CN105030219B - 一种多体征参数采集的穿戴装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多体征参数采集的穿戴装置，包括穿戴衣、三个心电电极、生理参数传感节点、运动参数传感节点以及织物导线；三个心电电极均设置在穿戴衣内，且分别位于左胸锁骨下、右胸锁骨下和右腹部；生理参数传感节点安装在穿戴衣的左胸口处，包括生理参数微控制器、生理参数蓝牙通信模块、心电信号模拟前端芯片和温度传感器；心电信号模拟前端芯片的信号输入端通过织物导线与心电电极相连；运动参数传感节点安装在穿戴衣的左腹部，包括运动参数微处理器、运动参数蓝牙通信模块、加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器和气压传感器。该穿戴装置能够实时采集佩戴者的心电、体温、动作姿态等体征参数，且穿戴后体感舒适，具有较好的市场应用前景。

Description

一种多体征参数采集的穿戴装置

技术领域

本发明涉及一种穿戴装置，尤其是一种用于多体征参数采集的穿戴装置。

背景技术

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人体健康监护越来越受到人们的关注。心血管疾病是威胁人类生命健康的主要的因素之一。据统计全球每年约有1750万人死于心脏病，而在我国每年大约有300万人死于心血管疾病，占总死亡原因的41％。因此，心脏系统疾病的防治与诊断是人类健康面临的首要问题和人们关心的重点。心电作为心脏电活动在体表的综合表现，蕴含着丰富的能够反映心脏各部位功能的病生理信息，是评价心脏功能以及诊断心脏病的重要依据之一。此外，体温信号和运动姿态信号也是人们关注的重要健康参数。特别是运动姿态信号可以估计出人体运动状态，并能对如突发摔倒等异常活动事件进行检测。

传统的健康监护仪器具有体积大，成本高，操作复杂，缺乏舒适性等缺点。近年来，随着材料、纺织技术进步，在智能织物材料和传感器集成技术研究上出现了各种穿戴式生理参数监测设备，主要有腕带、胸带、智能衣等。特别是对智能衣物而言，由于衣物是人们日常生活必备用品，不像腕带和胸带长时间佩戴会带来不便和不舒适的感觉，而且衣物贴身穿着，将其设计成传感器在信号采集上具有天然的优势。利用智能织物的物理、化学响应特性，智能衣物可以通过“隐形”的方式方便地收集如体表电势、体温以及压力等生理信号。其中就心电检测而言，就是利用湿性电极采集体表电势，经过处理而得到的。现有的湿性电极由于不能重复利用，属于一次性使用产品，而且长时间佩戴会刺激皮肤，容易引起过敏性皮炎，导致皮肤瘙痒甚至溃烂，其灵敏度和信噪比会随使用时间的增长或是汗液的分泌而下降。

专利CN201010581424.3公开了一种“穿戴式多生理参数记录装置”，穿戴衣通过普通导线与控制盒连接，控制盒通过蓝牙与智能手机连接构成。该智能衣的4个心电电极均采用导电织物电极，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，导线从布线区引出后与控制盒相连。

上述专利存在以下缺陷：导线单独引出，采用的是普通硬质导线，导线在智能衣上分布广且复杂，人在行动时容易受到拉扯，导线触感较硬使得在穿戴衣物时存在一定的异物感，舒适性较差。该导线没有屏蔽功能，易造成噪声干扰或各种信号之间相互干扰，从而降低信噪比。另外，控制盒较大且与衣服分离，通过导线连接放在衣服的口袋里，十分笨重，不便携带。

现有技术中尚没有使用导电织物作为干性电极和导线代替传统湿性电极和普通导线的心电检测装置，而且也没有将心电、体温和运动姿态这三项重要体征参数一起集成到衣物上的穿戴式测量设备。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够采集包括心电、体温、动作姿态等重要体征参数在内的穿戴衣。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多体征参数采集的穿戴装置，包括穿戴衣、三个心电电极、生理参数传感节点、运动参数传感节点以及织物导线；三个心电电极均设置在穿戴衣内，且分别位于左胸锁骨下、右胸锁骨下以及右腹部；生理参数传感节点安装在穿戴衣的左胸口处，且包括生理参数微控制器以及与生理参数微控制器相连的生理参数蓝牙通信模块、心电信号模拟前端芯片和温度传感器；心电信号模拟前端芯片的三个信号输入端通过三根织物导线分别与三个心电电极相连；运动参数传感节点安装在穿戴衣的左腹部，且包括运动参数微处理器以及与运动参数微处理器相连的运动参数蓝牙通信模块、加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器以及气压传感器。

采用在左胸锁骨下、右胸锁骨下和右腹部设置三个心电电极分别采集代替左手、右手以及右腿的心电信号，并由心电信号模拟前端芯片进行放大处理以及生理参数微控制器的带通滤波处理，最终由生理参数蓝牙通信模块上传至监控中心，从而对人体的心电参数进行实时地监控；采用温度传感器能够对人体的体温进行实时采集，并同样由生理参数蓝牙通信模块上传至监控中心，从而对人体的体温参数进行实时地监控；将运动参数传感节点安装在穿戴衣的左腹部，在人体正常活动时输出的信号比较稳定，而在异常动作(如摔倒)时，该位置布置的传感器会发生剧烈变化，容易通过变化程度实现异常动作的监测；采用加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器以及气压传感器能够实时地对人体的运动参数进行采集，并在运动参数微处理器实时处理后由运动参数蓝牙通信模块上传至监控中心，从而对人体的动作姿态进行实时地监控。

作为本发明的进一步限定方案，心电电极包括由穿戴衣的内侧面向皮肤方向依次设置的基底层、弹性支撑层和导电织物传感层。采用基底层、弹性支撑层和导电织物传感层三层结构，相比于现有的由支撑垫向内粘有硬海绵以及由导电织物包裹的软海绵构成的电极，明显降低了心电电极的厚度，有效提高了穿戴的舒适性，同时也降低了电极的生产成本；采用基底层能够方便将心电电极缝制在穿戴衣的内侧面上；采用弹性支撑层能够对导电织物传感层进行弹性支撑，使导电织物传感层能够始终紧贴人体皮肤表面，提高信号采集的可靠性和有效性。

作为本发明的进一步限定方案，弹性支撑层为0.8cm～1.2cm厚的记忆海绵。采用0.8cm～1.2cm厚的记忆海绵作为弹性支撑层，既能够满足穿戴的厚度要求，又能够对人体的皮肤曲线进行记忆，进一步提高了穿戴的舒适性。

作为本发明的进一步限定方案，导电织物传感层为3cm×3cm的银渗固导电织物。采用银渗固导电织物这样的干性织物作为导电织物，比传统的Ag/AgCl湿性电极得到的信号中各心电特征波的波形清晰，通过与体表皮肤的耦合能够有效地捕获可用的心电信号。

作为本发明的进一步限定方案，织物导线包括由内向外同心设置的导电织物传输线、绝缘防水尼龙层以及棉布外层。采用绝缘防水尼龙层能够对内部的导电织物传输线进行绝缘防水保护，延长导电织物传输线的使用寿命；采用棉布外层能够提高织物导线与人体接触时的的舒适性。

作为本发明的进一步限定方案，在绝缘防水尼龙层和棉布外层之间还设有导电织物屏蔽层。采用导电织物屏蔽层能够有效屏蔽三个电极信号之间的干扰以及外界的电磁干扰。

作为本发明的进一步限定方案，在穿戴衣的左胸口处设有一个节点接口，在节点接口上设有三个通过织物导线分别与三个心电电极相连的连接母头；在生理参数传感节点上设有三个分别与三个连接母头相对应的连接公头，且三个连接公头分别与心电信号模拟前端芯片的三个信号输入端相连。采用连接公头与连接母头的对接配合，能够在清洗穿戴衣时方便拔插生理参数传感节点，避免生理参数传感节点清洗时造成损坏。

作为本发明的进一步限定方案，三个连接母头呈120°间距均匀分布于同一圆周上。将三个连接母头呈120°间距均匀设置在同一圆周上，能够提高生理参数传感节点对接安装的稳定性，防止插入后晃动。

作为本发明的进一步限定方案，节点接口与生理参数传感节点之间设有三个呈120°间距均匀分布于同一圆周上的暗扣。采用暗扣设计，能够进一步提高生理参数传感节点对接安装的稳定性，防止插入后晃动。

作为本发明的进一步限定方案，穿戴衣为弹性紧身衣。采用弹性紧身衣作为穿戴衣能够使心电电极的导电织物传感层始终贴合于人体皮肤表面，确保心电信号采集的可靠性和有效性。

本发明的有益效果在于：(1)采用在左胸锁骨下、右胸锁骨下和右腹部设置三个心电电极分别采集代替左手、右手以及右腿的心电信号，并由心电信号模拟前端芯片进行放大处理以及生理参数微控制器的带通滤波处理，最终由生理参数蓝牙通信模块上传至监控中心，从而对人体的心电参数进行实时地监控；(2)采用温度传感器能够对人体的体温进行实时采集，并同样由生理参数蓝牙通信模块上传至监控中心，从而对人体的体温参数进行实时地监控；(3)将运动参数传感节点安装在穿戴衣的左腹部，在人体正常活动时输出的信号比较稳定，而在异常动作(如摔倒)时，该位置布置的传感器会发生剧烈变化，容易通过变化程度实现异常动作的监测；(4)采用加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器以及气压传感器能够实时地对人体的运动参数进行采集，并在运动参数微处理器实时处理后由运动参数蓝牙通信模块上传至监控中心，从而对人体的运动参数进行实时地监控。

附图说明

图1为本发明的穿戴装置结构示意图；

图2为本发明的生理参数传感节点背面结构示意图；

图3为本发明的节点接口结构示意图；

图4为本发明的心电电极剖视结构示意图；

图5为本发明的织物导线端面结构示意图；

图6为本发明的生理参数传感节点电路结构示意图；

图7为本发明的运动参数传感节点电路结构示意图。

图中：1、穿戴衣，2、心电电极，3、生理参数传感节点，4、运动参数传感节点，5、节点接口，6、连接母头，7、连接公头，8、基底层，9、弹性支撑层，10、导电织物传感层，11、棉布外层，12、导电织物屏蔽层，13、绝缘防水尼龙层，14、导电织物传输线，15、织物导线。

具体实施方式

如图1、6和7所示，本发明的多体征参数采集的穿戴装置包括：穿戴衣1、三个心电电极2、生理参数传感节点3、运动参数传感节点4以及织物导线15；三个心电电极2均设置在穿戴衣1内，且分别位于左胸锁骨下、右胸锁骨下以及右腹部；生理参数传感节点3安装在穿戴衣1的左胸口处，且包括生理参数微控制器以及与生理参数微控制器相连的生理参数蓝牙通信模块、心电信号模拟前端芯片和温度传感器；心电信号模拟前端芯片的三个信号输入端通过三根织物导线15分别与三个心电电极2相连；运动参数传感节点4安装在穿戴衣1的左腹部，且包括运动参数微处理器以及与运动参数微处理器相连的运动参数蓝牙通信模块、加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器以及气压传感器；穿戴衣1为弹性紧身衣。

生理参数传感节点3和运动参数传感节点4在制作时分别嵌入在一个厚1.5cm～2cm，直径为4.4cm的圆形塑料盒子内，形成模块化设计。

如图3所示，心电电极2包括由穿戴衣1的内侧面向皮肤方向依次设置的基底层8、弹性支撑层9和导电织物传感层10。其中，弹性支撑层9为0.8cm～1.2cm厚的记忆海绵；导电织物传感层10为3cm×3cm的银渗固导电织物。

如图4和5所示，织物导线15包括由内向外同心设置的导电织物传输线14、绝缘防水尼龙层13以及棉布外层11；在绝缘防水尼龙层13和棉布外层11之间还设有导电织物屏蔽层12。

如图1-3所示，在穿戴衣1的左胸口处设有一个节点接口5，在节点接口5上设有三个通过织物导线15分别与三个心电电极2相连的连接母头6；在生理参数传感节点3上设有三个分别与三个连接母头6相对应的连接公头7，且三个连接公头7分别与心电信号模拟前端芯片的三个信号输入端相连；三个连接母头6呈120°间距均匀分布于同一圆周上；在节点接口5与生理参数传感节点3之间设有三个呈120°间距均匀分布于同一圆周上的暗扣；同样的在穿戴衣1的左腹部也可以设有一个节点接口5，可通过三个呈120°间距均匀分布于同一圆周上的暗扣将运动参数传感节点4可拆卸安装在节点接口5上。暗扣由凹下部分和凸起部分组成，暗扣的凹下部分为母扣，暗扣的凸起部分为公扣，母扣钉在穿戴衣1上，公扣钉在生理参数传感节点3和运动参数传感节点4的圆形塑料盒子底部。

本发明的多体征参数采集的穿戴装置在制作使用时，穿戴衣1采用的是弹性和透气性较好的舒适面料；心电电极2的基底层8采用方便剪裁和缝纫技术加工、对皮肤刺激性小、弹性和透气性较好的舒适面料；织物导线15的棉布外层11采用与穿戴衣1相同的材料制成。

织物导线15的导电织物传输线14与心电电极2的导电织物传感层10都采用了青岛亨通伟业特种织物科技有限公司生产的银渗固导电织物HTL-1。HTL-1导电织物材料在GB1410-2006标准测试下表面电阻为0.1Ohm，按GB/T12703-1991标准100次洗涤后表面电阻为0.7Ohm。使用传统Ag/AgCl湿性电极与本发明的干性导电织物电极分别采集同一名健康志愿者静息状态下10s心电信号。通过实验结果对比可知，HTL-1导电织物材料得到的心电信号比由传统Ag/AgCl湿性电极得到的信号的信噪比低，但是HTL-1导电织物材料的电极心电信号中各特征波清晰，对该信号进一步滤波处理后序列完整可用。综合考虑电极获得心电信号的可靠性、电极使用的舒适性和电极的可重复利用性，本发明的导电织物传感层10通过体表皮肤耦合有效地捕获可用的心电信号。

生理参数传感节点3设计成直径为4.4cm的圆形盒子，生理参数微控制器采用超低功耗微控制器MSP430F1611，生理参数蓝牙通信模块集成于MSP430F1611内，心电信号模拟前端芯片采用AD8232，温度传感器采用PT100，主要完成心电信号的测量、人体体温的测量以及蓝牙通信三部分工作。

AD8232芯片通过简单的阻容配置可方便构成一个双极点高通滤波器和三极点低通滤波器。配合其内部集成高增益放大器和右腿驱动电路，可以在低信噪比下有效放大心电信号。由于从心脏到AD8232的距离很短，因此心脏信号很强并且肌肉伪像干扰较小。

使用心电电极2采集的心电信号分别通过节点上的左手(LA)、右手(RA)和右腿(RL)接口输入心电信号模拟前端芯片AD8232进行放大、滤波等处理，再将处理后的心电信号送到低功耗微处理器MSP430F1611中，通过内置12位模数转换器，数字化后心电信号在低功耗微处理器MSP430F1611内部经过一个0.5～40Hz的IIR和FIR组合数字带通滤波器处理，之后信号以UART通信的方式经满足蓝牙2.1标准的HC-05蓝牙模块发送到监控中心。监控中心通过接入的公共网络将监测到的心电信号进一步提供给用户。

运动参数传感节点4主要完成运动信号采集和蓝牙通信两部分工作，主要包括运动参数微处理器、运动参数蓝牙通信模块、加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器以及气压传感器；其中运动参数微处理器采用MSP430，加速度传感器采用数字式三轴加速度传感器ADXL345，陀螺仪采用数字式陀螺传感器L3G4200D，弱磁传感器采用弱磁传感器芯片HMC5883L，气压传感器采用数字气压传感器BMP085，运动参数蓝牙通信模块采用满足蓝牙2.1标准的HC-05蓝牙模块。采用加速度传感器能够实时采集佩戴者的运动加速度；采用陀螺仪能够实时检测佩戴者的运动方向；采用弱磁传感器能够进一步识别佩戴者的运动方向，且精度可达到1～2°；采用气压传感器能够实时检测佩戴者所在的海拔高度；运动参数传感节点4采集的各项参数可以综合分析出使用者活动模式以及实现摔倒检测等。

Claims (8)

1.一种多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：包括穿戴衣、三个心电电极、生理参数传感节点、运动参数传感节点以及织物导线；三个心电电极均设置在穿戴衣内，且分别位于左胸锁骨下、右胸锁骨下以及右腹部；生理参数传感节点安装在穿戴衣的左胸口处，且包括生理参数微控制器以及与生理参数微控制器相连的生理参数蓝牙通信模块、心电信号模拟前端芯片和温度传感器；心电信号模拟前端芯片的三个信号输入端通过三根织物导线分别与三个心电电极相连；运动参数传感节点安装在穿戴衣的左腹部，且包括运动参数微处理器以及与运动参数微处理器相连的运动参数蓝牙通信模块、加速度传感器、陀螺仪、弱磁传感器以及气压传感器；心电电极包括由穿戴衣的内侧面向皮肤方向依次设置的基底层、弹性支撑层和导电织物传感层；织物导线包括由内向外同心设置的导电织物传输线、绝缘防水尼龙层以及棉布外层。

2.根据权利要求1所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：弹性支撑层为0.8cm～1.2cm厚的记忆海绵。

3.根据权利要求1或2所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：导电织物传感层为3cm×3cm的银渗固导电织物。

4.根据权利要求1所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：在绝缘防水尼龙层和棉布外层之间还设有导电织物屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：在穿戴衣的左胸口处设有一个节点接口，在节点接口上设有三个通过织物导线分别与三个心电电极相连的连接母头；在生理参数传感节点上设有三个分别与三个连接母头相对应的连接公头，且三个连接公头分别与心电信号模拟前端芯片的三个信号输入端相连。

6.根据权利要求5所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：三个连接母头呈120°间距均匀分布于同一圆周上。

7.根据权利要求5所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：节点接口与生理参数传感节点之间设有三个呈120°间距均匀分布于同一圆周上的暗扣。

8.根据权利要求1所述的多体征参数采集的穿戴装置，其特征在于：穿戴衣为弹性紧身衣。