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一種可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀及其心電監(jiān)測方法與流程

文檔序號(hào):12663880閱讀:398來源:國知局
一種可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀及其心電監(jiān)測方法與流程

本發(fā)明涉及人體或人體各部分的生物電信號(hào)的測量,尤其涉及一種用于心電圖術(shù)的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測量裝置及其監(jiān)測方法,以及用于多通道心電監(jiān)測的非接觸式心電傳感器。



背景技術(shù):

心臟的病變是一個(gè)緩慢的過程,正常人很難覺察到心臟的微小變化。并且往往具有突發(fā)性、短暫性和很大的危險(xiǎn)性,因此患者必須能夠?qū)崟r(shí)并方便地進(jìn)行心電監(jiān)測。對于一些高危的病人需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和預(yù)警,從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。然而,現(xiàn)有的消費(fèi)類心電產(chǎn)品仍然無法獲得類似專業(yè)動(dòng)態(tài)多通道心電儀(如Holter)的心電信號(hào),而類似Holter的心電信號(hào)才是診斷心臟疾病和心臟生理狀況的醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。目前在北美,歐洲以及中國大陸市場已經(jīng)出現(xiàn)一些與心電相關(guān)的消費(fèi)類產(chǎn)品,比如輸出實(shí)時(shí)心率,即每分鐘心跳次數(shù)的智能手表,胸罩式或胸帶式心率儀,通過血液受脈搏變化估計(jì)心率的單手指光學(xué)心率儀,使用左右各一個(gè)手指獲得心電信號(hào)的雙手指心電儀,以及使用一個(gè)傳統(tǒng)濕式電極附著在胸口獲得心電信號(hào)的單通道心電儀等。相對于人民幣萬元級(jí)的高成本專業(yè)醫(yī)用心電儀(Holter),這些數(shù)百至數(shù)千元級(jí)的消費(fèi)類心電產(chǎn)品無疑更適用于普通大眾,而且它們的易穿戴性和可實(shí)時(shí)輸出信號(hào)的特點(diǎn)優(yōu)于Holter,因而可以極大提高大眾對自身心臟健康的認(rèn)識(shí)。這些心電相關(guān)的消費(fèi)類產(chǎn)品中,僅后兩種可輸出實(shí)時(shí)心電信號(hào),因而最接近Holter。但是,由于雙手指心電儀需要使用者使用雙手才能完成記錄,影響使用者的日常生活和工作,所以只能獲得非連續(xù)的心電信號(hào),而且受制于電極位于手指,遠(yuǎn)離心臟,其輸出信號(hào)質(zhì)量有限。而且單通道心電儀在抗干擾能力有限,比如在使用者在運(yùn)動(dòng)時(shí)無法有效捕捉心跳和監(jiān)測清晰心電信號(hào)。由此可見,由于這些消費(fèi)類產(chǎn)品都無法獲得高質(zhì)量多通道心電信號(hào),其獲得的信息醫(yī)學(xué)生理意義有限,尚不足以用于診斷心臟疾病和監(jiān)測心臟生理狀況。

中國發(fā)明專利“一種新型智能心電測試保健器”(發(fā)明專利號(hào):ZL201010539911.3授權(quán)公告號(hào):CN102462494B)公開了一種新型智能心電測試保健器,通過生物接觸電極獲取心電信號(hào),采用信號(hào)處理芯片對心電信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換、漂移抑制、交流濾波、心電濾波及接觸檢測等處理,獲得高質(zhì)量的心電圖譜。通過通訊接口模塊連接安裝于個(gè) 人電腦、筆記本電腦、上網(wǎng)本、移動(dòng)電話上的計(jì)算機(jī)軟件分析處理裝置來記錄分析心電波形以供臨床檢查參考,具有測試心跳、壓力檢測、舒壓互動(dòng)、心電圖醫(yī)療監(jiān)測、身份識(shí)別、心情測試等功能。該技術(shù)方案采用雙可變閾值法(即波峰閾值和波谷閾值)進(jìn)行判斷和處理。但是,在強(qiáng)干擾的情況下,比如采集信號(hào)水平基線不穩(wěn),含明顯肌電信號(hào),或者因運(yùn)動(dòng)引起的電子器件噪音時(shí),該閾值方法明顯無法保證捕捉心電信號(hào)的效率。此外,閾值法捕捉時(shí)刻常常不能精確。因?yàn)樵谠胍舾蓴_下,閾值不能清晰體現(xiàn)相對于R波的位置,即有時(shí)距離R波較遠(yuǎn),有時(shí)較近,這樣的心律估計(jì)有很大誤差。即便可以重新設(shè)置閾值,也無法滿足復(fù)雜和苛刻的實(shí)際情況。

中國發(fā)明專利“一種非接觸式心電監(jiān)測的移動(dòng)終端及心電監(jiān)測方法”(發(fā)明專利號(hào):ZL201110328284.3授權(quán)公告號(hào):CN102512153B)公開了一種非接觸式心電監(jiān)測的移動(dòng)終端及心電監(jiān)測方法,該心電監(jiān)測方法包括:移動(dòng)終端通過非接觸式方式采集包含心電數(shù)據(jù)的信號(hào);所述移動(dòng)終端對所述信號(hào)中的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪以及和其他數(shù)據(jù)分離處理;所述移動(dòng)終端從分離處理后的數(shù)據(jù)中提取出心電數(shù)據(jù);所述移動(dòng)終端通過無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將提取出的心電數(shù)據(jù)發(fā)送給指定接收設(shè)備。該現(xiàn)有技術(shù)方案采用小波變換的方法,先濾掉噪音,然后重構(gòu)心電信號(hào)。從而巧妙的降低噪音對捕捉心跳的影響。但是,由于濾波和重構(gòu)會(huì)給原始信號(hào)帶來一定影響,這可能造成心電信號(hào)失真,以致無法獲得高質(zhì)量心電信號(hào),難以用于診斷心臟疾病和監(jiān)測心臟生理狀況。

中國發(fā)明專利“一種非接觸式心電傳感器及其應(yīng)用”(發(fā)明專利號(hào):ZL 201210128390.1授權(quán)公告號(hào):CN102657524B)公開了一種非接觸式心電傳感器,采用圓形雙面PCB板電極,一個(gè)面上設(shè)有三個(gè)區(qū),三個(gè)區(qū)之間電絕緣,中心圓區(qū)為感應(yīng)片,依次向外設(shè)有環(huán)形屏蔽區(qū)及環(huán)形地線區(qū),另一個(gè)面上也設(shè)有三個(gè)區(qū),中心圓為敷銅區(qū),敷銅區(qū)中心設(shè)有包括前置運(yùn)算放大器、前端濾波器的貼片焊接區(qū),敷銅區(qū)外圍為環(huán)形地線區(qū),感應(yīng)片和相鄰環(huán)形屏蔽區(qū)共同所占的區(qū)域與另一個(gè)面上的敷銅區(qū)相對稱,兩個(gè)面上的環(huán)形地線區(qū)相對稱,前置運(yùn)算放大器的輸出端分別與環(huán)形屏蔽區(qū)及敷銅區(qū)連接,前置運(yùn)算放大器的地端分別與兩個(gè)面上的環(huán)形地線區(qū)連接,前置運(yùn)算放大器的輸入連接感應(yīng)片的輸出。雙面PCB板電極定位在圓形金屬屏蔽盒的敞口端,設(shè)有感應(yīng)片的一面朝向敞口,設(shè)有敷銅區(qū)的一面朝向屏蔽盒內(nèi)腔。該技術(shù)方案的感應(yīng)片裸露,需要靠用戶穿一件內(nèi)衣或T恤來達(dá)到相對“絕緣”。由于衣服在某種條件下(如用戶排汗或空氣潮濕),其絕緣度將大大降低(至K歐姆量級(jí)甚至更低),該技術(shù)方案的方法并非嚴(yán)格意義上的電氣絕緣。在心電測量中,皮膚和電極接觸不僅會(huì)引起極化電壓,而且電極和皮膚之間的接觸存在極化電阻, 被測者身體的移動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致極化電阻阻抗值發(fā)生變化,極化電阻可以看作是整個(gè)電路系統(tǒng)源電阻,和前置放大電路的輸入電阻進(jìn)行分壓,變化的極化電阻也會(huì)導(dǎo)致前置放大電路的分壓輸出處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

中國發(fā)明專利申請“遠(yuǎn)程心電監(jiān)測與診斷系統(tǒng)”(發(fā)明專利申請?zhí)枺?01510096714.1公開號(hào):CN104644159A)公開了一種監(jiān)測診斷系統(tǒng),包括用于采集并能存儲(chǔ)心電信號(hào)的心電數(shù)據(jù)采集單元,所述心電數(shù)據(jù)采集單元與用于接收并進(jìn)行心電信號(hào)顯示的移動(dòng)終端連接,所述移動(dòng)終端通過網(wǎng)絡(luò)與心電分析平臺(tái)連接;心電分析平臺(tái)能對移動(dòng)終端傳輸?shù)男碾娦盘?hào)進(jìn)行分析處理。為了系統(tǒng)微型化,上述現(xiàn)有技術(shù)方案均采用無本地存儲(chǔ)或小容量本地存儲(chǔ),亦或使用低精度短時(shí)記錄(降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力)的數(shù)據(jù)處理方式,或者將采集到的心電數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)酵獠拷邮赵O(shè)備存儲(chǔ)。但是,如果用戶所處位置超出無線信號(hào)覆蓋區(qū)域,或者現(xiàn)場干擾嚴(yán)重,上述現(xiàn)有技術(shù)方案很容易造成數(shù)據(jù)的永久丟失,難以保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。

另一方面,傳統(tǒng)濕式電極采用無源設(shè)計(jì),其體積和安裝面積都較小(直徑1cm左右),而非接觸式電極通常采用有源設(shè)計(jì),體積和安裝面積都較大,增加了電極安放的困難,降低了用戶舒適度。此外,非接觸式電極的輸入阻抗為G歐姆級(jí)的,對環(huán)境噪聲非常敏感,極易造成后端信號(hào)調(diào)理電路飽和,因此,如何縮減非接觸式電極的體積和安裝面積,改善電極的屏蔽效果,提高輸入心電信號(hào)的信噪比,提升信號(hào)質(zhì)量,也是可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀必須解決的技術(shù)問題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀,可以低成本獲得具備信息醫(yī)學(xué)生理意義、能夠用于診斷心臟疾病和監(jiān)測心臟生理狀況的高質(zhì)量多通道心電信號(hào)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:

一種可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀,由心電儀主機(jī)和至少3個(gè)心電傳感器組成,各心電傳感器分布在常規(guī)的心電圖電極位置,以獲取類似專業(yè)醫(yī)用心電儀的多通道心電信號(hào),其特征在于:

所述的心電傳感器以多通道差分輸入方式連接到心電儀主機(jī);

每一個(gè)心電傳感器由一塊獨(dú)立的4層圓形PCB板構(gòu)成,包括在4層圓形PCB板內(nèi)部形成的檢測元件,以及貼裝在4層圓形PCB板頂層布線層的心電信號(hào)放大模塊和四芯聯(lián) 接器;所述的心電信號(hào)放大模塊連接到所述的檢測元件,所述的四芯聯(lián)接器將心電傳感器連接到心電儀主機(jī);所述4層圓形PCB板的第二層全部敷銅形成屏蔽層;所述4層圓形PCB板第三層為內(nèi)布線層,用于心電傳感器內(nèi)部的電源和信號(hào)連接;

所述的檢測元件采用多層PCB工藝形成,由檢測電極和包圍檢測電極的三維屏蔽腔組成:所述4層圓形PCB板的底層布線層劃分為位于PCB板中心的檢測電極和環(huán)繞檢測電極的屏蔽環(huán);沿屏蔽環(huán)均布的若干過孔連接屏蔽環(huán)與屏蔽層,形成籠型立體結(jié)構(gòu)的三維屏蔽腔;所述底層布線層的外表面整體覆蓋阻焊絕緣層,形成檢測電極與人體皮膚之間的高阻抗電氣隔離,所述的檢測電極以非接觸方式通過電容耦合獲取心電信號(hào);

所述的檢測電極通過隔直電容連接到心電信號(hào)放大模塊的同相輸入端;所述的三維屏蔽腔通過電阻連接到心電信號(hào)放大模塊的反向輸入端,以消除外界干擾信號(hào)對檢測電極的影響。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一種較佳的技術(shù)方案,其特征在于所述的心電儀主機(jī)包括心電采樣單元、信號(hào)處理單元和無線傳輸單元;所述的心電采樣單元由各心電信號(hào)通道的儀用運(yùn)放和八通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接構(gòu)成;各心電信號(hào)通道的儀用運(yùn)放以多路差分輸入方式連接,其中,第一個(gè)心電傳感器作為共用差分負(fù)極,與各路獨(dú)立心電信號(hào)通道的儀用運(yùn)放的反相輸入端并聯(lián)連接;其余各心電傳感器作為各路獨(dú)立心電信號(hào)通道差分正極,分別連接到各心電信號(hào)通道的儀用運(yùn)放的同相輸入端;來自心電傳感器的各路心電信號(hào),經(jīng)儀用運(yùn)放高倍差分放大之后,分別傳送至八通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對應(yīng)模擬輸入通道,采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),作為心電采樣數(shù)據(jù)傳送至信號(hào)處理單元。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一種更好的技術(shù)方案,其特征在于所述的信號(hào)處理單元包括一級(jí)數(shù)據(jù)緩存,心跳捕捉模塊,大容量存儲(chǔ)器,二級(jí)數(shù)據(jù)緩存和Web服務(wù)器;所述的心電采樣單元將采樣轉(zhuǎn)換得到的心電采樣數(shù)據(jù)傳送到一級(jí)數(shù)據(jù)緩存,并且作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)器;所述的心跳捕捉模塊從一級(jí)數(shù)據(jù)緩存讀取心電采樣數(shù)據(jù),計(jì)算心跳量化估計(jì)值并根據(jù)心跳量化估計(jì)值判斷捕捉心電信號(hào),將心電信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到二級(jí)數(shù)據(jù)緩存;所述的Web服務(wù)器從二級(jí)數(shù)據(jù)緩存讀取心電信號(hào)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為HTML標(biāo)準(zhǔn)格式后,通過無線傳輸單元提供在線心電信號(hào)顯示功能;所述的Web服務(wù)器從大容量存儲(chǔ)器讀取心電信號(hào)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為HTML標(biāo)準(zhǔn)格式后通過無線傳輸單元提供歷史心跳數(shù)據(jù)回放及原始心電采樣數(shù)據(jù)下載功能。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一種優(yōu)選的技術(shù)方案,其特征在于所述的大容量存儲(chǔ)器采用高集成度非易失性存儲(chǔ)芯片,其可用存儲(chǔ)容量至少為2GB,可以 滿足高精度高采樣率多通道心電信號(hào)長時(shí)間不間斷存儲(chǔ)的要求。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一種改進(jìn)的技術(shù)方案,其特征在于所述的無線傳輸單元包括或藍(lán)牙、ZigBee或WiFi專用無線網(wǎng)絡(luò),或者2G、3G或4G公網(wǎng);智能終端只需基于HTML協(xié)議通過無線傳輸單元訪問Web服務(wù)器,無需安裝任何專用軟件或插件就可以實(shí)現(xiàn)心電圖數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)顯示;所述的智能終端為配置HTML標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的跨平臺(tái)終端設(shè)備,包括基于Windows,Linux,Unix,iOS或Android之任一操作系統(tǒng)平臺(tái)的個(gè)人計(jì)算機(jī),筆記本電腦,智能手機(jī),智能移動(dòng)終端,或者遠(yuǎn)程醫(yī)療急救中心的監(jiān)控終端;所述的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器包括支持HTML標(biāo)準(zhǔn)的IE,Chrome,Firefox,Safari瀏覽器,或者基于Web服務(wù)的應(yīng)用app。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一種進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案,其特征在于還包括配置在彈性衣料胸前的中上部的報(bào)警單元,所述的報(bào)警單元包括連接到心電儀主機(jī)的微型麥克風(fēng)和報(bào)警按鈕,在緊急情況下佩戴者可通過按住報(bào)警按鈕來錄入自己的語音信號(hào),并發(fā)送警報(bào)信息到已連接的智能終端,或者通過公用數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)將報(bào)警信息自動(dòng)廣播到客服中心或醫(yī)療急救中心。

心跳捕捉是計(jì)算心率和心律的關(guān)鍵,本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于上述可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電監(jiān)測方法,解決在復(fù)雜的非平穩(wěn)狀態(tài)下高效捕捉心跳的技術(shù)問題。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:

一種用于上述可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電監(jiān)測方法,其特征在于包括以下步驟:

S10:從心電儀主機(jī)20的大容量存儲(chǔ)器223中獲取n個(gè)歷史心電采樣數(shù)據(jù)xi,其中,i=1…n,xi=[xi,1 xi,2 ... xi,m]為第i個(gè)樣本向量,m為樣本向量xi的最大維數(shù),n為樣本總量且n遠(yuǎn)大于m;

S20:在產(chǎn)品初期開發(fā)和階段性更新時(shí),利用原始心電采樣數(shù)據(jù)xi在開發(fā)環(huán)境中建立樣本矩陣并執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)程序,通過有限次迭代得到獲得最小誤差值的目標(biāo)向量β,作為恒定參數(shù)儲(chǔ)存到心電儀主機(jī)20的存儲(chǔ)器中,用于任意個(gè)體任意時(shí)刻心跳捕捉的權(quán)向量;

S30:心電儀主機(jī)20通過心電采樣獲取實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi,利用預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)向量β計(jì)算心跳量化估計(jì)值對實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi進(jìn)行心跳估計(jì),實(shí)現(xiàn)快速心跳捕捉,其中,T為矩陣轉(zhuǎn)置操作。

本發(fā)明的心電監(jiān)測方法的一種較佳的技術(shù)方案,其特征在于所述的步驟S20依照以下步驟執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)程序:

S200:生成一個(gè)與目標(biāo)向量β同維的隨機(jī)值向量,設(shè)為β的初始值;

S210:在開發(fā)環(huán)境中建立樣本矩陣(xi,yi)i=1…n,其中yi為歷史心電采樣數(shù)據(jù)xi是否為心跳的判斷值,即

S220:基于樣本矩陣(xi,yi)建立誤差函數(shù)J(β):

其中,j為目標(biāo)向量β的維度,常數(shù)λ用于控制迭代增量大小,λ≈1;

S230:基于樣本矩陣(xi,yi)建立梯度函數(shù)dJ/dβ:

當(dāng)j=0,

當(dāng)j≥1;

S240:將誤差函數(shù)J(β)和梯度函數(shù)dJ/dβ作為輸入,調(diào)用GNC fminunc函數(shù),進(jìn)行迭代運(yùn)算更新目標(biāo)向量β:

S250:通過有限次數(shù)的迭代算法找到局部極值,最終得到獲得最小誤差值的目標(biāo)向量β=[b1 b2 ... bm],作為恒定參數(shù)傳送給心電儀主機(jī)20并儲(chǔ)存到其存儲(chǔ)器中。

本發(fā)明的心電監(jiān)測方法的一種較佳的技術(shù)方案,其特征在于所述的步驟S30依照以下步驟進(jìn)行心跳估計(jì):

S300:從一級(jí)數(shù)據(jù)緩存獲取心電傳感器的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi

S310:利用預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)向量β,計(jì)算實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi的心跳量化估計(jì)值y′i的計(jì)算結(jié)果在0和1之間;

S320:判斷心跳量化估計(jì)值y′i是否大于0.5,若y′i>0.5,轉(zhuǎn)步驟S330,否則轉(zhuǎn)步驟S340;

S330:判定采樣數(shù)據(jù)xi為真實(shí)心跳,將心跳時(shí)間送入二級(jí)數(shù)據(jù)緩存,返回步驟S300 等待下一次心電采樣;

S340:判定采樣數(shù)據(jù)中不包含有效心跳數(shù)據(jù),返回步驟S300等待下一次心電采樣。

本發(fā)明的有益效果是:

1、本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀,采用多個(gè)單獨(dú)的小尺寸非接觸式心電傳感器,以多通道差分輸入方式,通過長度可達(dá)50cm的信號(hào)導(dǎo)線連接到心電儀主機(jī),在存在手機(jī)信號(hào)和WiFi等無線信號(hào)干擾的日常電磁環(huán)境中,所采集到的心電信號(hào)具有可比擬專業(yè)醫(yī)用心電儀Holter傳統(tǒng)測量方式的信號(hào)質(zhì)量。

2、本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀,配置高集成度非易失性存儲(chǔ)芯片構(gòu)成的大容量存儲(chǔ)器,可以滿足高精度高采樣率多通道心電信號(hào)長時(shí)間不間斷存儲(chǔ)的要求,實(shí)現(xiàn)心電采樣存儲(chǔ)不依賴于外界無線信號(hào)覆蓋;無論用戶所處位置是否被無線信號(hào)覆蓋,都能夠保證心電數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

3、本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀內(nèi)置Web服務(wù)器和無線傳輸單元,心電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為HTML標(biāo)準(zhǔn)格式后,通過無線傳輸單元提供在線心電信號(hào)顯示功能和歷史心跳數(shù)據(jù)回放及原始心電采樣數(shù)據(jù)下載功能;任何配置HTML標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的跨平臺(tái)終端設(shè)備,只需通過無線傳輸單元訪問所述的Web服務(wù)器,無需安裝任何專用軟件或插件就可以實(shí)現(xiàn)心電圖數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)顯示。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電傳感器三維結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖;

圖3是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電傳感器的感應(yīng)面剖視圖;

圖4是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的胸部配置方案示意圖;

圖5是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的腰部配置方案示意圖;

圖6是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的肩部配置方案示意圖;

圖7是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的電路原理圖;

圖8是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電儀主機(jī)原理圖;

圖9是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的機(jī)器學(xué)習(xí)方法流程圖;

圖10是本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心跳估計(jì)方法流程圖。

圖中,1-頂層布線層,2-心電信號(hào)放大模塊,201-前置放大器,202-二級(jí)放大器,3-四芯聯(lián)接器,4-屏蔽層,5-內(nèi)布線層,6-檢測電極,7-屏蔽環(huán),8-過孔,9-阻焊絕緣 層,10-檢測元件,20-心電儀主機(jī),21-心電采樣單元,211-儀用運(yùn)放,212-模數(shù)轉(zhuǎn)換器,22-信號(hào)處理單元,221-一級(jí)數(shù)據(jù)緩存,222-心跳捕捉模塊,223-大容量存儲(chǔ)器,224-二級(jí)數(shù)據(jù)緩存,225-Web服務(wù)器,23-無線傳輸單元,30-智能終端,40-彈性衣料,50-報(bào)警單元,Hs-心電傳感器H1~H6。

具體實(shí)施方式

為了能更好地理解本發(fā)明的上述技術(shù)方案,下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一組實(shí)施例如圖4至7所示,由心電儀主機(jī)20和k個(gè)獨(dú)立的小尺寸非接觸式心電傳感器Hs組成,其中s=1~k,9≥k≥3,所述的心電傳感器Hs通過長度可達(dá)50cm的信號(hào)導(dǎo)線,以多通道差分輸入方式連接到心電儀主機(jī)20;每一個(gè)心電傳感器Hs由一塊獨(dú)立的直徑2.8cm的4層圓形PCB板構(gòu)成;在圖4至圖6的三種配置實(shí)施例中,k=6,在彈性衣料40胸部配置了6個(gè)心電傳感器H1~H6;在圖4至圖6的三種配置實(shí)施例中,所述的心電傳感器H1~H6分布在常規(guī)的心電圖電極位置,以獲取類似專業(yè)醫(yī)用心電儀(Holter)的多通道心電信號(hào)。

用于本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電傳感器的一個(gè)實(shí)施例如圖1至3所示,包括在4層圓形PCB板內(nèi)部形成的檢測元件10,以及貼裝在4層圓形PCB板頂層布線層的心電信號(hào)放大模塊2和四芯聯(lián)接器3;所述的心電信號(hào)放大模塊2連接到所述的檢測元件10,所述的四芯聯(lián)接器3將心電傳感器Hs連接到心電儀主機(jī)20;所述的心電信號(hào)放大模塊2和四芯聯(lián)接器3貼裝在4層圓形PCB板的頂層布線層1;所述4層圓形PCB板的第二層全部敷銅形成屏蔽層4;所述4層圓形PCB板第三層為內(nèi)布線層5,用于心電傳感器內(nèi)部的電源和信號(hào)連接;

所述的檢測元件10采用多層PCB工藝形成,由檢測電極6和包圍檢測電極6的三維屏蔽腔組成:所述4層圓形PCB板的底層布線層劃分為檢測電極6和屏蔽環(huán)7,所述的檢測電極6為直徑2.5cm圓形敷銅區(qū),位于4層圓形PCB板中心;所述的屏蔽環(huán)7為寬度1.4mm的環(huán)形敷銅區(qū),位于于圓形PCB板外圈;所述的檢測電極6與屏蔽環(huán)7之間留有0.1mm的絕緣間隙;沿屏蔽環(huán)7均布40個(gè)的過孔8連接屏蔽環(huán)7與屏蔽層4,形成籠型立體結(jié)構(gòu)的三維屏蔽腔;根據(jù)本發(fā)明的心電傳感器一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,所述過孔8為直徑3mil的金屬化孔;所述底層布線層的外表面整體覆蓋阻焊絕緣層9,形成檢測電極6與人體皮膚之間的高阻抗電氣隔離,其絕緣電阻>1G歐姆,所述的檢測電極6以非接觸方 式通過電容耦合獲取心電信號(hào);本發(fā)明的非接觸式心電傳感器的檢測電極6與皮膚之間無任何直接電氣連接,既不像現(xiàn)有的濕式電極那樣需要依靠皮膚表面涂抹凝膠保證良好導(dǎo)電,也不像現(xiàn)有的感應(yīng)片裸露的非接觸式心電傳感器那樣需要依靠用戶穿內(nèi)衣或T恤來達(dá)到相對“絕緣”。

所述的心電信號(hào)放大模塊2包括前置放大器201和二級(jí)放大器202,所述的檢測電極6通過隔直電容連接到前置放大器201的同相輸入端;所述的三維屏蔽腔通過10K歐姆電阻連接到前置放大器201的反向輸入端,以消除外界干擾信號(hào)對檢測電極6的影響;所述的前置放大器201通過心電信號(hào)濾波器連接到二級(jí)放大器202。在本發(fā)明的心電傳感器的一個(gè)典型的實(shí)施例中,所述的心電信號(hào)濾波器由0.5Hz高通濾波、100Hz低通濾波和50Hz陷波電路連接構(gòu)成??紤]到心電信號(hào)為低頻信號(hào),根據(jù)圖1所示的優(yōu)選實(shí)施例,本發(fā)明的心電傳感器采用3.5mm四芯音頻插座作為四芯聯(lián)接器3,取代CN102657524B技術(shù)方案用于電極連接的miniUSB接口。由于中心對稱的類圓柱體形狀的3.5mm四芯音頻插座無方向性,連接線插頭可以從360度任意角度插入插座,比必須從一個(gè)固定的角度插入插座的miniUSB接口使用更加方便。所述的心電信號(hào)放大模塊2的輸出端,經(jīng)由四芯聯(lián)接3通過長度可達(dá)50cm音頻信號(hào)導(dǎo)線連接到心電儀主機(jī)。為了使用戶在不同姿態(tài)下保證最佳穿戴舒適度,本發(fā)明提供三種采樣系統(tǒng)分布方案,如圖4所示的胸部方案適用于運(yùn)動(dòng),如圖5所示的腰部方案適用于舒適度要求較高的輕微活動(dòng),如圖6所示的肩部方案適用于睡眠,用戶可以根據(jù)喜好隨意選擇和配置。

由于本發(fā)明的心電傳感器采用三維屏蔽腔結(jié)構(gòu)和多通道差分輸入方式,可以有效消除外界干擾,明顯提高信噪比,本發(fā)明的心電傳感器將圓形PCB板直徑減小到2.8cm,相比CN102657524B技術(shù)方案的直徑為3.9cm圓形PCB板,本發(fā)明的心電傳感器面積縮減了48.5%。通過大大減小非接觸式心電傳感器的體積和安裝面積,本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀可以在同等尺寸的胸部空間安放和排布更多的電極,以提高心電信號(hào)采樣的空間分辨率。如圖4-6所示,本發(fā)明的心電傳感器可以輕松內(nèi)置在彈性衣質(zhì)面料里,并分布在經(jīng)典位置獲取類似Holter的心電信號(hào)。

本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的一個(gè)實(shí)施例如圖7所示,所述的心電儀主機(jī)20包括心電采樣單元21、信號(hào)處理單元22和無線傳輸單元23;所述的心電采樣單元21由各心電信號(hào)通道的多路差分輸入方式連接的k-1個(gè)儀用運(yùn)放211和八通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器212構(gòu)成;k-1個(gè)儀用運(yùn)放211以多路差分輸入方式連接,其中,第一個(gè)心電傳感器H1作為共用差分負(fù)極,與各路獨(dú)立心電信號(hào)通道的儀用運(yùn)放211的反相輸入端并聯(lián) 連接;其余的各心電傳感器H2~Hk作為k-1路獨(dú)立心電信號(hào)通道差分正極,分別連接到各心電信號(hào)通道的儀用運(yùn)放211的同相輸入端;來自心電傳感器Hs的各路心電信號(hào),經(jīng)儀用運(yùn)放211高倍(放大倍數(shù)>280倍)差分放大之后,分別傳送至八通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器212的對應(yīng)模擬輸入通道,采樣轉(zhuǎn)換為16bit數(shù)字信號(hào),作為心電采樣數(shù)據(jù)傳送至信號(hào)處理單元22。

由于非接觸式電極的輸入阻抗極高(G歐姆級(jí)),對環(huán)境噪聲非常敏感,極易造成后端信號(hào)調(diào)理電路飽和。本實(shí)施例的儀用運(yùn)放211為德州儀器公司的INA333儀用差分運(yùn)放,INA333具有很高的共模抑制比和極低的輸入失調(diào)電壓,能有效濾除來自非接觸式電極的心電信號(hào)中所混入的共模干擾,從根本上提高輸入心電信號(hào)的信噪比,提升信號(hào)質(zhì)量。

根據(jù)圖8所示的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電儀主機(jī)20的實(shí)施例,所述的信號(hào)處理單元22包括一級(jí)數(shù)據(jù)緩存221,心跳捕捉模塊222,大容量存儲(chǔ)器223,二級(jí)數(shù)據(jù)緩存224和Web服務(wù)器225;所述的心電采樣單元21將采樣轉(zhuǎn)換得到的心電采樣數(shù)據(jù)傳送到一級(jí)數(shù)據(jù)緩存221,并且作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)器223;所述的心跳捕捉模塊222從一級(jí)數(shù)據(jù)緩存221讀取心電采樣數(shù)據(jù),計(jì)算心跳量化估計(jì)值并根據(jù)心跳量化估計(jì)值判斷捕捉心電信號(hào),將心電信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到二級(jí)數(shù)據(jù)緩存224;所述的Web服務(wù)器225從二級(jí)數(shù)據(jù)緩存224讀取心電信號(hào)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為HTML標(biāo)準(zhǔn)格式后,通過無線傳輸單元23提供在線心電信號(hào)顯示功能;所述的Web服務(wù)器225從大容量存儲(chǔ)器223讀取心電信號(hào)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為HTML標(biāo)準(zhǔn)格式后通過無線傳輸單元23提供歷史心跳數(shù)據(jù)回放及原始心電采樣數(shù)據(jù)下載功能。

根據(jù)本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電儀主機(jī)20的一個(gè)實(shí)施例,所述的大容量存儲(chǔ)器223采用高集成度非易失性存儲(chǔ)芯片,其可用存儲(chǔ)容量至少為2GB,可以滿足高精度高采樣率多通道心電信號(hào)長時(shí)間不間斷存儲(chǔ)的要求;以16bit高精度心電信號(hào)為例,若采樣率為每通道1KHz,要實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷存儲(chǔ)8通道的采樣數(shù)據(jù),存儲(chǔ)容量至少需要16*1000/8*3600*24*8=1382400000byte≈1.4GB;本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了心電采樣存儲(chǔ)不依賴于外界無線信號(hào)覆蓋;無論用戶所處位置是否被無線信號(hào)覆蓋,心電數(shù)據(jù)都不會(huì)丟失。

所述的無線傳輸單元23包括或藍(lán)牙、ZigBee或WiFi專用無線網(wǎng)絡(luò),或者2G、3G或4G公網(wǎng);智能終端30只需基于HTML協(xié)議通過無線傳輸單元23訪問Web服務(wù)器225,無需安裝任何專用軟件或插件就可以實(shí)現(xiàn)心電圖數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)顯示;所述的智能終端30為配置HTML標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的跨平臺(tái)終端設(shè)備,包括基于Windows,Linux,Unix,iOS 或Android之任一操作系統(tǒng)平臺(tái)的個(gè)人計(jì)算機(jī),筆記本電腦,智能手機(jī),智能移動(dòng)終端,或者遠(yuǎn)程醫(yī)療急救中心的監(jiān)控終端;所述的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器包括支持HTML標(biāo)準(zhǔn)的IE,Chrome,Firefox,Safari瀏覽器,或者基于Web服務(wù)的應(yīng)用app。

根據(jù)圖4-6所示的配置方案實(shí)施例,本發(fā)明的可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀還包括連接到心電儀主機(jī)20的報(bào)警單元50,所述的報(bào)警單元50配置在彈性衣料40胸前的中上部,包括一個(gè)微型麥克風(fēng)和一個(gè)報(bào)警按鈕;在緊急情況下(如感覺到心慌,胸悶,不舒服等)心電儀的佩戴者可通過按住報(bào)警按鈕(長按,如按住3秒以上)來錄入自己的語音信號(hào)(如“此時(shí)我感到心慌胸悶”),并發(fā)送警報(bào)到已連接的智能終端30(如手機(jī)之類的手持設(shè)備),所述的智能終端30在獲得警報(bào)后,可通過公用數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)及時(shí)自動(dòng)廣播到客服中心或醫(yī)療急救中心;用戶或者醫(yī)療人員可根據(jù)佩帶者的報(bào)警時(shí)間時(shí)刻和語音信息,從該佩戴者的海量歷史心電數(shù)據(jù)中快速準(zhǔn)確地提取出重要時(shí)間點(diǎn)的心電數(shù)據(jù)片段并與佩戴者的身體感受關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)搜索,捕捉偶發(fā)性和隨機(jī)發(fā)生的心動(dòng)異常、早搏或心律不齊的心電數(shù)據(jù);在非緊急情況下(如跑步,散步,吃飯,吃藥等),佩戴者通過單擊或短按報(bào)警按鈕,所述報(bào)警單元50還可以用于事件或佩戴者狀態(tài)的語音記錄,為后期數(shù)據(jù)分析和疾病診斷采集數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的用于上述可穿戴式實(shí)時(shí)多通道非接觸式心電儀的心電監(jiān)測方法包括以下步驟:

S10:從心電儀主機(jī)20的大容量存儲(chǔ)器223中獲取n個(gè)歷史心電采樣數(shù)據(jù)xi,其中,i=1…n,xi=[xi,1 xi,2 ... xi,m]為第i個(gè)樣本向量,m為樣本向量xi的最大維數(shù),n為樣本總量且n遠(yuǎn)大于m;

S20:在產(chǎn)品初期開發(fā)和階段性更新時(shí),利用原始心電采樣數(shù)據(jù)xi在開發(fā)環(huán)境中建立樣本矩陣并執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)程序,通過有限次迭代得到獲得最小誤差值的目標(biāo)向量β,作為恒定參數(shù)儲(chǔ)存到心電儀主機(jī)20的存儲(chǔ)器中,用于任意個(gè)體任意時(shí)刻心跳捕捉的權(quán)向量;本步驟的運(yùn)算量大,耗時(shí)長,僅在產(chǎn)品初期開發(fā)和階段性更新期間在開發(fā)環(huán)境的計(jì)算平臺(tái)上執(zhí)行。

S30:心電儀主機(jī)20通過心電采樣獲取實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi,利用預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)向量β計(jì)算心跳量化估計(jì)值對實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi進(jìn)行心跳估計(jì),實(shí)現(xiàn)快速心跳捕捉,其中,T為矩陣轉(zhuǎn)置操作。由于f(xi,β)主要包含線性運(yùn)算,計(jì)算量很小, 所以本步驟的心跳捕捉算法的速度很快,占用CPU很小,使用低功耗嵌入式CPU的心電儀主機(jī)20有充足的能力每隔50-100毫秒完成一次心跳估計(jì),可以在完全保持原始信號(hào)波形的狀態(tài)下,使用簡單快速的線性運(yùn)算捕捉心電信號(hào)。

根據(jù)圖9所示的本發(fā)明的心跳捕捉方法的實(shí)施例,所述的步驟S20依照以下步驟執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)程序:

S200:生成一個(gè)與目標(biāo)向量β同維的隨機(jī)值向量,作為β的初始值;根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例,該目標(biāo)向量β的初始值基于一個(gè)0和1之間的隨機(jī)值向量(與β同維),然后將該隨機(jī)值向量的每一維的數(shù)值乘以0.2再減去0.1而生成的。

S210:在開發(fā)環(huán)境中建立樣本矩陣(xi,yi)i=1…n,其中yi為歷史心電采樣數(shù)據(jù)xi是否為心跳的判斷值,即

S220:基于樣本矩陣(xi,yi)建立誤差函數(shù)J(β):

其中,j為目標(biāo)向量β的維度,常數(shù)λ用于控制迭代增量大小,λ≈1;

S230:基于樣本矩陣(xi,yi)建立梯度函數(shù)dJ/dβ:

當(dāng)j=0,

當(dāng)j≥1;

因?yàn)槟繕?biāo)向量β是多維的(總維度為m,m>1),所以其對應(yīng)的梯度函數(shù)也是多維的,即梯度函數(shù)的每一維(比如第j維)是誤差函數(shù)J(β)基于目標(biāo)向量對應(yīng)維度的一階偏導(dǎo)。同時(shí),在迭代計(jì)算過程中,人為給樣本向量xi增加了一個(gè)常數(shù)為1的維度,標(biāo)記為x0,相應(yīng)的在目標(biāo)向量β中增加一個(gè)對應(yīng)x0的維度b0,用于在通用線性回歸中對截距的估計(jì)。需要強(qiáng)調(diào)的是b0僅在對于目標(biāo)向量β的迭代計(jì)算中使用。當(dāng)計(jì)算結(jié)束,找到基于所有樣本的最佳目標(biāo)向量后,b0將會(huì)被去掉。

S240:將誤差函數(shù)J(β)和梯度函數(shù)dJ/dβ作為輸入,調(diào)用GNC fminunc函數(shù),進(jìn)行迭代運(yùn)算更新目標(biāo)向量β:

S250:通過有限次數(shù)的迭代算法找到局部極值,最終得到獲得最小誤差值的目標(biāo)向量β=[b1 b2 ... bm],作為恒定參數(shù)傳送給心電儀主機(jī)20并儲(chǔ)存到其存儲(chǔ)器中。

根據(jù)圖10所示的本發(fā)明的心跳捕捉方法的實(shí)施例,所述的步驟S30依照以下步驟進(jìn)行心跳估計(jì):

S300:從一級(jí)數(shù)據(jù)緩存獲取心電傳感器的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi,xi為長度為數(shù)百位的數(shù)組,其中包含了長度50-100毫秒的多通道采樣數(shù)據(jù);

S310:利用預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)向量β,計(jì)算實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)xi的心跳量化估計(jì)值y′i的計(jì)算結(jié)果在0和1之間;

S320:判斷心跳量化估計(jì)值y′i是否大于0.5,若y′i>0.5,轉(zhuǎn)步驟S330,否則轉(zhuǎn)步驟S340;

S330:判定采樣數(shù)據(jù)xi為真實(shí)心跳,將心跳時(shí)間送入二級(jí)數(shù)據(jù)緩存,返回步驟S300等待下一次心電采樣;

S340:判定采樣數(shù)據(jù)中不包含有效心跳數(shù)據(jù),返回步驟S300等待下一次心電采樣。

為了體現(xiàn)本發(fā)明的核心發(fā)明點(diǎn),上述心跳捕捉算法僅詳細(xì)描述了基本的算法結(jié)構(gòu)。雖然在以上的實(shí)施例中,目標(biāo)向量β是一個(gè)1×m數(shù)組,本發(fā)明的心跳捕捉方法同樣適用于更為復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,例如,對于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在計(jì)算f(xi,β)過程中,需要加入描述隱含層的矩陣,因此涉及到目標(biāo)向量可能是多個(gè),即從xi開始需要依次進(jìn)行多次運(yùn)算,每一層執(zhí)行一次矩陣乘法運(yùn)算,最終得到一個(gè)基于樣本xi、取值在0和1之間的心跳估計(jì)結(jié)果f(xi,β)。具體的運(yùn)算步驟因數(shù)學(xué)模型不同而有差異,但心跳捕捉算法的基本結(jié)構(gòu)和思路是一樣的。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到,以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明的技術(shù)方案,而并非用作為對本發(fā)明的限定,任何基于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神對以上所述實(shí)施例所作的變化、變型,都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。

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