CN101653359A - 项链型心电及温度信息检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非黏贴式心电及温度信息检测器，其包括：(a)一个心电检测电极、一个心电参考电极以及一个温度传感器，三者由一环型导线连接，且此三者并非以黏贴方式固着于皮肤表面；(b)一个信息处理装置，负责处理经由前述电极或传感器所得到之心电/温度电子信息；(c)一个无线收发器，发送经过处理的心电及/或温度信息至远程接收装置或接收与远程装置之数据；以及(d)一个电力供应装置，供应此检测器运作所需之电力。此检测器改善以往黏贴式电极使用上的不舒适感，且检测方便外型又美观，增加受测者或病患使用意愿，使心电体温监测有机会普及至成为居家照护或照顾用品。

Description

项链型心电及温度信息检测器

技术领域

透过微型生理信息无线发射检测器、同步发射接收技术、同步存录技术、生理信息检测技术与睡眠分析算法等技术的整合，吾人可以实现一种完全无导线，使用简便、可随时监测而且分析正确的生理信息记录系统，可用在长期正常人睡眠质量及循环疾病的评估，与长期病人睡眠障碍诊断等用途。或是用在长期安眠药的药效评估、各类药物对睡眠及自主神经功能副作用的评估、各种养生保健对睡眠及自主神经功能的改变、各种健康食品对睡眠及自主神经功能的改变、老人身体状况评估、新生儿睡眠问题筛检等等。

背景技术

非侵体诊断技术的发展

医学进步，一日千里，统分为结构学与功能学。于功能学方面，生理学家已发展了各种的方法量测身体每一处器官与组织的功能。几百年下来几乎每一个器官的功能都有对应的方法可以测量和诊断。但以往的发展以探知为主要考虑，着眼于信息测量的精确。为了达到这个目标，往往运用许多侵体的工具与技术，譬如心导管检查之操作必须伸一个管子经由动脉到达心脏，除了痛苦外，也相当危险，这方面技术较无法顾及受试者的感受。在侵体技术发展到极致之今日，有另一种观念逐渐形成，就是非侵体诊断技术。相对于侵体技术之痛苦特性，非侵体技术只考虑非侵体的方法，采取无痛无伤害的工具和技术，以测量和诊断身体脏器的功能。由于无法侵体，往往无法得到最精确的生理信息，在以前时常无法得到令人满意的准确性与实用性，最多也只是美好的梦想而已。但近年来，信息检测与处理的技术已大幅进步，尤其在软件工程上的成就，吾人已可以藉由计算机强大运算力弥补非侵体技术的弱点，得到有实用价值的分析结果。心率变异性(Heart Rate Variability)(Anonymous 1996，Circulation 93：1043-1065.)分析即可作为一个非侵体诊断技术代表。HRV分析可藉由体表的电极测量心电信息，经由繁琐的数字信息处理之后，得到自主神经功能的定量指针。本研究群利用这套技术已成功诊断麻醉深度(Yang et al.1996，AmericanJournal of Physiology 270：H575-H582.)、脑死(Kuo et al.1997，AmericanJournal of Physiology 273：H1291-H1298)、重症预后(Yien et al.1997，CriticalCare Medicine 25：258-266.)、老化(Kuo et al.1999，American Journal ofPhysiology 277：H2233-H2239)、性别差异(Kuo et al.1999，American Journalof Physiology 277：H2233-H2239)等功能或疾病。考虑受试者的方便与舒适，非侵体技术仍有很大的发展空间。

另外，体温信息一向是重要的健康指针，心电信息外加体温量测一直是我们设计检测器能经常并存的两种重要生理信息。

非侵体诊断技术发展的关键

非侵体诊断技术包含两大部门，其一是检测器，其二是数字信息处理。而检测器之开发可谓此技术之上游源头，若无合适之检测器，再精良的数字信息处理皆无用武之地。即使有精准之检测器，如果使用方式不方便也会使非侵体诊断技术让受测者方便与舒适之目标大打折扣。所以如何设计一个能同时俱备功能、舒适与方便特性的检测器就成为非侵体诊断技术发展的关键。

无线生理信息检测系统建立的重要性

(1)目前的生理信息长期检测系统是建筑在传统的有线传输技术之上，受试者必须在身体上贴上许多电极，这些电极再经过导线连接到放大器之后再进行模拟数字转换，再进行数字信息处理，使用上其实相当不方便，因为受试者身上必须布满接线，所以行动受到很大限制，如此便会很难应用在生活的警示作用。

(2)另许多测量方式不易，需要非常专业的技术人员，花很多时间训练后，才能够很顺畅的执行所有生理现象检测，不易于方便使用。

(3)最近有一些厂商陆续开发出来无线系统，但目前大部分的无线系统还是摆脱不了导线的限制，大部分的系统电极仍然必须经导线连接到主机，经放大及模拟数字转换系统后，再经由微控制器将数字信息进行无线发射。整个系统仍然需要导线连接，虽然对于使用者的方便性有所改善，可是这些导线仍然造成使用者的一些行为限制，而导线本身也是各种噪声的来源。此外，大部分仪器的机型体积过大，不易携带。

欲解决之问题

近年来数字诊断技术不断突破创新，已发展到能利用心电信息，经过数字信息处理之后，得到身体自主神经活性的定量值。许多生理电信息测量，为使测量信息准确，大都使用导电贴片，黏贴于使用者身上，但长期黏贴贴片会让使用者的皮肤产生过敏，或是各种不舒服，并经常需要更换而造成使用不方便，若使用在非病人而仅作为长期照护或照顾用，使用者恐怕有很多机会会因为节省开支或为减少不舒服而不再使用，这样便会失去长期照护效果。若能以生活上常用的项链方式将非侵体诊断仪挂于颈部，并设计美丽的外观，让使用者在需要时安静不动或稍加固定此电极一段时间，并以无线传输方式进行生理信息的传送，将能促进前述非侵体诊断技术之实用性且可长期佩戴，而达到真正的照护或照顾用。

发明内容

本发明系有关于一种项链型非黏贴式心电及温度信息之检测器，其包括：(a)一个心电检测电极、一个心电参考电极以及一个温度传感器，三者由一环型导线连接，且此三者并非以黏贴方式固着于皮肤表面；(b)一个信息处理装置，负责处理经由前述电极或传感器所得到之心电/温度电子信息；(c)一个无线收发器，发送经过处理的心电及/或温度信息至远程接收装置或接收与远程装置之数据；以及(d)一个电力供应装置，供应此检测器运作所需之电力。

本发明检测器中检测心电信息之方式系以二电极输入法为原理，利用一心电检测电极检测皮肤表面之微弱心电位信息，再与一固定电位的心电参考电极做比对即可得出心电变化。本发明检测器中的心电检测电极系以直接接触皮肤表面，或是以非直接接触皮肤表面之感应方式来检测电位信息，而心电参考电极则作为检测与放大心电信息的参考标准。

本发明检测器中的心电参考电极与心电检测电极分别置于一环型导线及一个与该环型导线相连接的坠饰，且此环型导线及坠饰可以有各种造型。更进一步地，本发明检测器中置于环型导线的电极系为该环型导线本身或是环型导线上的一导电片；而置于坠饰的电极可为具有导电性质的坠饰外壳本体，或是置于有/或无导电性坠饰外壳的内部。前述具有导电性之坠饰外壳可为金属，或是将塑料外壳作表面加工，例如电镀金属、涂上导电漆、石墨或碳纤维等导体。

本发明检测器中检测温度之方式系利用热电阻效应、热电式效应、PN结热电效应或任何非侵入式检测温度的电子原理来检测。

本发明检测器中的信息处理装置系包括：(a)信息放大器，用以将所测得的心电及/或温度之电子信息强度放大；(b)滤波器，用以筛除所测得的心电及/或温度之电子信息中的噪声，可为高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器；以及(c)模拟/数字转换器，用以将心电及/或温度之电子信息由模拟信息转变为数字信息。

本发明检测器中的无线收发器除可发送所检测之信息外，亦可接收由远程装置传入之信息。上述无线收发器所使用之传输接口系为无线电、WLAN、红外线、蓝芽、无线射频、GSM、PHS、CDMA或任何无线通讯协议。

本发明检测器中的电力供应装置系为具有蓄电力之装置。更进一步地，该电力供应装置为电池。

本发明检测器中的信息处理装置、无线收发器、电力供应装置可同时或分别置于一个或多个坠饰内。

本发明之检测器可进一步地包括一信息储存装置，用以储存经信息处理器处理后的电子生理信息。更进一步地，该储存装置为随机处理内存(Random Access Memory，RAM)或任何可储存电子信息之装置。

本发明之检测器的大小就如同一般项链，且利用非黏贴式电极设计可方便使用者长时间配戴并减少不舒适感，当有需要量测心电信息时，仅需安静不动或稍加固定电极使之接触下方皮肤约一段时间使信息完整即可。同时，本检测器更可融入设计元素于其中，使检测器造型更为美观大方，增加使用者之接受度。

由于人体表面之心电信息十分微弱，且信息强度有由心脏位置往肢体末端逐渐衰减之趋势，因此本发明检测器通常穿戴于颈部，利用垂下之坠饰接触于胸前来检测胸前较强的心电信息。不过本发明仍可使用于身体的其它部位，例如四肢。

附图说明

图1为本项链型心电及温度信息检测器之装置图。心电参考电极独立于环型导线上之型式。

图2为本项链型心电及温度信息检测器之装置图。心电参考电极与环型导线设计成一体之型式。

图3为本发明实际穿戴于使用者身上之示意图。

图4为本发明之运作电路示意图。

图5为利用图1形式之检测器进行无线测量所得之心电信息，并将数据进行频谱分析，所得到各项心率变异性定量信息。

具体实施方式

以下实施实例进一步说明本发明。它们仅用于说明本发明，并阐明本发明特定实施例的各种优点，但不表示本发明只局限于此种方式呈现。

信息检测端(本发明之检测器)

1.检测器

如图1所示，本检测器由一个心电检测电极、一个心电参考电极、一个温度传感器以及一个运算中心(包含信息处理装置、信息储存装置、无线收发器以及电力供应装置)所构成，其中温度检测电极以及运算中心置放于坠饰内，心电检测电极置放于坠饰表面，而心电参考电极则置放在环型在线。这些单独的零件由一个项链式的导线整合在一起。另外，本检测器也可以图2方式呈现。

2.使用方法

如图3所示，本检测器可以套在颈部，心电参考电极可置于颈部后方(图1)，或是设计成项链练条(图2)的部份，与颈部接触；心电检测电极及温度传感器则是置于胸前。项链的设计不但能固定电极使之不致脱落，也提供电极与颈部和胸部之间良好的接触。

3.心电收集

两端之电极构成电位信息收集的基本回路，为了减化使用方法并增加可靠度，本心电收集器采用二电极输入法，但二电极输入比三电极差分输入有较严重之噪声干扰问题，这个问题可以运用适度之滤波线路与光隔离线路予以克服。譬如本例即采用本发明人先前专利之放大器线路(中华民国新型专利『心率变异分析心电转换器』，申请案号：87200683，证书号：149299)放大二电极之心电输入，并得到实用讯噪比(signal/noise ratio)之波型。由于项链型心电及温度信息可能会因为使用者移动而断断续续，所以需要使用者有量测需求时，安静不动或稍加固定检测器使信息稳定一段时间。或以特殊方法，特别针对噪声作处理。

4.体温量测

在检测心电时，皮肤表面之热能也同时会传导至温度检测器。此例中所用之温度检测原理系与一般常见之电子体温计测量原理相同，系透过热感应所造成之电压、电阻或电流之变化来将温度信息转换为电子信息。

5.信息处理、储存、传输(微运算、滤波、放大)

请参阅图4之运算示意图。经由心电检测电极所获得之电子信息首先通过输入级滤波器滤除噪声以增加讯噪比，之后心电信息再经由一差分放大器以参考电极为基准进行差分放大以产生一放大之信息，该放大之信息再经由一输出级滤波装置滤除噪声以利进行模拟数字取样。另温度传感器所测得之信息也经滤波及放大。上述两信息接着再通过模拟/数字转换器进行模拟至数字转换，转换成数字生理信息后，再经由微运算处理单元整合运算。该处理后的信息可先暂存在信息储存装置中，或继续通过调变/解调变器(modulator/demodulator)调变为一调变生理信息后透过无线收发器传输至远程信息接收装置。同时，该无线收发器亦可接受远程接收装置所发出之无线回馈信息。

信息分析(接收本发明之信息的外部接收仪)

1.信息接收

本实施例所采用之远程信息接收端为一具有红外线连接端口之个人计算机，该计算机拥有下列信息处理分析之功能。

2.心跳辨识

数字化之心电信息进行下列处理(Kuo et al.1999，American Journal ofPhysiology 277：H2233-H2239)。首先以尖峰检测程序将每次心跳波动之最高点找出，作为每次心跳之代表。从每个心跳代表尖峰中，计算机程序测量其高度和持续时间等参数，并将各参数之平均值和标准差算出作为标准模版。接下来每个心跳都以此模版进行比对，如果某一心跳之比对结果落在标准模版三个标准差之外，将被认为是噪声而删除。接下来将邻近两个心跳尖峰之相隔时间测出作为该次之心跳之周期。将所有心跳周期之平均值和标准差算出，再进行所有心跳周期之确认，如果某一心跳周期落在三个标准差之外，它也会被认为是噪声或不稳定信息而滤掉。通过此辨识程序的心跳周期序列将进行后续分析。

3.频域分析

将所有合格之心跳周期序列以7.11Hz之频率进行取样与保值程序以维持其时间连贯性，频谱分析采用傅立叶方法。首先消除信息的直线飘移以防止低频带的干扰，亦采用Hamming运算以避免频谱中个别频率成份之互相渗漏(leakage)。接下来取288秒之数据(2048点)施行快速傅立叶转换(fast Fourier transform)得到功率密度频谱，并对取样与Hamming运算造成之影响进行补偿。

心率变异之功率密度频谱藉由积分的方式定量其中2个频带之功率，包括低频(low-frequency，LF，0.04-0.15Hz)和高频(high-frequency，HF，0.15-0.4Hz)功率。同时求出总功率(total power，TP)、低频/高频功率比值(LF/HF)等量化参数。这些参数并经由对数转换以达到常态分布。

图5为使用本发明之图1型式进行无线测量所得之心电信息后，经由远程仪器以上述分析处理方法所得到的心率变异性定量信息。

4.频域分析之判读

根据申请人之经验(Kuo et al.1999，American Journal of Physiology 277：H2233-H2239；Kuo et al.1997，American Journal of Physiology 273：H1291-H1298；Yang et al.2000，American Journal of Physiology-Heart andCirculatory Physiology 278：H1269-1273；Yien et al.1997，Critical CareMedicine 25：258-266.)及欧美心脏内科医师之共识(Anonymous 1996，Circulation 93：1043-1065.)，实验结果以HF和TP为心脏副交感神经活性之指标，并以LF/HF为心脏交感神经活性之指标，而LF则视为交感和副交感神经功能之统合指针。

本发明已经被详细地描述，并且有明显的实例，任何在此领域中其备基本技巧的人都能够使用它及做各种替代、修饰或改善，但很明显地，这些都不能和本发明的精神及发明范围分离。

一个熟知此领域技艺者能很快体会到本发明可很容易达成目标，并获得所提到之结果及优点，以及那些存在于其中的东西。项链型心电及温度检测器是较佳实施例的代表，其为示范性且不仅局限于本发明领域。熟知此技艺者将会想到其中可修改之处及其它用途。这些修改都蕴含在本发明的精神中，并在申请专利范围中界定。

熟知此领域技艺者显然能很快将本文中所揭示之发明作各种不同的取代及改变，而不违反发明的范围及精神。

说明书中提及之所有专利及出版品，都以和发明有关领域之一般技艺为准。在此依照参考数据将所有专利和出版品并至相同范围，如同依照参考资料把每一个被具体且单独地指出的个别出版品合并情形一样。

在此所适当地举例说明之发明，可能得以在缺乏任何要件，或许多要件、限制条件或并非特定为本文中所揭示的限制情况下实施。因此举例来说，本文之每一个实例中「包含」、「至少含有」及「含有」等名词，其中任何一个都可用另外两个来取代。所使用的名词及表达是作为说明书之描述而非限制，同时并无意图使用这类除了任何等同于所示及说明之特点或其部份外的名词及表达，但需认清的是各种不同的改变，有可能在本发明的专利申请范围内。因此，应了解到虽然已根据较佳实施例及任意的特点来具体揭示本发明，但是熟知此技艺者仍会修改和改变其中所揭示的内容，诸如此类的修改和变化仍在本发明之申请专利范围内。

Claims (19)

1、一种非黏贴式心电及温度信息检测器，其包括：

(a)心电检测电极、心电参考电极以及体温传感器，三者由一环型导线连接，且此三者均非以黏贴方式固着于皮肤表面；

(b)信息处理装置，负责处理经由前述电极或传感器所得到之心电/温度电子信息；

(c)无线收发器，发送经过处理的心电及/或温度信息至远程接收装置或接收与远程装置之数据；以及

(d)电力供应装置，供应此检测器运作所需之电力。

2、如权利要求1所述的检测器，其中心电信息之检测方式系以二电极输入法为原理，利用心电检测电极检测皮肤表面之微弱心电位信息，再与固定电位的心电参考电极做比对即可得出心电变化。

3、如权利要求2所述的检测器，其中心电检测电极系以直接接触皮肤表面，或是以非直接接触皮肤表面之感应方式来检测电位信息。

4、如权利要求1所述的检测器，其中心电参考电极系作为检测与放大心电信息的参考标准。

5、如权利要求1所述的检测器，其中心电检测电极与心电参考电极分别置于环型导线及与该环型导线相连接的坠饰。

6、如权利要求5所述的检测器，其中环型导线及坠饰具有各种造型。

7、如权利要求5所述的检测器，其中置于环型导线的电极系为该环型导线本身或是环型导线上的导电片。

8、如权利要求5所述的检测器，其中置于坠饰的电极系为具有导电性质的坠饰外壳本体，或是置于有/或无导电性坠饰外壳的内部。

9、如权利要求8所述的检测器，其中具有导电性之坠饰外壳系为金属，或是将塑料外壳作表面加工。

10、如权利要求9所述的检测器，其中在塑料外壳表面加工之方式为电镀金属、涂上导电漆、石墨、碳纤维或任何导体。

11、如权利要求1所述的检测器，其中温度传感器之检测原理系利用热电阻效应、热电式效应、PN结热电效应、或任何非侵入式检测温度的电子原理来检测。

12、如权利要求1所述的检测器，其中信息处理装置系包括信息放大器，用以将所测得的心电及/或温度之电子信息强度放大；滤波器，用以筛除所测得的心电及/或温度之电子信息中的噪声；以及模拟/数字转换器，用以将心电及/或温度之电子信息由模拟信息转变为数字信息。

13、如权利要求12所述的检测器，其中滤波器系包括高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器。

14、如权利要求1所述的检测器，其中无线收发器所使用之传输接口系为无线电、WLAN、红外线、蓝芽、无线射频、GSM、PHS、CDMA、或任何无线传输接口。

15、如权利要求1所述的检测器，其中电力供应装置系为具有蓄电力之装置。

16、如权利要求1所述的检测器，其中信息处理装置、无线收发器、电力供应装置系同时或分别置于一个或多个坠饰内。

17、如权利要求1所述的检测器，其进一步包括信息储存装置，用以储存经信息处理装置处理后的电子生理信息。

18、如权利要求17所述的检测器，其中信息储存装置系为任何储存电子信息之装置。

19、如权利要求1所述的检测器，其系穿戴于使用者的颈上或是四肢上。

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