CN114557684A - 一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置 - Google Patents

一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置 Download PDF

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Abstract

一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其中脉搏和心电同步采集单元采集用户腕部PPG和腕部ECG同步信号并通过模数转换将数据转换为数字信号发送给下位机；下位机信号处理和显示单元运行脉搏和心电同步采集单元控制程序，原始数据的临时存储，低功耗蓝牙传输，低功耗滤波和脉率算法和LCD显示控制等程序算法，信号的实时低功耗无线传输和下位机实时显示信号和脉率的功能；上位机信号处理和显示单元实现通过滤波算法还原采集的同步脉搏和心电信号，计算相应的指标，实时在客户终端显示还原信号和各项指标。本发明能够实现穿戴式同步采集腕部脉搏与心电信号，同时保证了穿戴舒适和操作方便，适用于用户日常健康监测和辅助临床诊断。

Description

一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置
技术领域
本发明属于穿戴式生命体征检测和分析领域，涉及腕部光电容积脉搏波检测和分析技术，腕部心电信号检测和分析技术，多信号同步采集技术，特别是面向穿戴式连续心电、脉搏信号监测，具体为一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置。
背景技术
人体的脉搏和心电信号反映了许多重要的人体生理状况信息，例如血管的硬度、直径，外周阻力，血液的粘度等等血管和血液特性都会对脉搏和心电信号产生复杂的影响。而这些影响因素又是许多心血管疾病的根源。因此，长期准确地采集脉搏与心电信号既可以对疾病诊断起到参考价值，也可以有效参与到日常身心健康的调控中去。
对于单导联动态心电信号的采集，目前的主要技术方案包括采用湿电极的心电贴，采用干电极的心电衣和腕表式采集***。心电贴存在佩戴麻烦，湿电极长时间佩戴后会产生不适甚至皮肤过敏的问题，但是湿电极采集胸部ECG信号的方法可以一定程度保证信号的精度，降低运动伪迹干扰；采用干电极的心电衣在穿戴上比心电贴简单且更舒适，但是采用干电极会导致采集到的心电信号存在严重的伪迹干扰；腕表式采集***在穿戴上最为方便舒适，虽然同样采用干电极，但是在佩戴牢固之后，运动伪迹的问题会比心电衣小，但是存在着采集单手腕心电信号信噪比过低的问题，需要身体其他部位作为参考电极配合采集，因此，难以实现长期监测的目的。
对于腕部脉搏信号的采集，主要可以分为三种类别，分别是压力脉搏信号采集，超声脉搏信号采集和光电脉搏采集。其中光电脉搏采集，即光电容积脉搏信号(Photoplethysmography,PPG)，以其成本低廉，研制方便等特点在脉搏信号分析中应用较广。PPG传感器通常采用红光，近红外和绿光作为光源。其中，血红蛋白对于绿光的吸收率更高，可以得到更高的信噪比，适用于动态环境，而红外等光源虽然信噪比较低，但是在静态环境下测得更准，几种光源可以实现互补。PPG信号可以分为DC和AC两个部分。AC 部分同时受到传感器与皮肤之间压力的影响。压力的变化可能导致AC幅值的变化，带来波形的波动。因此，PPG传感器必须牢固的与皮肤连接，才能实现准确的测量。同时，PPG传感器是对光线敏感的元器件，环境光会对传感器采集到的信号产生很大的影响。因此，PPG 信号主要受到运动伪迹和环境光的干扰，在采集***设计的过程中，这是需要重点解决的问题。
脉搏和心电信号都包含了许多生理信息，而两种信号的同步采集，可以对更多的生理指标进行计算，反映更多的生理信息，因此，开发一套脉搏和心电同步采集装置十分必要。目前的技术方案主要采用心电贴或心电衣和腕部或指部PPG的方式进行同步采集，整套方案需要导线连接，佩戴复杂，舒适度不高，需要开发检测方式更简单快捷，舒适度更高的脉搏心电同步采集***。
中国专利CN211934035U公开了一种心电信号和脉搏信号同步采集显示装置，实现了利用三导联心电背心和腕部震动压力传感器的心电脉搏同步采集，但是存在设备佩戴易操作性和舒适性不高的问题。本专利利用腕表式主体背面自带的干电极采集腕部心电信号，PPG传感器采集腕部脉搏信号，而无需胸部心电衣等装置，即可实现心电和脉搏信号的同步采集，解决了佩戴便捷性和舒适性的问题。
中国专利CN111528813A公开了一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，实现了心电信号，PPG脉搏波信号和体表温度等多生理信号的检测。该专利使用胸部心电贴和腕部 PPG传感器的方式采集信号，实现了多路生理信号的同时测量。而本专利采用的腕部干电极方式采集心电，同时对多路生理信号采集同步性做出了要求，既提高了采集的舒适性，又能够更准确的测量计算临床生理指标。
中国专利CN204500675U公开了一种便携式心电监护***，实现了穿戴式采集心电信号，利用蓝牙将数据实时传输到Android手机端将数据进行实时显示，并将数据压缩后传输至服务端进行存储。本专利利用低功耗算法，实现了腕表式设备端低功耗运行，无需客户端设备即可实时显示脉率等基本信息；客户端利用Web Bluetooth和PWA技术，实现了客户端设备的全平台适配而不限制在Android设备；服务端利用云服务和边缘计算技术，实现了对生理数据的自动化分析检测，而不是简单的数据存储功能。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，通过同步采集腕部单导联心电信号和腕部PPG信号，将原始数据通过低功耗无线传输的方式实时上传至上位机，进行信号的滤波处理和指标的计算分析，最终提供检测报告。同时，腕表可将初步处理的数据显示在腕表上供用户实时查看。
一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，包括包括脉搏和心电同步采集单元，下位机信号处理和显示单元和上位机信号处理和显示单元，所述脉搏和心电同步采集单元的输出端连接所述下位机信号处理和显示单元的输入端，所述下位机信号处理和显示单元的控制输出端连接所述脉搏和心电同步采集单元的控制输入端，所述下位机信号处理和显示单元的信号输出端连接上位机信号处理和显示单元的输入端；
所述脉搏和心电同步采集单元集成在腕表式下位机背部，佩戴时紧贴在用户腕部皮肤上，用于采集用户的PPG脉搏信号和单导联心电信号，信号通过串口传输至下位机信号处理和显示单元进行进一步的处理；
所述下位机信号处理和显示单元集成在腕表式下位机中，采用32位MCU为主控芯片，主要运行脉搏和心电同步采集单元控制，原始数据的临时存储，低功耗蓝牙传输，低功耗滤波和脉率算法和LCD显示控制等程序算法，实现了脉搏和心电同步采集单元的控制，信号的实时低功耗无线传输和下位机实时显示信号和脉率的功能；
所述上位机信号处理和显示单元运行在客户终端上，在通过蓝牙和下位机建立连接后，可以实现通过滤波算法还原采集的同步脉搏和心电信号，计算相应的医学指标，实时在客户终端显示还原信号和各项指标，在一次测量结束后生成相应的数据报告供用户和临床参考。
作为本发明进一步改进，所述脉搏和心电同步采集单元包含多通道PPG传感器，环境光屏蔽模块，单导联心电采集干电极，心电前置滤波电路和ECG与PPG同步模拟前端。
作为本发明进一步改进，所述多通道PPG传感器包含绿色LED，红色LED和近红外LED，用于发出不同波段的光线；所述多通道PPG传感器包含红外截止PD和宽频PD，用来接收不同波段光线的反射光线。
作为本发明进一步改进，所述环境光屏蔽模块通过腕表外壳的凹槽设计，将所述多通道 PPG传感器保护起来，避免其受到环境光的干扰。
作为本发明进一步改进，所述单导联心电采集干电极由RA电极、LA电极和RL电极构成电容耦合的右腿驱动差分回路，实现动态心电信号的采集。具体地，RA电极和LA电极分布在所述下位机背部的两侧，RL电极分布在腕表式下位机侧边，并通过接口外接至身体其他部位，所述心电前置滤波电路为RC低通滤波电路，滤除空间中的电磁干扰。
作为本发明进一步改进，所述下位机信号处理和和显示单元，采用STM32系列芯片，通过拓展SRAM芯片实现算法和数据的存储，运行基于频谱分析的运动伪迹滤波和脉搏估计算法，并将计算结果实时发送到外接的2寸TFT液晶LCD屏幕，同时通过串口驱动BLE蓝牙模块工作，实现低功耗无线传输数据。
作为本发明进一步改进，所述上位机信号处理和显示单元，基于Node.js框架开发，通过PWA技术实现上位机在Windows，Linux，安卓，iOS等***的全平台适配，通过云计算和边缘计算的方式，实现滤波，信号还原，指标计算功能，降低对用户终端计算能力的要求。
作为本发明进一步改进，所述信号还原算法，采用小波滤波和形态学自适应滤波相结合的方法，保证了信号在滤除噪声的同时，在低频和高频部分都不出现明显的失真。
作为本发明进一步改进，所述指标计算功能，包括以下指标：心电的时域和频域心率变异性HRV指标，包括R-R间期总体标准差SDNN，间期差值超过50ms百分比pNN50，间期差值平方和的均方根RMSSD，低频能量LF，高频能量HF，低频和高频的比值LF/HF，样本熵SampEn，模糊测度熵FuzzyMEn；与脉搏相关的指标，包括心率HR，脉搏传输时间PTT，脉搏波到达时间PAT；进一步的，计算血压，血氧饱和度和情绪状态三维指标，其中血压计算利用与脉搏波传导时间PWTT的近似线性回归模型得到，血氧饱和度计算利用与红光和红外光的吸收比的线性回归模型得到，情绪状态评估采用对前面HRV指标的加权回归模型，其中加权回归模型采用基于径向核函数的多分类支持向量机SVM训练得到。
作为本发明进一步改进，所述血压计算的线性回归模型，指通过大量数据样本对线性模型BP＝a*PWTT+b进行回归运算，得到合适的a，b两个参数，a的取值范围为 -2.0～-0.8mmHg/ms，b的取值范围为350～450mmHg，根据个体差异进行自动调整；所述血氧饱和度SpO2计算的回归模型，通过PPG传感器的红色LED和红外LED分别得到两组反射光信号，并分别计算红光直流振幅DCR，红光交流振幅ACR和红外直流振幅DCIR，红外交流振幅ACIR，通过大量数据样本对线性模型
Figure BDA0003514049030000041
进行回归运算，得到合适的K参数，K的取值范围为95～100。
与现有技术相比，本发明提供的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置的有益效果包括：
(1)本发明实现了对腕部脉搏和腕部心电信号的同步采集，可以获得更多，更具有临床医学参考价值的生理指标参数，有助于辅助临床诊断和更准确的日常健康监测。
(2)本发明的腕表式脉搏心电同步采集显示装置实现了低功耗运行和数据传输，大幅提高了穿戴式脉搏心电同步采集装置的续航时间，可以实现长程监测。
(3)本发明的腕表式脉搏心电同步采集显示装置佩戴舒适，测量方便，适用于用户日常健康监测和辅助临床诊断。
(4)本发明采用了云计算，边缘计算的技术，同时采用PWA技术开发，对于客户终端设备的性能要求不高，并且实现了全平台适配。
附图说明
图1是***流程图；
图2是腕表外观结构示意图；
图3是下位机硬件结构图；
图4是上位机软件结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置包括脉搏和心电同步采集单元，下位机信号处理和显示单元和上位机信号处理和显示单元。所述脉搏和心电同步采集单元的输出端连接所述下位机信号处理和显示单元的输入端，所述下位机信号处理和显示单元的控制输出端连接所述脉搏和心电同步采集单元的控制输入端。
如图2所示，所述下位机信号处理和显示单元的信号输出端连接上位机信号处理和显示单元的输入端。所述脉搏和心电同步采集单元包含多通道PPG传感器，环境光屏蔽模块，单导联心电采集干电极，心电前置滤波电路和ECG与PPG同步模拟前端。PPG传感器，包括两个526nm绿色LED，一个950nm近红外LED，一个650nm的红色LED，一个红外截止PD和一个宽频PD。所述环境光屏蔽模块旨在通过腕表外壳的凹槽设计，将所述多通道 PPG传感器保护起来，避免其受到环境光的干扰。所述单导联心电采集干电极由RA电极、 LA电极和RL电极构成电容耦合的右腿驱动差分回路，实现动态心电信号的采集。具体地，RA电极和LA电极分布在所述下位机背部的两侧，RL电极分布在腕表式下位机侧边，也可通过接口外接至身体其他部位。
如图3所示，所述心电前置滤波电路为RC低通滤波电路，截止频率140kHz，滤除空间中的电磁干扰。所述ECG和PPG同步模拟前端采用AFE芯片，实现PPG和ECG信号的放大和同步AD转换，并将同步转换结果通过SPI串口传输的方式，传输至MCU。所述下位机信号处理和和显示单元，采用STM32芯片，通过拓展SRAM芯片实现算法和数据的存储，运行基于FFT频谱分析的运动伪迹滤波和脉搏估计算法，并将计算结果实时发送到外接的2寸TFT液晶LCD屏幕，同时通过串口驱动BLE蓝牙模块工作，实现低功耗无线传输数据。***由3.7V锂电池供电，通过TPS系列芯片实现电源的管理，3.3V稳压给蓝牙模块，SRAM，LCD屏幕供电，4.2V和2.1V稳压给AFE芯片和PPG传感器供电。***通过 MCU对AFE芯片和PPG传感器进行时序控制，具体体现为各LED以固定频率交替闪亮，同时，模拟前端按照相同频率对不同LED的反射信号进行采样传输，既实现了多通道的信号采集，又降低了***的功耗。
如图4所示，所述上位机信号处理和显示单元，基于Node.js框架开发，通过PWA技术实现上位机在Windows，Linux，安卓，iOS等***的全平台适配。通过云计算和边缘计算的方式，实现滤波，信号还原，指标计算等功能，降低对用户终端计算能力的要求。所述信号还原算法，采用小波滤波和形态学自适应滤波相结合的方法，保证了信号在滤除噪声的同时，在低频和高频部分都不出现明显的失真。所述指标计算功能，对于心电和脉搏的波形检测是实现指标计算功能的基础，采用小波变换和卷积神经网络对波形识别进行预训练，得到波形特征识别模型，例如心电的QRS波检测模型等。所述指标计算功能，主要包括以下指标：心电的时域和频域HRV指标，包括SDNN，pNN50，RMSSD，LF，HF，LF/HF， SampEn，FuzzyMEn等；与脉搏相关的指标，包括HR，PTT，PAT等；进一步的，可以计算血压，血氧饱和度和情绪状态三维指标，其中血压计算利用与PWTT的近似线性回归模型得到，血氧饱和度计算利用与红光和红外光的吸收比的线性回归模型得到，情绪状态评估采用对前面HRV指标的加权回归模型，其中加权回归模型采用基于径向核函数的SVM训练得到。所述血压计算的线性回归模型，指通过大量数据样本对线性模型BP＝a*PWTT+b 进行回归运算，得到合适的a，b两个参数，a的取值范围为-2.0～-0.8mmHg/ms，b的取值范围为350～450mmHg，根据个体差异自动调整。所述血氧饱和度(SpO2)计算的回归模型，通过PPG传感器的红色LED和红外LED分别得到两组反射光信号，分别计算红光直流振幅DCR，红光交流振幅ACR和红外直流振幅DCIR，红外交流振幅ACIR，通过大量数据对线性模型
Figure BDA0003514049030000061
进行回归运算，得到合适的K参数，K的取值范围为 95～100。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于：包括包括脉搏和心电同步采集单元，下位机信号处理和显示单元和上位机信号处理和显示单元，所述脉搏和心电同步采集单元的输出端连接所述下位机信号处理和显示单元的输入端，所述下位机信号处理和显示单元的控制输出端连接所述脉搏和心电同步采集单元的控制输入端，所述下位机信号处理和显示单元的信号输出端连接上位机信号处理和显示单元的输入端；
所述脉搏和心电同步采集单元集成在腕表式下位机背部，佩戴时紧贴在用户腕部皮肤上，用于采集用户的PPG脉搏信号和单导联心电信号，信号通过串口传输至下位机信号处理和显示单元进行进一步的处理；
所述下位机信号处理和显示单元集成在腕表式下位机中，采用32位MCU为主控芯片，主要运行脉搏和心电同步采集单元控制，原始数据的临时存储，低功耗蓝牙传输，低功耗滤波和脉率算法和LCD显示控制等程序算法，实现了脉搏和心电同步采集单元的控制，信号的实时低功耗无线传输和下位机实时显示信号和脉率的功能；
所述上位机信号处理和显示单元运行在客户终端上，在通过蓝牙和下位机建立连接后，可以实现通过滤波算法还原采集的同步脉搏和心电信号，计算相应的医学指标，实时在客户终端显示还原信号和各项指标，在一次测量结束后生成相应的数据报告供用户和临床参考。
2.根据权利要求1所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于：所述脉搏和心电同步采集单元包含多通道PPG传感器，环境光屏蔽模块，单导联心电采集干电极，心电前置滤波电路和ECG与PPG同步模拟前端。
3.根据权利要求2所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于：所述多通道PPG传感器包含绿色LED，红色LED和近红外LED，所述多通道PPG传感器包含红外截止PD和宽频PD。
4.根据权利要求2所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于：所述环境光屏蔽模块通过腕表外壳的凹槽设计，将所述多通道PPG传感器保护起来。
5.根据权利要求2所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于：所述单导联心电采集干电极由RA电极、LA电极和RL电极构成电容耦合的右腿驱动差分回路，具体地，RA电极和LA电极分布在所述下位机背部的两侧，RL电极分布在腕表式下位机侧边，并通过接口外接至身体其他部位，所述心电前置滤波电路为RC低通滤波电路，滤除空间中的电磁干扰。
6.根据权利要求1所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于，所述下位机信号处理和和显示单元，采用STM32系列芯片，通过拓展SRAM芯片实现算法和数据的存储，运行基于频谱分析的运动伪迹滤波和脉搏估计算法，并将计算结果实时发送到外接的2寸TFT液晶LCD屏幕，同时通过串口驱动BLE蓝牙模块工作。
7.根据权利要求1所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于，所述上位机信号处理和显示单元，基于Node.js框架开发，通过PWA技术实现上位机在Windows，Linux，安卓，iOS等***的全平台适配，通过云计算和边缘计算的方式，实现滤波，信号还原，指标计算功能，降低对用户终端计算能力的要求。
8.根据权利要求7所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于，所述信号还原算法，采用小波滤波和形态学自适应滤波相结合的方法。
9.根据权利要求7所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于，所述指标计算功能，包括以下指标：心电的时域和频域心率变异性HRV指标，包括R-R间期总体标准差SDNN，间期差值超过50ms百分比pNN50，间期差值平方和的均方根RMSSD，低频能量LF，高频能量HF，低频和高频的比值LF/HF，样本熵SampEn，模糊测度熵FuzzyMEn；与脉搏相关的指标，包括心率HR，脉搏传输时间PTT，脉搏波到达时间PAT；进一步的，计算血压，血氧饱和度和情绪状态三维指标，其中血压计算利用与脉搏波传导时间PWTT的近似线性回归模型得到，血氧饱和度计算利用与红光和红外光的吸收比的线性回归模型得到，情绪状态评估采用对前面HRV指标的加权回归模型，其中加权回归模型采用基于径向核函数的多分类支持向量机SVM训练得到。
10.根据权利要求9所述的一种腕表式脉搏心电同步采集显示装置，其特征在于，所述血压计算的线性回归模型，指通过大量数据样本对线性模型BP＝a*PWTT+b进行回归运算，得到合适的a,b两个参数，a的取值范围为-20～-0.8mmHg/ms，b的取值范围为350～450mmHg，根据个体差异进行自动调整；所述血氧饱和度SpO2计算的回归模型，通过PPG传感器的红色LED和红外LED分别得到两组反射光信号，并分别计算红光直流振幅DCR，红光交流振幅ACR和红外直流振幅DCIR，红外交流振幅ACIR，通过大量数据样本对线性模型
Figure FDA0003514049020000021
进行回归运算，得到合适的K参数，K的取值范围为95～100。
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