CN103622688B - 一种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，包括：第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极、薄膜可充电电池、信号存储单元、无线充电电感，通过互联导线与心电、心阻抗信号检测控制电路相连接，心电、心阻抗信号检测控制电路检测处理心电、心阻抗信号并进行本地存储和对外传输。这种新传感器可以像创可贴一样附着在人体的心脏附近，同时进行心电和心阻抗的连续实时监测，具有体积小、多功能、可以进行无线充电和无线数据传输，摆脱了传统心电、心阻抗导联线的束缚，便于进行穿戴式监测，采用集成有源干电极进行监测，大大提高了心电、心阻抗监测的舒适度。

Description

一种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别涉及心电、心阻抗监测传感器。

背景技术

健康状况已成为社会大众关注的焦点，心脏疾病是造成人类死亡的三大疾病之一，对心脏病的诊断与研究一直是医学界的一个主要课题。心脏在除极和复极的电化学活动中产生心电场，心电场在人体上产生电位差，这些电位差在体表的测量就是心电图。体表心电信号是心脏电生理状态的反映，心电图机已经成为临床诊断心脏病的主要工具，其中最常用的有12导联心电图机和动态心电监护系统Holter机。

心脏病的发病有很大的偶然性和突发性，一些异常的心电信息只有在某些特殊情况下才出现。因此，有必要对被检测者的心电进行长时间的记录与分析。动态心电监护系统作为一种对心血管疾病进行长期监护的装置，在临床与健康护理中得到广泛的应用。

除了常规心电图外，心输出量以及心室每搏输出量是诊断心血管疾病和血流动力学的重要参数和基本指标。心输出量的测定方法分有创法和无创法。有创法又称心导管介入法，它将一定剂量的指示剂注入到人体胸腔的大血管中，通过探测器测量指示剂在血液中流动的情况推算出心输出量。该类方法被公认比较准确，但操作复杂，需要专业医务人员手术完成，不但给受检者带来痛苦，而且获取数据费时，只能提供间断数据，不能长时间连续重复使用，具有潜在的不安全性。因此，该类方法适用范围有限，检测费用高。无创法是以阻抗法心功能检测仪为代表的方法。阻抗法又称胸电生物阻抗法，它在有创法不能使用的场合(危重病人、轻病人、导管禁忌病人和健康人等)有效地替代了有创技术。它将胸腔作为传感器，借助检测电流，把胸腔内血流变化引起的阻抗变化转换成相应的电压变化，从而得出胸腔内血流随时间的变化情况即血流动力学状态。

由于心阻抗血流图的无创性、简单易测、成本低廉等突出优点，用它进行心功能检查、心肺循环系统疾病辅助诊断、疗效观察等都有重要参考意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器。

为实现上述目的，一种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，主要结构包括；第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极、心电、心阻抗信号检测控制电路、薄膜可充电电池、信号存储单元、无线充电电感通过互连导线和微纳制造技术低功耗集成连接于柔性织物衬底的表面上，其中：

心电、心阻抗信号检测控制电路分别连接第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极、信号存储单元、无线充电电感；

心电、心阻抗信号检测控制电路的电源管理单元与薄膜可充电电池连接，心电、心阻抗信号检测控制电路的电源管理单元以薄膜可充电电池为一次电源，电源管理单元产生不同电压大小的二次电源为第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极和信号存储单元供电；

心电、心阻抗信号检测控制电路的正弦或方波激励电流源连接第一心阻抗激励电极和第二心阻抗激励电极；

心电、心阻抗检测控制电路检测第一心电检测电极与第二心电检测电极输出电压信号的差分信号，形成单导联的心电信号；

心电、心阻抗检测控制电路检测第一心阻抗检测电极与第二心阻抗检测电极输出电压信号的差分信号，经解调和处理得到心阻抗信号；

第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极中的输入阻抗大于10GΩ零增益前置放大器，用于将数百MΩ输入阻抗的心电信号和心阻抗信号转换为输出阻抗小于1KΩ低输出阻抗的心电信号和心阻抗信号；

心电、心阻抗信号检测控制电路的输入端分别与第一心电检测电极1、第二心电检测电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极相连接，对第一心电检测电极、第二心电检测电极之间的电压信号进行差分放大、数字化采集与处理；对第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极之间的电压信号进行差分放大、数字化采集、解调与处理；

心电、心阻抗信号检测控制电路的激励电流源信号输出分别与第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极连接，产生用于心阻抗信号检测的激励电流源信号，所述激励电流源信号用于激发第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极工作；所述激励电流源信号是正弦或方波激励电流信号；

经心电、心阻抗检测控制电路处理，得到的心电和心阻抗信号能通过无线通讯的方式对外传输，确保整个传感器系统对外的密封性；

信号存储单元，用于本地存储心电、心阻抗信号检测控制电路监测处理的心电和心阻抗信号；

无线充电电感与心电、心阻抗信号检测控制电路连接，结合心电、心阻抗信号检测控制电路的充电控制电路对薄膜可充电电池进行无线充电。

本发明的有益效果：

本发明的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器克服了现有动态心电监护传感器和心阻抗监测传感器的体积大、功能单一的不足，实现了心电和心阻抗检测的集成，能实现反映心脏电学功能的心电信号和反映心脏机械功能的心阻抗信号的集成同步监测。本发明可通过微纳制造技术、低功耗集成电路技术和电子织物等技术，研制出基于柔性电子织物衬底的可贴式心电和心阻抗集成监测传感器系统，既可以摆脱传统Holter机导联线的束缚，还可以在实现心电信号监测的同时，采用一个传感器同时实现对心阻抗信号的监测，当采用无线信号传输方式时，由于采用无线充电电感结合心电、心阻抗检测控制电路7的充电控制电路给无线薄膜充电电池充电，整个心电、心阻抗集成监测传感器可以对外不留任何接口，采用完全密封的结构，从而可以大大提高整个传感器系统的可靠性与稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例六电极可贴式心电、心阻抗集成监测传感器结构示意图。

图2是本发明实施例四电极可贴式心电、心阻抗集成监测传感器结构示意图。

图3是本发明实施例两电极可贴式心电、心阻抗集成监测传感器结构示意图。

图4是本发明可贴式心电、心阻抗集成监测传感器在人体表面进行可贴式监测的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示出本发明六电极可贴式心电、心阻抗集成监测传感器结构示意图，可贴式心电、阻抗集成监测传感器由第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6、心电、心阻抗信号检测控制电路7、薄膜可充电电池8、信号存储单元9、无线充电电感10通过互连导线11和微纳制造技术低功耗集成连接于柔性织物衬底12的表面上，其中：

心电、心阻抗信号检测控制电路7分别连接第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6、信号存储单元9、无线充电电感10；

心电、心阻抗信号检测控制电路7的电源管理单元与薄膜可充电电池8连接，心电、心阻抗信号检测控制电路7的电源管理单元以薄膜可充电电池8为一次电源，电源管理单元产生不同电压大小的二次电源为第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6和信号存储单元9供电；

心电、心阻抗信号检测控制电路7的正弦或方波激励电流源连接第一心阻抗激励电极3和第二心阻抗激励电极4；

心电、心阻抗检测控制电路7检测第一心电检测电极1与第二心电检测电极2输出电压信号的差分信号，形成单导联的心电信号；

心电、心阻抗检测控制电路7检测第一心阻抗检测电极5与第二心阻抗检测电极6输出电压信号的差分信号，经解调和处理得到心阻抗信号；

第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6中的输入阻抗大于10GΩ零增益前置放大器，用于将数百MΩ输入阻抗的心电信号和心阻抗信号转换为输出阻抗小于1KΩ低输出阻抗的心电信号和心阻抗信号；

心电、心阻抗信号检测控制电路7的输入端分别与第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6相连接，对第一心电检测电极1、第二心电检测电极2之间的电压信号进行差分放大、数字化采集与处理；对第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6之间的电压信号进行差分放大、数字化采集、解调与处理；

心电、心阻抗信号检测控制电路7的激励电流源信号输出分别与第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4连接，产生用于心阻抗信号检测的激励电流源信号，所述激励电流源信号用于激发第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4工作；所述激励电流源信号是正弦或方波激励电流信号；

经心电、心阻抗检测控制电路7处理，得到的心电和心阻抗信号能通过无线通讯的方式对外传输，确保整个传感器系统对外的密封性；

信号存储单元9，用于本地存储心电、心阻抗信号检测控制电路7监测处理的心电和心阻抗信号；

无线充电电感10与心电、心阻抗信号检测控制电路7连接，结合心电、心阻抗信号检测控制电路7的充电控制电路对薄膜可充电电池8进行无线充电。当只采用无线数据传输时，由于传感器系统采用的是无线充电技术，因此整个传感器系统可以不对外留任何接口，大大提高了传感器系统的可靠性与稳定性。第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6、心电、心阻抗信号检测控制电路7、薄膜可充电电池8、信号存储单元9、无线充电电感10、互连导线11通过微纳制造技术、低功耗集成电路技术和电子织物技术等集成于柔性电子织物衬底的表面，可以实现心电、心阻抗信号的穿戴式集成同步监测。

如图1所示本发明心电、心阻抗集成监测传感器系统中含有的六个物理电极的实施例1，所述六个物理电极是第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6。

如图2所示本发明心电、心阻抗集成监测传感器系统中含有的四个物理电极的实施例2，所述四个物理电极是将第一心阻抗激励电极3与第一心阻抗检测电极5集成为第一个物理电极，第二心阻抗激励电极4与第二心阻抗检测电极6集成为第二个物理电极，各个电极与心电、心阻抗检测控制电路之间的连接关系与功能与实施例一相同，在这里，由于第一心阻抗激励电极3用于连接电流源信号，第一心阻抗检测电极5用于检测微弱电压信号，因此可以将第一心阻抗激励电极3和第一心阻抗检测电极5集成为第一物理电极。由于第二心阻抗激励电极4用于连接电流源信号，第二心阻抗检测电极6用于检测微弱电压信号，因此可以将第二心阻抗激励电极4和第二心阻抗检测电极6集成为第二物理电极。

如图3所示本发明心电、心阻抗集成监测传感器系统中含有的两个物理电极的实施例3，所述两个物理电极是将第一心电检测电极1、第一心阻抗激励电极3、第一心阻抗检测电极5集成于一个物理电极；第二心电检测电极2、第二心阻抗激励电极4、第二心阻抗检测电极6集成于另一个物理电极，实施例3的各个部件之间的连线关系和功能与实施例1和实施例2相同，在实施例2的基础上，由于心电信号与心阻抗信号属于不同的频段，心电信号低于100Hz属于低频信号，心阻抗信号的调制频率一般在几十kHz左右属于中频信号，所以可以进一步将第一心电检测电极1、第一心阻抗激励电极3、第一心阻抗检测电极5集成于一个物理电极，第二心电检测电极2、第二心阻抗激励电极4、第二心阻抗检测电极6集成于一个物理电极。本实施方案不仅减少了物理电极的数量和传感器的尺寸，而且由于共用电极可以减小心电、心阻抗信号检测控制电路7中的数字化AD单元的通道数，因而有利于节约整个传感器系统的成本。

所述传感器能同时实现单导心电和心阻抗信号的集成同步监测，还可以通过增加电极数目实现多导联心电信号与心阻抗信号的集成同步检测。

所述第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6是传统的Ag/AgCl等湿电极，或是干电极。当采用干电极时，虽然采集到的心电和心阻抗信号的信噪比稍差，但有着可以长时间监测，避免了由于Ag/AgCl导电膏引起的皮肤过敏和不适。

所述第一心电检测电极1、第二心电检测电极2、第一心阻抗激励电极3、第二心阻抗激励电极4、第一心阻抗检测电极5、第二心阻抗检测电极6的外形既能做成圆形，或做成方形、菱形和三角形的形状，或由这组形状组合而成的形状。

整个所述可贴式心电、心阻抗集成监测传感器的外形做成方形，或做成倒钝角或圆角的方形、椭圆形状，或由这组形状组合而成的形状。

本发明的心电信号通过检测第一心电检测电极1与第二心电检测电极2之间的电位差，并通过相应的滤波、放大、高分辨率模拟数字转换单元AD进行数字化，进一步进行数字滤波去噪和基线漂移等数字处理以后，通过无线传输单元将采集到的心电信号对外传输。

本发明的心阻抗信号通过相关检测与锁相放大的方法进行检测，在第一心阻抗激励电极3与第二心阻抗激励电极4之间施加一定频率的正弦或方波电流信号，检测第一心阻抗检测电极5与第二心阻抗检测电极6之间与激励电流信号频率相等的正弦电压信号，该电压信号的幅值与心阻抗的大小成正比。

本专利发明的这种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，相对于目前的心电传感器和心阻抗传感器，既摆脱了导联线的束缚，还可以采用一个传感器同时实现反映心脏电学功能的心电信号和反映心脏机械功能的心阻抗信号的实时同步监测。

如图4所示，将可贴式心电、心阻抗集成监测传感器附着在被监护者的心脏附近实现心电、心阻抗信号的同步实时监测。传感器的安放部位和安放角度可以根据不同的监护者实现一定的微调，保证传感器的输出信号的幅度和灵敏度最大。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于包括：第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极、信号检测控制电路、薄膜可充电电池、信号存储单元、无线充电电感通过互连导线和微纳制造技术低功耗集成连接于柔性织物衬底的表面上，其中：

所述信号检测控制电路为心电、心阻抗信号检测控制电路；

信号检测控制电路分别连接第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极、信号存储单元、无线充电电感；

信号检测控制电路的电源管理单元与薄膜可充电电池连接，信号检测控制电路的电源管理单元以薄膜可充电电池为一次电源，电源管理单元产生不同电压大小的二次电源为第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极和信号存储单元供电；

信号检测控制电路的正弦或方波激励电流源连接第一心阻抗激励电极和第二心阻抗激励电极；

信号检测控制电路检测第一心电检测电极与第二心电检测电极输出电压信号的差分信号，形成单导联的心电信号；

信号检测控制电路检测第一心阻抗检测电极与第二心阻抗检测电极输出电压信号的差分信号，经解调和处理得到心阻抗信号；

第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极中的输入阻抗大于10GΩ；

零增益前置放大器，用于将数百MΩ输入阻抗的心电信号和心阻抗信号转换为输出阻抗小于1KΩ低输出阻抗的心电信号和心阻抗信号；

信号检测控制电路的输入端分别与第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极相连接，对第一心电检测电极、第二心电检测电极之间的电压信号进行差分放大、数字化采集与处理；对第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极之间的电压信号进行差分放大、数字化采集、解调与处理；

信号检测控制电路的激励电流源信号输出分别与第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极连接，产生用于心阻抗信号检测的激励电流源信号，所述激励电流源信号用于激发第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极工作；所述激励电流源信号是正弦或方波激励电流信号；

经信号检测控制电路处理，得到的心电和心阻抗信号能通过无线通讯的方式对外传输，确保整个传感器系统对外的密封性；

信号存储单元，用于本地存储信号检测控制电路监测处理的心电和心阻抗信号；

无线充电电感与信号检测控制电路连接，结合信号检测控制电路的充电控制电路对薄膜可充电电池进行无线充电。

2.按权利要求1所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，所述第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极都采用物理电极。

3.按权利要求2所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，将所述第一心阻抗激励电极与第一心阻抗检测电极集成为第一个物理电极，将所述第二心阻抗激励电极与第二心阻抗检测电极集成为第二个物理电极。

4.按权利要求2所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，将所述的第一心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极集成为一个物理电极，及将所述的第二心电检测电极、第二心阻抗激励电极、第二心阻抗检测电极集成为另一个物理电极。

5.按权利要求1所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，所述传感器能同时实现单导心电和心阻抗信号的同步监测，或通过增加电极数目实现多导联心电信号与心阻抗信号的同步检测。

6.按权利要求2所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，所述第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极是Ag/AgCl湿电极，或是干电极。

7.按权利要求2所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，所述第一心电检测电极、第二心电检测电极、第一心阻抗激励电极、第二心阻抗激励电极、第一心阻抗检测电极、第二心阻抗检测电极的外形为：圆形、方形、菱形或三角形。

8.按权利要求1至7中任一项所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，整个所述可贴式心电、心阻抗集成监测传感器的外形为方形或椭圆形。

9.根据权利要求8所述的可贴式心电、心阻抗集成监测传感器，其特征在于，所述方形为倒钝角或圆角的方形。