CN101524272B - 一种体表心脏电信号的数字化拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种体表心脏电信号的数字化拾取装置，属于医疗器械领域，采用多路复用并且使用单级单路放大器结构，能采用单路A/D转换器来实现同步12导联体表心脏电信号采集的虚拟仪器结构。本仪器具有隔离通讯部和可拆卸式数据存储器，可以达到相应的医用电气安全标准。本机体积小巧，耗电量低，参照EMC设计、成本低廉，尤其适合家庭普及应用。

Description

一种体表心脏电信号的数字化拾取装置

技术领域

本发明属医疗器械领域，具体涉及一种体表心脏电信号的数字化拾取装置，特别是一种适用于家庭应用的便携式、数字式多导联同步心电图仪。

背景技术

体表心电图是心血管疾病重要的辅助诊断工具，目前临床常见的体表心脏电信号的仪器主要包括非同步(单道)或者同步(多道)的十二导联心电图机、心电监护仪以及动态心电图仪(Holter)。目前这类仪器主要应用于医院环境，前两种机器(心电图机、监护仪)的体积、重量、功耗仍然较大，难以做到掌上消费电子产品水平，同时复杂的机电结构使得其生产、调试的成本居高不下，所以这一类产品始终只能定位在大型医疗器械市场上。后面一种Holter的体积、功耗控制得较好，相应的，但价格比前两种机器高出许多，一度存在导联数太少，信息量不够大的问题。幸好，随着十二导联同步Holter的出现，使得这一问题得到了解决。但值得注意的是，Holter的工作模式为事后记录回放模式，而前两种仪器是实时描记模式，Holter无法做到让用户在家中一边拾取心电信号另一边在电脑屏幕上同步显示心电图。Holter的这一特性使得其在使用方面有一定局限性。另外，Holter的佩戴工作一般都由医务人员来完成，每次记录完毕后患者都要将这一昂贵的仪器交还医院，而且必须在医院的Holter专用工作站上才能分析数据，这一来回往返，无形中增加了其使用的不便性。

因此，近年来一些学者和工程师提出了家用心电图机的概念，旨在设计出一种，普通消费者买得起、用得起的心电图仪。患者日常携带而行的家用心电图仪，随着因心脏疾病的增加而广泛的普及。以往的家用心电图仪多数可以在用户自觉症状(事件)时测量的心电信号。如：

能够检测分析心电图基本参数的家用心电检测仪(申请号02239896.1)

一种具有心电图检测功能的手机(申请号200410029831.8)

家用心电图机(申请号00120953.1)

新型家用心电图机(申请号200410072719.2)

日本欧姆龙家用心电图机(申请号200410047377.9  优先权2003.6.12 JP2003-167459)

家用电脑的心电人工智能监护装置(申请号02260439.1)

便携式心电监护仪(申请号03210019.1)

但是上述这些家用心电装置普遍存在导联数少，提供的信息量偏少，有些仪器所使用的导联并不是为广大医务人员所熟悉的标准十二导联，因此现有家用心电图仪装置的临床参考价值并不大，有些仪器还存在着一定的安全隐患以及性能缺陷，难以满足临床需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种体表心脏电信号的数字化拾取装置，能够多导联同步采集心电信号，可做到12导联同步采集。本发明能够通过虚拟仪器技术，易懂的向用户提供心电波形信息，并可以通过软件程序对这一数字化的心电波形进行进一步的分析和处理。

本发明的基本心电测量的原理遵从公知的心电理论基础。本发明包括电极部(1)、导联线部(2)、抗除颤电压的保护部(3)、阻抗变换部(4)、右腿及屏蔽层驱动电路(5)、时间常数电路(6)、有源低通滤波器(7)、心电导联电阻网络部(8)、导联切换开关部(9)、差分增幅部(10)、A/D转换与CPU部(11)、隔离通讯部(12)、显示模块(13)、可拆卸式数据存储器(14)、输入部(15)、对外通讯协议转换部(16)、电源模块(17)、通讯线(18)和上位机(19)。

其中1部通过2部跟3部相连；3部与4部相连；4部与5部以及6部相连；5部通过3部与2部，跟1部的RL电极相连；6部通过7部跟8部相连；8部通过9部跟10部相连；10部与11部相连；9、12、13、14、15部与11部分别相连；12部与16部相连；16部通过18部跟19部相连；17部与4、5、7、9、10、11、12、13、14部分别相连。

本发明的1、2、3、4、6、7、8、9、10部使用多路复用结构实现多道心电信号的同步采集，具体来说就是1、2、3、4、6、7、8部为多路模拟信号调理，通过9部的导联切换开关来共用一个差分增幅部。该结构是一种经济的电路结构，能低成本地实现多通道数据同步采集，它能通过导联开关的快速轮回切换来采集多路心电信号，而且只需要用一个放大器和一路A/D就可以实现多通道心电数据同步采集，比起现有技术而言，所用的放大器、信号调理电路及A/D转换器的资源要少得多，因此，本机电路精简，成本低。

本发明在设计时充分考虑了安全性因素，按照相应的国标要求作了隔离和浮地设计，该设计实现了仪器的内部电路与外部通讯端口(外电路)之间的完全电气隔离。特别的，通过电气隔离带传送的是数字信号，这就摆脱了以往由于电气隔离带的非线性所导致的信号失真。

本仪器将所采集的电信号数字化后，由CPU通过隔离通讯部和协议转换部与上位机进行通信，这种通信是双向的，上位机可以向本仪器发出操作指令，本仪器可以根据上位机发出的指令以及输入部的操作控制，向上位机发送数据，也可以往存储器中读写数据。

与现有公开的家用心电图仪技术相比，本发明的优点是：

1.增加了隔离通讯部，该部位于CPU及A/D转换部和对外通讯协议转换部之间；本仪器使用了可拆卸(可插拔)式数据存贮器，而非固定式数据存贮器。所使用的隔离通讯结构和可拆卸式存储器结构使本发明达到相应的医用电气安全标准，该结构可以保证当外部通讯端口(外电路)遭遇一定程度的电击时，不会威胁到内电路以及用户的安全。而本发明的与隔离通讯部与公知的临床常用的热敏纸带记录式心电图机(或类似仪器)[参见图9、图10、图11、图12]相比，又作了如下改进：①采用双光耦或类似结构实现了电气隔离的双向通信，而传统仪器只能做到单向电气隔离通信；②该结构的光耦为高速数字光耦，传送的是数字信号而不是模拟信号，能避免传统光耦隔离电路[图11]由于光耦的非线性而造成的模拟信号线性失真，从而做到了高保真的信号传输(实验表明，即使采用了互补方式的线性光耦，由于元件客观存在的非对称性，仍然不能彻底解决线性失真的问题)；③与高保真的变压器隔离电路[图10]相比，本发明的电路体积小巧，结构简单，易于集成化；④与高保真的集成仪表隔离放大器[图12]相比，则本发明的成本要低得多。

2.采用了多通道分时同步采集的电路结构(即多路复用结构)。现有技术下的家用心电图仪只能采集1～2个导联的心电信号，与之相比，本发明采用了多通道分时同步采集的电路结构，这使本仪器能采集的心电导联数大大增加，可以同步采集多达12导联心电信号，基本达到了经典临床诊断用心电图机的水平，足以满足家用需求。

本发明与现有的临床十二导联单道心电图机[图9]相比，又做了如下改进：

3.本发明对电路布局进行了改动，将时间常数电路、低通滤波器模块放置在了导联电阻网络、导联切换开关和差分增幅部之前。实验表明这一改变可以从根本上解决传统仪器在导联切换时产生的基线跳动现象，本装置在进行导联切换时，不必用[图9]的开关来进行电路闭锁。

4.基于上述改进，本发明选用的导联切换开关为电子多路模拟开关，该电子模拟开关工作在上千赫兹的高速度，而非传统单道12导联心电图仪数秒钟切换一次的低速度，这一改进实现了多道心电信号的分时同步放大采集。

5.本发明中采用了单级放大器设计，而非传统设计中采用的多级放大电路，实验证明这一设计是可行的，而且可以避免公知的多级放大电路共有的缺点，如噪声叠加、漂移叠加、增益误差大等等的缺点。

6.基于上述改进，本发明只需要一个单通道A/D转换器就可以实现多通道心电数据同步数字化采集，电路成本大大降低。

7.本发明减少了1mV定标电路模块，现有技术一般将其安放在差分增幅部的输入端。由于本机采用了单级放大器设计的电路结构，其放大增益误差大为减少，其放大误差可以由电路设计予以保证。减少这一电路，可以降低差分增幅部的电路复杂程度，提高其可靠性。必要时，本仪器可以通过外标法，进行软件定标。

附图说明

结合附图进一步说明本发明的结构：

图1为本仪器的整体结构示意图。

其中，1.电极部 2.导联线部 3.抗除颤电压的保护部 4.阻抗变换部(亦称缓冲器)5.右腿及屏蔽层驱动电路 6.时间常数电路 7.有源低通滤波器 8.心电导联电阻网络部 9.导联切换开关部 10.差分增幅部 11.A/D转换与CPU部 12.隔离通讯部13.显示模块 4.可拆卸式数据存储器 15.输入部 16.对外通讯协议转换部17.电源模块 18.通讯线 19.上位机。

其中：RA右手、LA左手、LL左腿、RL右腿、V1～V6分别指的是V1、V2、V3、V4、V5、V6导联电极。应该指出的是，这些电极的名称是根据公知的Einthoven以及Wilson导联体系定义的，在实际使用过程中，用户可以按照实际需求进行自定义。

图2是说明抗除颤电压的保护部的基本结构原理。

图3是说明时间常数电路的基本结构原理。

图4是说明屏蔽层及右腿驱动基本结构原理。

图5是标准十二导联电阻网络的基本结构原理。

图6是Frank导联电阻网络的基本结构原理。

其中：各电极标志含义为：I-右腋中线，A-左腋中线，E-前中线，M-背部中线，C-前中线和左腋中线之间45°处，F-左腿，N-右腿，H-颈背后偏右1cm处。

图7是双向隔离通讯部的基本结构原理。

图8是电源模块的基本结构原理。

图9是传统热敏纸带记录式心电图机总体基本结构原理。

图10是变压器隔离装置的基本结构原理。

图11是线性光耦隔离装置的基本结构原理。

图12是仪表隔离运算放大器在生物医学仪器领域的应用示意图。

图13是本发明测得的心电模拟发生器波形。

图14是本发明测得的健康人12导联同步心电图。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施方式，参考附图进行详细说明。并且，在本实施方式中，以十二导联心电图为例，说明其工作方式，但是，公知的，心电图机和其他电信号放大仪器(如脑电图机)的原理基本相同，且在漫长的发展历史中，除了上述的十二导联，心电图还有一百多种其他导联，本发明的适用范围并不局限于十二导联心电图机，例如也可以是Frank导联的心电向量图机或其他多通道电生理信号放大仪器。

参见图1，按照本发明第一实施例为一种十二导联同步动态心电记录盒(如十二导联    Holter、心电监护仪或类似装置)。其中，电极部(1)、导联线部(2)、抗除颤电压的保护部(3)、阻抗变换部(4)、右腿及屏蔽层驱动电路(5)、时间常数电路(6)、有源低通滤波器(7)、心电导联电阻网络部(8)、导联切换开关部(9)、差分增幅部(10)、A/D转换与CPU部(11)、隔离通讯部(12)、显示模块(13)、可拆卸式数据存储器(14)、输入部(15)、对外通讯协议转换部(16)、电源模块(17)、通讯线(18)和上位机(19)(如PC机或者笔记本电脑，PDA或其他嵌入式设备)

电极部(1)采用的是贴片Ag-AgCl电极或者耐用金属电极，每个电极都紧贴在人体体表相应位置，另一端和相应的导联线相连，导联线为一种屏蔽线，可有效屏蔽外界干扰，屏蔽层接在5部的屏蔽层驱动端子上。导联线的另一端接在仪器的抗除颤电压的保护部(3)上面。抗除颤电压的保护部是用于保护机内电路不被外部导联线上的高能高频电摧毁而设计的同时也在人体与仪器之间形成一个保护带，其基本结构为串联的电阻和并联的电压限幅器以及并联的电容器构成。该保护部与阻抗变换部(4)以及右腿及屏蔽层驱动电路(5)相连。阻抗变换部(4)，也称跟随器、缓冲器，是一种常见的电路单元，其本质为一种电压放大倍数等于1或接近于1，输入阻抗高而输出阻抗低的电路单元，例如射极跟随器、源极跟随器或者运算放大器等等。4部的输出端与5、6部的输入端相连。

参见图4，其中5部由电阻网络和运放连接而成，IC1的同相输入端与一个由3个等值电阻构成的星形电阻网络的中心点相连接，该电阻网路另外三个点分别与4部输出端中来源于的RA、LA、LL的信号线相连，IC1的输出端与屏蔽层以及IC2的反向输入端相连接，用于驱动屏蔽层以及IC2。IC2是用于驱动右腿共模电压的，其输出端连接到3部中的一个限流保护电阻，该保护电阻的另一端通过2部和1部的RL电极连接到人体的右腿。该电路又称右腿驱动电路或共模驱动电路。5部的作用是用来抑制人体的共模电压，同时驱动导联线屏蔽层以达到抗干扰目的。

6部为时间常数电路，该电路结构为一个电容和一个电阻构成的高通滤波电路，它对来自4部相应的信号进行处理，用来抑制电极极化电压及漂移干扰。6部的输出端连接着7部的输入端。7.有源低通滤波的结构为一种公知的、由运放和阻容构成的低通滤波器，按照相应的标准，其-3dB低通截止频率的设定点应大于75Hz。7部的输出端与8部的心电导联电阻网络的输入端相连，连接时各条信号线应连接在同名的电阻网络上。公知的，心电图有百年的历史，期间发展出了一百多种导联，每一种导联就是一种不同的连接方式，就会有相应的电阻网络，本说明书不可能将其一一列举出来，故图5和图6只是展示了其中常用的两个导联电阻网络以便读者理解。8部的输出节点与9部的导联切换开关相连。应该指出的是，本仪器的十二导联同步采集，是可以根据公知的Einthoven以及Wilson心电导联理论，从8个导联通道推算出来的。

9部的导联切换开关采用的是公知的多路模拟开关芯片阵列。这种多路模拟开关的开关速度极快，远高于机械开关，该芯片的受控端与11部的CPU相连，CPU按照预设的程序控制多路模拟开关的动作，从而实现多选一的功能。8部输出的信号按照顺序，依次分时传送到芯片的9部的输出端。9部的输出端与10部的差分增幅部的输入端相连，差分增幅部采用的是集成高增益差分运算放大器，可以将9部的信号作差分放大，该放大器的输出端与11部相连。11部为A/D转换与CPU部，这一部分可以是集成A/D转换器的CPU，也可以由独立的A/D转换芯片和独立的CPU连接而成，其模拟信号输入端与10部的输出端相连，这样就可以把模拟的心电信号转为数字信号以便进一步处理。

与11部相连的部件较多，它与9、12、13、14、15、17相连。9部导联开关的受控端与11部相连，能够在11部的控制下进行心电导联的切换采集。12部是一种具有电气隔离的功能的通信装置，如图7所示的一种光电隔离器，该部与11部连接在一起，使得11部能在电气安全隔离的前提下与外界进行双向通讯。13部是一种显示装置，按照国标，该装置应能指示机器的工作状态，例如电池低电压等，也可以根据需要来显示心电波形。14部为一种可拆卸式存储器，其特征在于存储器通过一个可插拔的插座与11部相连，例如SD卡、MMC卡、CF卡、TF卡、XD卡，或者FlashDisk以及其他便携式存储器。15部为输入装置，其结构为键盘按钮或类似装置，可以向11部输入操作指令。17部的电源有一个受控端，该受控端与11部相连，CPU可以根据需要控制电源部的动作。如图8所示，17部电源采用电池供电，有两个输出端口，其中数字电源部分与11、12、13、14部相连，模拟电源输出部分与4、5、7、9、10部相连。

参见图1，其中16、18、19部为本发明的外电路部分，该部分与1～15部以及17部之间完全电气隔离，其中12部与16部相连，16部的结构为协议转换部，其基本工作原理是将12传来的只能短距离传输的数字逻辑电平(如TTL电平或CMOS电平)转换成能长距离传输的通信协议(如RS-232、RS-485、USB协议)。16部与通信电缆18相连，通讯电缆的另一端与19部相连，通讯电缆既能传送信号，又能提供外电路所需的工作电流。19部上位机为一个计算机或类似装置(如PC机或者笔记本电脑，PDA或其他嵌入式设备)该部可以通过计算机程序与本仪器通讯，对仪器进行控制并对仪器采集来的数据作进一步处理。所设计的仪器已经过试验，详见附图13、14。图13所示的是本仪器测得的心电模拟发生器波形，其中时间轴为0.2S/DIV，测试地点为医院设备科，本机与福田牌热敏纸带式心电图仪对比后，未发现信号失真；图14为本仪器测得的健康人十二导联同步心电波形，测试环境为家庭环境，这些波形均为原始波形，未经过工频滤波器处理。经本院心内科医生判断，本发明的性能可以满足临床需求。

本发明采用的集成电路AD620系列仪表差分增幅放大器、TL084系列缓冲运放、CD4052系列模拟开关、6N137系列光藕、MAX232系列串口协议转换芯片、增强型单片机如C8051系列和其他基本电路单元在《生物医学传感器与检测技术》中的第4、5、6章以及51系列单片机教科书以及各集成电路产品选型手册中均有详细的介绍和示例，教科书中已经充分公开，该领域人员可以方便的在上述系列资料中进行等同意义的变更来实现，这里不再赘述。

参见图1，按照本发明第二实施例为一种十二导联同步静态心电记录盒(如诊断用心电图仪、心电工作站或类似装置)本施例的基本结构与图1中的内容基本一致，其改动之处是在6部。按照相应的国标，诊断用心电图机中6部的电阻电容取值应满足R×C＞3.2秒，以保证低频响应能力。

参见图1，按照本发明第三实施例为一种十二导联同步心电采集模块。本施例的基本结构与图1中的内容基本一致，其不同之处在于省去了14部，也就是说省去了存储功能，采集得来的心电信号通过12、16、18部与19部通信，由19部的软件来进一步处理、分析、储存心电数据。

参见图1，按照本发明第四实施例为一种六道肢体导联同步心电记录盒。本施例与上述的第一施例的内容基本一致，其中不同之处在于对图1中的1、2、3、4、6、7、8、9部做了相应的删减。具体地说就是把其中直接涉及胸导联的信号调理电路也就是直接涉及V1～V6导联的信号调理电路删去，对于直接涉及肢体导联的信号调理电路予以保留。这样做是因为考虑到安放胸导联电极对普通公众有一定难度，其利用率可能不高，因此仅保留了肢体导联电路。

参见图1，按照本发明第五实施例为一种心电向量记录盒。本施例的基本结构与图1中的内容基本一致，其中不同之处在于，将图1中8部的导联电阻网络由原先图5的标准十二导联电阻网络改为图6的Frank电阻网络，这是为了测量心电向量而做的改动。

参见图1，按照本发明第六实施例为一种无线十二导联同步心电遥测装置。本施例的基本结构与图1中的内容基本一致，其中不同之处在于对11部作了改进，按需要可以对12、14、16、18、19部做适当的精简。这是因为，近年来随着电子IC产业的迅速发展，越来越多的单片机及类似中央控制芯片都直接集成了无线射频收发模块，众多笔记本电脑也内置了无线通信设备，如蓝牙、无线网卡等等。因此只要11部选用相应的带有无线射频通信功能的芯片，本发明就能够制成心电无线遥测装置。

参见图1，按照本发明第七实施例为一种与手机或类似电子装置(如PDA个人数字助理)相连的无线十二导联同步心电遥测装置。本施例的基本结构与上述第六施例的内容基本一致，其中不同之处在于，19部上位机为一种通用的便携式远程无线通讯工具(如手机等)，本仪器可以借助GPRS或类似手段与远端基站通讯。这是因为，按照目前的科技发展水平，上述第六施例的无线通信装置只能进行几百米范围内近程无线通信，做多只能满足楼宇级心电遥测，如果需要更远距离的遥测，就需要和移动电话或类似基站建立通信联系。当然，随着科技的发展，如果未来11部可以直接和移动电话或类似基站通信的话，19部亦可省去。

参见图1，按照本发明第八实施例为一种多通道电生理信号采集、记录装置。本施例的基本结构与图1中的内容基本一致，其中不同之处在于省去了8部，10部改为程控增益放大器。这样，本仪器可以作为一种通用电生理信号放大器供基础科研使用(如实验动物的体表心电图)。

应被认为的是，这次公开的实施方式是对所有方面的例示，并不是限制性的。表明本发明的范围不是根据上述说明，而是根据权利要求的范围示出，包括与权利要求的范围同等的意义及在范围内的全部的变更。

Claims (6)

1.体表心脏电信号的数字化拾取装置，其特征在于，包括电极部(1)、导联线部(2)、抗除颤电压的保护部(3)、阻抗变换部(4)、右腿及屏蔽层驱动电路(5)、时间常数电路(6)、有源低通滤波器(7)、心电导联电阻网络部(8)、导联切换开关部(9)、差分增幅部(10)、A/D转换与CPU部(11)、隔离通讯部(12)、显示模块(13)、可拆卸式数据存储器(14)、输入部(15)、对外通讯协议转换部(16)、电源模块(17)、通讯线(18)和上位机(19)，其中所述的电极部通过导联线部与抗除颤电压的保护部相连，抗除颤电压的保护部与阻抗变换部相连，阻抗变换部与右腿及屏蔽层驱动电路以及时间常数电路相连，右腿及屏蔽层驱动电路通过抗除颤电压的保护部和导联线部与电极部的RL电极相连，时间常数电路通过有源低通滤波器与心电导联电阻网络部相连，心电导联电阻网络部通过导联切换开关部与差分增幅部相连，差分增幅部与A/D转换与CPU部相连，导联切换开关部、隔离通讯部、显示模块、可拆卸式数据存储器、输入部与A/D转换与CPU部分别相连，隔离通讯部与对外通讯协议转换部相连，对外通讯协议转换部通过通讯线与上位机相连，电源模块与阻抗变换部、右腿及屏蔽层驱动电路、有源低通滤波器、导联切换开关部、差分增幅部、A/D转换与CPU部、隔离通讯部、显示模块、可拆卸式数据存储器分别相连。

2.按照权利要求1的体表心脏电信号的数字化拾取装置，其特征在于所述A/D转换与CPU部将心电信号数字化后通过可拆卸式数据存储器、隔离通讯部和对外通讯协议转换部，以通讯线或者是无线方式与上位机进行通信及数据交换，上位机使用软件程序对数据进一步处理，实现虚拟仪器的功能。

3.按照权利要求1的体表心脏电信号的数字化拾取装置，其特征在于，所述的隔离通讯部具有双向隔离高速通信功能。

4.按照权利要求1的体表心脏电信号的数字化拾取装置，其特征在于，电极部、导联线部、抗除颤电压的保护部、阻抗变换部、时间常数电路、有源低通滤波器、心电导联电阻网络部、导联切换开关部、差分增幅部使用多路复用结构，并在心电导联电阻网络部、导联切换开关部和差分增幅部之前放置时间常数电路、有源低通滤波器，其中导联切换开关部是高速电子多路模拟开关结构。

5.按照权利要求4的体表心脏电信号的数字化拾取装置，其特征在于，采用多路复用结构，使用单级单路放大器并且能采用单路A/D转换器实现多路信号同步采集。

6.按照权利要求1的体表心脏电信号的数字化拾取装置，其特征在于，在差分增幅部的输入端减少了1mV定标电路。

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