一种多模态生理信号采集装置

技术领域

本发明涉及信号检测及医疗电子技术领域，涉及心震、心音、心电采集技术，具体涉及一种多模态的生理信号采集装置。

背景技术

心血管疾病是目前全球范围内威胁人们生命健康的重要因素之一，心血管疾病的早期预防、检测已成为大势所趋，并被证明可以有效降低心血管疾病的直接医疗成本。以上背景极大促进了心血管疾病早期检测技术和院外监护技术的研究。心电图检查是临床中最常用的心血管疾病的诊断手段。对于心绞痛、心肌梗塞等心脏疾病在观察心电图时会发现心电图发生了明显的变化。穿戴式心电技术也经过多年研究，已经能有效地提供实时、动态、连续的心律失常、房颤等心脏疾病的院外监护和检测。但有的时候对于某些心脏疾病，尤其是结构性心脏疾病，心电图往往不会发生明显的变化，而心音和心震则被证明能够提供心脏血流动力学的情况。所以心震、心音和心电结合的多模态的心功能的生理信号能够综合多种技术手段来反映心脏健康状况，取长补短，提供不同角度的信息。结合多种信号进行分析评测，较之单一模态的信号融合了更多方面多层次多角度的信息。

传统上，人工心音听诊识别心杂音是进行心功能评估筛查的主要手段。但是，通过听诊器听诊的心音分析高度依赖专家的经验和技术。近年来，随着人工智能和大数据技术的发展，数字化心音在用于心血管疾病的智能分析方面取得了进展和突破。在传统技术发展的同时，通过微机电系统（MEMS）惯性传感器采集体表低频震动的心震图技术近几年得到了热切关注。有研究发现，低于声频的心震信号中存在可以用于识别主动脉瓣膜狭窄的信号成分，然而其发挥作用的内在机制有待进一步的发掘与研究。心震在心电信号的辅助下也被验证可以获取一些有效的血液动力学参数，如左室射血时间、心脏射血前期等。这些参数也可用于评估结构性心脏疾病带来的心脏功能变化。因此，融合传统心音和新兴的心震技术，辅以心电技术，有助于形成新形态的穿戴式院外心功能状态评估手段，增强心血管疾病的发展预测能力和风险评估水平，辅助决策治疗时机和手段，提高治疗效果和患者生活质量。因此本发明提出一种多模态的生理信号采集装置，采集心震、心音和心电三类信号，为全面了解心脏的血流动力学情况等多种心功能状况提供了一种方式，尤其是结构性心脏疾病的异常的提早发现和及时的治疗提供可能，帮助避免医疗成本的增加与医疗资源的浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种多模态的生理信号采集装置，实现了心震、心音、心电三种生理信号的同步采集，存储和传输，从多模态的生理信号角度来反映心脏的健康状况。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种多模态生理信号同步采集装置，包括：心震、心音和心电信号的采集模块，信号处理和控制模块，通讯模块；

所述三种生理信号同步采集，心震和心音信号采用3*2个传感器阵列进行采集，用于采集心震（心音）的多路阵列信号，得到不同位置的心脏的震动和声音信号；

心震信号采集模块包括心震传感器阵列采集模块、信号模拟前端；

心音信号采集模块包括心音传感器阵列采集模块、信号模拟前端；

心电信号采集模块包括心电电极、信号模拟前端；

信号的处理和控制模块采用了FPGA和MCU的异构；

FPGA将心震、心音和心电多路信号进行采集时钟的同步管理，实现A/D采样控制，将多通道的信号实时传送到控制模块；

MCU负责系统核心控制，负责系统的信号处理、向传感器采集模块发送指令，并且将信号进行片上存储，得到最终的心震心音心电三种信号的多模态同步采集信号；

通讯模块负责进行数据传输，将心震、心音、心电多模态信号向外进行传输，实现装置的传输功能。

进一步的，所述多模态信号同步采集装置采集包括心震、心音和心电三种生理信号的采集模块，采集包括心震、心音和心电在内的三种生理信号。

进一步的，所述多模态信号同步采集装置对于所要采集的三种信号是同步采集，得到的三种生理信号为同步信号。

进一步的，所述的心震和心音信号的采集模块均采用了传感器阵列。通过多个传感器组成3*2的传感器阵列，通过融合布置多个传感器可以定向增强心震（心音）信号，并且减少环境的干扰。利用传感器阵列的指向性和空间分辨率，提高原始信号的质量，提高分辨心震（心音）信号成分的能力。

进一步的，所述的心震信号采集模块包括心震传感器阵列采集模块、信号模拟前端。所述传感器阵列采集模块用于在采集部位采集多路心震阵列信号；所述模拟前端包括运算放大模块和硬件滤波模块，对心震信号进行放大和滤波；所述信号放大模块将心震信号进行放大；所述硬件滤波模块将心震信号进行低通滤波、高通滤波、陷波滤波，滤除心震频带以外的信号成分和特定频率成分的工频干扰。

进一步的，所述的心音信号采集模块包括心音传感器阵列采集模块、信号模拟前端。所述传感器阵列采集模块用于在采集部位采集多路心音阵列信号；所述信号模拟前端包括运算放大模块和滤波模块；所述运算放大模块将心音信号进行放大，所述硬件滤波模块将心音信号进行低通滤波、高通滤波、陷波滤波，滤除心音频带以外的信号成分和特定频率的工频干扰。

进一步的，所述的心电信号采集模块包括采集电极、信号模拟前端。所述采集电极用于采集心电信号；所述模拟前端包括信号放大模块和滤波模块；所述信号放大模块将心电信号进行放大；所述硬件滤波模块将数字信号进行低通滤波、高通滤波、陷波滤波，滤除心电频带以外的信号成分和特定频率的工频干扰。

进一步的，所述装置在信号的处理和控制部分采用了FPGA和MCU的异构模式。所述FPGA将心震、心音和心电多路信号进行采集时钟的同步管理，实现A/D采样控制，将多通道的信号实时传送到控制模块；所述MCU负责系统核心控制，负责系统的信号处理、向传感器采集模块发送指令，并且将信号进行片上存储，得到最终的心震心音心电三种信号的多模态同步采集信号。

进一步的，所述通讯模块能够将多模态信号向外进行传输，实现装置的数据传输功能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明提出了一种多模态的生理信号同步采集装置，进行了多种传感器信号的同步采集，同步采集到心震、心音、心电三种生理信号，获取不同角度的心脏健康状态的信息。并且采集的三种生理信号之间的同步，为后续多模态信号的分析，例如不同信号之间的特征点的时间差、幅值比例等特征的计算，提供了可靠的保证。

（2）本发明中的心震和心音信号的采集都使用了多传感器阵列的方式进行采集，通过多个传感器组成3*2的传感器阵列，融合布置多个传感器可以定向增强心震（心音）信号，并且可以对环境噪声进行抑制，提高信噪比。与单一传感器相比，传感器阵列信号之间的指向性和空间分辨率都有提高，提高了原始信号的质量，也提高了分辨心震信号和心音信号成分的能力。

（3）本发明中多模态的生理信号采集，融合了传统的心音和新兴的心震技术，辅以心电信号，是后续的心脏健康状态的多模态信号联合分析和检测的基础，有助于形成新形态的心脏健康状态评估和检测手段，为结构性心脏疾病的早期发现与预防提供可能。

附图说明

图1是本发明提供的采集装置系统设计示意图。

图2是本发明的传感器阵列示意图。

图3是本发明装置的采集使用示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明设计的本发明提供了一种多模态的生理信号同步采集装置，包括心震、心音和心电信号的采集模块，信号处理和控制模块，通讯模块，如图1所示。三种生理信号同步采集，心震和心音信号采用3*2个传感器阵列进行采集，采集心震（心音）的多路阵列信号，得到不同位置的心脏的震动和声音信号。心震信号采集模块包括心震传感器阵列采集模块、信号模拟前端；心音信号采集模块包括心音传感器阵列采集模块、信号模拟前端；心电信号采集模块包括心电电极、信号模拟前端。信号的处理和控制模块采用了FPGA和MCU的异构模式，FPGA将心震、心音和心电多路信号进行采集时钟的同步管理，实现A/D采样控制，将多通道的信号实时传送到控制模块；MCU负责系统核心控制，负责系统的信号处理、向传感器采集模块发送指令，并且将信号进行片上存储，得到最终的心震心音心电三种信号的多模态同步采集信号。通讯模块能够将多模态信号向外进行传输，实现装置的数据传输功能。下面对各个模块的具体实现方式进行详细阐述。

心震和心音信号采集模块均采用了传感器阵列，通过多个传感器组成3*2的传感器阵列进行采集，阵列排布情况如图2所示。6个心震（心音）传感器构成传感器阵列，在非传统听诊区形成阵列，采集信号。通过融合布置多个传感器形成的阵列，减少或者抑制环境噪声的干扰，主要是可以定向增强心震（心音）信号的某些成分，有利于从阵列信号中提取或者分析出心脏不同位置的心脏瓣膜状态，从而利用传感器阵列增加信号的指向性和空间分辨率，提高原始信号的质量，进一步地分辨心震（心音）信号中不同的成分。

其中，具体应用中，心震信号采集模块包括心震信号采集模块包括心震传感器阵列采集模块、信号模拟前端。心震信号采用胸腔体表的MEMS惯性测量单元（IMU）。其中，IMU内的加速度计测量的信号通称Seismocardiography（SCG），陀螺仪测量的信号通称Gyrocardiography（GCG）。心震信号可分解在体表建立的坐标系的三轴上，即背-胸方向（z轴）、左-右肩方向（x轴）和头-足方向（y轴）上。多轴心震信号的采集可以获取多维度的心震信号，从中评估心脏的生理状况。传感器根据附图2放置成3*2的阵列，采集多路心震阵列信号。模拟前端包括运算放大模块和硬件滤波模块，对心震信号进行放大和滤波；信号放大模块将心震信号进行放大；硬件滤波模块将心震信号进行低通滤波、高通滤波、陷波滤波，滤除心震频带以外的信号成分和特定频率的工频干扰。

心音信号采集模块包括心音传感器阵列采集模块、信号模拟前端。心音传感器可以采用基于压电的传感器、麦克风传感器，或者基于骨传导的震动传感器。心音传感器按照图2的位置进行排列，形成传感器阵列，在采集部位进行多路心音阵列信号采集。信号模拟前端包括运算放大模块和滤波模块。运算放大模块将心音信号进行放大，硬件滤波模块将心音信号进行低通滤波、高通滤波、陷波滤波，滤除心音频带以外的信号成分和特定频率的工频干扰。

心电信号采集模块包括采集电极、信号模拟前端。采集电极放置于如图3所示的采集部位采集心电信号。采集电极用于采集心电信号；模拟前端包括信号放大模块和滤波模块.信号放大模块将心电信号进行放大；所述硬件滤波模块将数字信号进行低通滤波、高通滤波、陷波滤波，滤除心电频带以外的信号成分和特定频率的工频干扰。

信号的处理和控制部分采用了FPGA和MCU的异构。本装置的信号采集方式是多模态信号采集，特点是通道数多，而且多通道采集的信号需要同步发送至控制系统。FPGA的性能高，可以达到多路信号的采集和实时处理。FPGA将心震、心音和心电多路信号进行采集时钟的同步管理，实现A/D采样控制，将多通道的信号实时传送到控制模块。采集的三种生理信号之间的同步，为后续多模态信号的进一步分析，例如不同信号之间的特征点的时间差、幅值比例等特征的计算，提供了可靠的保证。MCU负责系统核心控制，进行系统的信号处理，向传感器采集模块发送指令，以及控制通讯模块的信号传输。MCU还能够将信号进行片上存储，得到最终的心震心音心电三种信号的多模态同步采集信号。

通讯模块采用WiFi无线传输技术，将采集到的多模态信号向外进行传输，实现装置的数据传输功能。

采集装置采用柔性贴片工艺，放置于采集部位进行采集，其具体采集位置如图3所示。采用柔性贴片工艺，有利于贴合采集部位，提高采集信号的质量。

本发明所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。