CN102008300A - 穿戴式多生理参数记录装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体生理参数测量的穿戴式多生理参数记录装置。是由穿戴衣和脉搏波测量单元分别与控制盒连接，控制盒通过蓝牙与智能手机连接构成。通过对脉搏波传播时间参数进行拟合计算，得到血压值。提供了以智能手机为平台的监护软件，实现心电数据和脉搏波数据的实时接收，实现了对心电、血压和血氧这三个重要生理参数的动态测量及记录，血压值和血氧值的实时计算，文件存储、信号波形显示、异常心电信号识别以及远程连接功能。在不需要使用压力袖带的条件下，提供了既适用于医院也适用于个人使用的穿戴式生理参数监测记录装置。该记录装置穿戴方便，测量准确，成本相对低廉。

Description

穿戴式多生理参数记录装置

技术领域：

本发明涉及一种人体生理参数测量装置，尤其是对心电、血压和血氧这三个重要生理参数测量记录装置。

背景技术：

心脏病和高血压等心血管疾病是当前人类面临的首要健康威胁。为实现心血管疾病的早期发现、早期诊断和早期治疗，需要对患者的心电、血压和血氧等重要生理参数进行长时间的连续动态监测。传统的动态心电监测(Holter)方法中使用的氯化银粘性电极容易引起皮肤过敏，并且随着电极导电凝胶体逐渐脱水和干化，信号的信噪比显著下降。而在血压的动态监测中，普遍采用了基于柯氏音听诊法的充、放气压力袖带，当其工作时，会对患者造成突然性刺激，因心理变化产生情绪波动，导致测量结果失准。

CN200910064618.3公开了一种“穿戴式心电电极装置及其制造方法”，在穿戴衣上配置有银质纺织电极，通过导线与外部的测量装置相连，进行心电和体温的长期监测。但该装置不能实现对血压和血氧这两项重要生理参数的测量。

CN200410029796.X公开了一种“非侵入式血压测量装置及方法”，包括袖带式主体部分和非袖带式可分离单元。其工作时，必须通过可分离单元控制主体部分的袖带式测量装置进行血压测量，并根据测量结果，对可分离单元的非袖带式血压测量装置进行校准。由于该装置结构复杂，工作过程烦琐，不便于长时间的携带式使用。此外，该装置的测量对象只是血压这一种生理参数。

CN200710056957.8公开了一种“可穿戴式低负荷生理监护系统”，用于心电、呼吸、体温和体动等生理参数的监测。该系统由可穿戴动态采集衣、病人手持终端和远程医疗服务中心三部分组成，相互之间通过无线的短距离和远程通信两种方式相联。此系统虽然实现了患者在家庭和工作状态下的低负荷生理参数监测，但并没有涉及到血压和血氧这两项重要的生理参数。

现有技术中尚没有将心电、血压和血氧这三项重要生理参数集成到一起的穿戴式测量装置，而且其中针对血压的测量方法均依赖充、放气压力袖带，使用起来非常不方便。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种包括心电、血压、血氧和脉率等重要生理参数的穿戴式多生理参数记录装置

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该装置由穿戴衣、脉搏波测量单元、控制盒以及智能手机四部分组成。穿戴衣用于搭载心电电极，脉搏波测量单元通过光电方法测量人体指端脉搏波信号，脉搏波测量单元与控制盒之间依靠导线连接；控制盒用于对心电信号和脉搏波信号进行模数转换，存储心电数据与脉搏波数据，并通过无线通讯将脉搏波数据与心电数据发送给智能手机；智能手机根据控制盒发送的心电数据和脉搏波数据计算血压值和血氧值，识别异常心电信号，并将相关数据通过GPRS的无线通信方式发送到远程医疗服务中心，同时接收服务中心传回的概括性诊断结果。

穿戴式多生理参数记录装置，是由穿戴衣和脉搏波测量单元分别与控制盒连接，控制盒通过蓝牙与智能手机连接构成。

穿戴衣是由内里设有布线区和信号插头，穿戴衣内里对应左胸处缝有左胸骨柄电极1，对应右胸处缝有右胸骨柄电极2，对应左肋下处缝有左下腹电极3，对应右肋下处缝有右下腹电极4，电极(1、2、3、4)通过布线区经信号插头与手持终端连接，脉搏波测量单元通过数据线与手持终端连接构成。

控制盒通过数据线分别与数据存储模块、心电信号调理电路、无线通讯模块连接构成。

电极(1、2、3、4)是由支撑垫向内粘有硬海绵和由导电织物包裹的软海绵构成，支撑垫缝在穿戴衣内里的相应处，导电织物通过导线与布线区连接构成。

心电信号调理电路设有三个通道：通道一是由左胸骨柄电极1和右胸骨柄电极2连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，通道二是由左胸骨柄电极1和左下腹电极3连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，通道三是由右胸骨柄电极2和左下腹电极3连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，右下腹电极4与模拟右腿驱动电路连接构成。

在现有的智能手机中写入多生理参数监护软件，该软件是由用户命令通过蓝牙连接控制盒，通过TCP/IPGPRS连接远程医疗服务中心。

智能手机处理单元包括以下顺序和步骤：

a、开始→显示界面；

b、驱动蓝牙建立连接，连接不成功返回，重新连接；

c、连接成功→接收数据→接收完毕→数据存储；

d、计算生理参数及波形显示→心电诊断结果显示；

e、是否退出或远程连接；

f、远程连接→发送数据；

g、接收远程诊断信息；

h、退出。

有益效果：本发明提供了以智能手机为平台的监护软件，可以实现心电数据和脉搏波数据的实时接收、血压值和血氧值的实时计算、文件存储、信号波形显示、异常心电信号识别以及远程连接功能。通过对脉搏波传播时间参数进行拟合计算，得到血压值。在不需要使用压力袖带的条件下，实现了对心电、血压和血氧这三个重要生理参数的动态测量及记录，提供了既适用于医院也适用于个人使用的穿戴式生理参数监测记录装置。

附图说明：

图1是穿戴式多生理参数记录装置结构框图；

图2是附图1中穿戴衣结构图；

图3是附图2中电极的结构图；

图4是附图1中控制盒结构框图；

图5是附图4中心电信号调理电路结构框图；

图6是脉搏波传导时间PWTT的示意图；

图7是附图1中智能手机的多生理参数监护软件结构框图；

图8是附图1中智能手机软件流程图。

具体是方式：

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：

穿戴式多生理参数记录装置是由穿戴衣、脉搏波测量单元、控制盒以及智能手机四部分组成。穿戴衣用于搭载穿戴式心电电极；脉搏波测量单元通过光电方法测量人体指端脉搏波信号，脉搏波测量单元与控制盒之间依靠导线连接；控制盒用于对心电信号和脉搏波信号进行模数转换，存储心电数据与脉搏波数据，并通过无线通讯将脉搏波数据与心电数据发送给智能手机；智能手机根据控制盒发送的心电数据和脉搏波数据计算血压值和血氧值，识别异常心电信号，并将相关数据通过GPRS的无线通信方式发送到远程医疗服务中心，同时接收服务中心传回的概括性诊断结果。

穿戴衣采用舒适的棉质材料制作，在其中对应人体的左、右胸骨柄及下腹的左、右肋骨位置，缝有海绵支撑垫，将穿戴式心电电极缝制其上，穿戴电极通过穿戴衣内部布线区中的导线与穿戴衣左下腹部附近的信号插头相连，信号插头通过外接导线与控制盒相连。穿戴式心电电极采用多层结构，与穿戴衣中的支撑垫直接相连的是硬海绵层，它通过粘接层与外层的软海绵层相连，而导电纺织织物作为导电电极，包裹在软海绵上，导电电极侧端接有导线。穿戴衣可以测量三个通道的心电信号，其中：通道I的心电信号由左胸骨柄电极与右胸骨柄电极产生；通道II的心电信号由左胸骨柄电极与左下腹电极产生；通道III的心电信号由右胸骨柄电极与左下腹电极产生。

脉搏波测量单元采用标准的指夹式光电传感器，利用650nm和980nm这两种波长的光源，完成双波长脉搏波信号测量，并将脉搏波信号通过导线传送给控制盒，控制盒通过双波长脉搏波信号计算血氧值。脉搏波信号与心电信号一起，用于动脉血压的拟合和计算。

控制盒是穿戴式生理参数记录装置的核心，由心电信号调理电路、微处理器、数据存储模块以及无线通讯模块4个部分组成。其中心电信号调理电路用于心电信号的放大、滤波。数据存储模块用于存储心电数据和脉搏波数据。微处理用于对心电信号和脉搏波信号进行模数转换，并控制数据存储模块和无线通讯模块。无线通讯模块用于与智能手机进行通讯。

穿戴衣是由内里设有布线区和信号插头，穿戴衣内里对应左胸处缝有左胸骨柄电极1，对应右胸处缝有右胸骨柄电极2，对应左肋下处缝有左下腹电极3，对应右肋下处缝有右下腹电极4，电极(1、2、3、4)通过布线区经信号插头与手持终端连接，脉搏波测量单元通过数据线与手持终端连接构成。

在现有的智能手机中写入多生理参数监护软件，该软件是由用户命令通过蓝牙连接控制盒，通过TCP/IPGPRS连接远程医疗服务中心。

智能手机处理单元包括以下顺序和步骤：

a、开始→显示界面；

b、驱动蓝牙建立连接，连接不成功返回，重新连接；

c、连接成功→接收数据→接收完毕→数据存储；

d、计算生理参数及波形显示→心电诊断结果显示；

e、是否退出或远程连接；

f、远程连接→发送数据；

g、接收远程诊断信息；

h、退出。

一、心电测量

在穿戴衣中对应人体的左、右胸骨柄及下腹的左、右肋骨的位置，缝有海绵支撑垫，将穿戴式电极缝制其上，穿戴电极通过穿戴衣内部布线区中的导线与穿戴衣左下腹部附近的信号插头相连。

电极(1、2、3、4)包括：软海绵、导电织物、硬海绵、支撑垫以及导线。导电织物包裹在软海绵外侧，并与导线相连；导电织物与硬海绵之间依靠粘钩固定；硬海绵与支撑垫之间依靠胶体固定。电极通过穿戴衣布线区内的导线与穿戴衣的信号插头相连，信号插头通过导线与控制盒中的心电信号调理电路相连。心电信号调理电路对原始心电信号进行放大滤波处理，并将处理后的心电信号送往微处理器。

心电信号调理电路包括三个信号通道，如图5所示，心电信号调理电路设有三个通道：通道一是由左胸骨柄电极1和右胸骨柄电极2连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，通道二是由左胸骨柄电极1和左下腹电极3连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，通道三是由右胸骨柄电极2和左下腹电极3连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，右下腹电极4与模拟右腿驱动电路连接构成。模拟右腿驱动电路将共模信号检出并进行倒相放大后，反馈至右下腹电极4，可以有效降低工频干扰。

二、血氧饱和度测量

血氧饱和度是指在全部血容量中，与还原血红蛋白结合的氧容量占全部可结合氧容量的百分比。根据血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光谱曲线分析，在红光和近红外波段(600～1000nm)上，它们具有独特的光谱吸收特性。在红光光谱区，还原血红蛋白的吸收系数远比氧合血红蛋白的吸收系数大；而在近红外光谱区，还原血红蛋白的吸收系数比氧合血红蛋白的小。所以借助光电技术手段，采用光电容积脉搏波扫描方法，使用650nm和980nm这两种波长的入射光源，可以完成人体组织中脉搏波和血氧饱和度的无创测量。

脉搏波测量单元包括光电脉搏波传感器、脉搏波信号调理电路以及光源驱动电路。光源驱动电路输出与光电脉搏波传感器输入端和脉搏波信号调理电路的一个输入端相连；光电脉搏波传感器输出端与脉搏波信号调理电路的另一个输入端相连。

由于光电脉搏波传感器输出的信号是红光和近红外光的复合信号，所以脉搏波信号调理电路中加入了信号分离电路来对复合信号进行分离，以得到红光和近红外光两路测量信号。

血氧饱和度的计算需要从两路交流信号中提取脉搏波的峰-峰值。为此，采用微分阈值法，对脉搏波上具有陡峭上升沿的特征点，通过微分运算加以提取。这样根据脉搏波峰值可以确定脉搏波周期，计算脉率，以及计算脉搏波的峰-峰值。

三、无袖带血压测量

在本发明中，脉搏波传导时间PWTT定义为心电ECG信号的R波峰值传输至脉搏波PPG信号峰值的时间，如图6所示。根据PWTT和动脉血压的相关性，血压的收缩压SBP(Systolic Blood Pressure)可以通过对PWTT进行线性回归分析获得，而舒张压DBP(Diastolic Blood Pressure)与PWTT的相关性不强，需要利用专门的多普勒血流检测仪器，通过测量血管单弹性腔模型的顺应性参数C(Compliance)和血管阻力参数R(Vascular Resistance)，才能够推算出其数值。为了摆脱对多普勒超声血流检测仪器的依赖，利用脉搏波的波形参数来代替这两个物理参数，则可以实现便携式的仪器设计。

1、收缩压测量

当脉搏波沿动脉血管传播时，其传导速度将受到血管弹性、血液粘度和血管壁粘弹特性的影响。对于同一被测对象，可以忽略其动脉内径、血管弹性和动脉厚度的影响，因此，脉搏波传导时间与收缩压呈近似的线性关系，它们的数学关系可以近似表示为

SBP≈a×PWTT+b    (1)

这样，通过回归分析计算，就可以确定常数a和b的数值。

在校正血压数据时，需要使用标准的袖带式血压计，通过最小二乘法，拟合得到a、b的数值，即建立了血压收缩压的数学计算模型。需要强调的是，因为存在测量对象的个体差异，需要通过试验获得各自独立的关系曲线。

2、舒张压测量

根据血管的单弹性腔模型，舒张压DBP和收缩压SBP的关系式可近似表示为

$\mathrm{DBP}\≈\mathrm{SBP}\×e^{T_d/\mathrm{RC}}---\left(2\right)$

式中Td为心跳舒张期，R为血液流动的粘滞阻力，C为血管顺应性。对于固定的测量对象，C几乎不发生改变，而粘滞阻力R则随其生理状态发生改变。由式

(2)得到

$\mathrm{RC}\≈\frac{T_d}{\ln \left(\frac{\mathrm{DBP}}{\mathrm{SBP}}\right)}---\left(3\right)$

为减小计算量，提出了RC项的替代函数Fs(K，T)，其中，T为心跳周期，K定义为脉搏波波形系数，有

$K=\frac{P_m-P_d}{P_s-P_d}---\left(4\right)$

上式中，Pm、Pd和Ps分别为一个心跳周期内脉搏波的幅度均值、波谷值和波峰值。脉搏波波形系数K可以反映脉搏波形态的“尖锐”程度，反映了血管阻力和血管壁弹性等属性。

通过大量实验发现，RC值与KT值的相关系数为-0.78，其绝对值超过0.75，具有很强的线性相关性，所以Fs(K，T)可以近似的表示为KT的线性函数

F_S(K，T)≈m×KT+n        (5)

则舒张压可以表示为

$\mathrm{DBP}\≈\mathrm{SBP}\×e^{T_d/(m\×\mathrm{KT}+n)}---\left(6\right)$

为确定系数m和n，由式(3)、式(5)和式(6)得到

$F_S(K,T)\≈m\×\mathrm{KT}+n\≈\frac{T}{\ln \left(\frac{\mathrm{DBP}}{\mathrm{SBP}}\right)}---\left(7\right)$

与收缩压的校正方法类似，通过标准血压计测量得到多组DBP和SBP数值，对应脉搏波参数K和心跳周期T，利用最小二乘法，就可以拟合得到m，n的数值。

四、智能手机软件设计

智能手机软件以Visual Studio 2005为开发平台，以C#为开发工具，实现心电数据和脉搏波数据的实时接收、血压值和血氧值的实时计算、识别异常心电信号、文件存储、信号波形显示以及远程连接功能。图7为软件结构框图。程序划分为用户命令模块、处理单元模块、心电及脉搏波波形显模块、生理参数计算模块以及异常心电信号识别模块五个主要功能模块。

智能手机软件流程如图8所示。在步骤803至步骤806之间，智能手机通过蓝牙与控制盒建立连接，接收从控制盒发出的心电数据以及脉搏波数据。在步骤807中，软件将所接收到的数据存储到智能手机内的内存卡中。在步骤808中，程序将数据从所储的文件中进行读取，对原始数据进行滤波处理，绘制心电波形和脉搏波波形。通过对心电数据以及脉搏波数据进行参数提取，计算心率、血氧、血压等生理参数，并将计算结果显示在手机屏幕上。在步骤809中通过对心电信号的RR间期变化等相关参数的提取和分析，实现识别心率失常等临床常见心电异常。在步骤811至步骤814中，步骤808和步骤809的计算分析结果将以GPRS无线通信方式发送到远程医疗服务中心，同时接收服务中心传回的概括性诊断结果。

Claims (7)

1.一种穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，是由穿戴衣和脉搏波测量单元分别与控制盒连接，控制盒通过蓝牙与智能手机连接构成。

2.按照权利要求1所述的穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，穿戴衣是由内里设有布线区和信号插头，穿戴衣内里对应左胸处缝有左胸骨柄电极1，对应右胸处缝有右胸骨柄电极2，对应左肋下处缝有左下腹电极3，对应右肋下处缝有右下腹电极4，电极(1、2、3、4)通过布线区经信号插头与手持终端连接，脉搏波测量单元通过数据线与手持终端连接构成。

3.按照权利要求1所述的穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，控制盒通过数据线分别与数据存储模块、心电信号调理电路、无线通讯模块连接构成。

4.按照权利要求2所述的穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，电极(1、2、3、4)是由支撑垫向内粘有硬海绵和由导电织物包裹的软海绵构成，支撑垫缝在穿戴衣内里的相应处，导电织物通过导线与布线区连接构成。

5.按照权利要求3所述的穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，心电信号调理电路设有三个通道：通道一是由左胸骨柄电极1和右胸骨柄电极2连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，通道二是由左胸骨柄电极1和左下腹电极3连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，通道三是由右胸骨柄电极2和左下腹电极3连接到前置放大电路，前置放大电路经滤波电路I、主放大电路、经滤波电路II与电平调整电路连接，前置放大电路通过数据线与模拟右腿驱动电路连接，右下腹电极4与模拟右腿驱动电路连接构成。

6.按照权利要求1所述的穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，是在现有的智能手机中写入多生理参数监护软件，该软件是由用户命令通过蓝牙连接控制盒，通过TCP/IPGPRS连接远程医疗服务中心。

7.按照权利要求1、6所述的穿戴式多生理参数记录装置，其特征在于，智能手机处理单元包括以下顺序和步骤：

a、开始→显示界面；

b、驱动蓝牙建立连接，连接不成功返回，重新连接；

c、连接成功→接收数据→接收完毕→数据存储；

d、计算生理参数及波形显示→心电诊断结果显示；

e、是否退出或远程连接；

f、远程连接→发送数据；

g、接收远程诊断信息；

h、退出。

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