CN105708448A - 信息采集设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种信息采集设备，包括：柔性支架，包含三个支腿；以及可拆卸地安装在所述支腿每一个支腿末端的电极片。所述三个电极之一为驱动电极，而另外两个电极构成一组差分电极。

Description

信息采集设备

技术领域

本公开涉及一种信息采集设备，尤其涉及一种采集ECG信号的三电极信息采集设备。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们越来越注重自己的身体健康状况，即使在没有任何身体不适的情况下，人们也希望能够了解自己的身体状况，以便基于日常的身体状况的细微变化，采取适当的预防措施。尤其是在目前各种心脏病高发的情况下，人们希望能够通过心电图仪器实时测量自己的心脏状况，了解心脏的健康程度，由此及早发现心脏问题，避免心脏病等突发情况导致的意外事件。

因此，人们希望拥有一种可靠的无线智能医用ECG记录及分析设备来实现对自己心脏功能的实时监控。目前看来，大部分现有的ECG记录设备都有分立的电极导线，这些电极导线的运动会产生噪音以及伪信号。这种设备对于患者的日常行动而言也是不便的。为此，现在一些厂商提供了一种可穿戴便携式医疗装置。该便携式医疗装置可以由用户穿戴着随意移动而活动区域不受限制。该便携式医疗装置从身体表面的电极获取用户的ECG信号。但是，这种现有的两电极的单导联便携式ECG设备在获取ECG信号时，其电噪声或电极从身体表面的脱落经常会降低ECG信号的品质。这种电噪声通常由于用户的过度运动造成，也可能由于将电极固定在用户身上附属部件在用户身体上的微小滑动引起。有时候可能由于皮肤过于干燥会导致这种电噪声。

一些单导联便携式ECG记录仪器，其ECG信号采集电极多位两电极形式(双极导联)，即，两电极之一为是和描记器负端相连的电极，其电位始终保持零电位，就成为所谓的“无关电极”，而另一个测量电极则放在体表某一测量点，作为“探查电极”，这种测量方法叫做单极导联。常见的便携式ECG检测设备采用单极胸导联方式，将一个测量电极固定为零电位(中心电端法)，把中心电端和心电描记器的负端相连，成为无关电极，而另一个电极和描记器正端相连，作为探查电极，可放在胸壁的不同电位部位，从而记录出心电变化的图像。这种便携式ECG设备使用纽扣电池长期工作时要求较低的功耗，但是携式ECG设备需要持续工作，因此耗电较高。更需要注意的是，由于要求这种ECG设备具有便携性，因此往往需要尽量压缩其体积，使得两个电极片之间的距离尽可能缩小。通常两个电极片之间的ECG信号强度与电极片之间的距离成反比，如果这种两电极之间的距离太远则采集末端由于人体的运动很容易与人体皮肤分离而脱落，而太近则导致所采集的ECG信号微弱，更易于受到电噪声的影响。因此，为了良好检测比常规监护仪更微弱的信号，需要通过提高放大倍数与选用噪声更低的元器件，这会增加便携ECG设备的成本。

发明内容

为了提供一种稳定而又能降低电噪声以及成本的ECG信息记录设备，本公开提供了一种信息采集设备，包括：柔性支架，包含三个支腿；以及可拆卸地安装在所述支腿每一个支腿末端的电极片。

根据本公开的信息采集设备，所述三个电极之一为驱动电极，而另外两个电极构成一组差分电极。所述柔性支架为一印刷电路板，在该印刷电路板上嵌入有一些电子元件，从而构成处理器，通过布置在所述每个支腿中的信号线与所述对应的电极片电连接，由此，获取来自每个电极片的电信号，并处理所获取的电信号从而形成输出信号。

根据本公开的信息采集设备，所述处理器包括前端电路，所述差分电极的信号好直接被输入到所述前端电路中的仪表放大器，由此放大所述差分电极输入的信号的代数和。

根据本公开的信息采集设备，还包括：存储器，用于存储从所述处理器输出的输出信号。所述柔性支架为一种柔性片状支架，其在电极被贴合到人体表面是能够与人体的身体表面相吻合。

根据本公开的信息采集设备还包括电源，其为处理器提供电力。根据本公开的信息采集设备还包括无线通讯接口，所述处理器通过其将所处理过的信号无线传输给一个信号接收装置。此外，所述三个支腿的末端形成任意三角形。并且，所述电极片的底面上有粘附到人体表面的导电胶。进一步，所述支腿的末端集成有钮扣插件，所述钮扣插件与所述电极相配合。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1A-1C所示的是根据本公开的信息采集装置的示意图。

图2所示的是根据本公开的电极片的连接结构的局部剖视图。

图3所示的是根据本公开的实施例的信息采集设备的电路示意图。

图4A和4B所示的是根据本公开的信息采集设备使用状态的示意图。

图5A所示的是常规ECG信息采集设备在用户步行状态下所采集的ECG信号示意图。以及

图5B所示的是根据本公开的信息采集设备在用户步行状态下所采集的ECG信号的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一电极也可以被称为第二电极，类似地，第二电极也可以被称为第一电极。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。

图1A-1C所示的是根据本公开的信息采集设备的示意图。如图1A所示，根据本公开的信息采集设备100包括柔性支架110，该柔性支架包括三个支腿120。该信息采集设备100还包括安装在每个支腿120的末端的电极片130。尽管在所示的附图中柔性支架显示为一种三个支腿结构，但是根据需要也可以直接采用整体片状结构，例如圆形、椭圆、方形等结构，而电极片可以安装在该片状结构的不同方向。本公开之所以在实例中采用支腿结构，其目的是为了节省支架的材料以及减轻支架的重量。根据本公开，支架采用片状结构也能实现本公开的技术的目的。

所述柔性支架110为硅胶、热塑性弹性体或硅树脂等材料构成，使得将设备紧贴身体曲线更加容易，由此使得电极的布置更加灵活。在该柔性支架的主要部分，例如三个支腿120的相交的中心位置植入有印刷电路板(PCB)，或者该柔性支架110本身就是印刷电路板。该印刷电路板中包含有后面将描述的处理器1105，该处理器包含有用于接收来自各个电极130的电信号的前端电路1110、微型控制器MCU1120、电源管理单元1130以及电源1140，这将在后面详细描述。

与通常的便携式信息采集设备需要电极导线不同，根据本公开的实施例中的电极130与处理器1105间的连接信号线嵌入了柔性支架110内。根据本***息采集设备有效地缩短了连接信号线的长度从而完全不需要考虑电极导线的相对用户体表的运动。这种结构同时消除了或最小化了连接信号线与电极片130的相对运动。由于在信号采集设备中没有运动导体，因此，可以消除导联导线以及电极的运动而产生的、会导致所采集的信号(例如ECG信号)中的大幅值尖峰、各种噪声以及模糊跟踪的运动噪声。一些运动噪声与ECG信号的频率区间相同并因此很难通过电子滤波器或算法消除。由于运动噪声在动态监测及记录***中是非常普遍的，因此，消除或最小化运动噪声是非常有益的。与传统的ECG信息采集设备相比，根据本公开的实施例中提供的一体化配置能够输出优良的ECG信号。

根据本公开的实施例，每个信息采集设备具有三个ECG电极130。为了将电极稳定帖服到用户表皮上，通常采用常规的导电胶并在帖服前对用户的将被帖服的表皮进行医学处理。电极130的间距(三角形边长)为1至6厘米之间，通常可以设置为3、4、5厘米。柔性支架110面向用户表皮的一面也可以涂敷一层非导电的医用粘合剂层，用于进一步稳固信息采集设备与用户表皮之间的贴合稳定性。当然，由于电极130之间的距离较近，并且电极片面对用户表皮的一面涂有导电胶，因此，通常不需要再该柔性支架上涂敷医用粘合剂层。图1B和1C所示的图1A所示的信号采集设备的不同角度的立体视图。

这种三电极的ECG信息记录设备的电极采用三点布局，通常该三个电极成正三角形排列，能够使胸贴受力均衡，便于长时间佩戴，有效地提供了一种稳定方式，因此有效地减小了电极片从用户体表脱落的可能性。传统信息采集装置的输入电阻由导联脱落检测电路的拉偏电阻决定，通常为10MΩ，当运动时，皮肤与电极片的接触电阻出现波动，波动的接触电阻在通路上是与拉偏电阻串联的，从而产生了足以影响ECG信号的干扰信号，因此传统信息采集装置通过提高输入电阻来降低信息采集装置对用户运动的敏感度。在根据本公开的三电极片中,导联脱落电路中有两个将差分纽扣拉片的电阻，增大拉片电阻即降低拉片电流，ECG电路的输入阻抗主要由拉片电阻与运放输入阻抗构成，由于运放输入阻抗很大，因此ECG电路的输入阻抗主要由拉片电阻的阻值决定,因此增大拉片电阻的阻值即增加了输入阻抗。由此,实现了通过增大导联脱落拉偏电阻来降低运动敏感度的目的。即，可以提高信息采集设备的输入电阻，即提高ECG采集电路的输入电阻，从而降低信息采集设备对用户运动的敏感度。

根据本公开的信息采集设备的柔性支架也可以采用具有透气性的弹性材料制成。或者，在柔性支架的不安装电子元件的部位增加一些透气通孔以维持用户皮肤表面的舒适度。该柔性支架可以采用旋页式结构(如图所示)，这样可以在不增加整体尺寸的情况下增加连接臂的长度，可以提高其柔软度。可选择地，其他的布局方式也可以实现，甚至非三角形的方式仍然可以正确实现该功能。

图2所示的是根据本公开的电极片的连接结构的局部剖视图。如图2所示，在该信息采集设备中，电极片130通过其上表面上的凸面纽扣联插头1310***位于柔性支架110的支腿120的末端处的纽扣联插槽1210而固定在柔性支架上。在电极片与支腿末端连接的情况下，电极片130所感测的电信号通过嵌入或植入支腿内的信号线1150传递给处理器1105。由于信号线1150嵌入和植入支腿内，因此，在监测周期内，电极片、处理器以及信号线之间都不会发生相对运动。尽管在图1A-1C中显示为用于卡扣电极片130的支腿上的纽扣联插槽1210位于支腿的末端，但是，该纽扣联插槽1210可以位于支腿上离末端远一些的位置，或者在在一个支腿上可以有多个纽扣联插槽1210，从而用户可以根据自己的需要调节电极片130在支腿120上的安装位置，以便适用于具有不同体型或曲线的用户关于电极片130，用户可以采用市场上可用户的ECG电极。关于电极片130与支腿末端的连接方式，用户可以根据需要采用不同方式，只要两者连接后能够传递电极片所感测电信号到处理器即可。常规的可佩戴动态ECG设备将内置的电极作为设备的一部分，因此，使用后需要将整个设备丢弃，因为电极不能更换。根据本公开的信息采集设备，其电极是与包含电路的柔性支架通过插扣可分离的连接。当用户在进行一次长时间ECG心电信号采集后，可以将电极从柔性支架上取下并丢掉。而该柔性支架则可与新的电极一起重复使用。这样的设置允许使用用户需要的电极并且可以根据用户皮肤敏感度的不同而选用背后具有不同粘合层的电极，因此，用户使用起来更方便灵活。

由于本公开采用市场上的电极片而非专用电极片儿使得公开的信息采集设备使用起来灵活也使得用户更方便。在一种实施例中，为了得到好的信号质量，可将氯化银凝胶电极作为一种理想的选择，因为其可提供低偏置电压并且对消除运动伪信号有帮助。

图3所示的是根据本公开的实施例的信息采集设备的电路示意图。如图3所示，信息采集设备100的电路由电极130以及位于柔心支架110上的处理器1105构成。该处理器1105中集成有前端电路1110、微处理单元1120、电源管理单元1130。该前端电路1110包括仪表放大器(IA)1150以及运算放大器1160。其中三个电极130中的两个电极构成一对差分电极，例如图3中的电极1和电极2，其实其也可以被编号为电极2和电极3。三个电极130中的另一个电极，例如图3中的电极3，作为驱动电极，与运算放大器1160相连。

仪表放大器(IA)1150是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。因此，相比仅仅采用两个电极而需要提供更大放大倍数的运算放大器而言，由于所述信息采集设备直接将两个电极的差分信号输入到仪表放大器，并且构成一组差分电极的两个电极的信号通常为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，即，通过采用电极中的一个电极片提供参考电位，有利于降低共模干扰，提高输入阻抗，由此，减小电路对微弱输入信号的衰减，并且差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高，因此，采用三电极和对应仪表放大器的配置可以有效降低放大器的放大倍数。

前端电路1110所获得ECG信号输入到微处理单元1120的数据采集单元1170。该数据采集单元1170包括本地存储设备，存储所接收的ECG信号数据。微处理单元1120可以通过其蓝牙模块1180将所接收到的ECG信号直接发送到外部处理装置，诸如移动终端的客户端，从而形成常见的ECG图形信号。可选择地，也可以在该信息采集装置上设置USB接口，通过USB连接方式将数据传输到外部处理装置。电源1140为一种小型化的电池，为该信息采集设备的所有电子元件提供电能。该电池的电能不仅应该能够维持该信息采集设备在待机模式下运行1年之久，还能够维持其正常工作至少5-10天。

如图3所示，该信息采集设备还包括LED和按键模块。LED可以提供报警指示，诸如电源电力不足以及心电图出现异常等。按键可以为用户提供通信功能，例如，在特定情况下，用户可以通过按键向监护人发送求救信号，以便及时获得帮助。

通过采用电极1-3这种三电极片结构，能够实现对微弱信号的良好采集效果，即，通过采用电极130中的一个电极片(例如电极3)提供参考电位，有利于降低共模干扰，提高输入阻抗。具体而言，ECG电路采集到的是差分电压，那么一对差分输入电极实际上就是两个相对的电极，或者说，采集到的电压是两个差分电极的差值，例如电极1相对于电极2或者电极2相对于电极1。那么电极3的作用是使人体平均电位处于ECG贴的输入电位范围的二分之一，这样从人体上获取的瞬时电位均处于电路的正常输入范围之内，即可对其进行正确的放大。因此第三个电极从局部电路上讲，可以成为参考电极，但从整个电路上应属于驱动电极。根据本公开的信息采集设备实质上一种单极胸导联结构，其中一个作为参考电极，获取另外两个电极的电位差作为ECG信号的输入信号。尽管在此将其中一个电极称为参考电极，其在该信息采集设备中实际上为驱动电极。需要指出的是，在只有两个电极的信息采集设备中，其中一个电极作为参考电极，可能会导致共模电压，这种共模电压对所采集的信号，例如ECG信号，有影响。共模干扰通常为工频干扰，此干扰存在与被测量物体与被测量物体之外的物体之间，在ECG上，即为人体的电位与人体之外的物体(典型为大地)的电位之间的电位差。ECG贴整体贴装于人体身上，因此大部分常规ECG采集方式存在的共模干扰在ECG贴上不存在，由于空间电磁场与ECG贴与衣服等因此可能存在微弱的共模干扰，因此使用IA来消除这种微弱的共模干扰，由此可以得到良好的ECG波形。

图4A和4B所示的是根据本公开的信息采集设备使用状态的示意图。如图4A和4B所示，可以将三电极信息采集设备贴在左胸部位，即靠近心脏的位置，可以采集心电图，即采集ECG信号。用户可以通过测试得到一个信号良好的贴装位置，并记住此位置以便下次贴装。也可以在该三电极信号采集设备中安装Gsensor来感知垂直角度，从而引导用户进行贴装。实际产品中，三个电极片是相同的，但在装置主体上会有标示哪个电极为驱动电极，即视图中最下方的电极片为驱动电极。实际上，在实际使用过程中无需刻意调整位置就能够获得良好的ECG信号输出，因为本公开的信息采集设备采用来上述三电极结构，即使在两个“差分电极”处于人体等电位上或者靠近与等电位线(右腿至左手的连线称为等电位线)时，以及在有小部分人的导联信号比较弱时，通过差分电极以及仪表放大器获得较好的ECG信号。

图5A所示的是常规ECG信息采集设备在用户步行状态下所采集的ECG信号示意图。图5B所示的是根据本公开的信息采集设备在用户步行状态下所采集的ECG信号的示意图。如图5A和5B显示的ECG波形可以明显看出，图5A所示的采用传统ECG信息采集设备所采集的ECG心电图显示出各种大幅值尖峰、各种噪声、基线不稳、小复合(smallcomplexes)以及模糊跟踪的运动噪声等现象，而图5B所示的采用根据本公开的ECG信息采集设备所采集的ECG心电图基线平稳，不存在大幅值尖峰，基本不存在噪声，尤其是没有模糊跟踪的运动噪声。通常，运动噪声在动态监测及记录***中是非常普遍的，而且运动噪声与ECG信号的频率区间相同并因此很难通过电子滤波器或算法消除，因此，消除或最小化运动噪声对获取准确的ECG心电图非常有益，有助于医生进行准确的医学判断。通过上述对比能够发现，采用根据本公开的三电极信息采集装置，能够很大限度上便利地采集人体模拟导联，即，标准导联之外的人体任意两点得到的ECG信号，并且即使用户进行较剧烈的运动，该装置也能在中长时间获取稳定的ECG模拟导联波形。

综上所述，根据本公开的三电极信息采集设备的结构主要采用三角形一体化排列，能够使胸贴受力均衡，便于长时间佩戴，容许用户在二十四小时内或更长时间进行其日常工作的情况下使用，这就鼓励了用户经常进行该类信息采集。

尽管以上描述是基于ECG信号进行的，但是该设备也可以用于其它信号的采集。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，对本领域的普通技术人员而言，能够理解本公开的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本公开的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。

因此，本公开的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本公开的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本公开，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本公开。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。

还需要指出的是，在本公开的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (11)

1.一种信息采集设备，包括：

柔性支架，包含三个支腿；以及

可拆卸地安装在所述支腿每一个支腿末端的电极片。

2.如权利要求1所述的信息采集设备，其中所述三个电极之一为驱动电极，而另外两个电极构成一组差分电极。

3.如权利要求2所述的信息采集设备，所述柔性支架为一印刷电路板，在该印刷电路板上嵌入有一些电子元件，从而构成处理器，通过布置在所述每个支腿中的信号线与所述对应的电极片电连接，由此，获取来自每个电极片的电信号，并处理所获取的电信号从而形成输出信号。

4.如权利要求3所述的信息采集设备，其中所述处理器包括前端电路，所述差分电极的信号好直接被输入到所述前端电路中的仪表放大器，由此放大所述差分电极输入的信号的代数和。

5.如权利要求4所述的信息采集设备，还包括：存储器，用于存储从所述处理器输出的输出信号。

6.如权利要求1所述的信息采集设备，其中所述柔性支架为一种柔性片状支架，其在电极被贴合到人体表面是能够与人体的身体表面相吻合。

7.如权利要求2所述的信息采集设备，还包括：电源，其为处理器提供电力。

8.如权利要求2所述的信息采集设备，还包括无线通讯接口，所述处理器通过其将所处理过的信号无线传输给一个信号接收装置。

9.如权利要求1所述的信息采集设备，其中所述三个支腿的末端形成任意三角形。

10.如权利要求1所述的信息采集设备，其中所述电极片的底面上有粘附到人体表面的导电胶。

11.如权利要求1所述的信息采集设备，其中所述支腿的末端集成有钮扣插槽，所述钮扣插槽与所述电极的纽扣插头相配合。