CN106691432B - 感应式心电测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感应式心电测量方法与装置，其中方法包括以下步骤：电势场传感器输出初始心电信号；进行前端滤波放大；进行模数转换；进行数字信号处理；进行数模转换；经过外部电阻网络进行分压；经后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；经模数转换后，得到后端数字心电信号；主控制器对所述后端数字心电信号进行处理，得到心电参数。使用感应式心电测量方法和装置，不用黏贴Ag/AgCl电极；感应式心电探头中的电势场传感器输出的初始心电信号经前端滤波放大、数字信号处理和外部电阻网络进行分压，继而通过后级的电路提取出有效信号。其中外部电阻网络模拟人体四肢阻抗，能够提高心电的输入阻抗，具有更高的共模抑制比，抗干扰能力也更强。

Description

感应式心电测量方法与装置
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别涉及基于体表空间电势的心电测量设备。
背景技术
心电是表征健康状况的重要指标，现有的心电测量设备大都为基于导联法的测量设备，使用时需要将若干个电极分别置于人体上的特定位置，并需要将该测量设备与心电图机连接以描记出心电图。传统的心电测量方法是将Ag/AgCl电极黏贴于病人的身体上，用导联线连接电极和检测仪器，通过放大、滤波以后进行显示和打印，作为医生对病人病情的诊断的依据。但有些病人并不适合黏贴电极，比如说新生儿、烧伤病人等，会对监测对象和医生产生麻烦。
公开号为CN201220073456.7的专利文献公开了一种基于体表空间电势的心电测量设备，设有可用于感应被测人体体表周围微弱电场大小及其变化的耦合电容中的一个或两个极板、用于将所述极板上聚集的电荷量转换为电压量并放大的电荷放大器、对所述电荷放大器输出的电压信号进行放大、滤波处理的信号调理电路。但是还存在信号处理过程复杂，容易受到杂波干扰等问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供感应式心电测量方法与装置，其能解决传统的心电测量方法需要将Ag/AgCl电极黏贴于病人身体上，现有的基于体表空间电势的心电测量设备信号处理过程复杂，极板容易受湿度、灰尘等影响，模数转换精度差的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种感应式心电测量方法，包括以下步骤：
电势场传感器输出初始心电信号；
所述初始心电信号进行前端滤波放大；
对滤波放大后的初始心电信号进行模数转换，得到前端数字心电信号；
对所述前端数字心电信号进行数字信号处理；
对数字信号处理后的前端数字心电信号进行数模转换，得到前端模拟心电信号；
所述前端模拟心电信号经过外部电阻网络进行分压，得到肢体心电信号；
对所述肢体心电信号进行后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；
对所述后端模拟心电信号进行模数转换，得到后端数字心电信号；
主控制器对所述后端数字心电信号进行处理，得到心电参数。
优选的，所述的感应式心电测量方法还包括：对所述初始心电信号经差分放大得到反馈信号，所述反馈信号用于作为心电参考电位。
优选的，所述对所述肢体心电信号进行后端滤波放大具体包括：对所述肢体心电信号进行滤波、放大、差分、再滤波、再放大。
优选的,所述对所述前端数字心电信号进行数字信号处理具体包括：对所述前端数字心电信号进行数字滤波、数字差分。
优选的,所述电势场传感器输出初始心电信号，具体为第一模拟开关选择的电势场传感器输出初始心电信号；
所述前端模拟心电信号经过外部电阻网络进行分压前，还包括：通过第二模拟开关选择外部电阻网络端口。
一种感应式心电测量装置，包括：
电势场传感器，用于输出初始心电信号；
前端滤波放大单元，用于对所述初始心电信号进行前端滤波放大；
前端模数转换单元，用于将前端滤波放大后的初始心电信号转换为前端数字心电信号；
数字信号处理单元，用于对所述前端数字心电信号进行数字信号处理；
前端数模转换单元，用于将数字信号处理后的前端数字心电信号转换为前端模拟心电信号；
外部电阻网络，用于对所述前端模拟心电信号进行分压，得到肢体心电信号；
后端滤波放大单元，用于对所述肢体心电信号进行后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；
后端模数转换单元，用于将所述后端模拟心电信号转换为后端数字心电信号；
主控制器，用于对所述后端数字心电信号进行处理，得到心电参数。
优选的,所述感应式心电测量装置还包括反馈单元，所述反馈单元将前端滤波放大后的初始心电信号差分放大，作为用作心电参考电位的反馈信号。
优选的所述后端滤波放大单元包括滤波部件、放大部件、差分部件、再滤波部件和再放大部件，所述滤波部件、放大部件、差分部件、再滤波部件和再放大部件依次电连接。
优选的,所述数字信号处理单元包括数字滤波部件和数字差分部件，所述数字滤波部件和数字差分部件电连接。
优选的,所述感应式心电测量装置还包括:
第一模拟开关，用于切换所述电势场传感器，所述第一模拟开关电连接所述电势场传感器以及前端滤波放大单元。
第二模拟开关，用于选择前端模拟心电信号对应的外部电阻网络端口，所述第二模拟开关电连接所述前端数模转换单元以及外部电阻网络。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：使用感应式心电测量方法和装置，不用黏贴Ag/AgCl电极，直接或隔着衣物接触皮肤即可很方便地进行心电检测；感应式心电探头中的电势场传感器输出的初始心电信号经前端滤波放大、数字信号处理和外部电阻网络进行分压，继而通过后级的电路提取出有效信号。其中外部电阻网络模拟人体四肢阻抗，能够提高心电的输入阻抗，具有更高的共模抑制比，抗干扰能力也更强。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的感应式心电测量方法的流程示意图；
图2是本发明实施例二提供的感应式心电测量方法的流程示意图；
图3是图1和图2中后端滤波放大的流程示意图；
图4是图1和图2中数字信号处理的流程示意图；
图5是本发明实施例三提供的感应式心电测量装置的结构示意图；
图6是本发明实施例四提供的感应式心电测量装置的结构示意图；
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
实施例一：
如图1所示的感应式心电测量方法，包括以下步骤：
S101:电势场传感器输出初始心电信号。
电势场传感器可以实现让心电图测量变得很简单，无需很多导线缠绕、无需躺在专用的病床上、也无需在皮肤上涂抹导电液，只需要用电势场传感器隔着介质(例如衣服，棉布，纱布等)测量空间中交流信号即可。
S102:初始心电信号进行前端滤波放大；前端滤波放大将微弱的电势场信号转换成电压信号。
S103:对滤波放大后的初始心电信号进行模数转换，得到前端数字心电信号；
S104:对前端数字心电信号进行数字信号处理；
S102得到的电压信号噪声很大，经过前端模数转换和数字信号处理(典型的为单片机或DSP)处理后，电压信号(或人体生理电信号)有了一定的锥形。
S105:对数字信号处理后的前端数字心电信号进行数模转换，得到前端模拟心电信号；
S106:前端模拟心电信号经过外部电阻网络进行分压，得到肢体心电信号；
外部电阻网络的设计模拟的是人体四肢的阻抗原理，就好比前端数模转换输出人体的心脏活动对应的微弱的心电信号，心电信号经过外部电阻网络(好比人的肢体阻抗)，即产生差异的电压差，有了人体电信号的压差，便于后续更有效地提取出有用信号
S107:对肢体心电信号进行后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；
S108:对后端模拟心电信号进行模数转换，得到后端数字心电信号；
S109:主控制器对后端数字心电信号进行处理，得到心电参数。
后端数字心电信号传输给主控制器进行处理。经过主控制器的滤波算法，增益控制算法，心电信号QRS波提取算法，心率计算算法等处理后，输出心电波形信号和心率值等心电参数。
实施例二：
如图2所示的感应式心电测量方法，S201-S209依次对应于实施例一中的S101-S109，实施例二与实施例一的区别在于，还包括以下步骤：
S2011，第一模拟开关选择电势场传感器，即S201中电势场传感器输出初始心电信号，具体为第一模拟开关开通的电势场传感器输出初始心电信号；
S2061，通过第二模拟开关选择外部电阻网络端口，即S206前端模拟心电信号经过外部电阻网络进行分压前，还包括：通过第二模拟开关选择外部电阻网络端口。
第一模拟开关与第二模拟开关可以实现选择感应式心电测量装置要所处理的对应的电势场传感器的心电信号。
S2022,初始心电信号经前端滤波放大后经差分放大得到反馈信号，反馈信号用于作为心电参考电位，可以消除静电等因素的干扰。
如图3所示，后端滤波放大具体包括：对肢体心电信号进行滤波S2071、放大S2072、差分S2073、再滤波S2074、再放大S2075。
如图4所示，数字信号处理包括数字滤波S2041、数字差分S2042。
实施例三：
如图5所示的感应式心电测量装置，包括：
电势场传感器101，用于输出初始心电信号；
前端滤波放大单元102，用于对初始心电信号进行前端滤波放大；
前端模数转换单元103，用于将前端滤波放大后的初始心电信号转换为前端数字心电信号；
数字信号处理单元104，用于对前端数字心电信号进行数字信号处理；
前端数模转换单元105，用于将数字信号处理后的前端数字心电信号转换为前端模拟心电信号；
外部电阻网络106，用于对前端模拟心电信号进行分压，得到肢体心电信号；
后端滤波放大单元107，用于对肢体心电信号进行后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；
后端模数转换单元108，用于将后端模拟心电信号转换为后端数字心电信号；
主控制器109，用于对后端数字心电信号进行处理，得到心电参数。
电势场传感器101可以设置在心电探头上，也可以安装于病床或椅子的对应位置处。电势场传感器101可以实现让心电图测量变得很简单，无需很多导线缠绕、无需躺在专用的病床上、也无需在皮肤上涂抹导电液，只需要用电势场传感器101隔着介质(例如衣服，棉布，纱布等)测量空间中交流信号即可。检测信号频率范围从0.05Hz到200MHz不等，频率范围控制可以通过编程调整，传感器输出信号为方波信号，带宽从0.5～40Hz。
一种实现方式是，可编程片上***(PSOC)内部集成的高精度模拟器件(包括前端滤波放大单元102)将微弱的电势场信号转换成电压信号，此时的电压信号噪声很大，经过前端模数转换单元103和数字信号处理单元104(典型的为单片机或DSP)处理后，电压信号(或人体生理电信号)有了一定的锥形，前端数模转换单元105将数字信号转换成模拟信号。外部电阻网络106的设计模拟的是人体四肢的阻抗原理，就好比前端数模转换单元105输出人体的心脏活动对应的微弱的心电信号，心电信号经过外部电阻网络106(好比人的肢体阻抗)，即产生差异的电压差，有了人体电信号的压差，后级的模拟硬件电路可以更有效地提取出有用信号。
实施例四：
如图6所示的感应式心电测量装置，201-209依次对应于实施例三中的101-109，其中202包括滤波器和放大器。
后端滤波放大单元207包括滤波部件2071、放大部件2072、差分部件2073、再滤波部件2074和再放大部件2075，滤波部件2071、放大部件2072、差分部件2073、再滤波部件2074和再放大部件2075依次电连接。后端滤波放大单元207可以是分立元件构成，模拟硬件电路对外部电阻网络206输入的信号进行滤波、放大、差分、再滤波、再放大等一系列的调理电路后再由后端模数转换单元208采样，完成模拟信号的提取过程。心电信号经过主控制器209的滤波算法，增益控制算法，心电信号QRS波提取算法，心率计算算法等处理后，输出心电波形信号和心率值等参数。感应式心电测量装置还包括交互单元210，包括显示器、打印机和键盘等输出、输入装置，交互单元典型的为监护仪上位机。
数字信号处理单元204包括数字滤波部件和数字差分部件，数字滤波部件和数字差分部件电连接。
感应式心电测量装置还包括反馈单元2022，反馈单元2022将前端滤波放大后的初始心电信号差分放大，作为用作心电参考电位的反馈信号。
感应式心电测量装置还包括第一模拟开关2011，用于切换电势场传感器201，第一模拟开关2011电连接于电势场传感器201以及前端滤波放大单元202。
第二模拟开关2061，用于选择前端模拟心电信号对应的外部电阻网络206的端口，第二模拟开关2061电连接于前端数模转换单元205以及外部电阻网络206。
第一模拟开关2011与第二模拟开关2061可以实现选择感应式心电测量装置要所处理的对应的电势场传感器201的心电信号。优选的，感应式心电测量装置包括3个、4个、5个、7个或10个电势场传感器201，用于测试不同位置的电位信号，实现多导联心电参数。包含3个电势场传感器201时，电势场传感器201分别安装于左臂(LA)、右臂(RA)和左腿(LL)，测量LA和RA、LL和RA及LL和LA两点间的电位差分别称为标准I、II、III导联。反馈单元2022输出的反馈信号作为心电参考电位，相当于传统的右腿驱动电路。优选的反馈单元2022输出反馈信号给导电布，人坐在导电布上可以消除静电等因素的干扰。数字信号处理单元204可以调节反馈单元2022中放大器的增益。另一种情形是，右腿上也安装一个电势场传感器201，也就是说感应式心电测量装置包括4个电势场传感器201。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种感应式心电测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
电势场传感器输出初始心电信号；
所述初始心电信号进行前端滤波放大；
对滤波放大后的初始心电信号进行模数转换，得到前端数字心电信号；
对所述前端数字心电信号进行数字信号处理；
对数字信号处理后的前端数字心电信号进行数模转换，得到前端模拟心电信号；
所述前端模拟心电信号经过外部电阻网络进行分压，得到肢体心电信号；
对所述肢体心电信号进行后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；
对所述后端模拟心电信号进行模数转换，得到后端数字心电信号；
主控制器对所述后端数字心电信号进行处理，得到心电参数。
2.如权利要求1所述的感应式心电测量方法，其特征在于，还包括：
对所述初始心电信号经差分放大得到反馈信号，所述反馈信号用于作为心电参考电位。
3.如权利要求1所述的感应式心电测量方法，其特征在于：
所述对所述肢体心电信号进行后端滤波放大具体包括：对所述肢体心电信号进行滤波、放大、差分、再滤波、再放大。
4.如权利要求1所述的感应式心电测量方法，其特征在于：
所述对所述前端数字心电信号进行数字信号处理具体包括：对所述前端数字心电信号进行数字滤波、数字差分。
5.如权利要求1所述的感应式心电测量方法，其特征在于：
所述电势场传感器输出初始心电信号，具体为第一模拟开关选择的电势场传感器输出初始心电信号；
所述前端模拟心电信号经过外部电阻网络进行分压前，还包括：通过第二模拟开关选择外部电阻网络端口。
6.一种感应式心电测量装置，其特征在于，包括：
电势场传感器，用于输出初始心电信号；
前端滤波放大单元，用于对所述初始心电信号进行前端滤波放大；
前端模数转换单元，用于将前端滤波放大后的初始心电信号转换为前端数字心电信号；
数字信号处理单元，用于对所述前端数字心电信号进行数字信号处理；
前端数模转换单元，用于将数字信号处理后的前端数字心电信号转换为前端模拟心电信号；
外部电阻网络，用于对所述前端模拟心电信号进行分压，得到肢体心电信号；
后端滤波放大单元，用于对所述肢体心电信号进行后端滤波放大，得到后端模拟心电信号；
后端模数转换单元，用于将所述后端模拟心电信号转换为后端数字心电信号；
主控制器，用于对所述后端数字心电信号进行处理，得到心电参数；
所述电势场传感器设置在心电探头上，或安装于病床或椅子上。
7.如权利要求6所述的感应式心电测量装置，其特征在于：
还包括反馈单元，所述反馈单元将前端滤波放大后的初始心电信号差分放大，作为用作心电参考电位的反馈信号。
8.如权利要求6所述的感应式心电测量装置，其特征在于：
所述后端滤波放大单元包括滤波部件、放大部件、差分部件、再滤波部件和再放大部件，所述滤波部件、放大部件、差分部件、再滤波部件和再放大部件依次电连接。
9.如权利要求6所述的感应式心电测量装置，其特征在于：
所述数字信号处理单元包括数字滤波部件和数字差分部件，所述数字滤波部件和数字差分部件电连接。
10.如权利要求6所述的感应式心电测量装置，其特征在于，还包括：
第一模拟开关，用于切换所述电势场传感器，所述第一模拟开关电连接所述电势场传感器以及前端滤波放大单元；
第二模拟开关，用于选择前端模拟心电信号对应的外部电阻网络端口，所述第二模拟开关电连接所述前端数模转换单元以及外部电阻网络。
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