CN111902076A - 移动ecg传感器设备 - Google Patents

Abstract

所公开的系统包括移动ECG传感器、系统和方法。一些实施例提供了采用信用卡形状因子的ECG传感器，其允许用户接触两个电隔离电极以测量I导联ECG的心脏电信号。

Description

移动ECG传感器设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月16日提交的美国专利申请序列号15/923,699的优先权，该美国专利申请序列号15/923,699是2017年9月29日提交的美国专利申请序列号15/721,038、现为公开US-2018-0020939的部分继续申请，该美国专利申请序列号15/721,038是2016年4月27日提交的美国专利申请序列号15/140,072、现为美国专利9,833,158的继续申请，该美国专利申请序列号15/140,072是2014年4月16日提交的美国专利申请序列号14/254,310、现为美国专利9,351,654的继续申请，该美国专利申请序列号14/254,310是2011年5月16日提交的美国专利申请序列号13/108,738的部分继续申请，该美国专利申请序列号13/108,738是2010年6月8日提交的美国专利申请序列号12/796,188、现为美国专利8,509,882的部分继续申请。

本申请要求2018年3月16日提交的美国专利申请序列号15/923,699的优先权，该美国专利申请序列号15/923,699也是2017年4月13日提交的美国专利申请序列号15/486,777、现为公开US-2017-0215755的部分继续申请，该美国专利申请序列号15/486,777是2013年8月12日提交的美国专利申请序列号13/964,490、现为美国专利9,649,042的继续申请，该美国专利申请序列号13/964,490是2010年6月8日提交的美国专利申请序列号12/796,188、现为美国专利8,509,882的分案申请，其各自通过引用而被全部包含于此。

通过引用并入

本说明书中提到的所有出版物和专利申请均以相同的程度通过引用而被并入本文，如同各单独出版物或专利申请均被具体地和单独地指出通过引用而被并入一样。

技术领域

当前要求保护和公开的发明构思通常涉及个人生理监测装置和方法，并且尤其且非限制性地涉及用于利用诸如智能电话等的计算装置提供ECG、心率和心律失常监测的装置、系统和软件。

背景技术

现有技术包括许多系统，其中监测ECG数据等，以及/或者将ECG数据等从患者发送至特定医生的办公室或健康服务中心。例如，美国专利5,735,285公开了如下的手持装置的使用，该手持装置将患者的ECG信号转换成频率调制音频信号，该频率调制音频信号然后通过经由电话系统音频输入到选定的手持计算机装置或指定的医生办公室来进行分析。同样，美国专利6,264,614公开了一种心脏监测器，该心脏监测器由患者操纵以感测诸如心跳等的生物功能，并且将可听信号输出至计算机麦克风。计算机处理该可听信号并且通过网络或因特网发送如此得到的数据信号。美国专利6,685,633公开了患者可以抵靠他或她的胸部保持的心脏监测器。该装置将响应于功能或状况的可听信号(诸如心脏的跳动等)输出至连接到计算机的麦克风。这些音频传输中的各音频传输均局限于可听声音的传输。换句话说，没有设想以高于人类所听到的载波频率(即，高于17kHz)的载波频率来进行频率调制声音传输。

美国专利申请公开2004/0220487公开了具有ECG电极的系统，这些ECG电极感测经组合和振幅调制的ECG电信号。复合信号通过有线或无线方式被发送至计算装置中的声音端口。考虑具有从19kHz到21kHz的通带的数字带通滤波器；然而，没有考虑使用市售计算装置在该频率范围处的解调方式。另外，没有设想使用声波来实现传输。

美国专利申请公布2010/0113950公开了具有心脏传感器的电子装置，该心脏传感器包括检测用户的心脏信号的数条引线。这些引线耦接至电子装置壳体的内表面，使得看不见该传感器。然后，使用所检测到的信号，电子装置可以识别用户或对用户进行认证。

美国专利6,820,057公开了一种用以获取、记录并发送ECG数据的系统，其中ECG信号以具有音频范围中的载波音调的频率调制音频音调被编码。然而，没有真正考虑高于约3kHz的载波频率、没有考虑到高于可听频率的载波频率、并且没有考虑到更高载波频率处的解调方法。

利用电话传输和可听的声学信号的现有技术的局限性包括因附近的谈话或任何其它嘈杂活动而减小的信噪比，由此潜在地损害了心脏监测数据信号的完整性。另外，计算机和心脏监测器附近的任何人都能听到可听信号，这可能会对用户和附近的其它人造成困扰。其它应用无法提供容易与诸如智能电话等的现有计算机装置兼容的可靠、便宜的个人监测装置。如果在发送实时生理数据的个人监测装置中解决了这些问题，则这将是有利的。

附图说明

图1是来自http://en.labs.wikimedia.org/wiki/Acoustics的听力(hearing)的人类范围和阈值的图示。

图2是来自以下网址的随着年龄增长的听力损失的图示：www.neuroreille.com/promenade/english/audiometry/audiometry.htm。

图3是示出来自www.hearinglossky.org/hlasurvival1.html的常见声音的强度和频率的听力敏度图。

图4是个人监测装置向计算装置发送的实施例的示意图。

图5是本发明的个人监测装置的另一实施例的示意图。

图6是图形化ECG表示的示例。

图7A是安静办公环境中的噪声的谱图。

图7B是来自在本发明中体现的ECG监测装置的调制超声信号的谱图。

图8A是具有管状形状的本发明的个人监测装置的实施例的示意图。

图8B是可用作智能电话保护壳的本发明的个人监测装置的另一实施例的示意图。

图8C是可用作垫(pad)的本发明的个人监测装置的实施例的示意图。

图9A是具有信用卡形状因子的本发明的一个实施例的立体图。

图9B描述图9A所示的本发明实施例的上层的下侧。

图9C描述图9A所示的本发明实施例的上层的顶侧。

图10是根据本发明的一个实施例的个人监测装置的立体图。

图11是以位于胸带内的方式包括的本发明的ECG装置的实施例的示意图。

图12是本发明的计算机可读存储介质实施例的示意图。

图13是本发明实施例的示意图。

图14是在带通滤波之后的频谱的示例表示。

图15是在以原始采样率的一半进行欠采样之后的频谱的示例表示。

图16示出用于接收并解调超声FM ECG声音信号的系统的工作示例。

具体实施方式

在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下说明中阐述的构造、实验、示例性数据和/或组件的布置的详情。本发明可用于其它实施例、或者能够以各种方式来实践或执行。此外，应当理解，本文中采用的术语是为了描述的目的，并且不应被视为限制性的。

在以下对本发明实施例的详细说明中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的更透彻理解。然而，可以在无这些具体细节的情况下实践本发明内的构思，这对于本领域普通技术人员将是明显的。在其它情况下，没有详细描述众所周知的特征，以避免不必要地使描述复杂化。

人类的听力范围通常被称为20Hz～20kHz。在理想的实验室条件下，儿童的最大听觉范围实际上低至12Hz且高至20Hz。然而，如图1所示，阈值频率(即，可检测到的最小强度)迅速上升到10kHz到20kHz之间的痛阈。因而，高于约16kHz的声音必须相当强烈才能被听到。几乎从出生起，针对这些较高频率的阈值声级立即增加。如图2所示，20岁的普通人在8kHz范围内损失了约10dB，而在90岁时，普通人在该频率处损失了超过100dB。

使用非常高频率的声音的示例产品是蚊式警报器，这是一种有争议的装置，其发出故意烦人的17.4kHz警报并用于劝阻年轻人不要闲逛。由于该频率处的成人听力损失，因此通常仅年龄不到25岁的人才能听到该警报。同样，学生通过在学校期间在蜂窝电话上使用15-17kHz的“蚊式”铃声来利用成人听力损失。学生可以听到“蚊式”铃声，而他们的成人老师则听不到。术语“超声”通常意味着高于人类所感知的范围。然而，如所证明的那样，听力频率的上限通常随着个人和年龄的增长而变化。由于该上限的差异，因此术语“超声”在本文和所附权利要求书中被定义成指代“17kHz或更大的声音频率”。

然而，有趣的是，高于约10kHz的环境声音或噪声非常少。参考图3，大多数日常声音都在低于约4kHz的频率处发生。因而，使用超声范围内的信号不仅对于周围来说是无声的，而且还提供了非常理想的信噪比(SNR)。

声学工程师安全地假定，任何高于约20kHz的频率都将不会对所感知到的声音产生影响，并且他们会过滤高于该范围的所有频率。很少关注低于20kHz但仍在超声范围中的声音，并且相应地建立了标准采样过程。一般认为，对模拟信号(不论是无线电信号还是可听声音信号)进行采样需要采样频率f_s，使得f_s/2>f，其中f是正弦频率。由于该原因，声音系统被设计成按现在的标准采样率44.1kHz对声音进行采样，其中该标准采样率44.1kHz被设置得略高于针对20kHz声音上限的所计算出的奈奎斯特-香农(Nyquist-Shannon)采样率40kHz。使用现有的解调过程、计算机、电话、蜂窝电话、立体声系统等对超声范围内的FM窄带信号进行实际解调，这将导致原始信号的再现非常差。这是令人遗憾的，因为如上所述，由于在这些较高频率处自然“噪声”非常少这一事实，因此超声范围中的载波信号也将具有非常低的信噪比。

本文所公开的发明构思涉及如下的个人监测装置、方法和系统，其用于测量生理信号，并且使用具有与传统的电话传输方法相比大大改善的信噪比的频率调制超声信号来无线地且无声地发送这些测量值。还提供了用以使用现有的计算机和智能电话技术来以优良的准确度接收并解调超声信号的方法和算法。

当前要求保护和公开的发明构思提供了个人监测装置10，其实施例在图4和图5中示意性示出。监测装置10的获取电子器件11包括传感器组件12，其被配置为在与用户的皮肤接触时感测生理信号。传感器组件12产生表示所感测到的生理信号的电信号，这些电信号被输入到与传感器组件12集成的转换器组件14。转换器组件14将传感器组件12所生成的电信号转换成频率调制超声信号，其由超声发送器24输出。在一个实施例中，频率调制超声信号的载波频率在从约18kHz到约24kHz的范围内。在另一实施例中，频率调制超声信号的载波频率在从约20kHz到约24kHz的范围内。

传感器组件12可以包括可操作以检测用户期望监测的生理信号的任何合适的传感器。这样的生理信号的非限制性示例包括但不限于呼吸、心跳、心率、心电图(ECG)、肌电图(EMG)、眼电图(EOG)、脉搏血氧饱和度、光电容积图(PPG)和脑电图(EEG)。

呼吸检测器可以是传统的麦克风辅助听诊器12′。心跳和心率也可以使用传统的麦克风辅助听诊器12′来检测，或者通过使用电极组件18感测心脏随时间的经过所产生的电信号来检测。这样的电极18也可用于检测心脏的随时间经过的电活动以进行心电图检查(ECG)。ECG是对当在各心跳期间心肌去极化时产生的皮肤上的微小电变化的测量。来自一对电极18的输出被称为引线20。可以对放置在心脏两侧的两个电极之间的电压的小幅上升和下降进行处理，以产生诸如图6所示的示例ECG等的图形化ECG表示22。

肌电图(EMG)检测当电激活或神经激活肌细胞时这些肌细胞所产生的电位。可以对信号进行分析以检测医疗异常。眼电图(EOG)是用于测量视网膜的静息电位的技术。通常，将成对的电极18放置在眼睛的上方和下方、或者眼睛的左方和右方，并且电位差测量值是眼睛位置的度量。

可以使用脉搏血氧计传感器来以无创方式间接地监测人的血红蛋白的氧合作用，而不是直接从血样中测量。将该传感器放置在人体的薄部位(诸如指尖或耳垂等)上，并且将包含红色波长和红外波长这两者的光从一侧传递到另一侧。测量两个波长各自的吸光度的变化，并且将该差用于估计人的血液中的氧饱和度以及皮肤中的血容量的变化。然后，可以使用脉搏血氧计传感器或者利用使用单个光源的光学传感器来获得光电容积图(PPG)。PPG可用于测量血流和心率。脑电图(EEG)可以使用附接至头皮的电极来监测，并且测量大脑活动所产生的电压。

转换器组件14将传感器组件12所产生的电信号转换成频率调制超声信号，其可以由计算装置16接收。在图5所示的实施例中，转换器组件14包括转换器23和超声发送器24，该超声发送器24用于输出载波频率在例如从约18kHz到约24kHz的范围内的频率调制超声信号。合适的超声发送器24的非限制性示例包括但不限于微型扬声器和压电蜂鸣器等。超声信号例如可以由计算机装置16(诸如智能电话30、个人数字助理(PDA)、平板个人计算机、袖珍个人计算机、笔记本计算机、台式计算机和服务器计算机等)中的麦克风25接收。

现有技术的装置使用了频率调制生理信号来在获取硬件和计算装置之间进行通信。这些信号具有在可听范围内的载波频率(诸如用于发送ECG信号的传统的1.9kHz FM频率等)。然而，已经发现，通过使用超声频率(诸如在从约18kHz到约24kHz以及甚至从20kHz到24kHz的范围内的频率等)作为载波，个人监测装置10的获取电子器件11与诸如智能电话等的计算机装置16之间的声学通信几乎是无声的，并且远比传统的1.9kHz的FM ECG频率更加抗噪。实际上，超声范围中的音频信号功率的测量值确定了17kHz以及更高的载波频率提供了对环境和语音“噪声”污染免疫的通信。通过使用超声载波频率，在甚至“最吵”的环境中，也在获取电子器件11与计算装置16(诸如智能电话30或笔记本计算机等)之间创建了无噪声和无声的通信。

例如，图7A示出安静办公环境中的声音的谱图。可以看出，环境噪声在2kHz处约为35db。图7B示出相同的安静办公环境中的超声调制ECG信号的谱图。应当注意，19kHz处的环境噪声仅为20db(略微回升是伪像)，从而与标准2kHz信号相比，对于19kHz超声信号至少给出15db的优势。这是对信噪比(SNR)的明显改善，从而在诸如街道、商场或嘈杂家庭等的嘈杂环境中得到甚至更大程度的改善。协同地，可以在超声频率处进一步增大信号的音量，而无需担心存在“听众”，因为听众听不到这些信号。

在一个实施例中，个人监测装置10是ECG装置10′，并且包括电极组件18，该电极组件18被配置为在与用户的皮肤接触时感测心脏相关信号，并且将所感测到的心脏相关信号转换成ECG电信号。如以下详细所述，ECG装置10'将超声频率调制ECG信号发送至例如智能电话30等的计算装置16。在计算机16或智能电话30上运行的软件实时地对音频进行数字化和处理，其中对频率调制ECG信号进行解调。可以使用算法来进一步处理ECG以计算心率并识别心律失常。可以将ECG、心率和节律信息显示在计算机16或智能电话30上，存储在本地以供以后检索，以及/或者经由2G/3G/4G、WiFi或其它因特网连接实时地发送至网络服务器52。除了ECG数据的显示和本地处理之外，计算机16或智能电话30可以经由安全的web连接实时地发送ECG、心率和节律数据，以便(使用例如智能电话30的2G/3G/4G或WiFi连接)经由web浏览器界面进行查看、存储和进一步分析。服务器软件提供PDF ECG节律带文件和/或其它报告和格式的存储、进一步处理、实时或回顾性显示和制定，以供远程或本地打印。

在另一实施例中，ECG装置10'的转换器组件14与电极组件18集成且电连接至电极组件18，并且被配置为将电极组件18所生成的电ECG信号转换成载波频率在从约18kHz到约24kHz的范围内的频率调制ECG超声信号。有时期望利用在20kHz至24kHz范围内的载波频率。超声范围在获取电子器件11与诸如智能电话30和笔记本计算机等的计算装置16之间创建了更低噪声且无声的通信。

ECG装置10'可以是以与其功能一致的任何方式配置成的，即，ECG装置10'应包括可用于与用户的手、胸部或身体其它部位上的皮肤接触以获得用户的ECG的电极、以及用于使用超声将该ECG发送至接收装置的部件。例如，手持式ECG装置10'可被成形为在底面上具有两个电极的图5所示的信用卡状，或者ECG装置10'可被成形为图8A所示的闪光灯或笔状，其一个电极18在接触把持者的手的圆柱面57上，并且另一电极18'在当使用时接触胸部、手或其它身体部位的端部59上。

在另一结构中，如图8B所示，ECG装置10'可用作智能电话保护壳60。一个示例结构将“可滑动装上的”(slip-on)保护壳60用于

或其它智能电话30，该保护壳60包括集成ECG电极组件18和获取电子器件11(用于生成单个导联的ECG数据的2、3或4个电极)。ECG电极位于壳60的与显示画面58相对的侧62处。智能电话30在其ECG适应的保护壳60中时，可以用双手把持(从而产生导联1，左臂减去右臂)，或者可被放置在人的胸部上以生成改良的胸部导联。ECG由获取电子器件11测量并被转换成频率调制超声信号。合适的载波或中心频率的非限制性示例包括从约18kHz到约24kHz，或者在一些实施例中从约20kHz到24kHz。频率调制超声信号由微型扬声器64或压电蜂鸣器66输出。

图9A示出与在图5A中描述为10’的个人监测装置类似的、如监测装置100那样的信用卡(“信用卡传感器”)的另一实施例，以进行ECG数据的远程或移动获取。一些实施例可以具有与可以具有约0.75mm的厚度的金融银行或信用卡类似的形式，并且可以是柔性的且由诸如聚氯乙烯乙酸酯(PVCA)等的塑料或聚合物制成。信用卡传感器的一些实施例的厚度在0.65mm至0.85mm之间，而一些实施例的厚度在0.70-0.78mm之间。信用卡传感器的一些实施例可以具有一系列抗弯刚度，而一些实施例可以满足由ISO 7810ID-1格式概述的标准。类似信用卡的传感器的实施例可以具有抗弯刚度或柔性，从而允许用户以与如何存储和携带普通信用卡的类似方式将该传感器放置在手提包或钱包中。

参考图9A，描述信用卡传感器100的一个实施例的立体图。信用卡传感器100具有包括上层102和下层104、宽度a、长度b和厚度c的夹层结构。图9B示出上层102的下侧103。下侧103具有柔性膜电极106(其在信用卡传感器100的各侧上均有一个)、转换器108、电池109、压电超声发声器110、电源按钮112和LED指示器114。电池109向可以是安装有固件的印刷电路板的转换器108供电。图9C描述上层102的顶侧101。顶侧101使与柔性膜电极106电接触的触摸垫105暴露。

如本文所述，用户接触感测I导联ECG的电信号的触摸垫105(例如，左手指和右手指)。转换器108将从触摸垫105产生的电信号转换成可由计算装置116接收的频率调制信号(例如，(以下进一步所述的)超声信号或蓝牙(Bluetooth)信号)。在图9A-图9C所示的实施例中，转换器组件包括转换器108和超声发送器110，该超声发送器110用于输出载波频率在从例如约18kHz到约24kHz的范围内的频率调制超声信号。这些超声信号例如可以由计算装置116(诸如智能电话(如图所示)、个人数字助理(PDA)、平板个人计算机、袖珍个人计算机、笔记本计算机、台式计算机、服务器计算机、以及智能手表或可穿戴装置等)中的麦克风接收。计算装置116具有微处理器/CPU(未示出)，其可以进行以下操作中的一个或多个：实时地获取、数字化、解调、处理和然后显示ECG数据。

在替代实施例中，信用卡传感器100可以具有允许近实时地显示用户的ECG的显示器(未示出)。在本实施例中，例如，信用卡传感器100可以包括接收器(未示出)，接收器可以包括在转换器108中，从计算装置接收处理后的ECG信号，并且将该处理后的ECG信号显示在信用卡传感器100上的显示器(未示出)上。可替换地，信用卡传感器100可以包括处理器(未示出)，处理器可以包括在转换器108中，并且具有以与计算装置116的CPU类似的方式处理和显示来自触摸垫105的信号的能力。在本实施例中，所有的连接都可以是硬连线的或无线的。信用卡传感器100可以包括可作为转换器108的一部分或与转换器108分开的存储器(未示出)，或者处理器可以包括固件(未示出)，其中该存储器或固件可以包括如下的指令，这些指令用于使得处理器处理来自接触触摸垫105的用户的所感测到的心脏信号(例如，ECG信号等)，并且将这些心脏信号显示在位于信用卡传感器100的外表面上的显示器(未示出)上。发送器110可用于将处理后的信号发送至计算装置，其中在该计算装置中，医疗专业人员可以查看记录。可替代地，计算装置一旦接收到数据，就可以使用众所周知的通信和数据传送技术来将该数据发送至医疗专业人员。

在图10(以前为‘042中的图7)和图11(以前为‘042中的图8)所示的又一实施例中，转换器组件108包括无线无线电发送器37，其被配置为使用由蓝牙特别兴趣小组(SIG)定义且在URL地址www.bluetooth.org处可获得的

无线通信标准的耳机配置文件(HSP)来转换和发送传感器组件12所生成的电信号。根据耳机控制器38所提供的指示，可以使用

收发器34和天线36来转换和发送传感器组件12所生成的电信号，并且通信至计算装置13(优选为智能电话30或智能手表)。通过使用由耳机电池40供电的市售耳机控制器38、

收发器34和天线36来提供经济性以及隔离性和便捷性，其中电子器件是商业化配置并且批量生产的，以与诸如智能电话30等的计算机装置13进行通信。

计算装置电子器件42通常包括控制器44、

收发器46、以及用于接收来自无线

装置的输入的天线48。大多数计算装置以及所有的智能电话和大多数可穿戴装置包括存储器56、显示画面58、以及用于经由蜂窝天线54或WiFi连接相对于基站或web服务器52发送/接收信息信号的收发器50。因而，计算装置电子器件42可用于将来自个人监测装置10的信息存储在存储器56中，以及/或者经由本领域技术人员熟知的无线通信技术将该信息发送至基站52或特定通信地址。

在图11中示意性示出的又一实施例中，ECG装置10'可用作如健身心率监测器那样的胸带装置68。具有集成式ECG电极组件18和获取电子器件11“pod”(盒)的胸带69生成频率调制超声ECG信号，并将其发送至诸如智能电话30等的计算装置16。

在任何配置中，诸如智能电话30等的计算装置16利用其内置麦克风25和CPU来实时地获取、数字化、解调、处理和显示ECG数据。另外，计算装置16、智能电话30或智能手表可以计算实时心率测量值并且确定如心房颤动那样的心律诊断。计算装置16或智能电话30可以利用其2G、3G、4G、

和WiFi连接来将ECG和其它数据发送至安全的web服务器52，以便进行实时远距离显示、存储和分析。另外，ECG数据也可以本地存储在智能电话30上，以供以后回顾或传输。

智能电话30上的软件还可以组合来自内置到智能电话30中的其它传感器(诸如GPS和加速度计等)的数据和信号。对该数据进行进一步处理提供了与用户有关的附加信息，诸如速度、场所、距离、步伐、韵律、身体位置、跌倒检测和能量消耗等。可以将来自传感器的原始信号和导出信息显示并本地存储在智能电话30上，并且可以通过因特网连接发送至web服务器52。web服务器52上的软件提供了用于实时地或回顾性地显示从智能电话30接收到的信号和信息的web浏览器界面，并且还包括进一步的分析和报告。

现在参考图12，计算机可读存储介质56存储一组指令72，其中这些指令72能够由一个或多个计算装置16执行。合适的计算装置16的非限制性示例包括智能电话30、个人数字助理(PDA)、平板个人计算机、袖珍个人计算机、笔记本计算机、台式计算机和服务器计算机。当执行指令72时，使得一个或多个计算装置16数字化和解调诸如超声频率调制ECG信号等的传感器输入74，以产生实时解调后的数字ECG数据。指令72还可以使得实时解调后的数字ECG数据显示在计算装置16的显示画面58上。

FM解调所使用的常用技术是基于过零检测，在该过零检测中，使用过零之间的时间间隔来计算频率并重建解调信号。在一些应用中，简单地对过零之间的音频样本的数量进行计数可以为频率估计提供足够的准确度。可以通过在样本之间进行插值来提高准确度，从而提供过零点和随后的频率估计的更好估计。基于过零检测的FM解调方法易于实现，并且与诸如使用FFT(快速傅立叶变换)的技术等的其它技术相比需要很少的计算，这使得特别适合于用在低功率便携式计算装置上的实时应用中。

然而，如果FM窄带信号接近数字采样音频的奈奎斯特频率，则由于各周期的样本非常少，因此过零估计值的误差变大。这严重限制了将典型的过零解调技术用于超声载波频率。本发明的实施例提供了如下的方法，该方法用于利用准确的频率估计，在维持过零技术的简单性和效率的同时，对接近奈奎斯特频率的FM窄带信号进行解调。

现在参考图13，表示ECG信号的超声FM信号由例如移动电话30或其它计算装置16中的麦克风25拾取，并被转换成模拟信号。模拟信号在时间上是连续的，并且在模数转换器80中被转换成数字值流，在FM解调器82中被解调并被显示在智能电话30或其它计算装置16的显示器58上，或者保持在存储器56中。由于通常称为ADC的实用模数转换器80不能进行瞬时转换，因此在该转换器进行转换的时间期间，输入值必须保持恒定。从模拟信号中采样新数字值的速率被称为ADC的采样率或采样频率。移动电话和其它个人计算机装置通常局限于以44kHz记录音频。诸如

和

等的一些智能电话可以以48kHz进行采样。

然后，可以在FM信号的超声载波频率的附近对数字化后的超声信号进行带通滤波，以改善信噪比并减少通带之外的不需要的音频。如图14所示，然后以原始音频的采样率的一半对滤波后的FM信号进行“欠采样”。这将导致使频谱向较低频带偏移和反转的FM信号的混叠。通过欠采样操作反转频谱的结果使得如图15所示解调输出被反转。该反转通过简单地转换最终解调输出而得以校正。

在较低频率处的FM信号的情况下，针对各周期存在更多的音频样本，并且诸如过零估计等的解调处理明显更准确。例如，过零检测器识别音频信号改变符号的过零。通过在过零的两侧的样本之间进行线性插值来进一步提高过零点的准确度。最后，使用过零之间的时间段来计算频率的估计值并重建解调信号。尽管上述解调过程利用过零估计，但应当理解，可以利用其它解调过程，并且其它解调过程的准确度也将受益于欠采样操作。

示例

在图16所示的一个工作示例中，系统使用从便携式ECG监测器发送至移动电话30和个人计算机16中的麦克风25的超声FM ECG信号。这在无需用以接收信号的任何附加硬件的情况下，提供了与具有麦克风的大多数移动电话和计算机兼容的低成本无线传输解决方案。

期望FM信号高于18kHz，使得大多数人听不到该FM信号，该FM信号不会干扰音乐或语音，并且也不易产生音频干扰。还期望FM信号具有窄带宽，以进一步降低其对音频干扰的敏感性。在这种情况下，ECG监测器使用利用ECG在200Hz/mV处调制的并且具有±5mV的范围的19kHz的超声FM载波。这样得到在18kHz和20kHz之间的超声FM信号。

首先，音频FM信号由麦克风25拾取，并由移动电话30中的ADC 80在44kHz处数字化。然后在滤波器82中在18kHz和20kHz之间对音频进行带通滤波，以去除在通带之外的音频噪声。在下一阶段84中，在22kHz处对音频进行欠采样，其中仅使用每秒音频样本。在这样的欠采样之后产生的数字信号产生使频谱偏移和反转的混叠，使得该数字信号出现在2kHz到4kHz的范围内。然后，过零检测器86识别音频信号改变符号的位置。然后，在频率估计步骤88中，通过在过零的两侧的样本之间进行线性插值来更准确地计算过零点。在该示例中，仅需每3.33ms进行频率估计，因为这样解调出300Hz处的输出信号。这通过对过零的数量进行计数、并且在该时间段期间测量最近的固定数量周期的时间段来实现，从而提供固定的300Hz输出。然后，反转解调后的输出以校正通过欠采样操作而反转的频谱。最后，由于感兴趣的ECG带宽低于40Hz，因此使300Hz的解调后的ECG数据通过40Hz的低通滤波器。这进一步减少了来自频率估计和解调后的输出的任何噪声。FM解调器输出16位300Hz的ECG。

传感器输入74还可以包括来自附加传感器的实时信息以及用户输入74′。例如，在计算装置16是智能电话30的实施例中，输入74除了可以包括解调后的数字ECG数据之外，还可以包括来自智能电话30中的GPS和/或加速度计的实时信息。用户输入74′还可以包括经由计算装置16的麦克风输入的口头语音消息。指令72可以使得传感器和/或用户输入74和74'记录并维持在计算装置16的存储器56中。

在一个实施例中，一组指令72当由一个或多个计算装置16执行时，可以进一步使得一个或多个计算装置16实时地计算并显示由频率调制ECG超声信号表示的心率。此外，可以对解调后的数字ECG数据进行处理以识别心律失常的发生。在这样的设计中，存储介质70可以包括指令72，以使得计算装置16在发生心律失常时在显示画面58上显示警告或通过扬声器76发出可听警报。

指令72可以使得计算装置16将解调后的数字ECG数据存储在一个或多个计算装置16的存储器56中，以便以后检索。一组指令72可以进一步使得一个或多个计算装置16根据需要检索所存储的调制后的ECG数据并将其经由计算装置16上的因特网连接发送至web服务器52。可以将所记录的口头语音消息与解调后的数字ECG数据同时存储并发送至web服务器52。

在其它实施例中，指令72可以使得一个或多个计算装置16将解调后的数字ECG数据和/或语音消息实时地发送至web服务器52。

智能电话软件的版本被打包为与其它第三方软件应用集成的软件库。这为第三方应用提供了用以在不必开发自身的数据获取、解调和信号处理算法的情况下使用ECG装置10'来获得心率和其它导出信息的简化的标准方法。

软件的版本也在PC上运行，并且包括解调、处理、存储和向web服务器52的发送。软件包括音频获取、解调、ECG分析和加速度分析模块。

使来自ADC的音频样本可选地通过数字带通滤波器以去除调制范围之外的不需要的频率。解调模块在音频样本的频率的约一半处使用欠采样来对频率调制ECG超声信号进行解调，以使谱偏移到较低频率范围，之后进行线性近似和过零算法。解调器允许选择不同的调制参数以匹配特定的ECG装置。尽管仅使用过零和线性近似的解调对于6kHz以下的载波频率(在44kHz采样的情况下为高于10kHz的载波频率)很好地工作，但除非使用欠采样来使谱偏移，否则来自线性近似的误差变大。

然后，算法查看传入数据的符号。当符号改变时，算法在两个点之间绘制直线并且插入零值。算法使用该操作来确定3.333ms间隔的平均频率，这样以300Hz的输出采样率提供了ECG数据。

ECG分析模块包括处理ECG以检测和分类搏动的算法并且提供心率估计。根据搏动之间的间隔来计算逐搏心率，并且使用RR间隔的中值滤波来计算心率的更稳健测量值。

加速度分析模块包括如下的算法，该算法处理来自智能电话30中的内置3轴加速度计传感器的信号，以导出人的能量消耗、步伐、韵律和身体位置的估计并且检测跌倒。

根据上述说明，很明显，当前公开和要求保护的发明构思非常适合于实现本文所述的目的并获得本文所述的优点、以及在当前公开和要求保护的发明构思中固有的优点。尽管已经为了本发明的目的而描述了所呈现的实施例，但应当理解，可以进行许多改变，这些改变将容易向本领域技术人员表明自身，并且是在当前公开和要求保护的发明构思的精神内实现的。

Claims (13)

1.一种移动ECG传感器，包括：

电极组件，其包括电极，其中所述电极组件在与用户的皮肤接触时感测心脏相关信号，并且产生表示所感测到的心脏相关信号的电信号；

转换器组件，其电连接至所述电极组件，被配置为将所述电信号转换成调制信号，其中所述调制信号承载表示所感测到的心脏相关信号的所述电信号；

发送器，用于将所述调制信号无线地发送至计算装置；以及

壳体，其包含所述电极组件、所述转换器组件和所述发送器。

2.根据权利要求1所述的移动ECG传感器，其中，所述壳体是信用卡形状因子。

3.根据权利要求2所述的移动ECG传感器，其中，所述电极组件包括位于所述信用卡形状因子的外表面上的至少两个电极垫。

4.根据权利要求3所述的移动ECG传感器，其中，所述信用卡形状因子包括具有顶面和下侧的顶部以及具有顶侧和底面的底部，其中所述顶部的所述下侧贴附至所述底部的所述顶侧，

其中，所述电极组件还包括至少两个导电柔性膜，所述至少两个导电柔性膜电连接至所述至少两个电极垫并且电连接至所述转换器组件，以及

其中，所述至少两个电极垫位于所述顶部的所述顶面上，并且所述至少两个导电柔性膜位于所述顶部的所述下侧和所述底部的所述顶侧之间。

5.根据权利要求4所述的移动ECG传感器，其中，所述至少两个导电柔性膜与所述至少两个电极垫接触。

6.根据权利要求4所述的移动ECG传感器，其中，所述调制信号是频率调制信号，并且所述发送器输出载波频率在从约6kHz到约20kHz的范围内的频率调制信号。

7.根据权利要求4所述的移动ECG装置，其中，所述调制信号符合

协议即蓝牙协议。

8.根据权利要求4所述的移动ECG装置，其中，所述调制信号符合蓝牙无线通信标准的耳机配置文件。

9.根据权利要求1所述的移动ECG传感器，其中，所述壳体是移动电话壳形状因子，以及其中，所述电极位于所述移动电话壳形状因子的外表面上。

10.一种移动ECG传感器，包括：

信用卡形状因子，其中所述信用卡形状因子容纳：

电极组件，其包括位于所述信用卡形状因子的外表面上的电极，其中所述电极组件在与用户的皮肤接触时感测心脏相关信号，并且产生表示所感测到的心脏相关信号的电信号；

转换器组件，其电连接至所述电极组件，所述转换器组件包括处理器；

显示器，其电连接至所述转换器组件，所述显示器位于所述信用卡形状因子的外表面上；以及

存储器，其包括指令，以使得所述处理器处理所感测到的心脏相关信号并将所述心脏相关信号显示在所述显示器上。

11.根据权利要求10所述的移动ECG传感器，其中，所述心脏相关信号包括ECG信号。

12.根据权利要求10所述的移动ECG传感器，其中，所述心脏相关信号包括心率信号。

13.根据权利要求10所述的移动ECG传感器，还包括发送器，所述发送器电连接至所述处理器并且容纳在所述信用卡形状因子中，其中所述发送器能够无线地发送处理后的心脏相关信号。

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