CN103054571B - 一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统，属于医疗设备领域。主要解决家庭监护中的长期、连续、实时、远程监护的问题。系统中一体化电极和传感器电路利用生物微电子机械技术整合在一起，消除了电极导线，实现电生理信号非接触检测。传感器电路利用变容二极管作心电信号传感器，线圈作呼吸信号传感器，电路具有仪表放大电路的功能。检测信号调制后通过谐振耦合无线传输到相位检测读取电路。相位检测读取电路把接收到的调制信号通过相位检测方式解调，实现心电和呼吸波信号的分离。信号采集存储传输模块在主控制器的控制下，实现对心电和呼吸信号的采集、存储，并通过GRPS或USB方式将信号传输到信息处理平台，实现对心电、睡眠呼吸的监测。

Description

一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统

技术领域

本发明涉及一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统，适用于医疗设备领域。

背景技术

家庭心电监护需长期、连续、实时、远程监护。虽然市场上有着多种便携式心电产品，但很难同时完美地做到上述要求。便携式心电监护仪根据采用的电极可分为粘贴式电极和非粘贴式电极。非粘贴式电极不使用导电膏，将金属电极直接贴在人皮肤上进行测量，再通过有线电话传输到医院监护中心。但测量时间短，仅在病人感觉不适的时候短时间测量，一般几十秒左右。另一类是粘贴式电极，将心电电极固定在皮肤上，用导电膏耦合进行采样，可以连续记录心电信号，信息量较大，但粘贴式电极使用很少能超过4天，皮肤会红、痒，难以忍受，同时导电膏变干和电极表面剥蚀，电极阻抗会随时间发生变化，不适于长期连续不断的监护。这两类设备对心电的监护是短时的，若不在该有限时间内发生心律失常，被发现的概率也是很低的。因此有必要通过相应的监护装置对患者进行长时间的实时监护，记录患者的心电数据，提供给医生及时诊断。由此研发相应的便携式心电监护仪就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：1、心电、呼吸波信号的非接触测量，实现心电、睡眠呼吸监护的长期、连续、实时监测；2、传感器和便携式接收装置的信号无线传输，取消电极导线，解决设备对人日常活动的限制；3、心电和呼吸波信号的远程无线传输，解决人的远程监护；4、构建信息处理平台和专家识别系统，实现相关疾病的自动诊断和报警。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用一体化电极，将作用、相关、地电极整合在一起，消除电极导线。设计一种特殊的LC振荡式传感器电路，利用变容二极管作为心电信号的传感器件，电感线圈作为呼吸信号的传感器件，该传感器电路具有仪表放大电路的特点，对共模信号有抑制作用，对差模信号有放大的作用。利用生物MEMS技术研制一种柔韧性电路，把一体化电极、传感器电路整合在一起，形成一种类似于皮肤的轻薄膜片，受大气压力而黏贴在人皮肤上，不需传统的固定。所检测的电生理信号通过谐振耦合线圈实现信号的无线传输。读取电路把接收到的调制信号通过相位检测的方式解调出来，并通过滤波的方法实现心电和呼吸波信号的分离。便携式接收装置通过GRPS将信号远程传输到信息处理平台或直接通过USB接口拷贝给信号处理平台，通过相关的算法，实现对心电、睡眠呼吸的监测。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统包括以下模块：

S1：一体化电极：采集心电信号；

S2：传感器电路：传感器电路为LC谐振回路，心电信号的变化使得变容二极管电容发生变化，呼吸导致的胸部起伏使得线圈发生形变，从而影响线圈的电感。谐振回路中电感和电容的变化使得回路的谐振频率和相位发生变化，并且通过电磁场空间耦合方式使得读取电路中的谐振回路输出端的电压发生变化；

S3：相位检测读取电路：通过电磁场空间耦合的方式感应传感器电路中电感、电容变化引起的等效阻抗的变化，通过相位检测的方式，把心电、呼吸信号的变化检测出来。然后对信号进行滤波、放大等处理，最后实现心电信号和呼吸信号的分离；

S4：信号采集存储传输电路将信号进行模数转换并存储，最后通过GPRS方式或者USB接口传输给信息处理平台；

S5：信息处理平台根据接收到的信号做出相应的诊断。

进一步，一体化电极设计如下：

摒弃传统的心电导联电极分布方式，将作用电极、相关电极、地电极整合在一起，设计成多环的形式；地电极在最外圈，相关电极在次圈，作用电极在最里圈。电极表面有绝缘层覆盖，不让金属电极和皮肤接触。

进一步，传感器电路主要由LC谐振回路构成，变容二极管用于心电信号的提取、电感线圈用于呼吸信号的提取。系统设计中，将一体化电极和传感器整合在一起，做成类似于皮肤的膜片，可通过大气压力黏贴在人体皮肤上。

进一步，相位检测读取电路主要由压控振荡发生器(VCO)、鉴相电路、滤波器、放大器以及分立电路等构成，具体实现如下：

S31：读取电路接收无线传输的调制后的电生理信号，将其传输给鉴相器输入端，将VCO发生器提供的高频信号通过移相电路传输给鉴相器的另一个输入端，鉴相器对调制的电生理信号进行解调，输出心电、呼吸混合信号；

S32：对鉴相器输出的信号进行低通滤波，抑制噪声和干扰；

S33：对滤波后的信号进行放大处理；

S34：根据心电、呼吸信号的频率差别，通过滤波的方式分离这两种不同的信号。

进一步，接收过程如下：

S41：将处理后的信号进行A/D转换，送入主控制器，经过分析处理后进行数据存储；

S42：通过GPRS无线传输或者USB有线传输的方式把数据传到信息处理平台。

进一步，信息处理平台包括两个方面的内容：

S51：系统本身设计成一个生理信息处理专家系统，自动处理数据，判断数据是否异常；

S52：医生检查数据，判断数据是否异常。

本发明的优点是采用非接触测量技术、生物“MEMS”技术、两级信号无线传输技术，经过有机整合，实现对心电、呼吸波信号的非接触测量，取消了电极连线，解除了监护过程中对人的活动限制，保证了心电、呼吸波的长期、连续、实时和远程监测。采用生物“MEMS”技术制作的传感器膜片非常薄，对皮肤无刺激，通过大气压力直接黏贴在皮肤上；同时，传感器膜片成本低廉，使用类似于“创可贴”。传感器电路采用无线方式进行能量和信号传输，不需要电池供电。取消了电极联线，不会对病人睡眠产生干扰，非常适合睡眠中的婴幼儿心电和呼吸波的长期、实时监护。进一步还可以制成可穿戴式监护系统，用于多参数生理信号长期检测。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的便携式心电、睡眠呼吸监护系统总体框图；

图2为本发明实施例提供的一体化电极原理图；

图3为本发明实施例提供的心电信号、呼吸信号测量原理电路；

图4为本发明实施例提供的传感器电路原理图；

图5本发明实施例提供的整合一体化电极、传感器电路形成的膜片的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的相位检测读取电路框图；

图7为本发明实施例提供的信号采集存储传输电路原理框图；

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例一种新型的心电，睡眠呼吸监护系统进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的系统总体框图，如图所示：本发明的系统框图，由5个功能模块组成：（1）一体化电极102（采集电生理信号）；（2）传感器电路模块103（将电生理信号的变化转换为谐振频率信号相位的变化）；(3)相位检测读取电路模块104（信号解调和信号处理）；（4）信号采集存储传输电路105（把模拟信号转化为数字信号，存储并实现远程传输）；（5）信息处理平台106（数据诊断）。

图2为本发明实施例提供的一体化电极，具体实现功能与原理如下：

没有采取传统的心电导联电极分布方式，而是考虑将作用电极、相关电极、地电极整合在一起。电极设计成多圈的环状形式，地电极在最外圈，其次是相关电极，最里圈是作用电极。作用电极和相关电极在中间，而地电极在外围，面积较大，可以起到平均电势，降低干扰的作用。同时电极表面有绝缘层覆盖，不让金属电极和皮肤接触。

图3为本发明实施例提供的心电信号、呼吸信号测量原理电路图，由读取电路（L₁、C₁）和传感器电路(L₂、C₂)组成。读取电路和传感器电路之间通过电磁场空间耦合方式进行能量和信号的无线传输，传感器电路无需电池电源就可工作。对读取电路而言，传感器电路可等效为阻抗X₂。电感L₂和电容C₂的变化，可影响阻抗X₂。

图4为本发明实施例提供的传感器电路原理图，用于心电信号和呼吸信号的提取，具体实现功能与原理如下：

作用电极和地电极的电势差V_in1加在C₂₁（变容二极管D₁）两端，相关电极和地电极之间的电势差V_in2加在C₂₂（变容二极管D₂）两端。当V_in1和V_in2的电压相同时，其加在变容二极管D₁和D2两端的电压必定一个为正、一个为负，则D₁和D2两端的电压一个增大、一个减小。相应的，D₁和D2的电容值C₂₁和C₂₂的变化相反。整个电路中总的电容趋近于不变。而当V_in1和V_in2的电位相反时，则其加在变容二极管D₁和D₂两端的电压必定同为正或负。则C₂₁和C₂₂同时增大或减小。整个电路中总的电容变化趋大。这类似于差分放大电路，对共模信号有抑制作用，而对差模信号有放大作用。C₂₁和C₂₂的变化最终会引起谐振回路谐振频率f₀的变化。等效阻抗X₂跟着发生相应变化。同样，一体化电极和传感器电路做成了类似于皮肤的膜片，黏贴在人的胸部，当人呼吸时，膜片发生形变，线圈的电感L₂跟着发生变化，引起回路谐振频率f₀的变化。等效阻抗X₂跟着发生相应变化。

图5为本发明实施例提供的整合一体化电极、传感器电路形成的膜片结构示意图。利用生物MEMS技术技术研制一种柔韧性电路，把一体化电极、传感器电路整合在一起，形成一种类似于皮肤的轻薄膜片，受大气压力而黏贴在人皮肤上，不需传统的固定。膜片分为五层：第一层是PDMS（Polydimethylsiloxane聚二甲硅氧烷）层，PDMS无毒，对人体无害，可以长期贴在皮肤上并且对皮肤无刺激，并在皮肤和电极之间起到绝缘作用；第二层为电极层，很薄的一层金属膜；第三层为绝缘层，可以采用PI（Polyimide聚酰亚胺）材料；第四层为传感器电路，主要元件有线圈、电容，变容二极管等；第五层为保护层，也采用PI材料。

图6为本发明实施例提供的读取电路，具体实现功能与原理如下：

读取电路主要采用相位检测方式检测心电信号、呼吸信号的变化。传感器LC振荡电路工作在谐振状态，压控振荡器(VCO)602提供的高频信号工作频率f与传感器振荡电路的谐振频率f₀一致，并保持恒定不变。VCO的一路信号通过移相电路603，相位提前90度，经过波形变换604后送入到鉴相电路605的一个输入端，另一路通过电阻施加到读取电路607(L₁、C₁)的线圈L₁上，再通过电磁场耦合到传感器振荡电路611（见图3）。心电信号和呼吸信号的变化会引起传感器电路阻抗的变化，而传感器谐振回路的阻抗变化会引起其在读取电路端的等效阻抗X₂的变化。鉴相电路的另外一个输入端接在该电阻和耦合线圈之间，检测耦合线圈两端电压V_out1的变化，而V_out1的变化反映了X₂的变化（见图3）。当两个输入端的电压相位相同时，鉴相电路的输出为零；如果不相同，则鉴相电路输出与二输入端信号相位差相关的电压信号。通过后续的滤波606、放大电路610实现对信号的滤波、放大。从读取电路中得到的呼吸波和心电电位信号是混合在一起的。但呼吸波的频率成分比心电信号的频率成分低得多，由分离电路613通过滤波的方式实现二者的信号分离。

图7为本发明实施例提供的便携式电生理信号接收装置，具体实现功能如下：

把放大后的信号702通过A/D转换模块703从模拟信号转换为数字信号，送入嵌入式系统705，经过分析处理后进行数据存储708。便携式接收装置可以有两种方式把数据传输给信息处理平台。一种是无线方式，装置定时把数据通过GPRS（通用无线分组业务）模块706发送出去，或者系统诊断到数据异常时，或病人感觉不适时，将数据也通过GPRS模块发送出去，供医生及时诊断。另一种方式是有线方式，病人把便携式接收装置的所有数据通过USB（通用串行总线）接口707直接转入到信息处理平台。

Claims (3)

1.一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统，其特征在于系统由一体化电极、LC谐振式传感器电路、相位检测读取电路、信号采集存储传输模块、心电、呼吸波信息处理平台五个部分构成；

所述一体化电极将作用电极、相关电极、地电极整合在一起，电极表面有绝缘层覆盖，不让电极金属层和皮肤接触；传感器电路主要是由电容、变容二极管和线圈构成的LC谐振电路，变容二极管的电容变化反映心电信号的变化，线圈的形变反映呼吸信号的变化，并且电路具有仪表放大电路的特点：对共模信号有抑制作用，对差模信号有放大作用；LC谐振式传感器电路对心电、呼吸信号进行调制；一体化电极和传感器电路是通过生物微电子机械技术整合同一膜片上的，膜片可以通过大气压力直接黏贴在人体皮肤上。

2.根据权利要求1所述的一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统，其特征在于：相位检测读取电路和信号采集存储传输电路构成便携式无线接收发送装置；相位检测读取电路主要由压控振荡发生器(VCO)、鉴相电路、滤波器、放大器、信号分离电路构成，传感器电路将调制后的心电、呼吸波信号通过空间电磁耦合方式传输给读取电路，后者将其送入鉴相器的一个输入端；同时，压控振荡发生器提供的高频信号通过移相电路送入鉴相器的另一个输入端；鉴相器将两个输入信号进行比较，解调出心电、呼吸的混合信号，然后滤波器对输出的信号进行低通滤波，抑制噪声和干扰，读取电路中的放大器对滤波后的信号进行放大处理，根据心电、呼吸信号的频率差别，分离电路实现这两种不同信号的分离；信号采集存储传输模块包括模数转换、主控制器、存储、显示和GPRS传输几个模块，分离后的心电、呼吸信号经过两路A/D转换后，送入主控制器，经过分析处理后进行数据存储，并可通过GPRS无线传输或者USB有线传输的方式把数据传到信息处理平台。

3.根据权利要求1所述的一种便携式心电、睡眠呼吸监护系统，其特征在于：所述心电、呼吸波信息处理平台包括两个方面的内容：信息处理平台为一个生理信息处理专家智能系统，通过分析心电信号和呼吸信号的参数指标，同一疾病指标之间的关联性，自动处理数据，判断健康是否异常；医生也可检查数据，判断受检者指标是否异常。