CN117898681B - 一种基于无线监护的水肿信号的获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线监护的水肿信号的获取方法及装置，其中的方法包括如下步骤：步骤1：在需要监测水肿的部位佩戴好装置;步骤2：启动装置获取患者皮肤的表面温度和湿度；步骤3：信号处理模块接收到皮肤温度值后，向第一参考传感器和第二参考传感器发送指令，使其与皮肤表面温度值和湿度值保持一致；步骤4：装置产生频率为f1、f2、f3、…、fn，功率为P的正弦波，步骤5：通过差分放大器进行减法运算并对信号进行放大处理，得到滤除干扰的水肿传感信号,建立水肿传感信号矩阵。本发明的有益效果是：克服了温度、湿度对射频传感信号的影响，有利于提高水肿风险的预测准确度，且具有使用简单、可重复利用、成本低等优势。

Description

一种基于无线监护的水肿信号的获取方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗健康无线监护技术领域，特别是一种基于无线监护的水肿信号的获取方法及装置。

背景技术

水肿是乳腺癌患者术后发生的主要并发症之一，发生率6.7% -62.5%。水肿不仅影响外观，降低生活质量，而且会使患者失去生活自理能力，成为妨碍患者回归家庭和社会的重要因素。水肿越到后期治疗难度越大，效果越差，因此及时筛查和早期预警水肿是非常重要的。目前，临床上对早期的隐匿性水肿缺乏有效的预警手段，主要通过直接测量肢体的围度或体积；或通过借助医学仪器分析肢体的体液成分；或通过影像类辅助检查，包括同位素淋巴造影、近红外荧光成像。基于测量肢体的围度或体积方法的准确度较低；通过借助医学仪器的方法需要到医院进行检测，成本较高，限制了患者的依从性，且无法实现连续监测。

乳腺癌水肿是乳腺癌患者术后发生的主要并发症之一，发生率6.7% -62.5%，80％的乳腺癌相关淋巴水肿发生在术后2年以内。2013年国际淋巴协会将淋巴水肿分为4级，分别为0-3级。其中0 级为亚临床期，此时患者的淋巴系统功能已经受到损伤，但测量患者患侧肢体的体积并没有发生异常，也没有明显的临床症状出现，若在此阶段对患者进行物理治疗干预，大部分患者淋巴水肿可以停止进展。然而目前乳腺癌术后水肿的早期预警监测手段匮乏，常规技术存在一定的局限性。

现有的临床监测手段是通过生物电阻抗和近场耦合相移传感技术，如中国发明专利申请号：2022109197541，基于生物电阻抗的水肿监测系统；申请号：2020113875740，基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置及方法；申请号：2013103054244，一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置及其使用方法。上述专利基于生物电阻抗技术或近场耦合相移传感技术实现水肿的评估。然而，在实际的运用中，传感信号容易受温度、湿度等因素的影响，温度和湿度过高或过低都会使得传感器的精准度下降，严重影响水肿预测的准确度。然而，上述专利中并没有考虑到温度、湿度对水肿预测的影响。

发明内容

针对目前术后水肿预测的难点，本发明提出了一种基于无线监护的水肿信号的获取方法及装置，通过穿戴式的无线监护技术，分析不同频率下的射频传感信号，同时考虑温度、湿度对射频传感信号的影响，提高乳腺癌患者水肿风险的预测准确度。是通过如下技术方案实现的。

本发明提供一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，配置水肿信号获取装置，装置具有功率分配器，射频传感模块，差分放大器，所述射频传感模块包括水肿传感器、温度传感器和湿度传感器，包括如下步骤：

步骤1：在需要监测水肿的部位佩戴好装置，水肿传感器与患者的皮肤直接接触，装置的第一参考传感器和第二参考传感器与空气接触;

步骤2：启动装置，温度传感器和湿度传感器开始测量患者皮肤的表面温度和湿度，并将皮肤温度值和湿度值传输给信号处理模块；

步骤3：信号处理模块接收到皮肤温度值后，向第一参考传感器发送温度调控指令及向第二参考传感器，激活第一参考传感器表面的温度材料，使其温度值与皮肤表面温度值保持一致，激活第二参考传感器表面的湿度材料，使其湿度值与皮肤表面湿度值保持一致；

步骤4：装置产生频率为f1，功率为P的正弦波，经功率分配器后将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，其中一路信号直接进入水肿传感器，另一路信号通过开关控制分别进入到第一参考传感器和第二参考传感器；

步骤5：通过差分放大器进行减法运算并对信号进行放大处理，从而得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,1，滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,1；

步骤6：水肿信号获取装置依次产生频率为f2、f3、...、fn，功率为P的正弦波，重复步骤4与步骤5，分别得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,1、S1,2、S1,3、…、S1,n，滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,2、S2,3、...、S2,n，建立滤除温度干扰的水肿传感信号矩阵A={S1,1、S1,2、S1,3、…、S1,n}，B={ S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n}，n为不同频率的数目。

本发明还提供一种基于无线监护的水肿信号的获取装置，其主要由四部分组成，分别为功率分配器，射频传感模块，差分放大器以及信号处理模块，各模块的主要功能如下：

功率分配器：该模块主要实现将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，一路作为水肿预测的射频信号，一路作为参考信号进行校准。两路信号输入到射频传感模块。

射频传感模块：该模块主要通过印刷电路板实现，其由水肿传感器，第一参考传感器，第二参考传感器，信号屏蔽层组成；

差分放大器：该模块的主要功能是实现水肿射频传感信号分别与第一参考传感器的信号、第二参考传感器的信号进行减法运算，减少温度、湿度对传感信号的影响，并对信号进行放大，以供信号处理模块进行分析。

信号处理模块：该模块的主要功能是对所得到的信号进行分析处理，从而实现患者的水肿风险预测。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明克服了温度、湿度对射频传感信号的影响，有利于提高乳腺癌患者水肿风险的预测准确度，且具有使用简单、可重复利用、成本低等优势。

附图说明

图1是本发明实施例的水肿信号获取装置结构示意图。

图2是本发明实施例中射频传感模块的结构示意图。

图3是本发明实施例中水肿信号获取流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明的实施例中，无线监护装置，是可与主机通信的穿戴式装置，是一种佩戴式装置或者是贴合在皮肤表面的贴合式装置，也属于一种无创体征监测技术。通信方式可通过蓝牙互联，将无线监护的数据传送到主机，主机采用模型或者是机器学习语言，对数据进行加工，输出需要的结果。在本发明的实施例中，是预警信号。

主机是医疗级或者是非医疗级的体征数据分析设备，在非医疗级的设备中，智能手机也可作为替代。

如图1所示，本发明提出了一种基于无线监护的水肿信号的获取装置，该装置的结构如图1所示，其主要由四部分组成，分别为功率分配器，射频传感模块，差分放大器以及信号处理模块。各模块的主要功能如下：

功率分配器20：该模块主要实现将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，一路作为水肿预测的射频信号，一路作为参考信号进行校准。两路信号输入到射频传感模块。

射频传感模块10：该模块主要通过印刷电路板实现，其由水肿传感器14，第一参考传感器11，第二参考传感器12，信号屏蔽层13组成，如图2所示，具体如下：

（1）水肿传感器：其位于印刷电路板的底层，该传感器由多个裂环圆形传感单元16组成，每个环的开口对称分布，用于实现传感信号的能量集中、定向传感。在该水肿传感器的左上角和右下角各分布一个温度传感器用于测量患者皮肤的表面温度，在水肿传感器的右上角和左下角各分布一个湿度传感器用于测量患者皮肤的表面湿度。

（2）第一参考传感器为温度参考传感器，其位于印刷电路板的顶层。该传感器的裂环圆形传感单元尺寸、材料等属性与水肿传感器完全一致。不同的是，在该传感器的表面还覆盖有一层温度材料，该温度材料可根据相关指令迅速改变材料温度，使其温度满足指令的要求。此外，在该传感器的四周分布有温度传感器用于测量温度材料的实时温度。

温度材料主要是温度敏感材料，如热电体、金属电阻体和热敏电阻等。

（3）第二参考传感器为湿度参考传感器，其位于印刷电路板的顶层，并与第一参考传感器并列。该传感器的裂环圆形传感单元尺寸、材料等属性与水肿传感器完全一致。不同的是，在该传感器的表面还覆盖有一层湿度材料，该湿度材料可根据相关指令迅速改变材料湿度，使其湿度满足指令的要求。此外，在该传感器的四周分布有湿度传感器用于测量湿度材料的实时湿度。

湿度材料，主要是湿度敏感材料，如PI薄膜。

（4）信号屏蔽层其位于印刷电路板的中间层，其主要功能是阻止水肿传感器的传感信号穿透印刷电路板与第一参考传感器、第二参考传感器的信号之间发生串扰。

信号屏蔽层通常由导电材料制成，如金属、导电聚合物或导电涂料等。

差分放大器30：该模块的主要功能是实现水肿射频传感信号分别与第一参考传感器的信号、第二参考传感器的信号进行减法运算，减少温度、湿度对传感信号的影响，并对信号进行放大，以供信号处理模块进行分析。

信号处理模块40：该模块的主要功能是对所得到的信号进行分析处理，从而实现患者的水肿风险预测。

如图3所示，一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，包括如下步骤：

S1：在需要监测水肿的部位佩戴好装置，水肿传感器与患者的皮肤直接接触，装置的第一参考传感器和第二参考传感器与空气接触;

S2：启动装置，温度传感器和湿度传感器开始测量患者皮肤的表面温度和湿度，并将皮肤温度值和湿度值传输给信号处理模块；

S3：信号处理模块接收到皮肤温度值后，向第一参考传感器发送温度调控指令及向第二参考传感器发送湿度调控指令，激活第一参考传感器表面的温度材料，使其温度值与皮肤表面温度值保持一致，激活第二参考传感器表面的湿度材料，使其湿度值与皮肤表面湿度值保持一致；

S4：装置产生频率为f1，功率为P的正弦波，经功率分配器后将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，其中一路信号直接进入水肿传感器，另一路信号通过开关控制分别进入到第一参考传感器和第二参考传感器；

S5：通过差分放大器进行减法运算并对信号进行放大处理，从而得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,1，滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,1；

S6：水肿信号获取装置依次产生频率为f2、f3、…、fn，功率为P的正弦波，重复S4与S5，分别得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,2、S1,3、… 、S1,n，滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,2、S2,3、…、S2,n，建立滤除温度干扰的水肿传感信号矩阵A={ S1,1、S1,2、S1,3、…、S1,n}，B={ S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n}，n为不同频率的数目。

在本发明的实施例中，结合上述步骤具体描述水肿数据获取过程，步骤如下：

步骤1：患者在需要监测水肿的部位（如上臂、前臂等位置）佩戴好基于射频的水肿信号获取装置，其中射频传感模块中的印刷电路板的底层的水肿传感器与患者的皮肤直接接触，印刷电路板的顶层的第一参考传感器（即温度参考传感器）和第二参考传感器（即湿度参考传感器）与空气接触。

步骤2：启动基于射频的水肿信号获取装置，进入工作状态。水肿传感器左上角和右下角的温度传感器开始测量患者皮肤的表面温度，并将皮肤温度值传输给信号处理模块。

步骤3：信号处理模块接收到皮肤温度值后，向第一参考传感器（即温度参考传感器）发送温度调控指令。第一参考传感器收到指令后，激活第一参考传感器表面的温度材料，改变温度材料的温度值，使的温度值与皮肤表面温度值保持一致。

步骤4：当第一参考传感器的温度调整完毕后，水肿信号获取装置产生频率为f1，功率为P的正弦波，经功率分配器后将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，其中一路信号直接进入水肿传感器，另一路信号通过开关控制进入到第一参考传感器，此时第一参考传感器的两个开关处于闭合状态，而第二参考传感器的两个开关处于断开状态。进入水肿传感器的信号与患者的人体组织部位相互作用，从而传感信号可以反映出患者水肿风险的信息。进入第一参考传感器的信号与空气相互作用。

步骤5：水肿射频传感信号与第一参考传感器的信号通过差分放大器进行减法运算并对信号进行放大处理，从而得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,1。

步骤6：水肿信号获取装置依次产生频率为f2、f3、…、fn，功率为P的正弦波，重复步骤4与步骤5，分别得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,1、 S1,2、 S1,3、…、S1,n。建立滤除温度干扰的水肿传感信号矩阵A={ S1,1、S1,2、 S1,3、…、S1,n}，n为不同频率的数目。

步骤7：水肿传感器右上角和左下角的湿度传感器开始测量患者皮肤的表面湿度，并将皮肤湿度值传输给信号处理模块。

步骤8：信号处理模块接收到皮肤湿度值后，向第二参考传感器（即湿度参考传感器）发送湿度调控指令。第二参考传感器收到指令后，激活第二参考传感器表面的湿度材料，改变湿度材料的湿度值，使的湿度值与皮肤表面湿度值保持一致。

步骤9：当第二参考传感器的湿度调整完毕后，水肿信号获取装置产生频率为f1、功率为P的正弦波，经功率分配器后将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，其中一路信号直接进入水肿传感器，另一路信号通过开关控制进入到第二参考传感器，此时第二参考传感器的两个开关处于闭合状态，而第一参考传感器的两个开关处于断开状态。进入水肿传感器的信号与患者的人体组织部位相互作用，从而传感信号可以反映出患者水肿风险的信息。进入第二参考传感器的信号与空气相互作用。

步骤10：基于射频的水肿传感信号与第二参考传感器的信号通过差分放大器进行减法运算并对信号进行放大处理，从而得到滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,1。

步骤11：水肿信号获取装置依次产生频率为f2、f3、…、fn，功率为P的正弦波，依次重复步骤9与步骤10，分别得到滤除湿度干扰的水肿传感信号 S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n。建立滤除湿度干扰的水肿传感信号矩阵B={S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n}，n为不同频率的数目。

获取排除干扰的水肿传感信号后，建立水肿风险预警的模型，步骤如下：

步骤1：将滤除温度干扰的水肿传感信号矩阵A={S1,1、S1,2、S1,3、…、S1,n}与滤除湿度干扰的水肿传感信号矩阵B={ S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n}同时输入到信号处理模块。

步骤2：由步骤1可知，矩阵A中同时携带了水肿风险信号与湿度变化引起的干扰噪声；矩阵B中同时携带了水肿风险信息与温度变化引起的干扰噪声。为了提取出水肿风险信息，采用独立成分分析方法对矩阵A和矩阵B进行分析。独立成分分析是一种利用统计原理进行计算的方法，它是一个线性变换。通过同步解析矩阵A和矩阵B，从矩阵A和矩阵B中推导出水肿风险信号。

步骤3：对水肿风险信号进行特征提取，所提取的特征包括峰度（Kur）、偏度（Ske）、信号迁移率（SM）、信号复杂度（SC）、分形维数（FD）、功率谱熵（PSE）、柯尔莫戈洛夫熵（KE）、香农熵（SE）等。

步骤4：采用支持向量机、随机森林、朴素贝叶斯等一种或者多种算法作为水肿风险预测算法，利用步骤3所提取的特征，对不同人群的特征进行评估，从而建立水肿风险预测模型。

在本发明实施例中，使用随机森林进行预警时，可以结合峰度（Kur）、偏度（Ske）、信号迁移率（SM）、信号复杂度（SC）、分形维数（FD）、功率谱熵（PSE）、柯尔莫戈洛夫熵（KE）和香农熵（SE）等特征。这些特征各自反映了不同方面的信息，对于预警模型来说可能都是有用的。以下是使用这些特征结合随机森林进行预警的一般步骤。

首先，数据收集水肿传感信号，并对水肿传感信号预处理，收集包含所需特征的历史数据。

可选地，对水肿传感信号进行清洗，处理缺失值、异常值等。

可选地，需要对数据进行标准化或归一化，以确保不同特征在模型中具有相同的权重。

其次，特征提取：

对预处理后水肿传感信号，计算峰度、偏度、信号迁移率、信号复杂度、分形维数、功率谱熵、柯尔莫戈洛夫熵和香农熵等特征。这些特征可以从原始信号或时间序列数据中提取出来，以量化其不同方面的特性。

再次，特征选择

使用统计方法或机器学习技术（如相关性分析、主成分分析等）进行特征选择，以找出对预警任务最有用的特征。这可以减少模型的复杂性，提高模型的性能。

最后，构建随机森林模型：

使用所选特征作为输入，构建随机森林模型。设置随机森林的参数，如树的数量、最大深度等。

根据模型的建立，进行预警与阈值设定：

使用训练好的随机森林模型进行预测，根据预测结果设定水肿预警阈值。

在实际应用中，还可以考虑其他机器学习或统计方法，如逻辑回归、支持向量机、深度学习等，以找到最适合的预警模型。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，其特征在于，配置水肿信号获取装置，装置具有功率分配器、射频传感模块和差分放大器，所述射频传感模块包括水肿传感器、温度传感器、湿度传感器以及第一参考传感器和第二参考传感器，包括如下步骤：

步骤1：在需要监测水肿的部位佩戴好装置，水肿传感器与患者的皮肤直接接触，其第一参考传感器和第二参考传感器与空气接触;

步骤2：启动水肿信号获取装置，温度传感器和湿度传感器开始测量患者皮肤的表面温度和湿度，并将皮肤温度值和湿度值传输给信号处理模块；

步骤3：所述射频传感模块的信号处理模块接收到皮肤温度值后，向第一参考传感器发送温度调控指令及向第二参考传感器发送湿度调控指令，且激活第一参考传感器表面的温度材料，使其温度值与皮肤表面温度值保持一致，激活第二参考传感器表面的湿度材料，使其湿度值与皮肤表面湿度值保持一致；

步骤4：水肿信号获取装置产生频率为f1，功率为P的正弦波，经功率分配器后将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，其中一路信号直接进入水肿传感器，另一路信号通过开关控制分别进入到第一参考传感器和第二参考传感器；

步骤5：通过差分放大器进行减法运算并对信号进行放大处理，从而得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,1，滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,1；

步骤6：依次产生频率为f2、f3、…、fn，功率为P的正弦波，重复步骤4与步骤5，分别得到滤除温度干扰的水肿传感信号S1,2、S1,3、…、S1,n，滤除湿度干扰的水肿传感信号S2,2、S2,3、…、S2,n，建立滤除温度干扰的水肿传感信号矩阵A={ S1,1、S1,2、S1,3、…、S1,n}，建立滤除湿度干扰的水肿传感信号矩阵B={ S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n}，n为不同频率的数目。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，其特征在于，射频传感模块中的印刷电路板底层的水肿传感器与患者的皮肤直接接触，印刷电路板顶层的第一参考传感器和第二参考传感器与空气接触。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，其特征在于，所述步骤4中，进入水肿传感器的射频输入信号与患者的人体组织部位相互作用，进入第一参考传感器和第二参考传感器的射频输入信号与空气相互作用，从而传感信号反映出患者水肿风险的信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，其特征在于，在获取排除干扰的水肿传感信号后，建立水肿风险预警的模型，方法如下：

步骤11：将滤除温度干扰的水肿传感信号矩阵A={ S1,1、S1,2、S1,3、…、S1,n}与滤除湿度干扰的水肿传感信号矩阵B={ S2,1、S2,2、S2,3、…、S2,n}，同时输入到信号处理模块；

步骤12：由步骤11可知，水肿传感信号矩阵A中同时携带了水肿风险信号与湿度变化引起的干扰噪声；水肿传感信号矩阵B中同时携带了水肿风险信息与温度变化引起的干扰噪声，采用独立成分分析方法对矩阵 A 和矩阵 B 进行分析，通过同步解析矩阵 A 和矩阵B，推导出水肿风险信号；

步骤13：对水肿风险信息进行特征提取，所提取的特征包括峰度（Kur）、偏度（Ske）、信号迁移率（SM）、信号复杂度（SC）、分形维数（FD）、功率谱熵（PSE）、柯尔莫戈洛夫熵（KE）、香农熵（SE）；

步骤14：采用支持向量机、随机森林、朴素贝叶斯一种或者多种算法作为水肿风险预测算法，利用步骤3所提取的特征，对不同人群的特征进行评估，从而建立水肿风险预测模型。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取方法，其特征在于，为了提取出水肿风险信息，采用独立成分分析方法对矩阵A和矩阵B进行分析，通过同步解析矩阵A和矩阵B，推导出水肿风险信号。

6.一种基于无线监护的水肿信号的获取装置，其特征在于，用于实施如权利要求1-5任意一项所述的水肿信号的获取方法，包括：

功率分配器：该模块主要实现将一路射频输入信号能量分成两路输出相等的信号，一路作为水肿预测的射频信号，一路作为参考信号进行校准，两路信号输入到射频传感模块；

射频传感模块：该模块主要通过印刷电路板实现，其由水肿传感器，第一参考传感器，第二参考传感器，信号屏蔽层组成；

差分放大器：对信号进行放大，以供信号处理模块进行分析；

信号处理模块：该模块的主要功能是对所得到的信号进行分析处理，从而实现患者的水肿风险预测。

7.根据权利要求6所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取装置，其特征在于，所述水肿传感器的左上角和右下角各分布一个温度传感器用于测量患者皮肤的表面温度，在水肿传感器的右上角和左下角各分布一个湿度传感器用于测量患者皮肤的表面湿度。

8.根据权利要求6所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取装置，其特征在于，在所述第一参考传感器的表面还覆盖有一层温度材料，该温度材料可根据相关指令迅速改变材料温度，使其温度满足指令的要求，此外，在第一参考传感器的四周分布有温度传感器用于测量温度材料的实时温度。

9.根据权利要求6所述的一种基于无线监护的水肿信号的获取装置，其特征在于，在所述第二参考传感器的表面还覆盖有一层湿度材料，该湿度材料可根据相关指令迅速改变材料湿度，使其湿度满足指令的要求，此外，在第二参考传感器的四周分布有湿度传感器用于测量湿度材料的实时湿度。