一种智能心音监测装置与方法

本发明涉及医疗健康，特别是一种智能心音监测装置与方法。

背景技术：

1、心脏疾病已成为21世纪以来威胁人类健康的重要因素，早期筛查心脏疾病是应对这一挑战经济、有效的方法之一。心脏疾病通常会引起心脏的异常跳动和心音的改变，因此进行心脏听诊获取心音成为了筛查诊断心脏疾病的重要、普遍的方法。此外，人的情绪状态与心脏健康是密不可分的，如长期的负面情绪会使得心肌缺血，导致应激性心脏损伤，或是影响心血管疾病患者的治疗效果和生活质量。因此，通过长期的心音和情绪状态数据，从多维度进行心脏健康评估分析，对于心脏疾病的预防和治疗具有重要意义。

2、但是，要长时间对心音和情绪进行监测面临诸多困难。首先对于心音的获取，主要获取装置是多功能数字听诊器，但是其需要在专业人员帮助下使用，才能确定多功能数字听诊器放置的位置和辨别异常心音。其次对于情绪状态，可从语音信号中提取，该方式相较于脑电波、微表情的方式，只需添加小巧的麦克风，对使用者日常生活影响小，适合长时间使用，然而当前基于语音的情绪识别算法存在训练样本少导致实际识别效果差的问题。

3、此外，长期监测会产生海量数据，分析处理和存储它们需要强大的计算和存储能力。但由于长时间穿戴的需求，装置需要满足便携、小巧的特点，其使用的处理器计算与存储资源匮乏，难以快速识别心音和情绪状态和通过大数据分析预测心脏健康状态；若将原始数据传送至云端服务器处理，对网络环境要求高，在用户较多时，难以快速响应突发情况。

4、为解决长时间心音和情绪监测以及装置计算资源不足难以处理海量数据和快速响应的问题，提出一种智能心音监测装置与方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提出一种智能心音监测装置与方法，可长时间监测心音和情绪状态，采用云边协同的分布式运维技术，结合心音和情绪多维度分析心脏的健康状态以及预测心脏病发的风险，可辅助于情绪和心脏疾病关系的研究。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明是一种智能心音监测装置，包括音频信号采集装置、数据处理装置和弹性背心，

4、所述音频信号采集装置嵌于弹性背心上，固定于听诊区域，采集心音和语音信号，

5、所述弹性背心，在穿戴时能利用其弹性固定音频信号采集装置，使其始终保持在合适的听诊区域附近，每个区域若干个心音监测单元，

6、所述数据处理装置通过线缆连接音频信号采集装置，所述数据处理装置包括：数据处理单元、无线通信单元、电池单元、电源管理单元、语音播报单元、数据存储单元和状态显示单元，

7、所述数据处理单元用于多路心音采集和数字化、心音异常识别和语音情绪识别，

8、所述无线通信单元可接入互联网，与云端进行数据交互，

9、所述语音播报单元通过语音向用户播报健康信息，

10、所述电源管理单元用于电压变换，将电池的电压转换至装置的额定电压，

11、所述语音播报单元通过语音向用户播报健康信息，

12、所述数据存储单元用于存储心音和情绪识别结果，

13、所述状态显示单元用于显示当前装置的运行情况。

14、进一步的，所述音频信号采集装置包含若干组音频采集阵列，嵌入在弹性背心上，固定于各个听诊区域，采集心音和语音信号，每组阵列包含若干个可采同时集心音和语音信号的多功能数字听诊器。

15、进一步的，所述音频采集阵列有若干组，分别位于肺动脉听诊区、主动脉第二听诊区、三尖瓣听诊区、二尖瓣听诊区以及主动脉瓣听诊区。

16、进一步的，所述音频采集阵列中的可同时采集语音和心音信号的多功能数字听诊器，包括语音和心音采集模块、腔体和吸附装置，所述语音和心音采集模块嵌于腔体的上方，用于采集腔体内部放大后的心音，以及采集腔体外部使用者的语音，所述腔体用于放大心音信号，腔体为中空圆柱体，底部全开口，其顶部有开孔用于嵌入语音和心音采集模块，所述吸附装置包裹在腔体底部，用于固定数字多功能数字听诊器。

17、进一步的，所述语音和心音采集模块采用双mems麦克风结构，两块mems麦克风分别置于电路板的两侧，语音和心音采集模块嵌入腔体后，两块mems麦克风分别指向腔体内外，指向腔体内的mems麦克风采集心音信号，指向腔体外的mems麦克风采集语音信号。

18、进一步的，所述电源管理单元包含两级电压转换电路，第一级转换电路将12v输入电压转换至5v，供数据处理装置使用，第二级转换电路将第一级得到的5v电压转换至3.3v，供音频信号采集装置使用。

19、本发明是一种智能心音监测方法，包括以下步骤：

20、音频信号采集装置采集心音和语音信号；

21、数据处理装置利用获取的音频信号进行识别任务，得到心音和情绪状态的识别结果，并添加时间戳同步结果；

22、结合云边协同技术，数据处理装置作为边缘设备，将识别结果上传到云端服务器，服务器通过多维度分析算法得到心脏健康状态和心脏病风险预测结果，并利用上传结果优化云端的备份识别模型；

23、分析结果和优化后的识别模型权重数据返回至数据处理装置，数据处理装置通过语音或短信方式告知分析结果，并使用优化后的识别模型权重参数更新本地识别模型，提升识别性能。

24、进一步的，所述心音和情绪状态识别过程具体如下：

25、首先，音频信号采集装置获取心音和语音信号；

26、接着对两种信号进行识别，具体的：

27、对于语音信号，提取其三维对数梅尔谱图，即由对数梅尔谱图、一阶与二阶对数梅尔谱图组合成的三维数据，然后经过3维卷积神经网络提取局部特征，长短期记忆网络提取全局特征，最后经过注意力机制网络和输出层网络得到情绪识别结果；

28、对于心音信号，提取其对数梅尔谱图，再经过2维卷积神经网络和长短期记忆网络，最后经输出层网络得到心音识别结果。

29、进一步的，所述的结合心音与情绪分析心脏健康状态和心脏病风险预测的方法，分为心脏当前状态分析和心脏健康趋势分析，具体的：

30、心脏当前状态分析是综合情绪状态分析异常心音的是否由心脏异常导致，当出现异常心音时，情绪状态为平静，则认为是由心脏异常引起，心脏当前状态为高风险，建议及时就医检查；若情绪状态为消极或积极，则认为由情绪变化引起的，心脏当前状态为低风险。

31、心脏健康趋势分析是综合情绪变化趋势和心音进行分析得出，当心音异常时，情绪呈消极趋势，则心脏存在病变，建议及时就医检查；当心音正常，但是情绪呈消极趋势，则心脏存在病变的风险，建议调整情绪或就医检查。

32、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

33、本发明是一种智能心音监测装置，包括音频信号采集装置、数据处理装置以及弹性背心。音频信号采集装置由若干组多功能数字听诊器阵列组成，依照心脏听诊区位置嵌于弹性背心上，利用背心的弹性进一步固定音频信号采集装置位置，解决需要专业人员放置多功能数字听诊器以及长时间使用的问题。其中，多功能数字听诊器集成了心音和声音采集模块，体积小、数据准确；多功能数字听诊器的底部吸附装置使得听诊位置始终准确定位；数据处理装置体积小便于携带，能快速识别心音和情绪状态，可通过声音或者短信等方式提示，同时能将识别数据传输至云端进行大数据算法分析，或者传送给专业人员进行心脏健康评估。

34、本发明是一种智能心音监测方法，采用云边协同的分布式运维技术，充分利用云端强大的计算、存储资源，以及边缘设备的计算实时响应的优势，云端负责存储与分析大数据，边缘设备则识别和处理突发心脏异常情况。一方面减少穿戴装置计算存储资源需求和网络传输，提升识别速度以更好地响应突发状况。另一方面，通过云端丰富的计算资源，可以结合长期大量的心音和情绪状态数据，更准确和全面的分析心脏健康状态、预测心脏病发生的风险、以及用于情绪和心脏病之间关联的研究。同时，云端将收集的大量情绪数据用于优化训练识别模型，从而进一步提升模型的泛化性能和识别准确性。

35、本发明是一种智能心音监测方法，结合心音和情绪分析心脏健康状态方法，通过监测分析异常心音和情绪状态判断心脏是否健康，或预测心脏病发生风险，评估风险分级，提前预警等内容。