CN108663596A - 一种穿戴式心电导联脱落检测装置及检测方法 - Google Patents

一种穿戴式心电导联脱落检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种穿戴式心电导联脱落检测装置，包括直流导联脱落检测单元、交流导联脱落检测单元、信号采集单元和处理器单元；所述直流导联脱落检测单元和交流导联脱落检测单元的信号输入端分别通过测量电极与人体接触设置；所述直流导联脱落检测单元和交流导联脱落检测单元的信号输出端分别与信号采集单元的信号输入端连接；所述信号采集单元的信号输出端与处理器单元的信号输入端连接；通过结合直流和交流导联脱落检测两种模式的优点来优化工作流程，获得最佳的待机功耗及信号检测质量；此外两种导联脱落检测均采用两电极设计，能有效平衡心电采集通道的输入阻抗，简化外观设计难度，并结合交流导联脱落检测实现最佳的信号质量。

Description

一种穿戴式心电导联脱落检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及导联脱落检测领域，尤其涉及一种穿戴式心电导联脱落检测装置及检测方法。
背景技术
作为传统应用，心电图检查已经成为现代医疗检查的重要项目。随着技术的进步，尤其是半导体技术的发展，小型心电检测产品已经被广泛应用于各种便携式甚至是穿戴式产品领域。这些产品大多具有1/3导联的心电检测功能，虽然不能取代医院的5/12导联专业设备，但是在健康监护、疾病预防领域有着不可替代的作用。另外，在国家大力鼓励分级诊疗、智慧医疗的大背景下，智能心电检测为早发现、早治疗的医疗理念提供了硬件支撑。
传统的心电监护类产品如监护仪一般使用直流导联脱落检测，原因是直流导联脱落设计简单，能够检查参考电极脱落。某些心电诊断类产品如心电图机使用交流导联脱落检测，这类产品一般侧重于信号质量但不需要准确检测参考电极的脱落情况。虽然医院用的心电监护类产品大多数使用直流导联脱落检测方法，但上述问题并没有对性能造成很大影响，原因是医用监护仪使用湿式的电极贴与人体皮肤的接触阻抗相对于设备的输入阻抗很低。然而，穿戴式产品考虑到体积及美观因素，电极不能做的很大更不能使用湿式电极，这均使得接触阻抗极高，甚至与设备的输入阻抗相当，这导致了直流导联脱落不工作，而且会衰减待检测的心电信号。在这种情况下，无论直流还是交流导联脱落检测均不能有效检测一些极端的高接触阻抗或阻抗严重不匹配的情况，比如用户手上涂了护手霜，皮肤表面很干燥的场合。
总结来说，直流导联脱落使用简单，能够有效区分参考电极脱落，直流导联脱落检测在穿戴式产品中只需要检测电压阈值，超过阈值就会触发控制器进行相关处理。但采用直流导联检测的问题主要有两个方面：一、上拉电阻或者恒流驱动会对电路贡献相对大的噪声；二、受电极接触阻抗的影响大。交流导联脱落对电路噪声的贡献较小，它既能有效检测除参考电极外的导联脱落又可以获得电极的连接质量，但其在目前的穿戴式产品中仍没有得到大规模使用的主要原因有两个：一、交流导联脱落的检测效果易受电路中的串联阻容或者是寄生阻容的影响，也就是说电路的复阻抗会影响导联脱落的检测质量；二、交流导联脱落需要软件的参与，比如计算电路复阻抗的阈值或者进行软件滤波处理，如工频干扰，这相对于直流导联脱落会消耗更多的***功耗。
如上所述，直流和交流导联脱落检测均各有优劣，结合并优化两种工作方式是研制新一代穿戴式心电检测设备的重点；所以有必要发明一种可以有效降低待机功耗并保证信号检测质量的穿戴式心电导联脱落检测装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以有效降低待机功耗并保证信号检测质量的穿戴式心电导联脱落检测装置。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种穿戴式心电导联脱落检测装置，包括直流导联脱落检测单元、交流导联脱落检测单元、信号采集单元和处理器单元；所述直流导联脱落检测单元和交流导联脱落检测单元的信号输入端分别通过测量电极与人体接触；所述直流导联脱落检测单元和交流导联脱落检测单元的信号输出端分别与信号采集单元的信号输入端连接；所述信号采集单元的信号输出端与处理器单元的信号输入端连接。
进一步地，所述直流导联脱落检测单元与测量电极的连接线路上设置有第一开关；所述交流导联脱落检测单元与测量电极的连接线路上设置有第二开关；所述处理器单元与第一开关、第二开关电路连接，控制测量装置在直流导联脱落检测状态和交流导联脱落检测状态之间切换；所述测量电极包括第一测量电极和第二测量电极；所述第一测量电极和第二测量电极分别接触人体的两个不同部位。
进一步地，所述第一测量电极和第二测量电极所对应的测量部位是双手、胸前及其他存在心电电势差的位置。
进一步地，所述检测装置还包括超低功耗导联电平检测单元；所述直流导联脱落检测单元的信号输出端与超低功耗导联电平检测单元的信号输入端连接；所述超低功耗导联电平检测单元的信号输出端与处理器单元的信号输入端连接；所述处理器单元的信号输出端与直流导联脱落检测单元的信号输入端连接。
进一步地，所述检测装置还包括正反相正弦波形发生器；所述处理器单元的信号输出端与正反相正弦波形发生器的信号输入端连接；所述正反相正弦波形发生器的信号输出端与交流导联脱落检测单元的信号输入端连接。
一种穿戴式心电导联脱落检测方法：主要包括以下步骤，
步骤一，在不使用导联时，电极输入电平高于阈值电压，处理器启用直流导联脱落检测单元和超低功耗导联电平检测单元，同时关闭信号采集单元、交流导联脱落检测单元和正反相正弦波形发生器，使自己进入极低功耗的待机模式；
步骤二，当有电极连接到人体，电极输入电平低于阈值电压时，超低功耗导联电平检测单元输出唤醒信号给处理器单元；
步骤三，处理器单元被唤醒后，启动信号采集单元，并关闭直流导联脱落检测单元和超低功耗导联电平检测单元，然后打开交流导联脱落检测单元和正反相正弦波形发生器来采集信号；
步骤四，信号采集期间，交流导联脱落检测单元、正反相正弦波发生器、信号采集单元以及处理器单元处于运行状态；在这期间，设备处于交流导联脱落检测模式，处理器单元处理来自信号采集单元的信号并获得心电数据及导联脱落情况；
步骤五，如果信号采集期间发生导联脱落，处理器单元在通过交流导联脱落检测单元发现该情况后重新恢复到步骤一所述的状态，即首先关闭交流导联脱落检测单元和正反相正弦波形发生器，然后打开直流导联脱落检测单元和超低功耗导联电平检测单元，随后关闭信号采集单元，最后处理器单元进入极低功耗的待机模式。
有益效果：本发明的一种穿戴式心电导联脱落检测装置，通过结合直流和交流导联脱落检测两种模式的优点来优化工作流程，获得最佳的待机功耗及信号检测质量；此外两种导联脱落检测均采用两电极设计，能有效平衡心电采集通道的输入阻抗，并结合交流导联脱落检测实现最佳的信号质量。
附图说明
附图1为检测装置的整体结构图；
附图2为传统直流导联脱落检测的电路架构图；
附图3为结合直流和交流导联脱落检测的电路架构图；
附图4为信号采集主题电路图；
附图5为RLD驱动电极电路图；
附图6为正反相正弦信号发生器电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种穿戴式心电导联脱落检测装置，如附图1所示，由六部分组成：直流导联脱落检测单元2、交流导联脱落检测单元3、信号采集单元4、处理器单元5、超低功耗导联电平检测单元6和正反相正弦波形发生器7；
所述直流导联脱落检测单元2和交流导联脱落检测单元3的信号输入端分别通过测量电极与人体1接触；所述直流导联脱落检测单元2和交流导联脱落检测单元3的信号输出端分别与信号采集单元4的信号输入端连接；所述信号采集单元4的信号输出端与处理器单元5的信号输入端连接。
所述直流导联脱落检测单元2与测量电极的连接线路上设置有第一开关；所述交流导联脱落检测单元3与测量电极的连接线路上设置有第二开关；所述处理器单元5与第一开关、第二开关电路连接，控制测量装置在直流导联脱落检测状态和交流导联脱落检测状态之间切换；所述测量电极包括第一测量电极和第二测量电极；所述第一测量电极和第二测量电极分别接触人体1的两个不同部位。
所述第一测量电极和第二测量电极所对应的测量部位是双手、胸前及其他存在心电电势差的位置。
所述检测装置还包括超低功耗导联电平检测单元6；所述直流导联脱落检测单元2的信号输出端与超低功耗导联电平检测单元6的信号输入端连接；所述超低功耗导联电平检测单元6的信号输出端与处理器单元5的信号输入端连接；所述处理器单元5的信号输出端与直流导联脱落检测单元2的信号输入端连接。
所述检测装置还包括正反相正弦波形发生器7；所述处理器单元5的信号输出端与正反相正弦波形发生器7的信号输入端连接；所述正反相正弦波形发生器7的信号输出端与交流导联脱落检测单元3的信号输入端连接。
一种穿戴式心电导联脱落检测方法：主要包括以下步骤，
步骤一，在不使用导联时，电极输入电平高于阈值电压，处理器5启用直流导联脱落检测单元2和超低功耗导联电平检测单元6，同时关闭信号采集单元4、交流导联脱落检测单元3和正反相正弦波形发生器7，使自己进入极低功耗的待机模式；
步骤二，当有电极连接到人体1，电极输入电平低于阈值电压时，超低功耗导联电平检测单元6输出唤醒信号给处理器单元5；
步骤三，处理器单元5被唤醒后，启动信号采集单元4，并关闭直流导联脱落检测单元2和超低功耗导联电平检测单元6，然后打开交流导联脱落检测单元3和正反相正弦波形发生器7来采集信号；
步骤四，信号采集期间，交流导联脱落检测单元3、正反相正弦波发生器7、信号采集单元4以及处理器单元5处于运行状态；在这期间，设备处于交流导联脱落检测模式，处理器单元5处理来自信号采集单元4的信号并获得心电数据及导联脱落情况；
步骤五，如果信号采集期间发生导联脱落，处理器单元5在通过交流导联脱落检测单元3发现该情况后重新恢复到步骤一所述的状态，即首先关闭交流导联脱落检测单元3和正反相正弦波形发生器7，然后打开直流导联脱落检测单元2和超低功耗导联电平检测单元6，随后关闭信号采集单元4，最后处理器单元5进入极低功耗的待机模式。
需要注意的是：随着半导体技术的进步，处理器单元5中的关于直流和交流导联脱落检测模式的检测逻辑可能会集成到信号采集单元4、直流导联脱落检测单元2、超低功耗导联电平检测单元6、交流导联脱落检测单元3、正反相正弦波形发生器7中，或者上述所有单元集成在一起，本发明为了将各个功能模块分开仅仅是为了描述方便。
附图1中的超低功耗导联电平检测单元6是待机状态下的主要功耗，取决于器件的功耗。举例说明：如果每个通道使用ADI公司的超低功耗运放AD8502运放和ADCMP380超低功耗比较器总共消耗2uA电流，如果AVDD是3.3V的话，那么总共消耗功耗小于7uW，显著增加了检测装置的续航时间。
如附图2所示，传统的心电采集电路采用两个或三个电极的直流导联脱落检测模式，位简单起见，可以将电极接到双手上，当然也可以接到胸前或其它可测电势差的位置。这种方法可以有效工作于电极接触条件较好的专用医疗诊断或监护仪器，但在穿戴式产品上可能遇到麻烦。这里假设人体等效的接触阻抗为Rz，那么从电流方向1和电流方向2通路上看，电路输入端的电势差ΔVin根据欧姆定律
可得出，
如果AVDD＝3.3V，AVSS＝0V，Rz＝Rp＝20M Ohm，Re＝100K Ohm，那么ΔVin＝1.1V，这是不能接受的，它会导致信号采集电路饱和，而且由于电阻Rz是时变不稳定的，ΔVin也会在不停变化，这会显著增加***噪声。
另外，如果连上第三个电极还有来自电流方向3的干扰，原理同上面的分析，这里不再赘述。
如附图3所示，所述检测装置使用两电极并针对两种导联脱落检测模式优化，平衡电极间的输入阻抗，细节描述如下：
(1)只有两个电极接入人体的左右手或者其他地方的两个电极。第三个参考电极RLD仅用于在交流导联脱落检测模式；
(2)两组开关Sdc和Sac用于控制及切换不同的导联脱落检测模式。这两组开关不同时工作，直流导联脱落检测闭合Sdc，断开Sac，交流导联脱落检测闭合Sac，断开Sdc；
(3)直流导联脱落检测仅工作于设备待机或者没有电极连接的情况，它只需要低功耗准确地检测到电极接入并唤醒处理器或者信号处理单元，而不需要在信号采集中使用。在直流导联脱落检测时，为了确保较大的输入阻抗，Rp需要足够大(推荐大于20M欧姆)，另外需要拉至共同的电源轨AVDD，避免不同电源轨的电势差在输入端引入的偏差电压；
(4)当直流导联脱落检测到点击接入时，交流导联脱落检测开始工作。为了降低信号噪声提高电路的共模抑制比，开关Sac在输入端引入两路信号：一、将输入端通过电阻Rp拉到第三个电极RLD，RLD是参考电极，能显著提高***的共模抑制比及抗工频干扰能力，这已在很多心电监测设备中使用，在此不做赘述；二、将低频正弦波信号通过隔离电容Cp耦合到输入通道上。
两个通道的相位要相差180度以避免被电路共模抑制掉；
正弦波激励频率不宜设置在心电信号带宽内，如诊断心电带宽为150Hz而监护心电带宽为40Hz。同时要确保激励信号能被信号采集单元采集到，符合采样定理。举例说明：针对诊断心电可使用250Hz激励，500/1000Hz采样率；针对监护心电可使用100Hz激励，200/400Hz采样。有时候可能需要避开工频频率的倍频如使用80Hz，防止干扰；
Cp的容抗应满足在激励频率下大于Rp值，一般取值在5.6pF～27pF之间；
输入阻抗平衡的两电极设计能够提高设备在高输入阻抗或者电极间输入阻抗严重不匹配情况下的稳定性和鲁棒性。无论是直流还是交流导联脱落检测模式，所有电极的输入阻抗是平衡的，在直流导联脱落模式下，电极的输入阻抗取决于图2中电阻Rp的大小，在交流导联脱落模式下电极的输入阻抗取决于电容Cp的大小，Cp越小输入阻抗越大。
如附图4所示为信号采集主题电路图，对应图1中直流导联导联脱落检测单元2、超低功耗导联检测单元6和信号采集单元4。
(1)运算放大器U5实现了直流导联导联脱落检测单元2的功能；
(2)比较器U6、U7实现了超低功耗导联检测单元6的功能，这里电阻R11、R12和R14、R15分别构成分压电路与U6，U7内部电压基准1V作比较，如果大于1V就会输出唤醒信号DC_LF1和DC_LF2给处理器单元5；
(3)U8二选一模拟开关实现了图3中开关Sdc和Sac的作用，来自处理器的信号DC/AC决定开关的闭合与断开；
(4)电极输入通路上的电阻R3、R4对应于图3中的电阻Rp，C3、C4对应于图3中的电容Cp。这里没有在Cp上加开关Sac是因为电容具有隔断直流的作用，如果不使用交流导联脱落功能只需要处理器单元停止输出方波信号。
如附图5所示的RLD驱动电极电路图，对应图3中驱动电极RLD的具体电路，输出信号为RLD，RLD信号在图3中可由开关Sac选择；
如附图6所示的正反相正弦信号发生器电路图，其输入信号Square_Controller是来自于处理器单元5的方波信号，可以由处理器任意编程，输出信号是附图3中的AC+和AC-信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种穿戴式心电导联脱落检测装置，其特征在于：包括直流导联脱落检测单元(2)、交流导联脱落检测单元(3)、信号采集单元(4)和处理器单元(5)；所述直流导联脱落检测单元(2)和交流导联脱落检测单元(3)的信号输入端分别通过测量电极与人体(1)接触；所述直流导联脱落检测单元(2)和交流导联脱落检测单元(3)的信号输出端分别与信号采集单元(4)的信号输入端连接；所述信号采集单元(4)的信号输出端与处理器单元(5)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式心电导联脱落检测装置，其特征在于：所述直流导联脱落检测单元(2)与测量电极的连接线路上设置有第一开关；所述交流导联脱落检测单元(3)与测量电极的连接线路上设置有第二开关；所述处理器单元(5)与第一开关、第二开关电路连接，控制测量装置在直流导联脱落检测状态和交流导联脱落检测状态之间切换；所述测量电极包括第一测量电极和第二测量电极；所述第一测量电极和第二测量电极分别接触人体(1)的两个不同部位。
3.根据权利要求2所述的一种穿戴式心电导联脱落检测装置，其特征在于：所述第一测量电极和第二测量电极所对应的测量部位是双手、胸前及其他存在心电电势差的位置。
4.根据权利要求1所述的一种穿戴式心电导联脱落检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括超低功耗导联电平检测单元(6)；所述直流导联脱落检测单元(2)的信号输出端与超低功耗导联电平检测单元(6)的信号输入端连接；所述超低功耗导联电平检测单元(6)的信号输出端与处理器单元(5)的信号输入端连接；所述处理器单元(5)的信号输出端与直流导联脱落检测单元(2)的信号输入端连接。
5.根据权利要求1所述的一种穿戴式心电导联脱落检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括正反相正弦波形发生器(7)；所述处理器单元(5)的信号输出端与正反相正弦波形发生器(7)的信号输入端连接；所述正反相正弦波形发生器(7)的信号输出端与交流导联脱落检测单元(3)的信号输入端连接。
6.一种穿戴式心电导联脱落检测方法：主要包括以下步骤，
步骤一，在不使用导联时，电极输入电平高于阈值电压，处理器(5)启用直流导联脱落检测单元(2)和超低功耗导联电平检测单元(6)，同时关闭信号采集单元(4)、交流导联脱落检测单元(3)和正反相正弦波形发生器(7)，使自己进入极低功耗的待机模式；
步骤二，当有电极连接到人体(1)，电极输入电平低于阈值电压时，超低功耗导联电平检测单元(6)输出唤醒信号给处理器单元(5)；
步骤三，处理器单元(5)被唤醒后，启动信号采集单元(4)，并关闭直流导联脱落检测单元(2)和超低功耗导联电平检测单元(6)，然后打开交流导联脱落检测单元(3)和正反相正弦波形发生器(7)来采集信号；
步骤四，信号采集期间，交流导联脱落检测单元(3)、正反相正弦波发生器(7)、信号采集单元(4)以及处理器单元(5)处于运行状态；在这期间，设备处于交流导联脱落检测模式，处理器单元(5)处理来自信号采集单元(4)的信号并获得心电数据及导联脱落情况；
步骤五，如果信号采集期间发生导联脱落，处理器单元(5)在通过交流导联脱落检测单元(3)发现该情况后重新恢复到步骤一所述的状态，即首先关闭交流导联脱落检测单元(3)和正反相正弦波形发生器(7)，然后打开直流导联脱落检测单元(2)和超低功耗导联电平检测单元(6)，随后关闭信号采集单元(4)，最后处理器单元(5)进入极低功耗的待机模式。
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