專利名稱：個人監控設備、ecg設備和智能電話保護盒的制作方法
技術領域：
當前主張和公開的發明構思通常涉及個人生理監控設備和方法，且更具體地但不是作為限制，涉及用于利用諸如智能電話的計算設備來提供ECG、心率和心律失常監控的設備、系統和軟件。
背景技術：
現有技術包括很多其中EGG數據等被監控和/或從患者發送到特定醫生的辦公室或保健服務中心的系統。例如，5，735，285號美國專利公開了將患者的ECG信號轉換成調頻音頻信號的手持設備的使用，該調頻音頻信號可接著通過經由電話系統輸入到選定的手持計算機設備或指定醫生的辦公室的音頻來分析。類似地，6，264，614號美國專利公開了心臟監控器，其由患者操縱來檢測生物功能例如心搏，并將可聽信號輸出到計算機麥克風。計算機處理可聽信號并通過網絡或互聯網發送因而產生的數據信號。6，685，633號美國專利公開了患者可靠著他或她的胸部保持的心臟監控器。設備響應于功能或條件例如心臟的跳動來將可聽信號輸出到連接到計算機的麥克風。這些音頻傳輸中的每個限于可聽聲音的傳輸。換句話說，沒有設想在高于人類聽得到的，即，高于17kHz的載波頻率處的調頻聲音傳輸。2004/0220487號美國專利申請公布公開了具有ECG電極的系統，ECG電極檢測ECG電信號，該ECG電信號被組合和振幅調制。復合信號經由電線或無線地發送到計算設備中的聲音端口。具有從19kHz到21kHz的通帶的數字帶通濾波器被考慮；然而，沒有考慮在此頻率范圍處使用市場上可買到的計算設備的解調裝置。此外，沒有設想實現傳輸的聲波的使用。2010/0113950號美國專利申請公布公開了具有心臟傳感器的電子設備，心臟傳感器包括用于探測用戶的心臟信號的幾條導線。導線耦合到電子設備殼體的內表面以從視野隱藏傳感器。使用所探測的信號，電子設備可接著識別或認證用戶。6，820，057號美國專利公開了獲取、記錄并發送ECG數據的系統，其中ECG信號在具有在音頻范圍內的載波音的調頻音頻音中被編碼。然而，沒有真正考慮高于大約3kHz的載波頻率，沒有考慮高于可聽音的載波頻率，且沒有考慮在較高載波頻率處的解調方法。利用經電話傳送和可聽得見的聲信號的現有技術的限制包括由于說話或附近地區的任何其它嘈雜活動而減小的信噪比，因而可能危害心臟監控數據信號的完整性。此外，可聽信號可以被在計算機和心臟監控器的附近地區的任何人聽到，這對用戶以及附近地區的其他人可能是煩人的。其它應用未能提供容易與現有的計算設備例如智能電話兼容的可靠、廉價的個人監控設備。如果這些問題在發送實時生理數據的個人監控設備中被處理將是有利的。
實用新型內容當前主張和公開的發明的實施方式目的在于具有傳感器組件的個人監控設備，傳感器組件配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測生理信號。傳感器組件產生代表所檢測的生理信號的電信號。包括音頻發射機的轉換器組件與傳感器組件集成并電連接到傳感器組件。它接收由傳感器組件產生的電信號，并通過音頻發射機將這些信號輸出到計算設備中的麥克風。信號被輸出為聽不見的超聲波調頻聲信號。當前主張和公開的發明構思的ECG設備包括配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號的電極組件。與電極組件集成并電連接到電極組件的轉換器組件配置成接收由傳感器產生的ECG電信號，并通過音頻發射機將ECG聲信號輸出到在音頻發射機的范圍內的計算設備中的麥克風。轉換器組件還配置成輸出ECG信號作為超聲波FM聲信號。在一個實施方式中，提供了可用作ECG設備的智能電話保護盒。提供了配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號的電極組件。與電極組件集成并電連接到電極組件的轉換器組件配置成將電極組件所產生的ECG電信號轉換成具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率的超聲波調頻ECG聲信號，并且還配置成以能夠由位于智能電話保護盒內的智能電話接收的信號強度通過音頻發射機輸出超聲波調頻聲信號。在第二實施方式中，提供了用于產生并傳送醫學數據的系統。系統包括配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號的電極組件。包括音頻發射機的轉換器組件與電極組件集成并電連接到電極組件，并配置成將ECG電信號轉換成超聲波FM聲信號。超聲波FM聲信號通過音頻發射機輸出到計算設備中的麥克風。計算設備的模數轉換器(ADC)配置成對來自麥克風的信號采樣，并將其轉換成數字音頻信號。存儲在非臨時計算機可讀介質中并由計算設備可執行的解調軟件使計算設備:(I)對數字化FM音頻信號欠采樣，將其混疊到較低的頻帶，以及(2)解調在較低的頻帶處的混疊的FM音頻信號以產生ECG輸出。在另一實施方式中，提供了用于存儲能夠由一個或多個計算設備執行的一組指令的非臨時計算機可讀存儲介質，所述指令在被所述一個或多個計算設備執行時使所述一個或多個計算設備通過至少(I)對數字化FM音頻信號欠采樣、將其混疊到較低的頻帶以及
(2)解調在較低的頻帶處的混疊的FM音頻信號以產生ECG輸出來解調具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率的數字化FM音頻信號。健康監控的方法被提供并包括下面的步驟。ECG設備的電極組件放置成與用戶的皮膚接觸。電極組件配置成檢測用戶的心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號。包括音頻發射機的轉換器組件與傳感器組件集成并電連接到傳感器組件，且配置成接收由傳感器產生的ECG電信號并通過音頻發射機輸出ECG聲信號作為超聲波FM聲信號。超聲波FM聲信號通過音頻發射機輸出，并在音頻發射機的范圍內的計算設備中的麥克風處被接收，被解調，且因而產生的ECG輸出被記錄。可選地，用戶可同時記錄口頭語音消息與ECG輸出。因此，利用⑴本領域已知的技術；⑵當前主張和公開的發明構思的上面提到的一般描述；以及(3)接下來的本發明的詳細描述，當前主張和公開的發明構思的優點和新穎性對本領域的普通技術人員將容易明顯。

圖1 是從http://en.labs, wikimedia.0rg/wiki/Acoustics 獲悉的人類聽覺范圍和閾限的圖形表示。圖 2 是來白 www.neuroreille.com/promenade/english/audiometry/audiometry.htm的隨著年齡的聽力損失的圖形表示。圖3 是不出來自 www.hearinglossky.0rg/hlasurvivall.html 的普通聲音的強度和頻率的聽力圖。圖4是向計算設備進行傳送的個人監控設備的實施方式的示意性表示。圖5是本發明的個人監控設備的另一實施方式的示意性表示。圖6是圖形ECG表示的例子。圖7A是在安靜的辦公室環境中的噪聲的頻譜圖。圖7B是來自本發明中實現的ECG監控設備的經調制的超聲波信號的頻譜圖。圖8A是具有管形狀的本發明的個人監控設備的實施方式的示意性表示。圖SB是可用作智能電話保護盒的本發明的個人監控設備的另一實施方式的示意性表示。圖SC是可用作墊的本發明的個人監控設備的實施方式的示意性表示。圖9是位于胸帶內的被包括的本發明的ECG設備的實施方式的示意性表示。圖10是本發明的計算機可讀存儲介質實施方式的示意性表示。圖11是本發明的實施方式的示意性表示。圖12是在帶通濾波之后的頻譜的示例性表示。圖13是在以原始采樣率的一半進行欠采樣之后的頻譜的示例性表示。圖14示出用于接收并解調超聲波FM ECG聲信號的系統的工作實例。
具體實施方式
在詳細解釋本發明的至少一個實施方式之前，應理解，本發明在其應用中不限于在下面的描述中闡述的部件的結構、實驗、示例性數據和/或布置的細節。本發明能夠有其它實施方式或以各種方式被實踐或實現。此外，應理解，本文使用的術語是為了描述的目的，而不應被視為限制性的。在本公開的實施方式的下面的詳細描述中，很多特定的細節被闡述，以便提供對本公開的更徹底的理解。然而，對本領域的普通技術人員將明顯，可在沒有這些特定細節的情況下實踐本公開中的構思。在其它實例中，沒有詳細描述公知的特征，以避免不必要地復雜化描述。人類聽覺范圍常常指20Hz到20kHz。在理想實驗室條件下在兒童中的最大聽覺范圍實際上低至12Hz且高至20kHz。然而，如圖1所示，閾頻率，即，可探測的最小強度快速上升到在IOkHz到20kHz之間的痛閾。因此，高于大約16kHz的聲音必須相當強以被聽到。幾乎立即從出生起，這些較高頻率的閾聲音水平增加。如圖2所示，一般20歲的人在SkHz范圍內損失大約IOdB,而在90歲時，一般人在此頻率處損失超過100dB。使用非常高頻率的聲音的示例性產品是蚊子警告器——一種發射故意惱人的
17.4kHz警報并用于勸阻年輕人不虛度時光的有爭議的設備。由于成年人在此頻率處聽力損失，它一般僅被25歲以下的人聽到。類似地，學生通過在學校期間在其手機上使用15-17kHz的“蚊子”鈴聲來利用成人聽力損失。學生可聽到“蚊子”鈴聲，而其成人教師不能。術語“超聲波” 一般意指高于人類所感知的范圍。然而，如所證實的，聽覺頻率的上限通常隨著個人和隨著年齡而變化。由于這個上限中的差異，術語“超聲波”在本文和在所附權利要求中被定義為指“17kHz或更大的聲音頻率”。然而有趣的是，存在高于大約IOkHz的非常少的周圍聲音或噪聲。參考圖3，大多數日常聲音出現在低于大約4kHz的頻率處。因此，在超聲波范圍內的信號的使用不僅對那些聲音是無聲的，而且還提供非常合乎需要的信噪比(SNR)。聲學工程師安全地假設，高于大約20kHz的任何頻率將對所感覺的聲音沒有影響，且他們過濾高于這個范圍的每件事物。但仍然在超聲波范圍內的低于20kHz的聲音無關緊要，且標準采樣過程被相應地建立。通常理解，對模擬信號——不管是無線電信號還是可聽聲信號——采樣需要采樣頻率fs，使得fs/2 > f，其中f是正弦頻率。由于這個原因，聲音系統被設計成以現在44.1kHz的標準采樣率采樣，該采樣率設置得稍微高于對20kHz聲音上限所計算出的奈氏-香農(Nyquist-Shannon)采樣率，即，40kHz。使用現有的解調過程、計算機、電話、手機、立體聲系統等的在超聲波范圍內的FM窄帶信號的實際解調將導致原始信號的非常差的再生。這是不幸的，因為如上所述，在超聲波范圍內的載波信號也將由于在這些較高頻率處有非常少的自然“噪聲”而具有非常低的信噪比。本文公開的發明構思目的在于用于使用調頻超聲波信號來測量生理信號并無線和無聲地發送這些測量結果的個人監控設備、方法和系統，調頻超聲波信號與傳統經電話傳送的方法比較具有很大地提高的信噪比。還提供了使用現有的計算機和智能電話技術以極好的準確性接收和解調超聲波信號的方法和算法。當前主張和公開的發明構思提供了個人監控設備10，其實施方式在圖4和圖5中示意性示出。監控設備10的獲取電子裝置11包括配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測生理信號的傳感器組件12。傳感器組件12產生代表所檢測的生理信號的電信號，其輸入到與傳感器組件12集成的轉換器組件14。轉換器組件14將傳感器組件12所產生的電信號轉換成調頻超聲波信號，該調頻超聲波信號由超聲波發射機24輸出。在一個實施方式中，調頻超聲波信號具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率。在另一實施方式中，調頻超聲波信號具有在從大約20kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率。傳感器組件12可包括操作來探測用戶希望監控的生理信號的任何適當的傳感器。這樣的生理信號的非限制性的例子包括但不限于呼吸、心搏、心率、心電圖(ECG)、肌電圖(EMG)、眼電圖(EOG)、脈搏血氧飽和度分析、光電血管容積圖(PPG)和腦電圖(EEG)。呼吸探測器可以是常規麥克風輔助聽診器12'。也可使用常規麥克風輔助聽診器12'或通過使用電極組件18以檢測隨著時間的過去由心臟產生的電信號來探測心搏和心率。這樣的電極18也可用于探測隨著時間的過去心臟的電活動，以獲得心電圖(ECG)。ECG是當在每次心搏期間心肌去極化時產生的在皮膚上的小的電變化。來自一對電極18的輸出被稱為導線20。在放置在心臟的任一側上的兩個電極之間的電壓的小的升高和下降可被處理以產生圖形ECG表示22，例如圖6所示的示例性ECG。肌電圖(EMG)探測當肌肉細胞在電學上或在神經學上被激活時由肌肉細胞產生的電位。信號可被分析以探測醫學異常。眼電圖(EOG)是用于測量視網膜的靜止電位的技術。通常，數對電極18放置在眼睛上面和下面，或眼睛的左邊和右邊，且電位差測量結果是對眼位置的度量。人的血紅蛋白的氧化可使用脈搏血氧飽和度傳感器以無創方式被間接地監控，而不是直接從血液樣本測量。傳感器放置在人體的薄的部分例如指尖或耳垂上，且包含紅和紅外波長的光從一側通到另一側。這兩個波長的每個的吸收的變化被測量，且差異用于估計人血液的血氧飽和度和皮膚中的血容量的變化。可接著使用脈搏血氧飽和度傳感器或使用利用單個光源的光學傳感器來獲得光電血管容積圖(PPG)。PPG可用于測量血流量和心率。腦電圖(EEG)可使用連接到頭皮的電極而被監控并測量腦活動所產生的電壓。轉換器組件14將傳感器組件12所產生的電信號轉換成可由計算設備16接收的調頻超聲波信號。在圖5所示的實施方式中，轉換器組件14包括轉換器23和超聲波發射機24，超聲波發射機24用于輸出具有在從例如大約18kHz到24kHz的范圍內的載波頻率的調頻超聲波信號。適當的超聲波發射機24的非限制性的例子包括但不限于微型揚聲器、壓電蜂鳴器等。超聲波信號可由計算設備16例如智能電話30、個人數字助理(PDA)、平板個人計算機、口袋個人計算機、筆記本計算機、桌上型計算機、服務器計算機等中的麥克風25接收。現有技術設備使用調頻生理信號來在獲取硬件和計算設備之間進行通信。信號具有在可聽范圍內的載波頻率例如用于發送ECG信號的傳統的1.9kHz FM頻率。然而，已發現，通過使用超聲波頻率作為載波，例如在從大約18kHz到大約24kHz或甚至20kHz到24kHz的范圍內的頻率，在個人監控設備10的獲取電子裝置11和計算設備16例如智能電話之間的聲通信實質上是無聲的，且遠比傳統的1.9kHz FM頻率更加抗噪聲。事實上，在超聲波范圍內的音頻信號功率的測量確定，17kHz和更高的載波頻率提供不受周圍環境和語音“噪聲”污染的影響的通信。通過使用超聲波載波頻率，在甚至“最嘈雜的”環境中，我們創建在獲取電子裝置11和計算設備16例如智能電話30、筆記本計算機等之間的無噪聲和無聲的通信。例如，圖7A示出在安靜的辦公室環境中的聲音的頻譜圖。如可看到的，周圍的噪聲在2kHz時為大約35db。圖7B示出在同一安靜的辦公室環境中的超聲波調制的ECG信號的頻譜圖。應注意，周圍的噪聲在19kHz時僅為20db (稍微向上的曲線是偽像)，與標準2kHz信號比較對19kHz超聲波信號給出至少15db的優勢。這是對信噪比(SNR)的明顯提高，信噪比在嘈雜環境例如大街、購物商場或嘈雜的家里提高得更多。協同地，信號的音量可在超聲波頻率處進一步增加，而無須顧忌現場的“收聽者”，因為他們不能聽見它。在一個實施方式中，個人監控設備10是ECG設備10'，并包括配置成當與用戶的皮膚接觸時檢測心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號的電極組件18。如在下文中詳細討論的，ECG設備10'將超聲波調頻ECG信號發送到計算設備16，例如智能電話30。在計算機16或智能電話30上運行的軟件數字化并實時地處理音頻，其中調頻ECG彳目號被解調。可使用計算心率并識別心律失常的算法來進一步處理ECG。ECG、心率和節律信息可顯示在計算機16或智能電話30上，在本地存儲用于以后的檢索，和/或經由2G/3G/4G、WiFi或其它互聯網連接實時地發送到web服務器52。除了 ECG數據的顯示和本地處理以外,計算機16或智能電話30還可經由安全的web連接實時地發送ECG、心率和節律數據，用于經由web瀏覽器接口(使用例如智能電話30的2G/3G/4G或WiFi連接)觀看、存儲和進一步分析。服務器軟件提供HF ECG節律條樣帶文件和/或其它報告和格式的存儲、進一步處理、實時或回顧的顯示和形成以遠程地或在本地打印。在另一實施方式中，ECG設備10'的轉換器組件14與電極組件18集成并電連接到電極組件18，并配置成將電極組件18所產生的ECG電信號轉換成具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率的調頻ECG超聲波信號。利用在20kHz到24kHz范圍內的載波頻率有時是合乎需要的。超聲波范圍在獲取電子裝置11和計算設備16例如智能電話30、筆記本計算機等之間創建較低噪聲和無聲的通信。ECG設備10'可以用與其功能一致的任何方式配置，即，它應包括可用來與用戶的手、胸部或身體的其它部分上的皮膚接觸的電極以獲得用戶的ECG，以及用于使用超聲波將ECG發送到接收設備的裝置。例如，手持ECG設備10'可成形為像圖5中的信用卡一樣，兩個電極在底表面上，或ECG設備10'可成形為像圖8A中的手電筒或筆一樣，在接觸持有者的手的圓柱形表面57上有一個電極18，而另一電極18'在使用中時在接觸胸部、手或其它身體部分的一端59上。在另一配置中，ECG設備10'可用作如圖8B所示的智能電話保護盒60。一個示例性配置利用iPhone⑩或其它智能電話30的“易裝上或卸下的”保護盒60，保護盒60包括集成的ECG電極組件18和獲取電子裝置11 (用于產生ECG數據的單個導線的2、3或4個電極)。ECG電極位于與顯示屏58相對的盒60的一側62上。在ECG適應的保護盒60中的智能電話30可保持在兩只手中(產生導線一，左臂減去右臂)，或可放置在人的胸部上以產生修改的胸部導線。ECG由獲取電子裝置11測量且被轉換成調頻超聲波信號。適當的載波或中心頻率的非限制性例子包括從大約18kHz到大約24kHz，或在一些實施方式中從大約20kHz到24kHz。調頻超聲波信號由微型揚聲器64或壓電蜂鳴器66輸出。在另一配置中，如在圖8C中示意性示出的ECG設備10'可用作墊。為了使用墊10'，用戶將手放置在兩個電極18的每個上。墊10' ECG設備與“盒”電子裝置相同，但存在于其自己的殼體67中，而不是集成到智能電話30的保護盒60中。在一個工作實例中，墊10'大約是A4紙的尺寸，導電材料的兩個分離的區域充當手被放置的電極。導電織物可具有導電尾部，其被卷曲到按扣61以連接或夾到獲取電子裝置11的“外殼”以使用超聲波將ECG發送到接收設備。這個實施方式允許使用設備來獲取ECG數據，并使它在聲學上傳遞到PC或其它計算設備用于經由web應用和連接來解調、處理、存儲和顯示。外殼放置到一側允許墊在使用期間平放以及折疊合攏用于存儲。大部分計算設備和所有的智能電話包括存儲器56、顯示屏58和用于經由蜂窩天線54將信息信號發送到基站或web服務器/從基站或web服務器52接收信息信號的收發機。因此，計算設備電子裝置可用于將來自個人監控設備10的信息存儲在存儲器56中，和/或通過本領域技術人員充分理解的無線通信技術將信息發送到基站52或特定的通信地址。在圖9示意性示出的又一實施方式中，ECG設備10'可用作胸帶設備68如健康心率監控器。具有集成ECG電極組件18和獲取電子裝置11的“外殼”的胸帶69產生調頻超聲波ECG信號，并將它發送到計算設備16，例如智能電話30。在所述配置的任一個中，計算設備16例如智能電話30利用其內置麥克風25和CPU來實時地獲取、數字化、解調、處理和接著顯示ECG數據。此外，計算設備16或智能電話30可計算實時心率測量結果并確定心節律診斷如心房纖維性顫動。計算設備16或智能電話30可利用其2G、3G、4G、Bluelouth4.和WiFi連接來將ECG和其它數據發送到安全的web服務器52用于實時的遠距離顯示、存儲和分析。此外，ECG數據可在本地存儲在智能電話30上用于以后審查或傳輸。在智能電話30上的軟件也可將來自其它傳感器的數據和信號組合到智能電話30例如GPS和加速計中。這個數據的進一步處理提供與用戶有關的額外信息，例如速度、位置、距離、步長、節奏、身體姿勢、跌倒探測和能量消耗。來自傳感器的原始信號和所得到的信息可顯示和在本地存儲在智能電話30上，以及通過互聯網連接發送到web服務器52。在web服務器52上的軟件提供web瀏覽器界面用于從智能電話30接收的信號和信息的實時或回顧的顯示，并且還包括進一步的顯示和報告。現在參考圖10，計算機可讀存儲介質56存儲一組指令72，其中指令72能夠由一個或多個計算設備16執行。適當的計算設備16的非限制性例子包括智能電話30、個人數字助理(PDA)、平板個人計算機、口袋個人計算機、筆記本計算機、桌上型計算機和服務器計算機。當指令72被執行時，使一個或多個計算設備16數字化并解調傳感器輸入74例如超聲波調頻ECG信號以產生實時解調的數字ECG數據。指令72也可使實時解調的數字ECG數據顯示在計算設備16的顯示屏58上。用于FM解調的一般技術基于零交叉探測，其中在零交叉之間的時間間隔用于計算頻率并重構解調的信號。在一些應用中，簡單地計算在零交叉之間的音頻樣本的數量可提供頻率估計的足夠的準確度。準確度可通過在樣本之間插值來提高，這提供了零交叉點的更好估計和隨后的更好的頻率估計。基于零交叉探測的FM解調實現起來簡單，并與其它技術例如使用FFT (快速傅立葉變換)的技術比較需要很少的計算，使它特別適合于用在低功率便攜式計算設備上的實時應用中。然而，如果FM窄帶信號接近于數字地采樣的音頻的奈氏頻率，則零交叉估計中的誤差變大，因為每周期有非常少的樣本。這嚴重限制了一般零交叉解調技術對超聲波載波頻率的使用。本公開的實施方式提供了解調接近于奈氏頻率的FM窄帶信號同時以準確的頻率估計維持零交叉技術的簡單性和效率的方法。現在參考圖11，代表ECG信號的超聲波FM信號由例如在移動電話30或其它計算設備16中的麥克風25接收到，并轉換成模擬信號。模擬信號在時間上是連續的，并在模數轉換器80中轉換成數字值流，在FM解調器82中被解調，并顯示在智能電話30或其它計算設備16的顯示器58上，或保留在存儲器56中。因為通常稱為ADC的實際模數轉換器80不能進行即時的轉換，輸入值必須一定在轉換器執行轉換的時間期間保持不變。新的數字值從模擬信號被采樣的速率稱為ADC的采樣率或采樣頻率。移動電話和其它個人計算設備一般被限制到以44kHz來記錄音頻。一些智能電話例如八NDR01DS和iPl[ONL_:R'可以按48kHz采樣。數字化超聲波信號可接著在FM信號的超聲波載波頻率周圍被帶通濾波，以提高信噪比并減小在通帶之外的不需要的音頻。如圖12所示的經濾波的FM信號接著以原始音頻的采樣率的一半被“欠采樣”。這導致將頻譜移動并反轉到較低的頻帶的FM信號的混疊。頻譜被欠采樣操作反轉的結果導致解調的輸出被反轉，如圖13所示。通過簡單地轉換最終解調的輸出來校正反轉。使用在較低頻率處的FM信號，每周期有更多的音頻樣本，且解調過程例如零交叉估計明顯更準確。例如，零交叉探測器識別音頻信號改變符號的零交叉。零交叉點的準確度進一步通過在零交叉的任一側的樣本之間線性地插值來提高。最后，在零交叉之間的時期用于計算頻率的估計值并重構解調的信號。雖然上述解調過程利用零交叉估計，應理解，其它解調過程可被使用，以及其它解調過程的準確度也受益于欠采樣操作。實例在圖14所示的一個工作實例中，系統使用從便攜式ECG監控器發送到移動電話30以及個人計算機16中的麥克風25的超聲波FM ECG信號。這提供與具有麥克風的大部分移動電話和計算機兼容的低成本無線傳輸解決方案，而不需要任何額外的硬件來接收信號。FM信號高于18kHz使得它對大多數人是聽不見的、不干擾音樂或講話并且也較不易于受音頻干擾是合乎需要的。FM信號具有窄帶寬以進一步減小其對音頻干擾的敏感性也是合乎需要的。在這種情況下，ECG監控器使用19kHz的超聲波FM載波，使用在200Hz/mV處并具有±5mV的范圍的ECG被調制。這導致在18kHz和20kHz之間的超聲波FM信號。首先，音頻FM信號由麥克風25接收到并由移動電話30中的ADC80以44kHz數字化。音頻接著在濾波器82中在18kHz和20kHz之間被帶通濾波，以移除通帶之外的音頻噪聲。在下一級84中，音頻在22kHz處被欠米樣,其中僅每隔一個音頻樣本被使用。在這樣的欠采樣之后產生的數字信號導致移動并反轉頻譜的混疊，使得頻譜出現在2kHz到4kHz范圍中。零交叉探測器86接著識別音頻信號改變符號的地方。接著通過在零交叉的任一側的樣本之間線性地插值而在頻率估計步驟88中更準確地計算零交叉點。在本實例中，僅僅需要每3.33ms進行頻率估計，因為它解調在300Hz處的輸出信號。這通過計算零交叉的數量并測量在最接近的固定數量的周期上的時期來實現，在該時期期間，提供固定的300Hz輸出。解調的輸出接著反轉以校正被欠采樣操作反轉的頻譜。最后，300Hz解調的ECG數據被傳遞通過40Hz低通濾波器，因為所關注的ECG帶寬低于40Hz。這進一步從頻率估計和解調的輸出減小任何噪聲。FM解調器輸出16位的300Hz ECG。傳感器輸入74也可包括來自額外的傳感器的實時信息以及用戶輸入74'。例如，在計算設備16是智能電話30的實施方式中，除了解調的ECG數據以外，輸入74還可包括來自智能電話30中的GPS和/或加速計的實時信息。用戶輸入74'還可包括通過計算設備16的麥克風輸入的口頭語音消息。指令72可使傳感器和/或用戶輸入74和74'被記錄并保持在計算設備16的存儲器56中。在一個實施方式中，這組指令72在由一個或多個計算設備16執行時可進一步使一個或多個計算設備16計算并實時地顯示由調頻ECG超聲波信號表示的心率。此外，解調的數字ECG數據可被處理以識別心律失常的出現。在這樣的設計中，存儲介質70可包括指令72以使計算設備16在心律失常出現時在顯示屏58上顯示警告或通過揚聲器76發出可聽得見的警報。指令72可使計算設備16將解調的數字ECG數據存儲在一個或多個計算設備16的存儲器56中用于以后的檢索。這組指令72可進一步使一個或多個計算設備16在要求時檢索所存儲的解調的數字ECG數據并經由計算設備16的互聯網連接將解調的數字ECG數據發送到web服務器52。記錄的口頭語音消息可同時與解調的數字ECG數字一起被存儲并發送到web服務器52。在其它實施方式中，指令72可使一個或多個計算設備16將解調的數字ECG數據和/或語音消息實時地發送到web服務器52。一種版本的智能電話軟件被打包為可與其它第三方軟件應用集成的軟件庫。這為第三方應用提供簡化和標準的方法來使用ECG設備10'獲得心率和其它得到的信息，而不必開發其自己的數據獲取、解調和信號處理算法。一種版本的軟件也在PC上運行并包括解調、處理、存儲和到web服務器52的發送。軟件包括音頻獲取、解調、ECG分析和加速度分析模塊。來自ADC的音頻樣本可選地被傳遞通過數字帶通濾波器以移除在調制范圍之外的不需要的頻率。解調模塊以音頻采樣的頻率的大約一半使用欠采樣解調調頻ECG超聲波信號以將頻譜移動到較低的頻率范圍，接著是線性近似和零交叉算法。解調器允許選擇不同調制參數以匹配特定的ECG設備。雖然僅使用零交叉和線性近似的解調對6kHz和更低的載波頻率很好地起作用，但是，使用44kHz采樣對高于IOkHz的載波頻率，來自線性近似的誤差變大，除非使用欠采樣來移動頻譜。算法接著檢查輸入的數據的符號。當符號改變時，它在兩個點之間畫直線并插入零值。它使用此來在3.333ms間隔上確定平均頻率，這以300Hz的輸出采樣率提供ECG數據。ECG分析模塊包括處理ECG以探測心跳并對心跳分類以及提供心率估計的算法。從心跳之間的間隔計算心跳間心率，并使用RR間隔的中值濾波來計算心率的更可靠的測
量結果。加速度分析模塊包括處理來自智能電話30中的內置3軸加速計傳感器的信號以得到個人的能量消耗、步長、節奏和身體姿勢的估計并探測跌倒的算法。從上面的描述中很清楚，當前公開和主張的發明構思非常適合于實現目的并獲得本文提到的優點以及在所公開和主張的發明構思中內在的優點。雖然為了本公開的目的描述了所提出的實施方式，但將理解，可進行容易浮現在本領域技術人員的心中并且在當前公開和主張的發明構思的精神內實現的很多改變。
權利要求1.一種個人監控設備，包括: 傳感器組件，其配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測生理信號，并產生代表所檢測的生理信號的電信號； 轉換器組件，其包括音頻發射機，所述轉換器組件與所述傳感器組件集成并電連接到所述傳感器組件，并配置成接收由所述傳感器產生的所述電信號并通過所述音頻發射機將這些信號輸出到在所述音頻發射機的范圍內的計算設備中的麥克風，其中所述轉換器組件還配置成輸出所述信號作為聽不見的超聲波調頻(FM)聲信號， 其中所述聽不見的超聲波FM聲信號具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率。
2.如權利要求1所述的個人監控設備，其中所述聽不見的超聲波FM聲信號具有在從大約20kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率。
3.如權利要求1所述的個人監控設備，其中所檢測的所述生理信號選自心電圖(ECG)、肌電圖(EMG)、眼電圖(EOG)、光電血管容積圖(PPG)、呼吸、心率、脈搏血氧飽和度分析、腦電圖(EEG)和其組合所組成的組。
4.一種ECG設備，包括: 電極組件，其配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號；以及 轉換器組件，其包括音頻發射機，所述轉換器組件與傳感器組件集成并電連接到所述傳感器組件，并配置成接收由所述傳感器產生的所述ECG電信號并通過所述音頻發射機將ECG聲信號輸出到在所述音頻發射機的范圍內的計算設備中的麥克風，其中所述轉換器組件還配置成輸出所述ECG信號作為超聲波FM聲信號，其中所述超聲波FM聲信號具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率。
5.如權利要求4所述的ECG設備，其中所述超聲波FM聲信號具有在從大約20kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率。
6.如權利要求4所述的ECG設備，其中所述轉換器組件包括用于輸出所述調頻超聲波信號的音頻發射機，其中所述音頻發射機配置成將所述超聲波FM聲信號輸出到在所述音頻發射機的范圍內的計算設備中的麥克風。
7.如權利要求6所述的ECG設備，其中所述計算設備選自智能電話、個人數字助理(PDA)、平板個人計算機、口袋個人計算機、筆記本計算機、桌上型計算機、服務器計算機所組成的組。
8.如權利要求6所述的ECG設備，其中所述電極組件位于智能電話保護盒的外表面上，且其中當智能電話位于所述智能電話保護盒中時，從所述音頻發射機輸出的所述超聲波FM聲信號能夠由所述智能電話中的麥克風探測。
9. 如權利要求6所述的ECG設備，其中所述ECG設備是具有所述電極組件的手持設備，所述電極組件包括位于下列項中的一個上的兩個電極:a)配置成接納用戶的手的墊的外表面，在每個電極上放一只手，b)卡片的單側，或c)具有在外圓柱形表面上的一個電極和在任一端上的一個電極的圓柱形設備。
10.如權利要求6所述的ECG設備，其中所述電極組件位于胸帶內。
11.一種用作ECG設備的智能電話保護盒，包括:電極組件，其配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測心臟相關的信號并將所檢測的心臟相關的信號轉換成ECG電信號；以及 轉換器組件，其與所述電極組件集成并電連接到所述電極組件，所述轉換器組件配置成將所述電極組件所產生的所述ECG電信號轉換成具有在從大約18kHz到大約24kHz的范圍內的載波頻率的超聲波FM聲信號，并且還配置成通過音頻發射機以能夠由位于所述智能電話保護盒內的智能電話接收到的信號強度輸出所述超聲波FM聲信號。
專利摘要本實用新型涉及個人監控設備、ECG設備和智能電話保護盒。個人監控設備具有配置成在與用戶的皮膚接觸時檢測生理信號的傳感器組件。傳感器組件產生代表所檢測的生理信號的電信號。與傳感器組件集成并電連接到傳感器組件的轉換器組件將傳感器組件產生的電信號轉換成聽不見的調頻超聲波聲信號。超聲波信號從通過欠采樣產生的混疊的信號解調。
文檔編號A61B5/0402GK203153725SQ201220221408
公開日2013年8月28日 申請日期2012年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者大衛·艾伯特, 布魯斯·理查德·薩奇韋爾, 吉姆·諾曼·巴尼特 申請人:阿利弗克公司