TW201620439A

TW201620439A - 心電感測系統

Info

Publication number: TW201620439A
Application number: TW103143382A
Authority: TW
Inventors: 鄒朝聖
Original assignee: 鄒朝聖
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105982660A

Abstract

一種心電感測系統包含感測裝置、差動放大電路、濾波電路、快速轉換電路、類比數位轉換介面、以及通訊電路。感測裝置包含二金屬電極以接收生物電訊號；差動放大電路以放大生物電訊號；濾波電路以從生物電訊號中濾除雜訊而獲得生理特徵訊號；快速轉換電路分析生理特徵訊號並輸出功率頻譜曲線；類比數位轉換介面接收功率頻譜曲線，並使功率頻譜曲線經由通訊電路儲存於資料庫中以監控生理特徵訊號。

Description

心電感測系統

本發明是有關於一種心電感測系統，特別是有關於一種能夠提高心電圖記錄的機動性及簡便性的心電感測系統。

心電描記技術（Electrocardiography, ECG），是藉由在皮膚上設置接觸電極，經由胸腔將心臟之電生理活動以時間為單位記錄下來的診療技術，屬於無創性的記錄方式。

簡單來說，ECG的工作原理就是利用心臟跳動時，在皮膚表面產生的極小電變化，將此電變化以感測器捕捉並放大即可描繪出心電圖。通常，在肢體上需放置至少3個電極，並將其兩兩組成一對進行測量。例如，左臂電極（LA）、右臂電極（RA）和左腿電極（LL）的組合可包含LA+RA、RA+LL及LA+LL。每個電極對的輸出訊號稱為一組導程，可使醫師從不同的角度獲得心臟的電變化。

心電圖的種類可以從導程的數量來分類，例如有3導程心電圖、5導程心電圖及12導程心電圖等。12導程心電圖屬於臨床研究中最常見的一種，可以同時記錄體表12組導程的電位變化，並在心電圖紙上描繪出12組導程訊號，常用於一次性的心電圖診斷。3導程及5導程心電圖則多用於需要連續監測心臟活動的情況，如手術過程中或在救護車轉運病人的監護中。根據儀器的不同，連續監測的結果有時可能無法完整的記錄下來。

另外，就心電圖的後續電路而言，目前都是以訂做的線路來完成，並加上專屬的程式以進行訊號或心率變異度的分析。這些訂做的線路都包含大量複雜的放大器電路，而分析程式也都是以相當昂貴的PC或工作站來完成。另外，現今大部分的心電圖測量儀器的體積也都非常巨大，導致心電圖的測量及分析技術，一直無法延伸到醫院以外的區域。

鑑於以上所述之問題，本發明之主要目的，即在於提供一種心電感測系統，不需身處醫院就可即時測量並監控心臟活動，以達到提高心電圖記錄的機動性及簡便性等功效。

為具體描述本發明之內容，在此揭露一種心電感測系統，其包含感測裝置、差動放大電路、濾波電路、快速轉換電路、類比數位轉換介面及通訊電路。感測裝置包含以黃銅鍍鉻之材料形成之二導程金屬電極，用以接收生物電訊號；差動放大電路，與感測裝置電性連接而形成迴路，以放大生物電訊號；濾波電路與差動放大電路電性連接而形成迴路，以從生物電訊號中濾除雜訊而獲得生理特徵訊號；快速轉換電路與濾波電路電性連接而形成迴路，使用心率變異參數頻域分析方法即時分析生理特徵訊號，並輸出功率頻譜曲線；類比數位轉換介面係位於電腦系統中，其電性連接快速轉換電路以接收功率頻譜曲線；通訊電路與電腦系統電性連接而形成迴路，使功率頻譜曲線經由通訊電路儲存於雲端資料庫中，以即時監控生理特徵訊號。

較佳地，電腦系統從功率頻譜曲線獲得低頻與總頻功率比，以測量出生理特徵訊號中的交感神經定量指標。

較佳地，電腦系統從功率頻譜曲線獲得低高頻比值，以反應出生理特徵訊號中的自主神經平衡指標。

較佳地，電腦系統從功率頻譜曲線獲得總功率，以評估生理特徵訊號中的心率變異度。

較佳地，二導程金屬電極與人體之接觸電阻值介於10Ω~100Ω之間。

較佳地，感測裝置與差動放大電路之間更包含至少一高電阻，用以阻絕高電流，高電阻之電阻值介於1MΩ~10 MΩ之間。

較佳地，差動放大電路包含儀表放大器，用以將生物電訊號之電壓以增益1000之放大倍率輸出。

較佳地，差動放大電路更包含補償電路，與儀表放大器電性連接，用以補償所輸出之生物電訊號之電壓，同時提高差動放大電路之放大倍率的精度。

較佳地，濾波電路包含帶通濾波器，用以將頻率為60Hz之市電頻率從生物電訊號中濾除。

較佳地，濾波電路包含低通濾波器及高通濾波器，低通濾波器及高通濾波器係分別將頻率在0.5Hz以下及頻率在100Hz以上之雜訊從生物電訊號中濾除。

為使本發明之上述特徵對所屬領域之通常知識者能更加地明顯易懂，以下將舉例示性實施例並配合其圖式，做詳細說明如下。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之心電感測系統之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參照第1圖，係根據例示性實施例而顯示本發明之心電感測系統的功能方塊圖。如第1圖所示，本發明係提供心電感測系統100，其包含：感測裝置10、差動放大電路20、濾波電路30、快速轉換電路40、電腦系統50及通訊電路60。

感測裝置10包含以黃銅鍍鉻之材料形成之二導程金屬電極11，用以接收生物電訊號。本發明之感測裝置10主要是藉由金屬電極11接觸雙手手掌以獲得生物電訊號，由於雙手的掌心是整個手掌皮膚較細緻且較薄的位置，因此以雙手的掌心作為感測點可得到較準確的心電訊號值。舉例而言，本發明係利用二導程金屬電極11分別接觸於雙手的掌心，且金屬電極11均為乾式電極並以黃銅鍍鉻之金屬材料形成，因此本發明之二導程金屬電極與人體之接觸電阻值係介於10Ω~100Ω之間。另外，感測裝置10可更包含電源電路12，用以提供後續電路所需之整流電壓。

差動放大電路20與感測裝置10電性連接而形成迴路，以放大生物電訊號。其中，差動放大電路20可包含儀表放大器21及補償電路22。儀表放大器21可將生物電訊號之電壓以增益1000之放大倍率輸出，補償電路22可與儀表放大器21電性連接，以補償所輸出之生物電訊號之電壓，同時提高差動放大電路20之放大倍率的精度。另外，感測裝置10與差動放大電路20之間可進一步包含至少一高電阻，用以阻絕高電流藉由雙手掌心進入人體。高電阻之電阻值較佳介於1MΩ~10 MΩ之間。

濾波電路30與差動放大電路20電性連接而形成迴路，以從生物電訊號中濾除雜訊而獲得生理特徵訊號。其中，濾波電路30包含帶通濾波器31、低通濾波器32以及高通濾波器33。帶通濾波器31可用以將頻率為60Hz之市電頻率從生物電訊號中濾除，低通濾波器32及高通濾波器33則可分別將頻率在0.5Hz以下及頻率在100Hz以上之雜訊從生物電訊號中濾除。

快速轉換電路40與濾波電路30電性連接而形成迴路，使用心率變異參數頻域分析方法即時分析生理特徵訊號，並輸出功率頻譜曲線。其中，心率變異參數頻域分析方法是把任意的時域函數（time domain）以數學方法，例如，拉普拉斯轉換(Laplace Transform)、傅立葉轉換(Fourier Transform)或Z-轉換(Z-Transform)等，轉換成頻域函數（frequency domain），其可包含週期性函數及非週期性函數等。在本發明的較佳實施例中，快速轉換電路40可為快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)電路。

根據例示性實施例，本發明是將時域中取得的所有R-R波間期（R-R interval）以非參數方法進行的頻域分析。因此，快速轉換電路40會將從濾波電路30中獲得的生理特徵訊號分割為三個範圍：極低頻、低頻、及高頻部分。

極低頻（very low frequency, VLF），頻率範圍約在0.00~0.01Hz之間。可根據此頻段作為判斷反應交感與副交感神經系統的指標，影響因子有周邊的壓力感受器、溫度調節反應、以及血管張力反射等。

低頻（low frequency, LF），頻率範圍約在0.04~0.15Hz之間。可根據此頻段作為判斷反應副交感神經的活動能力的指標，波峰值會隨著呼吸而有所變動。

高頻（high frequency, HF），頻率範圍約在0.15~0.40Hz之間。可根據此頻段作為判斷交感神經的活動能力的指標。

根據上述說明的三個頻段中的功率，快速轉換電路40可輸出功率頻譜曲線，並根據功率頻譜曲線中包含的各個參數來得知心臟在進行活動時的狀況。例如，表示功率頻譜曲線下的面積總和之參數稱為總功率（total power, TP），且根據其頻率大小的不同又可分為低頻功率（low frequency power）及高頻功率（high frequency power）。

根據例示性實施例，本發明主要使用的頻率功率之參數可歸納為以下三種：低頻與總頻功率比（low frequency and total power proportion, LFP）、低高頻比值（low frequency/ high frequency, LF/HF）、以及總功率。其中，LFP是交感神經的活性定量指標；LF/HF可反應自主神經活性平衡；TP可評估心率整體變異度。另外，使用於本發明之參數頻率範圍及其單位如下表1所示。

表1

根據本發明之例示性實施例，電腦系統50可包含類比數位轉換介面51，其電性連接快速轉換電路40以接收並分析功率頻譜曲線。其中，電腦系統50可藉由類比數位轉換介面51將轉換後之功率頻譜曲線進行分析。根據以上說明，電腦系統50可從功率頻譜曲線獲得低頻與總頻功率比，以測量出生理特徵訊號中的交感神經定量指標；從功率頻譜曲線獲得低高頻比值，以反應出生理特徵訊號中的自主神經平衡指標；以及從功率頻譜曲線獲得總功率，以評估生理特徵訊號中的心率變異度。

通訊電路60與電腦系統50電性連接而形成迴路，使功率頻譜曲線經由通訊電路儲存於雲端資料庫中，以即時監控生理特徵訊號。

請參照第2圖，係根據例示性實施例而顯示本發明之心電感測系統的實施流程圖。如第2圖所示，本發明之心電感測系統所使用的感測方法包含以下步驟：利用二導程金屬電極分別與雙手手掌接觸，以接收生物電訊號（S1）；使用差動放大電路放大生物電訊號（S2）；藉由濾波電路從生物電訊號中濾除雜訊而獲得生理特徵訊號（S3）；藉由快速轉換電路利用心率變異參數頻域分析方法即時分析生理特徵訊號並輸出功率頻譜曲線（S4）；電腦系統根據功率頻譜曲線而獲得低頻與總頻功率比、低高頻比值、以及總功率（S5）；經由通訊電路將獲得參數儲存於雲端資料庫中以即時監控生理特徵訊號（S6）。

雖然本發明已以實施例揭露如上，但其僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10‧‧‧感測裝置
100‧‧‧心電感測系統
11‧‧‧金屬電極
12‧‧‧電源電路
20‧‧‧差動放大電路
21‧‧‧儀表放大器
22‧‧‧補償電路
30‧‧‧濾波電路
31‧‧‧帶通濾波器
32‧‧‧高通濾波器
33‧‧‧低通濾波器
40‧‧‧快速轉換電路
50‧‧‧電腦系統
51‧‧‧類比數位轉換介面
60‧‧‧通訊電路
S1~S6‧‧‧步驟

第1圖係根據例示性實施例而顯示本發明之心電感測系統的功能方塊圖。

第2圖係根據例示性實施例而顯示本發明之心電感測系統的實施流程圖。

10‧‧‧感測裝置

100‧‧‧心電感測系統

11‧‧‧金屬電極

12‧‧‧電源電路

20‧‧‧差動放大電路

21‧‧‧儀表放大器

22‧‧‧補償電路

30‧‧‧濾波電路

31‧‧‧帶通濾波器

32‧‧‧高通濾波器

33‧‧‧低通濾波器

40‧‧‧快速轉換電路

50‧‧‧電腦系統

51‧‧‧類比數位轉換介面

60‧‧‧通訊電路

Claims

一種心電感測系統，其包含：一感測裝置，包含以黃銅鍍鉻之材料形成之一二導程金屬電極，用以接收一生物電訊號；一差動放大電路，與該感測裝置電性連接而形成迴路，以放大該生物電訊號；一濾波電路，與該差動放大電路電性連接而形成迴路，以從該生物電訊號之中濾除雜訊而獲得一生理特徵訊號；一快速轉換電路，與該濾波電路電性連接而形成迴路，使用一心率變異參數頻域分析方法即時分析該生理特徵訊號，並輸出一功率頻譜曲線；一類比數位轉換介面，該類比數位轉換介面係位於一電腦系統中，其電性連接該快速轉換電路以接收該功率頻譜曲線；以及一通訊電路，與該電腦系統電性連接而形成迴路，使該功率頻譜曲線經由該通訊電路儲存於一雲端資料庫中，以即時監控該生理特徵訊號。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該電腦系統從該功率頻譜曲線獲得一低頻與總頻功率比，以測量出該生理特徵訊號中的交感神經定量指標。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該電腦系統從該功率頻譜曲線獲得一低高頻比值，以反應出該生理特徵訊號中的自主神經平衡指標。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該電腦系統從該功率頻譜曲線獲得一總功率，以評估該生理特徵訊號中的心率變異度。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該二導程金屬電極與人體之接觸電阻值介於10Ω~100Ω之間。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該感測裝置與該差動放大電路之間更包含至少一高電阻，用以阻絕高電流，該高電阻之電阻值介於1MΩ~10 MΩ之間。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該差動放大電路包含一儀表放大器，用以將該生物電訊號之電壓以增益1000之放大倍率輸出。
如申請專利範圍第7項所述之心電感測系統，其中該差動放大電路更包含一補償電路，與該儀表放大器電性連接，用以補償所輸出之該生物電訊號之電壓，同時提高該差動放大電路之放大倍率的精度。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該濾波電路包含一帶通濾波器，用以將頻率為60Hz之市電頻率從該生物電訊號中濾除。
如申請專利範圍第1項所述之心電感測系統，其中該濾波電路包含一低通濾波器及一高通濾波器，該低通濾波器及該高通濾波器係分別將頻率在0.5Hz以下及頻率在100Hz以上之雜訊從該生物電訊號之中濾除。