一种基于音频信号的心率监测方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于音频信号的心率监测方法，其中，所述基于音频信号的心率监测方法包括：通过扬声器向外发射调频连续波；通过麦克风接收声波信号，所述声波信号包括所述调频连续波经过人体胸腔反射得到的反射声波信号和所述调频连续波由所述扬声器直接到达所述麦克风的直接声波信号，所述反射声波信号包括心跳反射声波信号和呼吸反射声波信号；对所述声波信号进行处理得到心率。本发明专利技术还公开了一种基于音频信号的心率监测装置及基于音频信号的心率监测系统。本发明专利技术提供的基于音频信号的心率监测方法，基于音频信号实现对心率的监测，提供了非接触式的心率监测手段，监测方便，便于操作，且成本低。

A heart rate monitoring method, device and system based on audio signal

The present invention discloses a heart rate monitoring method based on audio signals, in which an audio signal based heart rate monitoring method includes transmitting FM continuous waves through a loudspeaker, receiving an acoustic signal through a microphone, and the acoustic signal includes reflected sound reflected by the FM continuous wave through the body's chest. The wave signal and the FM continuous wave directly reach the sound acoustic signal of the microphone from the loudspeaker, the reflected sound wave signal including the heartbeat echo sonic signal and the respiratory reflection sound sound signal, and the sound wave signal is processed to get the heart rate. The invention also discloses a heart rate monitoring device based on the audio signal and a heart rate monitoring system based on the audio signal. The present invention provides a heart rate monitoring method based on audio signal, which is based on audio signal to monitor heart rate, and provides a non-contact means of heart rate monitoring. It is convenient to monitor, easy to operate and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于音频信号的心率监测方法、装置及系统
本专利技术涉及移动医疗
，尤其涉及一种基于音频信号的心率监测方法、一种基于音频信号的心率监测装置及包括该音频信号的心率监测装置的音频信号的心率监测系统。
技术介绍
移动医疗监测作为新兴科技，利用普适移动设备对人体生命特征进行实时测量。得益于物联网和移动感知技术的发展，移动医疗监测缓解了传统医疗领域使用专业设备测量的频率低、成本高、使用复杂等难题，提供了普适的、用户友好的、可持续的以及价格低廉的医疗监测手段。心率是反应人体健康状况的重要生命体征。然而，心率失衡等病征一般是不定时发生的，即可能在医生诊断过程中未表现出来。因此，日常心率监测是对心率失衡等病征及时发现的重要手段。目前，心率测量主要通过穿戴式或植入式的心电图仪测量。尽管心电图仪测量结果精确可靠，其要求用户穿戴复杂笨重、价格昂贵的测量设备。因此，心电图仪并不适用于日常监测。目前，已有工作利用雷达或者智能手机摄像头检测心率。但是，雷达发射射频信号并通过反射信号监测心率，需要提前部署特定的雷达设备；摄像头则根据视野中的脉搏导致的血液颜色变化来推断心率，需要用户主动将手指放在摄像头上，或将脸对准摄像头。因此，如何能够提供一种方便的且非接触式的心率监测方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于音频信号的心率监测方法、一种基于音频信号的心率监测装置及包括该音频信号的心率监测装置的音频信号的心率监测系统，以解决现有技术中的问题。作为本专利技术的第一个方面，提供一种基于音频信号的心率监测方法，其中，所述基于音频信号的心率监测方法包括：通过扬声器向外发射调频连续波；通过麦克风接收声波信号，所述声波信号包括所述调频连续波经过人体胸腔反射得到的反射声波信号和所述调频连续波由所述扬声器直接到达所述麦克风的直接声波信号，所述反射声波信号包括心跳反射声波信号和呼吸反射声波信号；对所述声波信号进行处理得到心率。优选地，所述对所述声波信号进行处理得到心率包括：将所述声波信号中的所述直接声波信号滤除得到所述反射声波信号；将所述反射声波信号转变为基带信号，并计算所述基带信号的相位；对所述基带信号的相位进行傅里叶变换得到反射声波信号频谱；根据心跳频率范围和呼吸频率范围在所述反射声波信号频谱中将所述心跳反射声波信号和所述呼吸反射声波信号进行分离得到心率。优选地，所述麦克风包括第一麦克风和第二麦克风，所述直接声波信号包括所述第一麦克风的直接声波信号和所述第二麦克风的直接声波信号。优选地，所述将所述声波信号中的直接声波信号滤除得到所述反射声波信号包括：通过傅里叶变换计算所述第一麦克风的直接声波信号r1(t)和所述第二麦克风的直接声波信号r2(t)之间的相对延时δt，其中，F[r1(t)]表示所述第一麦克风的直接声波信号r1(t)的傅里叶变换，F*[r2(t)]表示所述第二麦克风的直接声波信号r2(t)的傅里叶变换的共轭，f表示与F[r1(t)]F*[r2(t)]对应的频率，x表示待求未知量；计算所述第一麦克风的直接声波信号r1(t)和所述第二麦克风的直接声波信号r2(t)之间的互相关系数c，其中，r2shif(t)表示r2(t)的傅里叶逆变换；将r2shif(t)放大c倍，得到将所述直接声波信号从所述声波信号中滤除后得到所述发射声波信号rcancel(t)，rcancel(t)＝r1(t)-cr2shif(t)。优选地，所述将所述反射声波信号转变为基带信号，并计算所述基带信号的相位包括：所述反射声波信号rcancel(t)为：其中，α表示信号幅度，为常数；fc表示载波频率，Fh＝19kHz，Fl＝17kHz；TS表示周期，TS＝10.7ms；τ(t)表示发射的调频连续波与接收的反射声波信号之间的时延，Δf表示调频连续波的信号频率与反射声波信号的频率差，k表示信号频率线性增长的斜率，B表示带宽，B＝Fh-Fl；当时，N1＝N-1，当时，N1＝N，N∈Z，Z表示整数；将所述反射声波信号rcancel(t)转变为基带信号rb(t)，对所述基带信号rb(t)进行傅里叶变换得到频谱，并选择对应频偏的频点信号b(t)，对所述频点信号b(t)取相位，得到所述基带信号的相位φ(t)＝2πfcτ(t)。优选地，所述根据心跳频率范围和呼吸频率范围在所述反射声波信号频谱中将所述心跳反射声波信号和所述呼吸反射声波信号进行分离得到心率包括：根据所述呼吸频率范围在所述反射声波信号频谱中提取主峰和其相邻的两个频点的值，对其进行傅里叶逆变换，得到时域复信号φ1(t)；根据最小二乘算法进行拟合得到斜率slope(∠φ1(t))；根据斜率slope(∠φ1(t))计算呼吸频率BR，根据所述心跳频率范围在所述反射声波信号频谱中提取主峰和其相邻的两个频点的值，对其进行傅里叶逆变换，得到时域复信号φ2(t)；根据最小二乘算法进行拟合得到斜率slope(∠φ1(t))；根据斜率slope(∠φ2(t))计算心跳频率HB，所述心跳频率HB即为所述心率。优选地，所述呼吸频率范围为0～60BPM。优选地，所述心跳频率范围最低为max(2BR，50)BPM。作为本专利技术的第二个方面，提供一种基于音频信号的心率监测装置，其中，所述基于音频信号的心率监测装置包括：发射模块，所述发射模块用于通过扬声器向外发射调频连续波；接收模块，所述接收模块用于通过麦克风接收声波信号，所述声波信号包括所述调频连续波经过人体胸腔反射得到的反射声波信号和所述调频连续波由所述扬声器直接到达所述麦克风的直接声波信号，所述反射声波信号包括心跳反射声波信号和呼吸反射声波信号；处理模块，所述处理模块用于对所述声波信号进行处理得到心率。作为本专利技术的第三个方面，提供一种基于音频信号的心率监测系统，其中，所述基于音频信号的心率监测系统包括：扬声器、麦克风和前文所述的基于音频信号的心率监测装置，所述扬声器和所述麦克风均与所述基于音频信号的心率监测装置通信连接。本专利技术提供的基于音频信号的心率监测方法，基于音频信号实现对心率的监测，提供了非接触式的心率监测手段，监测方便，便于操作，且成本低。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，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专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术提供的基于音频信号的心率监测方法的流程图。图2为本专利技术提供的直接声波信号消除前后的对比图。图3为专利技术提供的调频连续波的信号设计示意图。图4为本专利技术提供的基带信号的频谱示意图。图5为本专利技术提供的包含呼吸和心跳的信号相位示意图。图6为本专利技术提供的下变频示意图。图7为本专利技术提供的包含呼吸频率和心跳频率的基带信号频谱示意图。图8为本专利技术提供的调频连续波声呐的工作原理图。图9为本专利技术提供的基于音频信号的心率监测方法的工作流程示意图。图10为本专利技术提供的基于音频信号的心率监测的示意图。图11为本专利技术提供的基于音频信号的心率监测装置的结构示意图。图12为本专利技术提供的基于音频信号的心率监测系统的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于音频信号的心率监测方法，其特征在于，所述基于音频信号的心率监测方法包括：通过扬声器向外发射调频连续波；通过麦克风接收声波信号，所述声波信号包括所述调频连续波经过人体胸腔反射得到的反射声波信号和所述调频连续波由所述扬声器直接到达所述麦克风的直接声波信号，所述反射声波信号包括心跳反射声波信号和呼吸反射声波信号；对所述声波信号进行处理得到心率。

【技术特征摘要】
1.一种基于音频信号的心率监测方法，其特征在于，所述基于音频信号的心率监测方法包括：通过扬声器向外发射调频连续波；通过麦克风接收声波信号，所述声波信号包括所述调频连续波经过人体胸腔反射得到的反射声波信号和所述调频连续波由所述扬声器直接到达所述麦克风的直接声波信号，所述反射声波信号包括心跳反射声波信号和呼吸反射声波信号；对所述声波信号进行处理得到心率。2.根据权利要求1所述的基于音频信号的心率监测方法，其特征在于，所述对所述声波信号进行处理得到心率包括：将所述声波信号中的所述直接声波信号滤除得到所述反射声波信号；将所述反射声波信号转变为基带信号，并计算所述基带信号的相位；对所述基带信号的相位进行傅里叶变换得到反射声波信号频谱；根据心跳频率范围和呼吸频率范围在所述反射声波信号频谱中将所述心跳反射声波信号和所述呼吸反射声波信号进行分离得到心率。3.根据权利要求2所述的基于音频信号的心率监测方法，其特征在于，所述麦克风包括第一麦克风和第二麦克风，所述直接声波信号包括所述第一麦克风的直接声波信号和所述第二麦克风的直接声波信号。4.根据权利要求3所述的基于音频信号的心率监测方法，其特征在于，所述将所述声波信号中的直接声波信号滤除得到所述反射声波信号包括：通过傅里叶变换计算所述第一麦克风的直接声波信号r1(t)和所述第二麦克风的直接声波信号r2(t)之间的相对延时δt，其中，F[r1(t)]表示所述第一麦克风的直接声波信号r1(t)的傅里叶变换，F*[r2(t)]表示所述第二麦克风的直接声波信号r2(t)的傅里叶变换的共轭，f表示与F[r1(t)]F*[r2(t)]对应的频率，x表示待求未知量；计算所述第一麦克风的直接声波信号r1(t)和所述第二麦克风的直接声波信号r2(t)之间的互相关系数c，其中，r2shif(t)表示r2(t)的傅里叶逆变换；将r2shif(t)放大c倍，得到将所述直接声波信号从所述声波信号中滤除后得到所述发射声波信号rcancel(t)，rcancel(t)＝r1(t)-cr2shif(t)。5.根据权利要求4所述的基于音频信号的心率监测方法，其特征在于，所述将所述反射声波信号转变为基带信号，并计算所述基带信号的相位包括：所述反射声波信号rcancel(t)为：其中，α表示信号幅度，为常数；fc表示载波频率，Fh＝19kHz，Fl＝17kHz；TS表示周期，TS＝10.7ms；τ(t)表示发射的调频连续波与接收的反射声波信号之间的时延，Δf表示调频连续波的信号频率与反射声波信号的频率差，k表示信号频率线性增长的斜率，B表示带宽，B＝Fh-Fl；当时，N1＝N-1，当时，N1＝N，N∈z，Z表示整数；将所述反射声波信号rcancel(t)转变为基带信号rb(t)，

【专利技术属性】
技术研发人员：钱堃，杨铮，苗欣，刘云浩，
申请(专利权)人：清华大学无锡应用技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32