应用软件包括电源驱动模块、传感驱动模块、采样滤波模块、计算模块、数据存储模块、数据分析模块、显示模块和远程通信模块；

步骤一是电源供电：

由移动终端的电源驱动模块通过移动终端的声卡的左或右声道向采集装置输出某一频率的波，该信号波有对应频率的音频文件；采集装置中的电源模块将信号波处理后提供稳定的功率输出；

步骤二是采集装置的采集工作控制：

方式1（模拟信号方式）：由移动终端的传感驱动模块产生控制信号，该控制信号为方波，该方波有对应方波的音频文件；方波通过与电源驱动模块输出相异的声道传输到采集装置的控制信号输入端；

或者，方式2（即数字信号方式）：移动终端的传感驱动模块采用串口通信方式传输控制命令，其作用等同于方式1中的控制信号，在数字电路中，一般用术语“命令”；（复杂控制的情况是指例如需要进行信息通信情况）

步骤三是生命体征数据信号的采集：

对应步骤二的方式1，由采集装置的传感器控制模块利用方波的上升沿或下降沿来控制传感器工作；

对应步骤二的方式2，采用串口通信的方式接收控制命令，通过微处理器来控制传感器的工作；

步骤四是生命体征数据信号的处理：

传感器采集的生命体征信号经过采集装置的传感器信号处理模块进行信号处理后，通过麦克风信号传输线路送入移动终端的麦克风信号的输入端；

步骤五是生命体征数据信号的采样滤波：

由移动终端的采样滤波模块对来自麦克风信号传输线路的数据信号进行处理，得到所需信号；

步骤六是数值计算：

步骤七是数据储存：

由移动终端的数据存储模块存储数值计算得到的数据；

步骤八是数据分析：

步骤九是数据显示：

步骤十是远程数据传输：

所述步骤一中的信号波是正弦波或方波。

所述步骤四中，对应步骤二和步骤三中的两种方式，信号处理有两种方式：

a）对应方式1：进行模拟信号处理后，直接将模拟信号传输给移动终端；

b）对应方式2：通过微处理器转换为数字信号，并将数字信号传输给移动终端。

c）对应方式2：通过微处理器转换为数字信号，并进行计算后将计算结果传输给移动终端。此时，移动终端的处理器中的滤波及数值计算的工作就移至采集装置中。

所述步骤一中，采集装置中的电源模块的处理过程为：首先正弦波或方波通过升压变压器进行升压，然后进行FET整流，最后经过阻塞二极管和滤波电容进行稳压后实现稳定功率输出，为采集装置供电。

首先对从麦克风通道输入的生命体征数据的信号以一定采样率进行采样；然后进行信号处理，此处的信号处理采用IIR滤波器和/或FIR滤波器进行数字滤波；

对于提取采样结果的直流分量和交流分量，采用一个IIR滤波器来跟踪直流分量；接着从输入的生命体征数据的模拟信号中减去直流分量得到交流分量；

对于对信号进行带通滤波，可采用带通FIR滤波器；

针对步骤二中方式2情况，可采用傅里叶变换或小波变换复杂算法进行处理。

一种基于音频口通信的血氧仪，包括电源模块、传感器控制模块、传感器、传感器信号处理模块和标准音频接口的物理硬件；

由音频接口的左声道信号传输线路、右声道信号传输线路和麦克风信号传输线路分别承担电源传输、控制信号输入和采集信号输出；

电源模块的输入端连接音频接口的电源传输线路；

所述传感器控制模块为微处理器或模拟电路。

一、传感器控制模块为微处理器，微处理器的控制信号输出端分别通过驱动电路连接驱动红光LED和红外光LED；同时，该微处理器作为传感器信号处理模块，传感器的输出端连接微处理的信号输入端；

或者，

二、传感器控制模块为模拟电路，该模拟电路包括：

PIN二极管的一端的另一端连接放大电路的输入端，该放大电路的输出端连接音频接口的采集信号输出线路，该放大电路作为传感器信号处理模块。

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案进行进一步详细的说明。

本方法基于生命体征采集装置（以下简称采集装置）。采集装置通过音频接口接入移动设备，通过音频接口供电并传输数据，传输数据时编码为音频信号，用户启用移动设备上的个人医疗应用软件，个人医疗应用软件会通过音频接口与采集装置进行通讯握手，在发现装置接入后允许用户进行生命体征测量。用户进行生命体征测量时，应用软件通过音频口控制采集装置进行信号采集并接收采集信号，经过采样，滤波，数值计算等处理后得到生命体征数值，生命体征数值可实时显示到移动终端屏幕上并可存储到移动终端的持久化存储空间，从而建立个人医疗数据库并根据各种应用需求进行数据分析。同时可利用移动终端的远程通信模块把数据传输到其它地方，以满足远程实时监控、远程诊断、远程健康分析等需求。

下面以血氧生命体征测量为例进行进一步说明。

图1 为本实施例提出的一种基于音频接口提供血氧生命体征测量系统的结构原理图。如图1所示，该系统包括血氧生命体征采集装置和移动设备；血氧生命体征采集装置（以下简称血氧采集装置）通过移动设备的音频口与移动设备相连，移动设备上安装有血氧测量应用软件（以下简称血氧应用软件）。

图2为血氧生命体征测量系统的结构框图。如图2所示，血氧采集装置包括电源模块、LED控制模块、PIN信号处理模块、LED和PIN二极管。其中电源模块与移动终端音频口的左声道相连，负责将移动终端通过音频口输出的正弦波电信号转换为稳定的电压输出，为其它模块提供电源输出。LED控制模块和移动终端的右声道相连，负责利用移动终端输出的方波信号来控制两个LED的切换和电流大小，从而控制红光与红外光的切换和光强。PIN信号处理模块负责将PIN二极管产生的电信号经过转换放大后输出到移动终端音频口的麦克风通道。

血氧应用软件包括电源驱动模块、传感驱动模块、采样滤波模块、计算模块、数据存储模块、数据分析模块和远程通信模块。其中电源驱动模块负责产生固定频率的正弦波音频信号，并通过音频口的左声道输出到采集装置的电源模块。传感驱动模块负责产生方波信号并通过音频口的右声道输送到采集装置的LED控制模块，驱动LED产生红光和红外光。采样滤波模块负责将音频口麦克风通道输入的模拟信号进行采样，然后将其滤波，去除噪音，并将其直流分量和交流分量分量分离。计算模块负责根据直流分量计算出血氧饱和度数值，根据交流分量计算出脉搏数值。数据储存模块负责将计算的数值储存到移动终端的持久化储存空间。数据分析模块负责分析采集到的历史数据，并生成相应报表。远程通信模块负责将采集数据传输到其它地方，以满足远程实时监控、远程诊断、远程健康分析等需求。

图3为血氧生命体征测量系统的基本流程图。如图3所示：

步骤一是电源供电。血氧应用软件的电源驱动模块通过移动设备声卡的左声道向血氧采集装置输出22kHz的方波，具体实现就是播放22kHz的方波音频文件。血氧采集装置中的电源模块将方波进行一系列处理后提供稳定的功率输出。电源模块的具体处理过程为：首先22kHz的方波通过升压变压器进行升压，然后进行FET整流，最后经过阻塞二极管和滤波电容进行稳压后实现稳定功率输出，为其他处理电路供电。其中整流电路在低压的系统有着死区压降是电源模块的关键问题。想要最大功率的传输，如果在整流处理中使用像 DFLS120L这样的低压二极管，在实际测量中发现，整流中80%的功率已经损耗，只有 20%传送到负载。如果用 FET代替二极管，同步整理通常会用在减少损耗。（电源模块的电路原理图见图4。）

步骤二是LED的驱动和控制。血氧应用软件的传感驱动模块产生方波，具体实现就是播放方波音频文件。方波通过音频口右声道传输到血氧采集装置的LED控制模块。LED控制模块利用方波的上升沿来控制红光与红外光的切换，方波的高电平的电压控制传感器的两发光管激励电流大小。LED控制模块的电路由D触发器，反相器组成1位二进制计数器，实现对两发光管的切换。运放与三级管构成压控恒流电路，实现对两发光管激励电流大小的控制。电路原理图见图5。（更优方案，即采用数字信号方式，利用mcu进行控制。）

步骤三是血氧生命体征的采集。LED模块由两个发光管组成。一个发出红光（波长660nm）。一个发出红外光（波长940nm）。两个LED在LED控制模块的控制下以500次每秒时分复用。PIN二极管被两个不同的LED透过身体后交替激活，产生包含血氧信息的电信号。

步骤四是PIN血氧信号处理。PIN信号处理模块通过PIN传感器上取下电流信号，通过运放构成的电流放大器，放大后以电压信号送入移动终端的MIC的输入端。其中放大器是将AC与DC同时放大，DC可能很大，AC可能很小，这时放大倍数如果过高时信号会进入饱和，这时应采用适当的放大倍数，通过控制激励电流给予适当的灰度。放大器我们这里选择的是ADI的AD820。PIN信号处理模块的电路原理图见图6。

（更优方案即采用数字信号方式，采用mcu转换为数字信号,并对数字信号进行处理后传输移动。）

步骤五是血氧信号的采样滤波。血氧应用软件的采样滤波模块首先对从麦克风通道输入的血氧模拟信号以1000sps进行采样。然后提取采样结果的直流分量，由于要求的截止频率非常低，我们采用一个IIR滤波器来跟踪直流分量。然后通过从输入信号中减去直流分量就得到交流分量。然后我们采用一个转折频率为6Hz和50Hz及以上频率，有－50dB衰减的低通FIR滤波器来去掉交流分量中50Hz以上的环境噪音。这时交流分量信号就类似通过动脉的心跳脉冲。

步骤六是数值计算。首先对红光和红外光的血氧信号的直流分量计算RMS值，血氧饱和度通过对RMS值取对数相除得到。脉搏是通过对3节拍内的样本数进行计数得到。

步骤七是数据储存。我们将通过数值计算得到的血氧饱和度和脉搏数值储存到移动终端自带的数据库里。由于血氧采集生成数据量增长会很快，特别是长时间连续测量的情况下，而移动终端的储存空间是比较有限的，所以数据储存的关键问题是数据的压缩算法。我们采用的算法为：如果在一段时间内的测量值相同，将被以开始时间，结束时间，测量次数，测量值等属性的一个记录来存储，这样则能以一个数据记录来存储多次测量结果。

步骤八是数据分析。首先是对历史数据进行数据统计，其次可以根据特定的要求进行分析，如睡眠分析。然后将分析结果通过存储模块存储到移动终端的存储空间里。

步骤九是数据显示。由数据显示模块到移动终端的存储空间取出数据，将当前采集的实时数据显示到移动终端的屏幕上，并将数据分析的结果以报表和图形的方式显示到屏幕上。

步骤十是远程数据传输。远程通信模块利用移动终端的gprs模块、3G模块或wifi模块连入互联网，将采集数据实时或批量传输到远端的服务器，实现实时健康监控，远程诊断、远程健康分析，远程数据备份等功能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于音频口通信的血氧仪，其特征是包括电源模块、传感器控制模块、传感器、传感器信号处理模块和标准音频接口的物理硬件；

电源模块的输入端连接音频接口的电源传输线路；

2.根据权利要求1所述的基于音频口通信的血氧仪，其特征是所述电源模块包括升压变压器、FET整流电路、阻塞二极管和滤波电容；所述升压变压器的初级侧为电源模块的输入端；升压变压器的次级侧连接FET整流电路的输入端；FET整流电路的输出端连接由阻塞二极管和滤波电容构成的∏形电路的输入端，∏形电路的输出端即为电源模块的输出端。

3.根据权利要求1所述的基于音频口通信的血氧仪，其特征是所述传感器控制模块和传感器信号处理模块为微处理器或模拟电路。

4.根据权利要求3所述的基于音频口通信的血氧仪，其特征是所述传感器包括PIN二极管、红光LED和红外光LED；所述PIN二极管接收来自红光LED和红外光LED的光；PIN二极管的一端连接电源，即为传感器的输出端；

或者，

二、传感器控制模块为模拟电路，它包括：

5.根据权利要求3或4所述的基于音频口通信的血氧仪，其特征是微处理器输出端还包括血氧值输出端。

6.根据权利要求2所述的基于音频口通信的血氧仪，其特征是所述电源模块还包括法拉电容，该法拉电容与∏形电路并联。