CN103876729A - 一种基于光电传感的心电监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电传感的心电监测系统，包括光电传感单元、信号处理单元和显示单元；光电传感单元由激光器、马赫曾德干涉检测模块和光接收器组成。本发明利用电光转换技术对心电信号测量，基于收集的电压信号调制光波导中的光，两支光波导的电压恰好相反；所用的马赫曾德干涉检测模块灵敏度高，具有很大的电压检测带宽，可以对微弱的生理电信号进行检测，故由于电极具有高阻抗的特性，既可以将电极粘贴在人体皮肤的特定部位，对心电信号进行接触式测量；又可以透过衣服对心电信号进行非接触性测量，避免了和人体部位的直接粘贴，适于进行舒适的长期测量。

Description

一种基于光电传感的心电监测系统

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种基于光电传感的心电监测系统。

背景技术

心电信息为人们全面了解人体心脏生理和病理状态提供了重要的依据。在临床，心电图的记录分析，对于日常健康检查，心脏疾病的早期预防，以及疑难疾病的诊治都提供重要帮助。

人体心电信号的主要频率范围为0.05～100Hz，幅度约为0～4mV，信号十分微弱。由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加之体外以50Hz工频干扰为主的电磁场的干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。为了不失真地检出有临床价值的干净心电信号，往往要求心电数据采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。

在心电测量装置使用期间，为了不影响用户从事正常的工作和生活，心电装置需要微型化、便携化、舒适化。传统心电检测装置采用Ag-AgCl电极（中心部分的泡沫材料吸有电解液），这种电极要求很低的接触阻抗，因而通常粘贴在人体特征部位。虽然Ag-AgCl电极在进行心电测量时具有信号性能较高的优点，但这种电极属一次性使用的产品，不能重复使用难于实现对身处社区和家庭条件下的病人和老人的监护，因为在未发病时他们大多数情况是处于自由活动的状态且电极内置电解液，引起皮肤过敏甚至溃烂，因此并不适用于长时间心电测量。

在人口老龄化与亚健康年轻化的大背景下，发展以社区与家庭为主的心脏健康监护是大势所趋。研发新型非接触式心电检测装置，是实现社区与家庭环境下心电信号长时间连续监护的途径之一。近年来，基于容性耦合原理的非接触式心电测量是新型心电测量技术研究的重要分支与研究热点。公开号为CN102657524A的中国专利公开了一种非接触式心电传感器，该传感器基于容性耦合原理，采用圆形双面PCB板电极，一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，另一个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、前端滤波器的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另一个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入连接感应片的输出。双面PCB板电极定位在圆形金属屏蔽盒的敞口端，设有感应片的一面朝向敞口，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。

然而，该类非接触心电传感器应用的主要问题在于其对噪声非常敏感。对此，不少研究人员提出了一系列的抑制噪声的方法，在一定程度上提高了心电信号的检测质量。但是这些方法对于不同的噪声特性和频谱特性，影响不一，特别是在较大的运动情况下，去噪效果难以满足临床需求。另外，通常的心电传感器（粘贴式或非接触式）都有一个电流回路并且有前置放大电路，有可能造成人体伤害，特别是在有些要求无电的环境中是不允许的。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于光电传感的心电监测系统，既可以用于接触性测量也可以用于非接触性测量，抗干扰性能佳。

一种基于光电传感的心电监测系统，包括：

光电传感单元，用于采集人体的心电电压并将该电压信号转化为光信号，进而将所述的光信号转化为反映人体心电信息的心电信号；

信号处理单元，用于对所述的心电信号进行放大滤波以及信号处理；

显示单元，用于对处理后的心电信号进行显示。

所述的光电传感单元包括：

激光器，用于发射激光，并将激光耦合至输入光纤上；

心电采集电极，用于采集人体的心电电压；

马赫曾德干涉检测模块，基于所述的心电电压对输入光纤上的激光进行调制，并将调制后的激光耦合至输出光纤上；

光接收器，用于将输出光纤上的激光转化为反映人体心电信息的心电信号。

所述的马赫曾德干涉检测模块包括：

晶体基底；

薄膜电极组件，镀于晶体基底外表面且通过导线与心电采集电极连接；

光导元件，嵌于晶体基底内部，其一端与输入光纤连接，另一端与输出光纤连接。

所述的光导元件由两支并行的光波导组成，所述的输入光纤在晶体基底入口处被分叉成所述的两支并行的光波导，两支光波导又重新在晶体基底出口处汇聚耦合且与输出光纤连接。

所述的薄膜电极组件由三块薄膜金电极组成，其中一块薄膜金电极布置于两支并行的光波导之间，另外两块薄膜金电极分别布置于两支光波导外侧。

所述的心电监测系统还包括电源管理模块，所述的电源管理模块用于为系统各功能单元提供工作电压。

优选地，所述的电源管理模块连接有电压检测模块，所述的电压检测模块用于检测电源管理模块的电压信息。

进一步优选地，所述的电压检测模块连接有报警指示模块；当电源管理模块提供的工作电压小于一预设值情况下，报警指示模块则实现声光报警，以提示用户对电源管理模块进行充电。

优选地，所述的信号处理单元连接有无线通讯模块，所述的无线通讯模块用于将处理后的心电信号无线传输至用户的智能终端（如PC机、智能手机或平板电脑等），进而在智能终端平台上对心电信号进行显示、存储记录。

所述的晶体基底采用铌酸锂电光晶体。

本发明利用电光转换技术对心电信号测量，基于收集的电压信号调制光波导中的光，两支光波导的电压恰好相反；所用的马赫曾德干涉检测模块灵敏度高，具有很大的电压检测带宽，可以对微弱的生理电信号进行检测，故由于电极具有高阻抗的特性，既可以将电极粘贴在人体皮肤的特定部位，对心电信号进行接触式测量；又可以透过衣服对心电信号进行非接触性测量，避免了和人体部位的直接粘贴，适于进行舒适的长期测量。同时，本发明以光作为测量和传输媒介，无需对传感部件施加任何电压，传感部位无任何的环流电路，使得本发明心电监测系统了适于在电磁环境（诸如核磁共振场合）中进行测量，且光信号在传播过程中几乎无任何信号损耗，也排除了外在电磁干扰，可大大提高系统的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明心电测量系统的结构示意图。

图2为马赫曾德干涉检测模块的结构示意图。

图3为光电传感单元的等效电路图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种基于光电传感器的心电测量系统，既可以用于接触性测量也可以用于非接触性测量，包括光电传感单元、电源管理模块、信号处理单元、显示单元、无线通讯模块；电源管理模块、光电传感单元、无线通讯模块和显示单元均与信号处理单元相连；其中：

电源管理模块用于为心电测量系统各部件提供工作电压，并连接有电压检测模块，电压检测模块连接有报警指示模块；电压检测模块用于检测电源管理模块的电压信息，当电源管理模块提供的工作电压小于一预设值情况下，报警指示模块则实现声光报警，以切断输出电压并提示用户对电源管理模块进行充电。

光电传感单元用于采集人体的心电电压并将该电压信号转化为光信号，进而将光信号转化为反映人体心电信息的心电信号；其包括激光器、心电采集电极、输入输出光纤、马赫曾德干涉检测模块和光接收器；其中，激光器用于发射激光，并耦合到输入光纤；马赫曾德干涉检测模块用于将采集心电电压信号，并基于心电电压信号对激光进行调制，调制的激光耦合到输出光纤；光接收器块用于接收输出光纤传出的调制后激光。整个光电传感单元采用电光转换技术，经历心电电压-光信号-心电信号的转换过程，最终将心电信号传输给信号处理单元，进行后续处理。

信号处理单元用于管理心电测量系统的整个工作流程，并包含有信号处理功能模块，其对采集的心电信号依次进行低通滤波、高通滤波、差分滤波、平方或绝对值、积分处理；信号经过处理后进行存储，并输出到显示单元。

无线通讯模块用于将处理后的心电信号无线传输至用户的智能终端（如PC机、智能手机或平板电脑等），进而在智能终端平台下对心电信息进行显示、存储记录。

作为本实施方式的核心传感元件—马赫曾德干涉检测模块，采用标准的光波导加工工艺，其结构示意图如图2所示。马赫曾德干涉检测模块中，输入光纤在入口处Y型分叉成两支并行的光波导，这两支并行的光波导在出口处重新Y型耦合成一条输出光纤。两支光波导嵌在铌酸锂电光晶体基底中，晶体基底的表面、两支并行光波导之间和两侧，镀上薄膜金电极，用于收集人体的心电电压信号，基于收集的电压信号调制光波导中的光；这种设计，可以让两支光波导的电压恰好相反。

在具体实施过程中，可将两侧的薄膜金电极由引线接地，中间的一片薄膜金电极由引线接出至心电采集电极，而将心电采集电极与人体接触，采集心电电压，这样可以避免薄膜金电极频繁和人体接触容易造成损坏，利于保护核心传感元件。

整个光电传感单元由于采用光学传感元件，具有非常高的输入阻抗，其等效电路可以等效为一个很小的电容（通常为5pF）并联一个很大的电阻（通常为10¹⁴Ω）。一般地，为了保护传感单元，本实施方式在光电传感单元并联一个分流电阻，以降低被损坏的风险，整个等效电路如图3所示。光电传感单元高阻抗的特性可以大大减小人体接触电阻对信号采集的影响，因而使本系统既可以粘贴在人体皮肤上进行接触性测量，又可以透过衣服进行非接触测量。

在本实施方式中，工作电源采用通常的家用交流电源，经电源管理模块进行电流转换后提供给系统各部件。

激光器采用1550纳米波长的连续红外光，马赫曾德干涉检测模块直接贴在人体相应部位的衣服上，用以采集人体心电信号。信号处理单元和存储与显示单元都由一个PC电脑实现，以对系统进行管理和控制。

整个心电测量系统的工作过程如下：

（1）当系统启动后，激光器发出连续红外光，经输入光纤传播至马赫曾德干涉检测模块；

（2）在马赫曾德干涉检测模块中，人体心电电压对光进行调制；

（3）调制后的光经输出光纤传播至光接收器，光接收器将带有心电信号的光重新转化为电信号；

（4）电信号输出至PC电脑，依次进行低通滤波、高通滤波、差分滤波、平方或绝对值、积分处理，得到所需心电信号；

（5）对心电信号存储，并输出到显示单元。

本实施方式实现了基于电光转换技术的安全、可靠、非接触的心电测量。所用光电传感器灵敏度高，具有很大的电压检测带宽，可以对微弱的生理电信号进行检测，提高了检测的准确性。以光作为测量和传输媒介，无需对传感部件施加任何电压，提高了系统的安全性。同时光信号在传播过程中无任何信号损耗，因而无需前置放大电路，排除了外在电磁干扰，提高了系统的可靠性。

Claims (10)

1.一种基于光电传感的心电监测系统，其特征在于，包括：

光电传感单元，用于采集人体的心电电压并将该电压信号转化为光信号，进而将所述的光信号转化为反映人体心电信息的心电信号；

信号处理单元，用于对所述的心电信号进行放大滤波以及信号处理；

显示单元，用于对处理后的心电信号进行显示。

2.根据权利要求1所述的心电监测系统，其特征在于：所述的光电传感单元包括：

激光器，用于发射激光，并将激光耦合至输入光纤上；

心电采集电极，用于采集人体的心电电压；

马赫曾德干涉检测模块，基于所述的心电电压对输入光纤上的激光进行调制，并将调制后的激光耦合至输出光纤上；

光接收器，用于将输出光纤上的激光转化为反映人体心电信息的心电信号。

3.根据权利要求2所述的心电监测系统，其特征在于：所述的马赫曾德干涉检测模块包括：

晶体基底；

薄膜电极组件，镀于晶体基底外表面且通过导线与心电采集电极连接；

光导元件，嵌于晶体基底内部，其一端与输入光纤连接，另一端与输出光纤连接。

4.根据权利要求3所述的心电监测系统，其特征在于：所述的晶体基底采用铌酸锂电光晶体。

5.根据权利要求3所述的心电监测系统，其特征在于：所述的光导元件由两支并行的光波导组成，所述的输入光纤在晶体基底入口处被分叉成所述的两支并行的光波导，两支光波导又重新在晶体基底出口处汇聚耦合且与输出光纤连接。

6.根据权利要求5所述的心电监测系统，其特征在于：所述的薄膜电极组件由三块薄膜金电极组成，其中一块薄膜金电极布置于两支并行的光波导之间，另外两块薄膜金电极分别布置于两支光波导外侧。

7.根据权利要求1所述的心电监测系统，其特征在于：还包括电源管理模块，所述的电源管理模块用于为系统各功能单元提供工作电压。

8.根据权利要求7所述的心电监测系统，其特征在于：所述的电源管理模块连接有电压检测模块，所述的电压检测模块用于检测电源管理模块的电压信息。

9.根据权利要求8所述的心电监测系统，其特征在于：所述的电压检测模块连接有报警指示模块。

10.根据权利要求1所述的心电监测系统，其特征在于：所述的信号处理单元连接有无线通讯模块，所述的无线通讯模块用于将处理后的心电信号无线传输至用户的智能终端，进而在智能终端平台上对心电信号进行显示、存储记录。

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