CN108294742A - 心电信号检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种心电信号检测设备及方法，所述设备包括：臂带，所述臂带包括织物电极和与所述织物电极连接的纽扣，所述织物电极用于检测心电信号；与所述臂带通过所述纽扣连接的滤波放大器，用于获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号；与所述滤波放大器连接的单片机，用于获取所述心电模拟信号，与所述滤波放大器连接的单片机，用于获取所述心电模拟信号，通过模数转换器将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。采用本发明，可提高操作的便利性和检测设备的精确性。

Description

心电信号检测设备及方法

技术领域

本发明涉及医疗电子电路领域，主要涉及了一种心电信号检测设备及方法。

背景技术

随着人们生活节奏加快、工作压力变大、人口老龄化、环境恶化等因素影响，心血管疾病越来越成为严重威胁人类健康的主要疾病之一。正常的心电图包括P波、QRS波群和T波，通过对各波形的分析，可有效诊断心肌梗塞、心律失常等重大疾病，大大提高了病人的存活率。据医学证明，心脏病早期表现为心电信号异常，若能及时发现，将有助于预防心血管疾病发生，降低死亡率，因此对心电信号的监控变得尤为重要。

目前，现有的动态可移动心电图检测仪多使用湿电极、多条导联线传导的检测方式，不仅体积大，质量重，连接方式需要在人体特定位点放置电极，专业性极高，不适应普通人群在家庭单独使用。湿电极会引起皮肤过敏，对人体造成伤害，长的导联线对心电信号产生一定的干扰。而且用于处理心电信号的运算放大器的数量过多，造成电路板体积过大，且运算放大器级数越多，越易造成运算放大器自激振荡，引入较大噪声。已知的可穿戴心电检测设备基于胸口部位的传感器，例如背带、绷带和腰带等，由于穿戴于胸口很难带给使用者舒适便利的应用需求。另一种方法可穿戴心电检测设备如图1所示，人体左右手的指尖采集心电检测，其原理的实施是基于心电信号幅值大小与电极之间距离的正比关系，需要双手测量，便利性不足。这就需要检测设备趋于小型、方便、舒适，既不影响使用者正常生活，又能长时间进行实时监护。

发明内容

基于此，为解决传统技术中采用湿电极、导联线和多级运算放大器带来的使用复杂、佩戴不适和信号干扰造成的准确性低的技术问题，特提出了一种心电信号检测设备。

一种心电信号检测设备，包括：

臂带，所述臂带包括织物电极和与所述织物电极连接的纽扣，所述织物电极用于检测心电信号；

与所述臂带通过所述纽扣连接的滤波放大器，用于获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号；

与所述滤波放大器连接的单片机，用于获取所述心电模拟信号，通过模数转换器将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。

在其中一个实施例中，所述滤波放大器包括：与所述纽扣连接的第一RC低通滤波器，用于获取频率低于第一截止频率的所述心电信号作为第一信号；与所述第一RC低通滤波器连接的第一高通滤波放大器，用于获取频率高于第二截止频率的所述第一信号，并将获取的所述第一信号进行放大得到第二信号；与所述第一高通滤波放大器连接的第二高通滤波放大器，用于获取频率高于第三截止频率的所述第二信号，并将获取的所述第二信号进行放大得到第三信号；输入端与所述第二高通滤波放大器连接、输出端与所述单片机连接的第二RC低通滤波器，用于获取频率低于第四截止频率的所述第三信号作为所述心电模拟信号。

在其中一个实施例中，所述单片机还包括存储单元，用于将所述心电数字信号进行存储和数据分析。

在其中一个实施例中，所述单片机还包括无线收发器，用于将所述心电信号波形发送至与所述无线收发器通过无线连接的移动设备。

在其中一个实施例中，所述单片机还包括USB接口，用于将所述心电信号波形发送至与所述USB接口通过USB线连接的上位机。

此外，为解决传统技术中采用湿电极、导联线和多级运算放大器带来的使用复杂、佩戴不适和信号干扰造成的准确性低的技术问题，特提出了一种心电信号检测方法。

一种心电信号检测方法，包括：

臂带绑在人体肢体上之后，通过所述臂带的织物电极检测心电信号；

滤波放大器获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号；

单片机获取所述心电模拟信号，通过模数转换器将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。

在其中一个实施例中，所述滤波放大器将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号还包括：第一RC低通滤波器获取频率低于第一截止频率的所述心电信号作为第一信号；第一高通滤波放大器获取频率高于第二截止频率的所述第一信号，并将获取的所述第一信号进行放大得到第二信号；第二高通滤波放大器获取频率高于第三截止频率的所述第二信号，并将获取的所述第二信号进行放大得到第三信号；第二RC低通滤波器获取频率低于第四截止频率的所述第三信号作为所述心电模拟信号。

在其中一个实施例中，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：存储单元将所述心电数字信号进行存储和数据分析。

在其中一个实施例中，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：无线收发器将所述心电信号波形发送至与所述无线收发器通过无线连接的移动设备。

在其中一个实施例中，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：USB接口将所述心电信号波形发送至与所述USB接口通过USB线连接的上位机。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

采用了上述的心电信号检测设备及方法之后，由于通过臂带的织物电极与人体紧密接触检测心电信号，电极与人体间不需要传统的湿电极进行粘合，利用率高；不需要传统的导联线，而是直接通过臂带中的纽扣连接在一起，降低了成本和导联线带来的信号干扰问题，且佩戴舒适方便；采用高精度的滤波放大器保证了心电信号采集的精确性。在不干扰使用者正常生活的前提下，对患者心电进行长时间的动态监护，能及时有效地发现心率失常等重大心脏疾病，实现患者便捷地对心电信号进行实时检测，提高操作的便利性和检测设备的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一种传统智能手环心电检测装置的场景示意图；

图2为本发明实施例提供的一种心电信号检测设备的场景示意图；

图3为本发明实施例提供的一种心电信号检测设备的结构图；

图4为本发明实施例提供的一种臂带的结构图；

图5为本发明实施例提供的一种滤波放大器的电路图；

图6为本发明实施例提供的一种采用心电信号检测设备得到的实验波形图；

图7为本发明实施例提供的一种心电信号检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决传统技术中采用湿电极、导联线和多级运算放大器带来的使用复杂、佩戴不适和信号干扰造成的准确性低的技术问题，在一个实施例中，特提出了一种心电信号检测设备。如图2所示，该心电信号检测设备采用臂带穿戴于使用者的上肢，无需像传统心电采集设备一样通过双手测量，只需绑在单臂即可实现心电信号检测，佩戴舒适方便。

具体的，如图3所示，一种心电信号检测设备，包括：臂带102、与所述臂带102通过纽扣1024连接的滤波放大器104以及与所述滤波放大器104连接的单片机106，其中：

所述臂带102包括织物电极1022和与所述织物电极1022连接的纽扣1024，所述织物电极1022用于检测心电信号。

织物电极是近年来发展迅速的一种柔性干电极，采用纺织材料经纺织加工工艺开发的具有纺织结构，能感知人体表面生物电信号的传感器。将织物电极1022用于健康监控的臂带102中，不会影响服装的舒适性，使用者也不会有被监控的心理负担，解决了传统技术中采用干电极带来的皮肤过敏、穿戴不舒服等问题，甚至因汗液浸湿造成的电极片脱落，影响心电测量的准确性的问题。

织物电极1022与人体皮肤接触，作为心电信号的最前端输入。如图4所示的臂带结构图，臂带102分为臂带内侧和臂带外侧两面，包括织物电极1022、纽扣1024、魔术贴1026以及海绵1028。

其中，通过臂带内侧和臂带外侧两端的魔术贴1026调整臂带102的松紧程度，固定了臂带102的位置，并提高了佩戴的舒适度。海绵1028垫于纽扣1024底层，避免纽扣1024凸起造成的佩戴不适的问题。

织物电极1022与人体皮肤接触，并在臂带内侧分别与臂带外侧的两个纽扣1024相连，作为心电信号的最前端输入。采用以上的佩戴和连接方式，取代了导联线和湿电极的心电采集方法，将臂带102通过魔术贴1026绑在人体上肢上，织物电极1022只需与臂带102上的纽扣1024相连接，即可进行心电信号采集。且整个心电信号检测设备中没有导线连接，有利于设备拆卸和人们佩戴，有效避免了噪声从导线引进***。

在本实施例中，滤波放大器104用于获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号。

臂带102的输出端通过纽扣1024将织物电极1022检测的心电信号传输给滤波放大器104，也就是说，滤波放大器104的输入端接收的信号为上述的织物电极1022检测的心电信号。

然而，由于心电采集位置位于手臂距离心脏远，并且采集电极之间的距离小，单边手臂心电幅值小，且易受噪声干扰(电极、肌肉运动)，表1给出了单臂检测心电信号和传统方法检测心电信号的特征比较。

表1单臂心电和传统心电的信号特征比较

	单臂心电检测	传统心电检测
			幅度	<200uV	<5mV
噪声干扰	大	小

由表1可看出，采用单臂心电检测得到的心电信号幅度小，且噪声干扰大，则织物电极1022检测的心电信号必然存在噪声干扰和较弱的信号。为了提高心电信号的精确性需要将较弱信号进行放大和干扰噪声进行滤波，从而得到幅度大、干扰噪声少的心电模拟信号。

如图5所示的滤波放大器104的电路图，电路包括：输入端与所述纽扣连接的第一RC低通滤波器1042、输入端与所述第一RC低通滤波器1042连接的第一高通滤波放大器1044、输入端与所述第一高通滤波放大器1044连接的第二高通滤波放大器1046、输入端与所述低通滤波放大器1046连接、输出端与所述单片机106连接的第二RC低通滤波器1048以及为第一高通滤波放大器1044和第二高通滤波放大器1046提供电源的电源模块1045，其中：

所述第一RC低通滤波器1042用于获取频率低于第一截止频率的所述心电信号作为第一信号。

第一RC低通滤波器1042包括肢体导联LA和RA、电阻R1和R2、电容C1和C2。电阻R1的输入端连接肢体导联LA，输出端并联电容C1和仪表放大器的阳极，电阻R2的输入端连接肢体导联RA，输出端并联电容C2和仪表放大器的阴极，电容C1和C2一端接地。

心电图的专业术语中，将记录心电图时电极在人体体表的放置位置及电极与放大器的连接方式称为心电图的导联。目前国际上广泛采用6个肢体导联和6个胸导联，其中肢体导联LA和RA的放置位置分别为左胳膊和右胳膊。本发明采用的是单通道输入方式，也就是将臂带102穿戴于左胳膊或者右胳膊上，提高了操作的便利性。

输入信号经过由电阻R1和R2、电容C1和C2构成的第一RC低通滤波器1042，滤波截止频率约为796Hz。也就是说，织物电极1022检测的心电信号经过纽扣1024的传输作为第一RC低通滤波器1042的输入信号，将频率低于796Hz的心电信号为第一信号。

在其中一个实施例中，所述第一高通滤波放大器1044用于获取频率高于第二截止频率的所述第一信号，并将获取的所述第一信号进行放大得到第二信号。

第一高通滤波放大器1044包括芯片型号为AD8232的仪表放大器、电阻R3、电容C3和C4。第一RC低通滤波器1042滤波后的心电信号，也就是第一信号。将第一信号输入到仪表放大器，可滤除低频信号并将微弱的心电信号的增益放大100倍。电阻R3、电容C3和C4构成双极点高通滤波器，截止频率为0.5Hz。电阻R3和电容C3组成RC网络，可将任何近直流信号反馈给仪表放大器，从而消除失调，而不会造成任何节点出现饱和，并保持高信号增益。也就是说，第一信号作为第一高通滤波放大器1044的输入信号，将第一信号的增益放大100倍后，获取频率高于0.5Hz的第一信号为第二信号，此时第二信号的频率范围0.5Hz～796Hz。

在其中一个实施例中，所述第二高通滤波放大器1046用于获取频率高于第三截止频率的所述第二信号，并将获取的所述第二信号进行放大得到第三信号。

第二高通滤波放大器1046包括芯片内的运算放大器A1，电阻R4、R5、R6和R7以及电容C5和C6。第二信号通过第一高通滤波放大器1046中的电容C4进入运算放大器，电阻R6和R7决定了增益的放大倍数为101倍。电阻R4、R5和电容C5、C6构成双极点高通滤波器，截止频率为35Hz，其中由电阻R4、R5、R6、R7和电容C5、C6共同决定的Q值为0.68，可实现滤波器最大平坦度和锐化截止频率，有效避免了滤波器自激带来的信号失真。其中，Q值用于描述回路的质量，Q值越高，其损耗越小，效率越高。也就是说，第二信号作为第二高通滤波放大器1046的输入信号，将第二信号的增益放大101倍后，获取频率高于35Hz的第二信号为第三信号，此时第二信号的频率范围35Hz～796Hz。

在其中一个实施例中，所述第二RC低通滤波器1048用于获取频率低于第四截止频率的所述第三信号作为所述心电模拟信号。

第二RC低通滤波器1048包括电阻R8和与电阻R8串联的电容C7。电容C7两端分别接信号输出端ECG_OUT和地。电阻R8和电容C7组成输出端的RC低通滤波器，截止频率为159Hz。整个放大电路的增益约为10000倍，经放大滤波后的第三信号最后通过ECG_OUT进入单片机106。也就是说，第三信号作为第二RC低通滤波器1048的输入信号，将第三信号的增益放大近10000倍后，获取频率低于159Hz的第三信号为心电模拟信号，此时心电模拟信号的频率范围35Hz～159Hz。

在其中一个实施例中，电源模块1045包括+2.5V直流电源和两个去耦电容C8、C9，C8、C9一端接一起与+2.5V电源和引脚17相连，另一端接地。在电子电路中，去耦电容也称退耦电容，把输出信号的干扰作为滤除对象。去耦电容C8、C9为第一高通滤波放大器1044和第二高通滤波放大器1046消除自激，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰，使第一高通滤波放大器1044和第二高通滤波放大器1046稳定工作。

滤波放大器104作为整个心电信号检测设备的重要组成部分，决定了心电信号的采集质量和心电信号检测设备的***性能。经过滤波放大器104有效解决了手臂上心电信号弱和干扰噪声多的技术问题，采用单通道输入方式，导联简单，电路集成度高，操作方便，可准确地提取手臂上的心电信号。

在本实施例中，单片机106用于获取所述心电模拟信号，通过模数转换器1062将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。

信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称为模数转换器，简称ADC(Analog to Digital Converter)。通过模数转换器1062将心电模拟信号转换为心电数字信号，根据心电数字信号的数据可生成心电数据波形和数据分析报告。

需要说明的是，为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器还必须有足够快的转换速度。

模数转换器1062将滤波放大器104传输的心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号，并将心电数字信号发送给显示设备108。该显示设备108包括：与无线收发器1066通过无线连接的移动设备1082和与USB接口1068通过USB线连接的上位机1084。

心电数字信号可通过无线收发器1066发送到移动设备1082进行实时监控和分析，也可通过USB接口1068与上位机1084进行通信和上传数据，还可通过单片机106内置存储单元1064，对采集到的心电数字信号进行心电波形存储和数据分析，写进SD卡进行存储，当接收到显示设备108发送的上传心电数据指令后发送所述存储的心电波形和数据分析。

移动设备1082可以为与单片机106配对的移动终端，也可以是其他带有显示屏的便携式心电检测仪器的专用设备。由于大多数人都有移动终端，且使用起来方便，不需要有线连接，还可通过网络将心电信号波形和数据分析报告发送给家人、朋友或者医生，优选的移动设备1082为移动终端。

由于滤波放大器104和单片机106需要电源供电才可进行正常工作，则所述设备还包括电源模块105，用于为所述滤波放大器104和所述单片机106提供电源。

如图6所示的单臂检测心电信号的场景示意图，使用者将心电信号检测设备通过臂带102戴于人体上肢，当前显示设备108为移动设备1082，在该移动设备1082上显示了使用者心电信号的数据波形。

单片机106和滤波放大器104的运行都需要一个电源模块，为所述滤波放大器和所述单片机提供电源。

其中，单片机的型号为CC2540。CC2540是一个真正的***单晶片解决方案，提供用于感应器应用及行动手持装置周边的低功率蓝牙解决方案。当然也可采用其它型号的单片机。

为解决传统技术中采用湿电极、导联线和多级运算放大器带来的使用复杂、佩戴不适和信号干扰造成的准确性低的技术问题，在一个实施例中，特提出了一种心电信号检测方法。

具体的，如图7所示，上述心电信号检测方法，包括：

步骤S102：臂带绑在人体肢体上之后，通过所述臂带的织物电极检测心电信号。

步骤S104：滤波放大器获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号。

步骤S106：单片机获取所述心电模拟信号，通过模数转换器将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。

在其中一个实施例中，所述滤波放大器将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号还包括：第一RC低通滤波器获取频率低于第一截止频率的所述心电信号作为第一信号；第一高通滤波放大器获取频率高于第二截止频率的所述第一信号，并将获取的所述第一信号进行放大得到第二信号；第二高通滤波放大器获取频率高于第三截止频率的所述第二信号，并将获取的所述第二信号进行放大得到第三信号；第二RC低通滤波器获取频率低于第四截止频率的所述第三信号作为所述心电模拟信号。

在其中一个实施例中，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：存储单元将所述心电数字信号进行存储和数据分析。

在其中一个实施例中，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：无线收发器将所述心电信号波形发送至与所述无线收发器通过无线连接的移动设备。

在其中一个实施例中，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：USB接口将所述心电信号波形发送至与所述USB接口通过USB线连接的上位机。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

采用了上述的心电信号检测设备及方法之后，由于通过臂带的织物电极与人体紧密接触检测心电信号，电极与人体间不需要传统的湿电极进行粘合，利用率高；不需要传统的导联线，而是直接通过臂带中的纽扣连接在一起，降低了成本和导联线带来的信号干扰问题，且佩戴舒适方便；采用高精度的滤波放大器保证了心电信号采集的精确性。在不干扰使用者正常生活的前提下，对患者心电进行长时间的动态监护，能及时有效地发现心率失常等重大心脏疾病，实现患者便捷地对心电信号进行实时检测，提高操作的便利性和检测设备的精确性。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种心电信号检测设备，其特征在于，包括：

臂带，所述臂带包括织物电极和与所述织物电极连接的纽扣，所述织物电极用于检测心电信号；

与所述臂带通过所述纽扣连接的滤波放大器，用于获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号；

与所述滤波放大器连接的单片机，用于获取所述心电模拟信号，通过模数转换器将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。

2.根据权利要求1所述的心电信号检测设备，其特征在于，所述滤波放大器包括：

与所述纽扣连接的第一RC低通滤波器，用于获取频率低于第一截止频率的所述心电信号作为第一信号；

与所述第一RC低通滤波器连接的第一高通滤波放大器，用于获取频率高于第二截止频率的所述第一信号，并将获取的所述第一信号进行放大得到第二信号；

与所述第一高通滤波放大器连接的第二高通滤波放大器，用于获取频率高于第三截止频率的所述第二信号，并将获取的所述第二信号进行放大得到第三信号；

输入端与所述第二高通滤波放大器连接、输出端与所述单片机连接的第二RC低通滤波器，用于获取频率低于第四截止频率的所述第三信号作为所述心电模拟信号。

3.根据权利要求1所述的心电信号检测设备，其特征在于，所述单片机还包括存储单元，用于将所述心电数字信号进行存储和数据分析。

4.根据权利要求1所述的心电信号检测设备，其特征在于，所述单片机还包括无线收发器，用于将所述心电信号波形发送至与所述无线收发器通过无线连接的移动设备。

5.根据权利要求1所述的心电信号检测设备，其特征在于，所述单片机还包括USB接口，用于将所述心电信号波形发送至与所述USB接口通过USB线连接的上位机。

6.一种心电信号检测方法，其特征在于，包括：

臂带绑在人体肢体上之后，通过所述臂带的织物电极检测心电信号；

滤波放大器获取所述心电信号，将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号；

单片机获取所述心电模拟信号，通过模数转换器将所述心电模拟信号转换为心电数字信号。

7.根据权利要求6所述的心电信号检测方法，其特征在于，所述滤波放大器将所述心电信号进行放大和滤波得到心电模拟信号还包括：

第一RC低通滤波器获取频率低于第一截止频率的所述心电信号作为第一信号；

第一高通滤波放大器获取频率高于第二截止频率的所述第一信号，并将获取的所述第一信号进行放大得到第二信号；

第二高通滤波放大器获取频率高于第三截止频率的所述第二信号，并将获取的所述第二信号进行放大得到第三信号；

第二RC低通滤波器获取频率低于第四截止频率的所述第三信号作为所述心电模拟信号。

8.根据权利要求6所述的心电信号检测方法，其特征在于，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：

存储单元将所述心电数字信号进行存储和数据分析。

9.根据权利要求6所述的心电信号检测方法，其特征在于，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：

无线收发器将所述心电信号波形发送至与所述无线收发器通过无线连接的移动设备。

10.根据权利要求6所述的心电信号检测设备，其特征在于，所述单片机获取将所述心电模拟信号进行模数转换为心电数字信号之后还包括：

USB接口将所述心电信号波形发送至与所述USB接口通过USB线连接的上位机。