CN101160092A - 用于测量用户生物电信号的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量用户生物电信号的系统和方法。而且，本发明涉及用于测量用户生物电信号的一种计算机程序。为了提供用于测量具有减少的运动伪影的生物电信号的技术，提供了一种新方法，包括如下步骤，确定电极位移，所述电极适于测量生物电信号；以及根据所确定的位移调整所述电极的位置。本发明可以用在使用电极测量生物电信号的任何系统中，例如，用于任何ECG测量系统中。根据本发明具有减少的伪影，所有那些系统的性能可以充分提高。

Description

用于测量用户生物电信号的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量用户生物电信号的系统和方法。而且，本发明涉及一种用于测量用户生物电信号的计算机程序。
背景技术
使用安装在皮肤上的电极来监视和记录包括生物电电位和/生物电电流的生物电信号，以协助诊断和治疗多种不同的医学疾病和病症。
使用这种电极监视的生物电信号的一个范例是以心电图(ECG)形式记录的心脏的电活动。使用安装在皮肤上的电极进行的ECG测量是分析对象心脏功能的普通方法。ECG提供了关于心率、节律变化和心脏病症的有价值信息。通常，在皮肤和电极之间提供一些种类的电解质。如果采用干电极，使用汗作为电解质。跨越电极对测量的电压是通过将离子扩散到电解质中而建立的独立半电池电位(half cell potential)之间的差值，并且称为导联。对若干导联的测量提供了心脏电位矢量的若干投影，组成ECG。
关于ECG测量的一个大问题是运动伪影。电极与皮肤的相对位置的每个改变都扰乱电极下的平衡，导致半电池电位的相当大的变化。这种电位导致ECG的大干扰，其可能十倍于原始ECG信号。已知若干用于减少运动伪影的发生的方法。增加电极对皮肤的压力使得电极位置比较不易受到运动的影响，但是也降低了电极的佩戴舒适度。另一途径是降低皮肤电极的阻抗，以减少伪影敏感度。美国专利5,795,293给出了对减少伪影的方法的概观。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于测量具有减少的运动伪影的生物电信号的技术。
根据本发明通过测量用户生物电信号的方法而实现该目的，所述方法包括确定电极位移和根据确定的位移调整所述电极位置的步骤，所述电极适于测量生物电信号。
而且，根据本发明通过用于测量用户生物电信号的系统来实现该目的，所述系统包括适于确定电极位移的确定单元以及适于根据确定的位移调整所述电极位置的调整单元，所述电极适于测量生物电信号。
而且，根据本发明通过计算机程序来实现该目的，当在计算机中执行计算机程序时，所述计算机程序包括根据输入信号确定电极位移的计算机程序指令，以及产生输入信号用于根据确定的位移调整所述电极位置的计算机程序指令，所述电极适于测量生物电信号。根据本发明必须的技术效果可以因而基于根据本发明的计算机程序指令而实现。这种计算机程序可以存储在载体上，或者其可以通过因特网或者另一计算机网络获得。在执行计算机程序之前，通过例如借助于CD-ROM播放器从载体、或者从因特网中读取计算机程序，并且将其存储在计算机的内存中，而将计算机程序装载入计算机。除此之外，计算机包括中央处理单元(CPU)、总线系统、例如RAM或ROM等的存储器件以及输入/输出单元。
与现有技术相比，当在第一步骤中测量信号并且在后续步骤中执行伪影检测和伪影校正之处，本发明的基本概念是在测量之前或其期间控制伪影的影响。换句话说，在第一步骤中检测可能的伪影的直接原因，并且适应测量处理以便于减少该原因对后续测量的影响。随后，在下一步骤中，执行实际测量。与现有技术相比，在总以被动方式执行伪影降低之处，本发明建议使用持续调整电极位置和测量的控制系统来主动减少运动伪影以最小化伪影。
本发明可以使用在用于例如使用电极而测量生物电信号的任何系统中，例如，在任何ECG测量系统中。具有根据本发明的伪影降低，所有这些系统的性能可以充分增长。
基于下列实施例，将进一步描述本发明的这些和其它方面，其定义在随附的权利要求中。
优选地，通过确定运动而确定电极的位移。为此目的，确定单元优选包括加速度计。优选使用一种加速度计，其适用于在若干方向上测量加速度。
持续监视和分析运动数据，并且使用合适的分析模型确定所得到的电极位移。在后续步骤中，根据确定的位移调整电极的位置。优选地，实际上或实质上在位移的相反方向上移动电极的测量位置，以补偿位移。
根据本发明第一实施例，用户的运动由加速度计确定，其布置远离电极。如果加速度计非常接近电极，可以估计相对于在非常接近的附近测得的加速度的电极的加速度。随后，通过建模电极附近的加速度对电极位移的影响，而确定半电池电位的改变。
根据本发明第二实施例，电极相对于用户的运动由加速度计确定。在这种情况下，加速度计和电极优选形成运动单元。换句话说，加速度计集成在电极中并且位于电极之上，例如在电极顶部，从而使得加速度计确定电极的运动。优选地，第二加速度计布置成远离电极。第二加速度计确定用户的运动。在这种情况下，电极和用户身体之间的加速度的差值提供了电极的位移。在所有情况下，提供了快速控制系统。控制系统使用加速度计数据作为输入信号，并且基于作为输入的电极位移数据而产生控制信号(输出信号)用于补偿电极位移。
根据本发明第三实施例，使用电极排列，其包括大量相邻电极区域，每个区域适于测量生物电信号。为此目的，可以使用单一电极，其包括大量单独的电极区域，它们互相电绝缘。作为选择，使用大量电极以便于形成电极排列，其中每个单一电极作为电极排列的绝缘电极区域。为了获得足够的分辨率，优选提供四个或更多电极区域，从而对每个主要方向“上”、“下”、“左”和“右”提供至少一个电极区域。随后，通过比较不同电极区域的阻抗而确定阻抗分布。为此目的，通过将电流通过电极注入并且测量产生的电压而执行阻抗测量。阻抗分布的改变分别指示了电极或电极排列的位移。
在确定电极位移之后，调整电极或者电极排列的位置。优选地，例如借助于用于移动电极的致动元件(actuating element)，调整电极的真实位置。致动元件可以包括小型马达。借助于致动元件调整电极位移而由此形成闭环控制系统，其可以应用于上述所有实施例中。
在第三实施例的情况下，优选地，调整实际测量位置，即电极排列的测量中心。为此目的，通过测量在该数量电极区域上的阻抗分布而确定电极区域的位移。随后，相应地调整电极的实际测量位置。换句话说，获自电极区域的排列的测量数据用于补偿电极位移。优选地，这通过实质上将测量中心从电极的绝对中心移向位移的方向而执行。这通过使用不同电极区域的加权混合而实现。该加权获自阻抗测量。
附图说明
下文中将借助范例参考下列实施例和随附附图，而详细描述本发明的这些和其它方面；其中：
图1是均作为时间的函数的ECG信号的图形和加速度计信号的图形；
图2是根据第一实施例的系统的示意图；
图3是根据第二实施例的系统的示意图；
图4是根据第三实施例的系统的示意图；
图5是根据第三实施例的确定单元的示意图；以及
图6是根据第三实施例的调整单元的示意图。
附图标记列表
1：加速度计信号
2：ECG信号
3：第一测量信号
4：第二测量信号
10：测量系统
11：电极
12：确定单元
13：调整单元
14：加速度计
15：控制单元
16：致动元件
17：电极单元
18：信号链路
20：测量系统
21：电极
22：确定单元
23：调整单元
24：第一加速度计
25：控制单元
26：致动元件
27：电极单元
28：信号链路
29：第二加速度计
30：测量系统
31：电极排列
32：确定单元
33：调整单元
35：控制单元
37：电极单元
38：信号链路
41：电极区域
42：电极区域
43：电极区域
44：电极区域
45：控制信号
46：阻抗数据
47：ECG信号
具体实施方式
图1示出了由ECG信号2之上的加速度计信号1表示的运动效果。在第一测量阶段3中，携带ECG电极的用户不运动。在该情况下，未检测到加速度计信号1，并且ECG显示清晰的心脏信号。在第二测量阶段4中，用户运动。这导致ECG信号2的清晰干扰，虽然在该情况下，仍然可以确定心率，这是因为相对较好的接触压力。
根据本发明第一实施例的ECG测量系统10示出在图2中。系统10包括ECG电极11、确定单元12和调整单元13。确定单元12适于确定电极11的位移，然而调整单元13适于根据所确定的位移调整电极11的位置。
确定单元12包括加速度计14，其位于紧靠电极11的附近。测得的加速度计数据(输入信号)馈入控制单元15中，用于基于用户的运动而产生控制信号(输出信号)。控制单元15使用计算模型，用于确定电极11的位移。计算模型基于一方面电极11安装在的位置和另一方面由于人体运动而导致的电极11的位移变化之间的相关性。例如，如果电极11安装在用户胸部，并且加速度计指示用户向前弯曲，那么电极11非常可能在特定方向上稍稍运动，其可以根据加速数据而预知。
如果由控制单元15对加速度计数据的分析指示电极11已经在特定方向上运动了，那么控制单元15产生控制信号用于命令调整单元13在其原始位置上移动电极11。为了使用计算模型分析加速度计数据，和为了产生控制信号，控制单元15包括微处理器或另一数据处理器件。
控制信号被馈入调整单元13中，其包括致动元件16，用于基于在先前步骤中确定的电极位移而相对于用户皮肤移动电极11。这样，根据用户的运动，持续地调整电极11的位置。电极11的ECG测量信号经由信号链路18传输到外部ECG监视器(未示出)。
优选地，电极11、控制单元15和调整单元13形成将安装在用户皮肤上的集成电极单元17。
根据本发明第二实施例的ECG测量系统20示出在图3中。该系统20包括ECG电极21、确定单元22和调整单元23。确定单元22包括第一加速度计24和第二加速度计29。第一加速度计24定位在电极21处，从而使得第一加速度计24和电极21形成运动单元。第一加速度计24适于确定电极21的位移，而第二加速度计29适于确定佩戴电极21的用户的运动。为此目的，第二加速度计29位于紧靠电极11的附近。
所有加速度计数据(输入信号)被馈入控制单元25中，用于基于电极21相对于用户的运动而产生控制信号(输出信号)。如果由控制单元25对加速度计数据的分析指示电极21已经在特定方向上运动了，那么控制单元25产生控制信号，用于命令调整单元23在其原始位置移动电极21。因为使用了附加加速度计29，可以获得更多的加速数据。因此，如在第一实施例中的情况，控制单元25可以使用较不复杂的计算模型来确定电极21的位移。为了使用计算模型来分析加速度计数据和为了产生控制信号，控制单元25包括微处理器或另一数据处理器件。
控制信号被馈入调整单元23，其又包括致动元件26，用于相应地移动电极21。优选地，电极21、控制单元25和调整单元23形成具有第一加速度计24的集成电极单元27。再者，根据用户的运动持续的调整电极21的位置。电极21的ECG测量信号经由信号链路28传送到外部ECG监视器(未示出)。
根据本发明第三实施例的ECG测量系统30示出在图4、5和6中。系统30包括具有ECG电极排列31的确定单元32和调整单元33。电极排列31包括四个绝缘的电极区域41、42、43、44。通过由控制单元35比较不同电极区域41、42、43、44的阻抗(输入信号)来确定阻抗分布。为此目的，电极排列31适于使得其允许阻抗测量。控制单元35通过施加计算模型到阻抗数据46而产生控制信号45(输出信号)。为了分析阻抗数据46和为了产生控制信号45，控制单元35包括微处理器或另一数据处理器件，例如信号处理器。控制信号包括用于调整单元33的指令。该指令取决于由电极区域41、42、43、44上的阻抗分布的改变表征的电极的位移。
同时，四个电极区域41、42、43、44将ECG测量信号47提供到调整单元33。调整单元33包括混合器40，例如信号处理单元，适用于根据控制信号45加权ECG测量信号47。换句话说，电极排列31的实际测量位置根据其位移而调整。
如果用户不运动，每个电极区域41、42、43、44对阻抗分布作用相同。如果因为用户运动，电极排列31相对于用户皮肤的位置改变，“正常”阻抗分布朝向“动态”阻抗分布改变。例如，第一电极区域41贡献百分之80，而其它三个电极区域42、43、44一共贡献阻抗的百分之20。然后，存在强烈的指示，电极排列31已经移向第一电极区域41。在这种情况下，产生控制信号，从而使得混合器40以这样的方式混合引入的ECG测量信号47，即百分之20来自第一电极区域14的测量信号与百分之80的来自其它三个电极区域42、43、44的测量信号混合。换句话说，电极排列31的实际测量位置根据用户的运动而调整。这通过以总共四个电极区域41、42、43、44上的均匀阻抗分布为目标而实现。所得到的电极排列31的ECG测量信号经由信号链路38传输到外部ECG监视器(未示出)。优选地，电极排列31、控制单元35和调整单元33形成集成电极单元37。
对本领域技术人员而言将显然的是，本发明不局限于前述实施例的细节，并且本发明可以以其它特定形式具体化，而不脱离其精神和本质属性。因而，从所有方面，当前实施例将认为是说明性而非限制性的，本发明的范围将由随附权利要求而不是前述描述而指示，并且因而符合权利要求等效的内涵和范围的所有改变，认为被包括于此。此外，将显然的是，措辞“包括”不排除其它元件或步骤，措辞“一”或“一个”不排除复数形式，而诸如计算机系统或另一单元的单数元件满足权利要求中所述的多个器件的功能。权利要求中的任何附图标记都不应理解为限制涉及的权利要求。

Claims (14)

1.一种用于测量用户生物电信号的方法，包括如下步骤：
-确定电极(11，21，31)的位移，所述电极(11，21，31)适于测量生物电信号(47)，以及
-根据所确定的位移调整所述电极(11，21，31)的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定所述用户的运动。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定所述电极(11，21，31)相对于所述用户的运动。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述调整步骤包括调整所述电极(11，21，31)的实际位置。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述调整步骤包括调整所述电极(11，21，31)的实际测量位置。
6.一种用于测量用户生物电信号的系统(10，20，30)，包括：
-确定单元(12，22，32)，适于确定电极(11，21，31)的位移，所述电极(11，21，31)适于测量生物电信号(47)，以及
-调整单元(13，23，33)，适于根据所确定的位移调整所述电极(11，21，31)的位置。
7.如权利要求6所述的系统(10，20，30)，其中，所述确定单元(12，22，32)包括加速度计(14)。
8.如权利要求7所述的系统(10，20，30)，其中，所述加速度计(14)远离所述电极(11，21，31)布置。
9.如权利要求7所述的系统(10，20，30)，其中，所述加速度计(14)和所述电极(11，21，31)形成运动单元(17)。
10.如权利要求7所述的系统(10，20，30)，包括远离所述电极(11，21，31)布置的第二加速度计(29)。
11.如权利要求6所述的系统(10，20，30)，其中，所述调整单元(13，23，33)包括用于移动所述电极(11，21，31)的致动元件(16，26)。
12.如权利要求6所述的系统(30)，其中，所述确定单元(32)包括电极(31)，所述电极(31)包括大量相邻电极区域(41，42，43，44)，每个区域都适于测量生物电信号。
13.如权利要求6所述的系统(30)，其中，所述调整单元(33)包括分析单元(35，40)，适于分析大量生物电信号，并且还适于调整所述电极(31)的实际测量位置。
14.一种计算机程序，包括：
-根据输入信号确定电极(11，21，31)的位移的计算机程序指令，所述电极(11，21，31)适于测量生物电信号(47)，以及
-当在计算机中执行所述计算机程序时，用于根据所确定的位移，产生用于调整所述电极(11，21，31)的位置的输出信号的计算机程序指令。
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