CN101489474A - 心跳监测设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种心跳监测设备(2)包括：－许多电极(3.1，3.2)，其用于感测用户(5)的ECG信号(S0)，－信号处理装置(14)，其用于处理从所述ECG信号导出的信号(S2)并适于从所导出的信号提取与用户的心跳相关的信息，－标准化无线通信模块(11)，其用于将所述心跳相关信息传输给外部设备(17)。在所提议的心跳监测设备中，在所述标准化无线通信模块的通信处理器上实现所述信号处理装置。

Description

心跳监测设备、系统和方法
技术领域
本发明涉及一种心跳监测设备，其包括用于感测用户的心电图(ECG)信号的许多电极。
本发明还涉及一种将心跳相关信息传送给外部设备的方法，其包括感测用户的ECG信号。
此外，本发明涉及一种心跳监测系统。
背景技术
特别是在过去的十年中，当提出如何适当修改经典的保健系统以便面对现代的挑战(增加期望寿命，急剧增加的患有需要非常昂贵的治疗的慢性病的病人的数量)的讨论时，大量讨论了个人对其自身健康的投资的问题。尽管还没有解决方案在望，促进和奖励对个人健康的个人投资——使其得到健康营养学的帮助，或者使其通过有规律地进行锻炼而在健身项目的背景中得以利用监测心率的系统——肯定是现代和未来有用的保健系统的必不可少的组分。
在现有技术中，用于健身相关应用的商用心率监测系统检测ECG信号中的峰值并在每次检测到心跳时以非标准化的方式发送出电磁脉冲(burst)。脉冲的频率通常在4kHz左右。戴在手腕上的特殊手表接收由胸带传输的脉冲，计算相应的心率，并将其显示给用户。因此将当前用于心率监测目的的胸带的全部“智能”集成到该手表中。该手表是该带接口至的系统的中心；然后该手表接口至外部世界，例如接口至PC。换句话说：当前可用的用于心率监测的胸带不含有任何数字信号处理单元，例如微处理器；信号处理是完全在模拟电子电路的帮助下完成的，当关注ECG中的心跳检测的质量时，其具有不能传送可能的最佳性能的缺点。此外，只有例如包括适当低频接收器的腕表的专用硬件可以连接至这些设备。
实现标准化无线链路替代上述低频传输技术的许多系统是已知的。在所有这些情况下，所述无线连接是蓝牙。然而，这样的系统需要附加的硬件支出，即，如果信号处理装置(以微处理器的形式)用于ECG峰值检测，则通常提供另外的微处理器(通信处理器)用于将基于蓝牙的信号传输给外部设备。
发明内容
本发明的目标是提供一种心跳监测设备、系统和方法，其与现有设备相比改进之处在于它实现了高质量的准确且可靠的心跳监测，而不必引入任何专用的附加硬件组件。
根据本发明的第一方面，通过提供一种心跳监测设备来实现该目标，所述心跳监测设备包括：许多电极，用于感测用户的ECG信号；信号处理装置，用于处理从所述ECG信号导出的信号并适于从所导出的信号中提取与所述用户的所述心跳相关的信息；标准化无线通信模块，用于将所述心跳相关信息传输给外部设备，其中所述信号处理装置在所述标准化无线通信模块的通信处理器上实现。
根据本发明的第二方面，还通过提供一种心跳监测系统来实现该目标，所述心跳监测系统包括根据本发明的所述第一方面的心跳监测设备以及外部设备，所述外部设备适于从所述心跳监测设备的所述标准化无线通信模块接收所述心跳相关信息。
根据本发明的第三方面，进一步通过提供一种将心跳相关信息传送给外部设备的方法来实现该目标，所述方法包括：感测用户的ECG信号；处理从所述ECG信号导出的信号以从其中提取所述用户的心跳相关信息；利用在通信处理器上实现的标准化无线通信协议将所述心跳相关信息传输给外部设备，其中对所导出的信号的所述处理是在所述通信处理器上执行的。
因此，根据作为本发明的基础的基本观点，用于ECG信号中的峰值检测的信号处理是直接在例如蓝牙模块的标准化无线通信模块内的通信处理器上实现的。通常，在本发明的背景下可以采用任何标准化无线通信模块，只要它提供充足的(未使用的)处理能力来处理所述ECG信号。然而，这一步远非不证自明的，因为该通信处理器通常仅专用于处理相应的标准化无线通信协议，例如蓝牙协议。
然而，假如用于导出心跳相关信息的算法不向所述通信处理器施加处理能力的附加负荷，有可能并行使用通信处理器来对ECG信号或从ECG信号导出的信号(例如采样的数字化信号)进行信号处理。本发明的申请人已经发展了心率确定算法，这些算法具有高质量的ECG峰值检测以及相当适度的处理能力需求，其本身不形成本发明的一部分并可以在根据本发明的标准化无线通信模块的通信处理器上实现。
在上述心率确定算法的背景下，本发明的申请人已经在TexasInstruments的MSP430处理器上设计出具有相当低的计算资源需求的心率算法实现方式。如果以256Hz的频率采样ECG信号，则该算法需要大约260KIPS(每秒千条指令)，这对于计算心率来说是非常充足的。
如果降低采样率，则计算量成比例地下降。例如，如果使用100Hz的采样率，这对于确定心率来说仍然相当充裕，则该算法需要大约100KIPS的计算资源。本领域技术人员应该意识到，相对于在通信处理器上运行例如蓝牙协议所需的5...10MIPS(每秒百万条指令)，这代表相当小的计算负荷。
有利地，本发明的实施方式进一步提供所需板空间的明显降低。为了估计所述降低的定量影响，应该注意到，在现有技术中，在ECG测量胸带的实现方式中，执行ECG信号的数字信号处理的模拟ECG放大器部分、蓝牙模块以及附加的微控制器(例如MSP430；参见上面)中的每个需要大约三分之一的总板空间。
根据本发明的实施方式，所有的(ECG)信号处理均是在蓝牙模块中的通信处理器上实现的，由此在本示例中通过省略所述附加的微控制器而节省大约30％的板空间。
另外，由于节省了MSP430微控制器的功耗这一事实，有可能降低总消耗。然而，有益的效果是至少局部被补偿，因为如果在其上实现心率算法，则通信处理器的功耗将稍微增加。
可以期望的更突出的优点是关于用于实际实现本发明的实施方式的开支。在上述示例中，MSP430微控制器的成本达到包括所述微控制器、蓝牙模块和模拟放大器的总系统的成本的大约四分之一。因此，如果在只需要计算心率的特定应用中可以省略所述微控制器，则可以在本发明的帮助下实现显著的成本降低。
在根据本发明的设备的进一步实施方式中，该设备进一步包括模拟/数字转换器，用于采样所述ECG信号以提供数字信号作为所导出的信号。以这种方式，数字信号处理技术可以用于确定所述心跳相关信息，由此显著增加心跳检测的可靠性。
根据本发明的方法的相应实施方式包括在所述处理之前采样ECG信号并将所述ECG信号转换成组成所导出的信号的数字信号。
为了便于使用根据本发明的设备，在所述设备的另一个实施方式中，特别是针对健身相关应用，至少将所述电极集成到围绕用户的胸部佩戴的胸带中。
为了在导出所述信号之前进一步提高信号质量以便于后续信号处理，依照根据本发明的设备的又一个实施方式，该设备还包括布置在所述电极和信号处理装置之间的ECG信号放大和滤波装置。
通过采用适当的标准化无线通信协议，使用相同标准化协议的任何种类外部设备都可以用于接收所述心跳相关信息。这样的外部设备优选包括移动电话、手持计算机、PC等。
根据本发明的方法的又一个实施方式包括提取所述ECG信号中的峰值指示，根据所述指示确定后续心跳之间的时间间隔，以及计算所述时间间隔的倒数。以这种方式，可以将所述用户的所述心率传送给/显示在所述外部设备上。
可以从优选实施方式的以下描述得到本发明的进一步优点和特性，通过参考附图给出这些优选实施方式并仅作为示例。根据本发明可以独立地或联合地使用上述特征和下述特征。所述实施方式并不应被视为详尽的列举，而是关于作为本发明的基础的基本思想的示例。
附图说明
图1是根据本发明的心跳监测设备和系统的示意性框图；以及
图2是用于举例说明根据本发明的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的心跳监测设备和系统的示意性框图。根据本发明的心跳监测系统1包括心跳监测设备2，该心跳监测设备2具有许多电极3.1、3.2，用于在心脏(一般地示为方框6)附近直接接触用户5的皮肤4。
在图1的实施方式中，将电极3.1、3.2集成到胸带7中，该胸带7用于将所述电极3.1、3.2适当放置在心脏6附近。
电极3.1、3.2连接到放大器8，该放大器的输出连接到低通滤波器9。低通滤波器9进一步连接到模拟/数字转换器10，将该模拟/数字转换器10包括在蓝牙模块11中，例如由本发明的申请人制造的蓝牙模块BGB203中。
除了模拟/数字转换器10，蓝牙11还包括实现了蓝牙协议13的通信处理器12。此外，通信处理器12实现信号处理装置14，稍后将详细地解释其功能。
此外，如图1所示的蓝牙模块11具有连接到外部天线16的RF(射频)前端15。设计所述天线16用于将无线信号传送T给外部设备17，例如移动电话、手持计算机、PC等。
在图1的实施方式中，也将元件8-16优选集成到胸带7中，由此得到根据本发明的设备2的一种紧凑而易持的设计。
在根据本发明的上述心跳监测系统1的操作过程中，电极3.1、3.2拾取用户5的心脏6的ECG信号S0。电极3.1、3.2根据信号S0生成各个ECG信号S11、S12(此后共同地称为信号S1)，将这些ECG信号馈送给放大器8以便放大通常较小的ECG信号。然后将所放大的ECG信号S1’馈送给低通滤光器9以便进行滤波，由此生成信号S1”，将其馈送给模拟/数字转换器10的输入。模拟/数字转换器10根据该ECG信号生成以数字信号S2的形式的采样数据，并馈送所述数字信号S2给通信处理器12。
如上所述，基于蓝牙的无线通信通常采用的通信处理器12实现信号处理装置14。以这种方式，通过应用数字信号处理从采样数据提取指示用户的心脏6的跳动的ECG信号中的峰值，所述数字信号处理是借助于所述信号处理装置14在通信处理器12上实现的。利用所述信号处理装置14，通信处理器12确定后续心跳之间的各个时间间隔，计算所述(适当平均的)时间间隔的倒数即心率，并且根据蓝牙协议13经由RF前端15和外部天线16以信号S2’的形式发送出相应的心跳相关信息，该蓝牙协议13也在通信处理器12上实现。
以这种方式，分别根据本发明的心跳监测设备2和心跳监测系统1不需要附加的微处理器来处理所述ECG信号，即从所述ECG信号导出的信号S2。与此同时，根据本发明的设备和系统提供对已知的可佩带心跳监测器的替代物，这些已知的可佩带心跳监测器采用非标准的低频传输技术，这些技术需要特殊的接收器，例如腕表，而非外部设备17，该外部设备可以是能够进行基于蓝牙的通信的任何设备。
特别地，由于当前大部分移动电话都包括蓝牙无线链路，本发明允许使用移动电话来显示例如心率的生命体征，其由如本文件所述地装配的胸带拾取。作为替代或附加地，在本发明的背景中能够实现/支持与PC(未示出)的直接(电偶)接口。
以这种方式，本发明解决了提供可靠的心跳监测而不需要附加的硬件开支且不依赖于非标准传输技术的问题。
图2示出根据本发明的方法的实施方式的流程图。
该方法开始于步骤S100。在后续步骤S102中，如上详细所述，借助于适当放置的电极发送用户的ECG信号。然后在步骤S104中，将所采集的较小ECG信号放大，紧接着在步骤S106中进行适当的低通滤波。
然后在步骤S108中，将经放大和滤波的ECG信号输送给模拟/数字转换器以便以数字信号的形式提供采样数据。
在步骤S110中，将所述数字信号提供给在通信处理器上实现的数字信号处理装置，以便从其中提取信息，该信息对应于原始ECG信号中指示用户心跳的峰值。此外，在步骤S110中，根据心跳序列计算用户的心率。
在后续步骤S112中，将所计算的心跳相关信息(即心率)馈送给RF前端以便根据蓝牙协议进行传输。
接着步骤S114中的传输，在后续步骤S116中，所述信息由外部设备接收，该外部设备可以是能够经由蓝牙协议接收数据的任何设备。
在后续步骤S118中，将所述接收的数据显示在外部设备上，且该方法结束于步骤S120。

Claims (10)

1、一种心跳监测设备(2)，包括：
-许多电极(3.1，3.2)，其用于感测用户(5)的ECG信号(S0)，
-信号处理装置(14)，其用于处理从所述ECG信号导出的信号(S2)并适于从所导出的信号提取与所述用户的所述心跳相关的信息，
-标准化无线通信模块(11)，其用于将所述心跳相关信息传输给外部设备(17)，
其中，在所述标准化无线通信模块(11)的通信处理器(12)上实现所述信号处理装置(14)。
2、根据权利要求1所述的设备(2)，还包括模拟/数字转换器(10)，其用于采样所述ECG信号(S0；S1，S1’，S1”)以提供数字信号(S2)作为所导出的信号。
3、根据权利要求1所述的设备(2)，其特征在于，所述标准化无线通信模块(11)是蓝牙模块。
4、根据权利要求1所述的设备(2)，其特征在于，至少将所述电极(3.1，3.2)集成到要围绕所述用户(5)的胸部佩戴的胸带(7)中。
5、根据权利要求1所述的设备(2)，还包括ECG信号放大和滤波装置(8，9)，将其布置在所述电极(3.1，3.2)和所述信号处理装置(14)之间。
6、一种心跳监测系统(1)，包括：
-根据权利要求1-5中任一项所述的心跳监测设备(2)，
-外部设备(17)，其适于从所述心跳监测设备(2)的所述标准化无线通信模块(11)接收所述心跳相关信息。
7、根据权利要求6所述的系统(1)，其特征在于，所述外部设备(17)是移动电话、手持计算机、PC等。
8、一种向外部设备(17)提供心跳相关信息的方法，所述方法包括：
-感测用户(5)的ECG信号(S0)，
-处理从所述ECG信号(S0；S1，S1’，S1”)导出的信号(S2)以从其中提取所述用户(5)的心跳相关信息，
-利用在通信处理器(12)上实现的标准化无线通信协议(13)将所述心跳相关信息传输给所述外部设备(17)，
其中，对所导出的信号(S2)的所述处理是在所述通信处理器(12)上执行的。
9、根据权利要求8所述的方法，还包括在所述处理之前采样所述ECG信号(S0；S1，S1’，S1”)并将所述ECG信号(S0；S1，S1’，S1”)转换成组成所导出的信号的数字信号(S2)。
10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，处理所导出的信号(S2)包括：
-提取所述ECG信号(S0；S1，S1’，S1”)中的峰值指示，
-根据所述指示确定后续心跳之间的时间间隔，
-计算所述时间间隔的倒数。
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