CN105595987B - 心电图传感器芯片、片上系统以及可穿戴设备 - Google Patents

心电图传感器芯片、片上系统以及可穿戴设备 Download PDF

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Abstract

提供一种心电图传感器芯片、片上系统以及可穿戴设备。一种在可穿戴设备中使用的ECG传感器芯片包括：由开关信号控制的开关、放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差的放大器以及生成开关信号的位置指示器。所述开关响应于开关信号来传递第一ECG信号或者第二ECG信号中的任何一个。

Description

心电图传感器芯片、片上系统以及可穿戴设备
本申请要求于2014年11月17日提交到韩国知识产权局的第10-2014-0160011号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的主题通过引用合并于此。
技术领域
本发明构思的实施例总体上涉及可穿戴电子医疗保健设备，更具体地说，涉及被配置为在可穿戴医疗保健设备中使用的心电图(ECG)传感器芯片、包含这样的ECG传感器芯片的片上系统(SoC)以及相关的医疗保健设备。
背景技术
对能够监测和记录健康状况的可穿戴医疗保健设备(以下，简称“设备”)的强劲的消费者需求跟随对健康问题中的个人责任的增长的社会重视。随着电子产品的小型化的持续改进，消费者现在能够获得能够提供监测、记录和/或显示许多健康相关状况的小的、便携式装置。这些装置中的许多是“可穿戴的”，“可穿戴的”的含义是它们被方便地配置为以允许用户长时间舒服地穿戴装置的方式来使用。
当被适当地监测和解释时，存在提供关于人的整体健康的有意义信息的人的身体的许多不同特征。一个重要的特征是与心脏的工作有关的电信号。普遍认为：可通过通常被称为心电图(ECG)的一组常规的医疗测试来监测心脏的电活动。
ECG可由于包括以下项的各种原因而被管理：检查心脏的整体活动、识别不明的胸部疼痛(如，通常与心脏病发作、心包炎以及心绞痛相关的疼痛)的原因、识别通常与心脏疾病相关的特定症状(诸如，气短、头晕、昏厥和心悸)、监测特定药物对心脏的效果、检查在心脏中植入的机械装置的工作以及定义健康基线以更好地监测慢性病的健康状况(诸如，高血压、高胆固醇、吸烟和糖尿病)。
通过仔细地将十(10)根电引线附接到病人身体的指定位置并且之后记录一段时间内的一组电信号来在医生办公室中对躺着的病人实施典型的ECG。虽然典型的ECG毋庸置疑地对医学专家有用并且对病人无害，但是典型的ECG远不够方便。
最近，改进的技术已经使用可穿戴装置代替一组笨重的电引线来允许心脏相关的生物电信号的类似ECG的监测。以这种方式，人的身体状况的特定方面可在医生办公室外在更长时间段内被方便地监测。然而，迄今为止，这样的便携式装置受困于信号检测问题以及这样的装置在人的身体上的可接受的可穿戴位置的巨大约束。也就是说，当能够检测类似ECG信号的传统的可穿戴装置被任意地放置在人的身体上时，诊断结果常常令人失望。
发明内容
在一个方面，本发明构思的特定实施例提供一种被配置为在可穿戴设备中使用的心电图(ECG)传感器芯片，包括：开关、放大器和位置指示器，其中，开关由开关信号控制并且包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出，放大器包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差，位置指示器生成第一状态和第二状态之一下的开关信号，其中，响应于开关信号的第一状态，开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
在另一方面，本发明构思的特定实施例提供一种被配置为在可穿戴设备中使用的系统，所述系统包括：心电图(ECG)传感器芯片、模数转换器(ADC)和处理器，其中，心电图(ECG)传感器芯片接收来自第一ECG传感器的第一ECG信号和来自第二ECG传感器的第二ECG信号，并包括放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差以生成第一ECG输出信号和第二ECG输出信号的放大器，模数转换器(ADC)接收第一ECG输出信号和第二ECG输出信号，并生成相应的ECG数字信号，处理器接收ECG数字信号并响应于接收到的指示被用户佩戴的可穿戴设备的位置的位置信息来处理ECG数字信号。
在另一方面，本发明构思的特定实施例提供一种在用户上的位置处佩戴的可穿戴设备，包括：第一心电图(ECG)电极、第二ECG电极以及接收来自第一ECG电极的第一ECG信号和来自第二ECG电极的第二ECG信号的ECG传感器芯片，其中，所述ECG传感器芯片包括：开关、放大器和位置指示器，其中，开关由开关信号控制并包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出，放大器包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并生成第一ECG信号与第二ECG信号之间的放大的差信号，位置指示器生成第一状态和第二状态之一下的开关信号，其中，响应于开关信号的第一状态，开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
在另一方面，本发明构思的特定实施例提供一种包括心电图(ECG)传感器芯片、模数转换器(ADC)以及中央处理器(CPU)的片上系统(SoC)，其中，所述心电图(ECG)传感器芯片包括开关、放大器以及位置指示器，其中，所述开关由开关信号控制并包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出，放大器包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并生成第一ECG信号与第二ECG信号之间的放大的差信号，位置指示器生成具有第一状态和第二状态之一的开关信号，其中，响应于具有第一状态的开关信号，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于具有第二状态的开关信号，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出，所述模数转换器(ADC)接收放大的差信号并生成相应的ECG数字信号，所述中央处理器(CPU)接收ECG数字信号并生成控制显示器上的可视图像的生成的显示信息。
在另一方面，本发明构思的特定实施例提供一种数据处理系统，包括：包括ECG传感器芯片的可穿戴设备以及被配置为通过无线连接和硬接线连接中的至少一个与可穿戴设备传送信息的计算装置。所述可穿戴设备包括：第一心电图(ECG)电极、第二ECG电极以及接收来自第一ECG电极的第一ECG信号和来自第二ECG电极的第二ECG信号的ECG传感器芯片，其中，ECG传感器芯片包括开关、放大器和位置指示器，其中，所述开关由开关信号控制并包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出，放大器包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并且生成第一ECG信号与第二ECG信号之间的放大的差信号，位置指示器生成第一状态和第二状态之一下的开关信号，其中，响应于开关信号的第一状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
在另一方面，本发明构思的特定实施例提供一种对接收第一ECG信号和第二ECG信号并被包含在被用户佩戴的可穿戴设备中的心电图(ECG)传感器芯片进行操作的方法，所述方法包括：生成开关信号；使用开关信号来控制开关的操作，其中，响应于具有第一状态的开关信号，第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并且第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，此外响应于具有第二状态的开关信号，第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并且第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出；以及使用连接到第一开关输出和第二开关输出的放大器来放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差。
附图说明
考虑附图中所示的特定示例性实施例，本发明构思的以上以及其他特征和优点将对本领域的技术人员变得更加清楚，其中：
图1是示出根据本发明构思的实施例的捕获心电图(ECG)信号的示意图；
包含图2A、图2B和图2C的图2是示出根据本发明构思的实施例的在一个示例中的能够捕获ECG信号的可穿戴设备的立体图；
包含图3A和图3B的图3是进一步示出使用如图2中所示的可穿戴设备捕获ECG信号的一组对比波形图；
图4是示出根据本发明构思的特定实施例的可穿戴设备的框图；
图5、包含图6A至图6C的图6以及图7是进一步示出在不同示例中的图4的ECG传感器芯片120的各个电路图；
图8是示出根据本发明构思的特定实施例的可通过包含在可穿戴设备中的显示器显示的图形用户界面(GUI)的示图；
图9、包含图10A至图10C的图10以及图11是进一步示出在不同示例中的图4的ECG传感器芯片120的各个电路图；
包含图12A和图12B的图12是示出根据本发明构思的特定实施例的在ECG信号的捕获和放大中使用电压偏移的示意图；
图13、图14、图15以及包含图16A和图16B的图16是不同地示出根据本发明构思的实施例的在不同示例中的能够捕获ECG信号的特定可穿戴设备的各个立体图；
图17是根据本发明构思的实施例的包括包含ECG传感器芯片的可穿戴设备的数据处理系统的框图；
图18是总体地概括根据本发明构思的实施例的操作ECG传感器芯片的方法的流程图；
图19是概括根据本发明构思的实施例的选择性地操作可穿戴设备的方法的流程图；
图20和图21是根据本发明构思的特定实施例的包括包含ECG传感器芯片的可穿戴设备的数据处理系统的各个框图。
具体实施方式
现在，将参照附图在一些附加的细节中描述本发明构思的特定实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为仅局限于示出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将把本发明的范围完全地传达给本领域的技术人员。贯穿书面的描述和附图，相同的参考标号和标记被用于表示相同或相似的元件。
将理解，当元件被称为被“连接”或“耦合”到另一元件时，该元件可被直接地连接到或耦合到该另一元件或者可存在中间元件。相反，当元件被称为被“直接地连接”或“直接地耦合”到另一元件时，不存在中间元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括相关列出的项中的一个或多个的任何和全部组合，并且可被缩写为“/”。
将理解，尽管这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本公开的教导的情况下，第一信号可被叫做第二信号，类似地，第二信号可被叫做第一信号。
这里使用的术语仅为了描述特定实施例的目的，而不意在限制本发明。除非上下文另有清楚地指示，否则这里使用的单数形式也意在包括复数形式。还将理解，当在本说明中使用术语“包括”和/或“包含”时，其指定存在叙述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，除非这里明确定义，否则术语(诸如在常用词典中定义的)应被解释为具有与它们在相关领域和/或本申请的上下文中的含义一致的含义，而不将被解释为理想化或过于形式的意义。
以下，术语“可穿戴设备”被用于表示广义的用户可穿戴电子装置，所述用户可穿戴电子装置可被用于检测、捕获、监测和/或记录与用户身体相关的一个或多个生物电信号。可穿戴设备将具有不同地适合于用户身体上的不同应用和布置的各种配置。与本发明构思一致的特定可穿戴设备在被用户穿戴时将是公开可见的，并且将被容易地识别为常见的时尚配饰，诸如手表、戒指、手镯、脚链、项链、耳机、帽子、眼镜等。就这一点而言，例如，本发明构思的特定实施例可被物理地包含在能够执行它们正常功能的常见电子装置中，如报时的手表和提供音频信号的耳机。与本发明构思一致的其他可穿戴设备将被包含在诸如领带、腕带、头带、衬衫、汗衫、胸罩等的衣着类物品中。与本发明构思一致的另外其他可穿戴设备将被更适合地穿在衣服下面，并且可采用各种尺寸、形状和成分的皮肤粘附片的形式。
图1是示出捕获与用户心脏的工作相关的生物电信号的示意图。如以上所指出，此类型的信号通常通过心电图(ECG)测试被捕获。因此，为了以下的描述的目的，在人体内的所有此类型的信号的变化和表现中以及在所有此类型的信号的电可捕获的形式中，不论是单独地还是作为组合，此类型的信号将在以下被总体地称为“ECG信号”。因此，在图1中示出ECG信号的捕获。在此上下文中，术语“捕获”表示识别、检测、获取和/或测量ECG信号的任何处理，这些处理足以生成准确地表示如由ECG信号表现的用户心脏的电活动的至少一个模拟信号或相应的数字数据。
在上述定义下，用户将仅产生与他/她的心脏的活动相关的单个ECG信号。然而，ECG信号在用户身体的不同位置处将被不同地表现并被不同地捕获。理想地，将通过在直接靠近用户心脏的合适位置(例如，捕获第一ECG信号ECG0的图1中的第一位置10)上放置的一个或多个ECG传感器来捕获ECG信号。不幸的是，虽然以用户心脏为中心的第一位置10提供最强的(即，最高的差分幅度)ECG信号，但是其不一定方便，而且在体育运动期间，在此位置的传感器的放置对用户会是不舒服的。因此，用户通常高度期望能够将组成ECG传感器放置在他/她的身体的更方便的位置(诸如，手腕)上的可穿戴设备。
这种布置的灵活性是许多传统装置中遗憾地缺乏的一个特征。这种传统装置通常要求精确的布置位置，从该位置的任何偏离极大地损害准确的ECG信号捕获。相反，根据本发明构思的可穿戴设备认识到：当在用户身体上的不同位置捕获ECG信号时，ECG信号将被不同地表现。然而，尽管如此，根据本发明构思的可穿戴设备为用户提供在被视为对用户最舒服或最方便的位置佩戴可穿戴设备的灵活性。
例如，参照图1，本发明构思的特定方面认识到：在第二位置20(即，用户的左手腕)表观的第二ECG信号(ECG1)将弱于在第一位置10的第一ECG信号(ECG0)，并且在第三位置30(即，用户的右手腕)表观的第三ECG信号(ECG2)将弱于第二ECG信号(ECG1)。也就是说，本发明构思认识到：增加用户身体上的ECG信号捕获位置与用户心脏之间的距离趋向于降低捕获的ECG信号的输入信噪比(SNR)。尽管如此，本发明构思的实施例以这样的方式被配置：允许用户在他/她的身体上的多个期望位置合理地佩戴可穿戴设备。
包含图2A、图2B和图2C的图2是示出根据本发明构思的特定实施例的能够捕获并处理ECG信号的可穿戴设备100的一组立体图。虽然图2中所示的可穿戴设备100是手表，但是本领域的普通技术人员将认识到：这仅是一个方便的示例，并且与本发明构思一致的可穿戴设备可采用许多不同形式。
图2的可穿戴设备100包括手表主体99以及用于提供典型的手表功能的电路和/或软件，手表主体99容纳用于实现可穿戴设备100的功能的电路和/或软件。第一ECG电极101和地电极105从手表主体99的底面98突出。当被用户正常地佩戴在期望位置(诸如，左手腕或右手腕)时，手表主体99的底面98与用户的皮肤接触。因此，当可穿戴设备100被用户佩戴时，突出的第一ECG电极101和地电极105被放置为与用户的皮肤直接接触。这种直接皮肤接触非常有益于通过手表100对ECG信号的捕获。相反，第二ECG电极103可被布置在手表主体99的与底面98相对的顶面97上。可选地，第二ECG电极103可被布置在手表主体99的侧面96上。当被用户正常地佩戴时，手表主体99的顶面97和侧面96连同第二ECG电极103容易地被用户访问。在图2中所示的实施例中，第一ECG电极101可被指定为正电极，第二ECG电极103可被指定为负电极。
在此上下文中，术语“ECG传感器”表示当被放置为靠近于用户身体或直接接触用户身体时能够捕获ECG信号的许多不同的生物电组件、机电组件和/或电子组件中的任何一个。
虽然在图2中地电极105被布置在主体99的靠近第一ECG电极101的底面98上，但是本发明构思的其他实施例可不同地放置地电极105，或完全省略地电极105。然而，地电极105的使用可极大地帮助可穿戴设备100与用户之间的ECG信号同步。也就是说，地电极105的使用防止在通过包括在可穿戴设备100中的ECG传感器芯片捕获ECG信号期间ECG信号的浮动。作为结果，在可穿戴设备100中各种ECG传感器和ECG传感器芯片的组合可被更容易地操作。
包含图3A和图3B的图3进一步示出被图2的可穿戴设备100不同地捕获的ECG信号的典型性质。参照图1、图2和图3A，当在用户的左手腕上(图1中的位置20)佩戴可穿戴设备100时，并且当用户使用他/她的右手(图1中的位置30)的手指按下第二ECG电极103时，可通过手表型可穿戴设备100的ECG传感器芯片来捕获具有图3A中所示的波形的ECG信号。换句话说，当第二ECG电极103接触右手的手指时，第一ECG电极101和地电极105被放置为与用户左手腕的皮肤接触。
特别注意的是，针对图3A中所示的ECG信号波形，正ECG信号峰值(“R”)周期性地表现在ECG信号基线以上。当然，在ECG信号基线以上或以下的ECG信号峰值的极性(正或负)是对可穿戴设备100的ECG传感器芯片的定义的问题。
现在，参照图1、图2和图3B，当在用户的右手腕上(图1中的位置30)佩戴可穿戴设备100时，并且当用户使用他/她的左手(图1中的位置20)的手指按下第二ECG电极103时，可通过手表型可穿戴设备100的ECG传感器芯片来捕获具有图3B中所示的波形的ECG信号。换句话说，当第二ECG电极103接触左手的手指时，第一ECG电极101和地电极105被放置为与用户右手腕的皮肤接触。
特别注意的是，针对图3B中所示的ECG信号波形，负ECG信号峰值(“R”)周期性地表现在ECG信号基线以下。更重要地是，ECG基线与在右手腕捕获的ECG信号峰值之间的差的绝对值可小于ECG基线与在左手腕捕获的ECG信号峰值之间的差的绝对值。因此，所有其他事情保持相等，在右手腕表观的ECG信号可比在左手腕表观的ECG信号更难准确地捕获。作为结果，当在用户的右手腕或表现相对更弱版本的ECG信号的一些其他位置上佩戴图2的可穿戴设备100时，可从ECG传感器芯片需要更多的信号处理时间和资源。
图4是进一步示出在一个示例中的图2的可穿戴设备100的框图。这里，可穿戴设备100总体上包括处理单元110和显示器180。显示器180是可选的组件，但是可在本发明构思的特定实施例(诸如，图2的手表可穿戴设备100)中证明是非常有用的。
处理单元110可被用于接收、捕获和处理ECG信号，并且响应于ECG信号而控制显示器180和一些其它外部电路的操作。处理单元110可以可选地或额外地被用于从捕获的ECG信号获得控制信号，其中，该控制信号可被提供给一个或多个外部电路。
图4的处理单元110包括从第一ECG电极101接收第一ECG信号的第一信号端口(例如，焊盘(pad)、端子或类似的电子元件)、从第二ECG电极103接收第二ECG信号的第二信号端口、从地电极105接收地信号的第三信号端口。此外，图4的处理单元110包括电池112、电源管理集成电路(PMIC)114、ECG传感器芯片120、模数转换器(ADC)130、中央处理器(CPU)140、存储器控制器150、存储器160、显示控制器170以及输入接口172。
可选地，处理单元110还可包括被配置为对由以下进一步详细论述的(例如)用户激活的位置输入元件107提供的位置信号进行接收的第四信号端口。
为了该描述的目的假设图4的可穿戴设备100与图2的可穿戴设备类似，进一步分别地假设第一ECG电极101和地电极105通常可被放置为与用户的左手腕或者右手腕接触，并且第二ECG电极103被放置为与用户的右手或左手接触。在这些假设的条件下，第一ECG信号通过第一信号端口被提供给处理单元110，第二ECG信号通过第二信号端口被提供给处理单元110，地信号通过第三信号端口被提供给处理单元110。
第一信号端口通过第一信号线102被连接到ECG传感器芯片120，第二信号端口通过第二信号线104被连接到ECG传感器芯片120，第三信号端口通过第三信号线106被连接到电池112。就这一点而言，地电压(VSS)可被传送到处理单元110组件中的一个或多个，诸如，PMIC 114、ECG传感器芯片120、ADC 130、CPU 140、存储器控制器150、存储器160、显示控制器170和/或输入接口172。
结合起来，电池112和PMIC 114可被用于将一个或多个电源电压(未示出)提供给处理单元110组件、显示器180和/或输入装置185。
ECG传感器芯片120可被用于接收并处理第一ECG信号和第二ECG信号，以生成一个或多个ECG输出信号。例如，ECG传感器芯片120可被用于放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的电压差，以生成相应的放大的ECG输出信号。
假设ECG输出信号实质上是模拟信号，则ADC 130可被用于接收ECG输出信号并将ECG输出信号转换为一个或多个相应的ECG数字信号。就这一点而言，本发明构思的特定实施例使用第一ECG输出信号和第二ECG输出信号的差分，其中，第一ECG输出信号和第二ECG输出信号从ECG传感器芯片120被提供，被ADC 130接收，然后分别被ADC 130使用以生成各个第一ECG数字信号和第二ECG数字信号。之后，第一ECG数字信号和第二ECG数字信号可被提供给CPU 140。
CPU 140可被用于控制所有处理单元110组件以及显示器180和用户输入装置185的整体操作。响应于由ADC 130提供的一个或多个ECG数字信号，CPU 140可执行适于计算例如用户心率的一个或多个数据处理例程。可选地或额外地，CPU 140可被用于识别用户的心律失常或心律不齐。可通过在CPU 140上运行的一个或多个应用(APP)来控制这样的数据处理例程。用于实现这样的应用的编程代码可全部地或部分地被存储在存储器160中。不管与由CPU 140从ADC 130接收的ECG数字信号相关地运行的特定数据处理例程，CPU 140可将相应的控制信号和/或数据(以下，“控制信号/数据”)提供给显示控制器170。
在一个示例性的数据处理例程中，在CPU 140上运行的应用可被用于在定义的时间段内对在一个或多个ECG信号(参见，例如，图3)中识别的ECG峰值的数量进行计数。计数的ECG峰值的数量可被用于计算用户的心率，并且响应于该计算可将相应的控制信号/数据从CPU 140传送到显示控制器170。
在另一示例性的数据处理例程中，在CPU 140上运行的应用可被用于对在一个或多个ECG信号中识别的连续ECG峰值之间的时间间隔进行计算。计算的间隔可被用于识别心律失常，并且响应于该计算可将相应的控制信号/数据传送到显示控制器170。
存储器160可被用于存储从ADC 130接收的ECG数字信号、由在CPU140上运行的应用生成的中间计算数据和/或由CPU 140提供给显示控制器170的控制信号/数据。
因此，可分别地或共同地从由ECG传感器芯片120接收的一个或多个模拟ECG信号得到的ECG数字信号可在一个或多个应用的控制下被CPU 140不同地处理。例如，假设提供多个ECG数字信号，则CPU 140可反转ECG数字信号中的一个或多个以在之后的数据处理例程期间使用。
在图5、包含图6A至图6C的图6、图7、图9、包含图10A至图10C的图10以及图11中示出图4的ECG传感器芯片120的示例性配置。
存储器控制器150可被用于将从CPU 140接收的数据写入到存储器160，和/或从存储器160读取数据。可由易失性和/或非易失性存储器配置存储器160。易失性存储器可以是：随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM)。非易失性存储器可以是：电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、磁性RAM(MRAM)、自旋转移矩MRAM、铁电RAM(FeRAM)、相变RAM(PRAM)或电阻式RAM(RRAM)。存储器160可被实现为智能卡、安全数字(SD)卡、多媒体卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、嵌入式多芯片封装(eMCP)、完美页面NAND(PPN)、通用闪存(UFS)、固态驱动器(SSD)或嵌入式SSD(eSSD)。存储器160还可被实现为固定存储器或可移动存储器。
虽然为了描述的清楚在图4中示出单个存储器控制器150和存储器160，但是存储器160可包括由一个或多个存储器控制器150控制的多个独立地或共同地实现的存储器装置，其中，这样的存储器装置在它们的操作特性和/或配置中可以是相似的或不同的。
如以上所指出，显示控制器170根据一个或多个传统理解的接口，从CPU140接收特定的控制信号/数据，并且控制显示器180的操作。因此，显示控制器170可被用于在由CPU140执行的(例如)固件的控制下控制与由CPU140提供的控制信号和/或数据相关的可视图像的生成和显示。
输入接口172可被用于将通过用户输入装置185和/或显示器180输入的数据传送到CPU 140。用户输入装置185可以是能够生成控制可穿戴设备100的操作的各种输入信号(或数据)的装置(诸如触摸屏控制器、触摸传感器或触摸板)。在本发明构思的特定实施例中，用户输入装置185将是显示在显示器180上的图形用户界面(GUI)。图8示出可显示在显示器180上的用户交互式GUI的一个示例。CPU 140可被用于通过输入接口172来接收由用户输入装置185提供的用户输入信号和/或数据。一个或多个应用(APP)可被编程或控制以响应这样的用户输入信号和/或数据。
在本发明构思的特定实施例中，可证明将图4的处理单元110或处理单元110组件的一些子组实现为通常被称为片上系统(SoC)的形式的单个集成电路(IC)芯片是有利的。在一个示例中，ECG传感器芯片120、PMIC 114、ADC 130和CPU 140可被实现为SoC。可选地，当ECG传感器芯片120、PMIC114、ADC 130和CPU 140被实现为SoC时，存储器控制器150和存储器160可被添加到ECG传感器芯片120、PMIC 114、ADC 130和CPU 140。就这一点而言，存储器160可被实现为SoC中的SRAM、DRAM、小容量闪存或大容量闪存。
当存储器控制器150和存储器160被集成在单个半导体封装内时，SoC不需要包括这些通常提供的组件。相反，包括SoC的第一半导体封装以及包括存储器控制器150和存储器160的第二半导体封装可使用(例如)附着到或连接到印刷电路板(PCB)的堆栈球(stackball)来不同地使一个堆叠在另一个上面。就这一点而言，可使用封装体层叠(PoP)技术来配置第一封装和第二封装。
图5是进一步示出在一个示例(120A)中的图4的ECG传感器芯片120的框图。共同地参照图1、图2、图3、图4和图5，ECG传感器芯片120A包括开关电路121、开关信号生成器123A和差分放大器124。
图5的位置输入元件107根据本发明构思的特定实施例被假设为机械按钮。当按钮107被用户适当地激活时，按钮107将“位置指示信号”(IDS)提供给开关信号生成器123A。例如，再次假设图2的手表可穿戴设备100，按钮107可以以如下方式被设置在手表主体99上：当手表100被佩戴在相对的右手腕或左手腕上时，允许用户的左手或右手操作按钮107。此外，在这种假设下，开关电路121将通过第一信号线102从第一ECG电极101接收第一ECG信号(ECG1)，并且还将通过第二信号线104从第二ECG电极103接收第二ECG信号(ECG2)。
在图5的ECG传感器芯片120A中，开关信号生成器123A被假设为响应于正指示信号来生成具有第一(例如，逻辑“低”)电平(或“第一状态”)的开关信号(SS)。响应于具有第一电平的开关信号，开关电路121进行操作以将在第一开关输入A接收的第一ECG信号施加到第一开关输出C，并且将在第二开关输入B接收的第二ECG信号施加到第二开关输出D。开关信号生成器123A还被假设为响应于负指示信号来生成具有第二(例如，逻辑“高”)电平(或“第二状态”)的开关信号。响应于具有第二电平的开关信号，开关电路121进行操作以将在第一开关输入A接收的第一ECG信号施加到第二开关输出D，并且将在第二开关输入B接收的第二ECG信号施加到第一开关输出C。
关于位置输入元件(例如，按钮)107的用户操作的正/负指示信号的定义是设计选择的问题。各种类型和形式的按钮可被使用，并且可被用户不同地激活/去激活(deactivated)(例如，按下、拔起、切换、旋转或触摸)。
例如，假设使用关于图2描述的手表可穿戴设备100，当用户选择将手表100佩戴在他/她的左手腕上并且因此按照提供给手表100的指令而使按钮107去激活时，按钮107的去激活状态生成通过信号线108施加到开关信号生成器123A的正指示信号。相反，当用户选择将手表100佩戴在他/她的右手腕上并且因此激活按钮107时，按钮107的激活状态生成通过信号线108施加到开关信号生成器123A的负指示信号。然后，开关信号生成器123A可如上所述进行响应以切换或不切换第一ECG信号和第二ECG信号。
差分放大器124对分别在开关电路121的第一开关输出C和第二开关输出D提供的第一ECG信号和第二ECG信号(SA和SA′)进行接收和放大，并且将放大的差分信号SB和SB′传送到ADC 130。优选地，差分放大器124将具有低噪声特性和高放大因数。因此，在图5的示例中，差分放大器124被假设为包括(前端)低噪声放大器(LNA)125以及(后端)可编程增益放大器(PGA)127。就这一点而言，工作电压Vdd和地电压VSS被施加到LAN 125和PGA 127作为工作电压。
LNA 125可被用于对通过各个LNA输入IL1和IL2接收的第一ECG信号与第二ECG信号之间的差进行初步地(或中间地)放大，并且分别在LNA输出OL1和OL2提供放大的第一ECG信号和第二ECG信号(例如，第一差分信号和第二差分信号)。然后，PGA 127可被用于响应于输入增益控制信号(GCS)对通过各个PGA输入IP1和IP2接收的第一ECG信号与第二ECG信号之间的差进行进一步放大，并且分别在PGA输出OP1和OP2提供进一步放大的第一ECG信号和第二ECG信号。
以这种方式，图5的ECG传感器芯片120A能够响应于位置输入元件的用户操作来处理ECG信号，而不管由可穿戴设备100获取ECG信号的位置(例如，用户的左手腕/右手腕)。当然，关于用户的左手腕/右手腕所绘制的手表可穿戴设备100的示例仅是一个示例。根据本发明构思的实施例的不同地配置的可穿戴设备可被不同地放置，并且将包含合适的位置输入元件。
包含图6A至图6C的图6是进一步示出在另一示例(120B)中的图4的ECG传感器芯片120的框图。参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，包含120B-1、120B-2和120B-3的ECG传感器芯片120B再次包括之前关于图5中所示的实施例描述的开关电路121和差分放大器124。因此，关于图6将不描述这些元件和它们的相关信号。
然而，图6的ECG传感器芯片120B包括与关于图5所描述的ECG传感器芯片120A相比不同类型的“位置指示器”。也就是，代替使用响应于由被用户激活/去激活的位置输入元件(例如，按钮107)生成的指示信号(IDS)的开关信号发生器123A，由包含123B-1、123B-2和123B-3的峰值检测器123B生成施加在图6的ECG传感器芯片120B中的开关信号(SS)。
显著地，在图6的ECG传感器芯片120B中使用的峰值检测器123B是基于接收的ECG信号的性质“自动地”提供开关信号的开关信号生成单元的示例。通过比较的方式，在图5的ECG传感器芯片120A中使用的开关信号生成器123A和按钮107的结合是“手动地”提供开关信号的开关信号生成单元的示例。
为了该描述的目的假设峰值检测器123B通过操作默认来生成具有第一电平的开关信号。因此，再次假设图2的手表可穿戴设备100示例，当用户将手表100佩戴在他/她的左手腕上并且使用他/她的右手触摸第二电极103时，得到的第一ECG信号和第二ECG信号(见图3)将在LNA输出OL1和OL2被自动地检测，或可选地在PGA输出OP1和OP2被自动地检测。在由峰值检测器123B检测到第一ECG信号和第二ECG信号时，各个波形(或者波形的方面，如ECG峰值)将被中断以间接地确定如被用户佩戴的手表可穿戴设备的位置。
因此，当与在第二LNA输出OL2表观的相对较弱的第二ECG信号相比，检测到在第一LNA输出OL1表观的相对较强的第一ECG信号时，峰值检测器在手表100被佩戴在左手腕上时中断该结果，并且生成具有第一电平(即，默认选项)的开关信号。相反，当与在第二LNA输出OL2表观的相对较强的第二ECG信号相比，检测到在第一LNA输出OL1表观的相对较弱的第一ECG信号时，峰值检测器在手表100被佩戴在右手腕上时中断该结果，并且生成具有第二电平的开关信号。
这里，开关121如之前关于开关信号(SS)所述进行操作。
因此，在本发明构思的特定实施例中，峰值检测器123B可被用于确定分别在LNA125或PGA 127的输出表观的放大的第一ECG信号和第二ECG信号中的至少一个ECG峰值是在ECG信号基线以上还是以下。响应于该确定，峰值检测器123B可被用于生成具有合适电平的开关信号。也就是说，当放大的第一ECG信号和第二ECG信号的ECG峰值中的至少一个被检测出如图3A中所示在基线以上时，峰值检测器123B将生成具有第一电平的开关信号。然而，当放大的第一ECG信号和第二ECG信号的ECG峰值中的至少一个被检测出如图3B中所示在基线以下时，峰值检测器123B将生成具有第二电平的开关信号。
这里再次，根据本发明构思的特定实施例的ECG传感器芯片120B正确地处理接收的ECG信号而不管用户决定佩戴获取ECG信号的可穿戴设备的位置(例如，左手腕/右手腕)。
虽然图6的峰值检测器123B被示出为检测在LNA 125(或PGA 127)的各个输出表观的放大的第一ECG信号和第二ECG信号，但是在本发明构思的其他实施例中可检测在开关电路121表观的第一ECG信号和第二ECG信号。
图7是进一步示出在另一示例(120C)中的图4的ECG传感器芯片120的框图。参照图1、图2、图3、图4和图7，与之前的两个示例性实施例相比，ECG传感器芯片120C大体上仅包括差分放大器124。
在没有开关121的情况下，图7的LNA 125可通过第一信号线102直接地接收第一ECG信号，并且通过第二信号线104直接地接收第二ECG信号。接下来如之前所述放大这两个ECG信号之间的电压差，分别在第一PGA输出OP1和第二PGA输出OP2表观的第一ECG输出信号和第二ECG输出信号被传送到ADC 130，并且这些ECG输出信号的处理和中断基于标识用户佩戴可穿戴设备的位置的位置信息被留给CPU 140。例如，可在没有用户提供的输入的情况下(自动地)或者利用用户提供的输入(诸如，通过用户输入装置185或显示在显示器180上的GUI输入的位置信息)来执行从第一ECG信号和第二ECG信号得到的ECG数字信号的CPU处理和中断。
再次参照图4、图7和图8，可通过在CPU 140上运行的应用(APP)来创建在显示器180上显示的GUI 181。再次假设图2的手表可穿戴设备100，用户可被要求通过GUI 181指示作为应用执行的一部分的被用户佩戴的手表100的位置(例如，在左手腕或右手腕上)。
可通过选择和触摸显示在显示器180上的GUI图标182或GUI图标184中的一个来容易地做出这样的指示。之后，输入装置185可被用于通过输入接口172将位置指示数据(例如，感测的触摸信号)传送到CPU 140。然后，不论如图3B中所示或如图3A中所示的第一ECG信号和第二ECG信号被呈现给放大器124，CPU 140可被用于合适地处理(例如)由ADC 130提供给CPU 140的并且与第一ECG信号和第二ECG信号相关的ECG输出信号。
进一步注意的是，前述的由用户在GUI图标182与GUI图标184之间的选择可发生在第一ECG信号和第二ECG信号被放大器124接收之前或者之后。
因此，已经参照图5、图6和图7中分别示出的实施例示出了：各种设计的ECG传感器芯片可被用于确定(或响应)可穿戴设备的位置，并且不管位置如何而处理由可穿戴设备捕获的ECG信号。可使用手动或自动检测方法来实现该可穿戴设备位置确定和之后的ECG信号处理能力，并且可使用基于硬件和/或基于软件的解决方案来实现该可穿戴设备位置确定和之后的ECG信号处理能力。
图9、包含图10A至图10C的图10以及图11中所示的本发明构思的实施例(120D、包含120E-1至120E-3的120E以及120F)分别类似于之前关于图5、图6和图7(120A、120B和120C)描述的实施例。然而，在图9、图10和图11中所示的实施例(120D、120E和120F)中的每一个中，放大器124已经被修改为包括将电压控制偏移提供给LNA 125和PGA 127中的一个或二者的偏移控制器129。因此，在这些附加实施例中的每个中包括的差分放大器124用作具有偏移特性的差分放大器。
包含图12A和图12B的图12是示出与放大器124结合地使用偏移电压以生成被更容易区分的放大的ECG信号(SC)的总体方法的示意图。参照图12并保持图4、图5、图6和图7中所示的实施例的之前描述中的思想，数模转换器(DAC)175被添加在ADC 130之后。这里，DAC175可被提供作为显示控制器170或显示器180的一部分。也就是说，显示器180可包括具有DAC 175的显示驱动器IC。
电压差“dV”等于第一ECG信号(SA)与第二ECG信号(SA′)之间的差的绝对值，其中，针对LNA 125和PGA 127假设Vdd和0V的工作电压。如图12中所示，在使用第一ECG信号和第二ECG信号的电压偏移的差分放大期间，施加到LNA 125的第一输入的第一ECG信号SA和施加到LNA 125的第二输入的第二ECG信号SA′具有图12A的(a)所示的关系。
在偏移电压(Vos)被施加到差分放大器124(具体地被施加到LNA 125)之前，由差分放大器124提供的ECG输出信号SB和SB′将如图12A的(b)所示围绕Vdd/2对称。因此，当偏移电压未被施加到差分放大器124时，提供给DAC 175的放大的差分输出信号SC′将如图12A的(d)所示。生成的该版本的放大的差分ECG信号SC′仅扩展到Vdd和0V之间的电压范围的大约一半。
然而，当偏移电压被施加到差分放大器124(具体地被施加到LNA 125)时，差分放大器124的输出ECG信号SB和SB′将再次围绕Vdd/2对称，但是将如图12B的(c)所示被修改偏移电压值Vos。作为该偏移电压修改的结果，图12B的(e)所示的放大的差分ECG信号SC占用整个工作电压范围。
注意的是，当施加了偏移电压时，放大的差分ECG信号的信噪比更好得多。也就是说，当偏移电压被施加到差分放大器124(具体地被施加到LNA125)时，第一ECG信号与第二ECG信号之间的差被更加显著地放大。
如图9、图10和图11中所示，由偏移控制器129提供的一个或多个偏移电压(单独地或共同地，Vos)可被施加到LNA 125和PGA 127中的一个或二者。施加到LNA 125的第一偏移电压可与施加到PGA 127的第二偏移电压相同或者不同。
图13是示出根据本发明构思的特定实施例的能够捕获并处理一个或多个ECG信号的可穿戴设备100-1的立体图。参照图13，可穿戴设备100-1再次采用腕表的形式，但是现在包括相互靠近地共同布置在手表100-1的底面上的第一电极101、第二电极103和地电极105。与之前描述的处理单元110和显示器180相似的处理单元110和显示器180可被包括在可穿戴设备100-1中。可选地，可穿戴设备100-1还可包括之前描述的输入装置185和/或用户激活的位置输入装置(例如，按钮)107。
图14是示出根据本发明构思的特定实施例的能够捕获并处理一个或多个ECG信号的可穿戴设备100-2的立体图。参照图14，可穿戴设备100-2再次采用腕表的形式，并且包括从通过表带95支撑在用户手腕上的手表主体99的底面突出的第一电极101和地电极105。第二电极103被布置在表带95的正对手表主体99的部分上。这里再次，之前描述的处理单元110、显示器180、用户输入装置185和/或用户激活的位置输入装置107可被包括在可穿戴设备100-2中。
图15是示出根据本发明构思的特定实施例的能够捕获并处理一个或多个ECG信号的可穿戴设备100-3的立体图。眼镜可穿戴设备100-3包括以下项中的一个或多个：如之前所述的第一电极101、第二电极103和地电极105，处理单元110以及(可选地)一个或多个显示器180，其中，眼镜100-3包括通过桥部分85连接的左镜片和右镜片部分88、在用户头部的左侧支撑眼镜的左臂构件87以及在用户头部的右侧支撑眼镜的右臂构件86。
虽然图15的眼镜被示出为具有在单个臂构件上彼此紧密靠近地布置的第一电极101、第二电极103和地电极105，但是不需要总是这种情况。例如，第二电极103可被布置在对面的左臂构件87上而非具有第一电极101和地电极105的右臂构件86上。此外，一个或多个显示器180可被包含在镜片部分88中的一个或二者内。
在本发明构思的特定实施例中，处理单元110和电源可与一个或多个ECG传感器101、103和105一起被设置在布置在眼镜100-3的一个或两个臂构件87/86上的SoC上。然而，ECG传感器101、103和105中的一个或多个可被单独地布置在SoC外部的眼镜100-3上。
包括图16A和图16B的图16是示出根据本发明构思的特定实施例的能够捕获并处理一个或多个ECG信号的可穿戴设备100-4的立体图。这里，可穿戴设备100-4采用可被用户直接地应用到期望位置的皮肤粘附片(skin-adhering patch)190的形式。一个或多个ECG感测电极(例如，第一ECG电极101和第二ECG电极103)连同与之前描述的实施例一致的处理单元110可被包含在片190内。
特别注意的是，已经发现：与“横穿”主要血管流经用户手臂191的方向(即，方向“b”)的图16A的片190中的传感器的布置相比，“沿着”主要血管流经用户手臂191的方向(即，方向“a”)的图16B的片190中的传感器的布置更加有效地促进ECG信号的捕获。
图16的实施例被绘制到用户的下臂，但是本领域的技术人员将从上述描述理解：与本发明构思一致的其他片实施例可被配置为与其他用户位置(诸如，上臂、大腿或小腿、脖子等)相关地使用。
图17是根据本发明构思的实施例的包括包含图4的ECG传感器芯片120的可穿戴设备100-5的数据处理系统200的框图。参照图17，数据处理系统200包括可穿戴设备100-5以及被配置为通过无线连接和/或硬接线连接199与可穿戴设备进行通信的计算装置210。
除了额外提供无线接口190之外，可穿戴设备100-5可如之前关于图4描述的可穿戴设备一样来配置。无线接口190可被用于使用无线连接199将由CPU 140处理的数据传送到计算装置210。该数据可包括与ECG信号(或ECG波形)相关的数据、与心率相关的数据和/或与心律失常相关的数据。无线接口190可支持蓝牙、蓝牙低能耗(BLE)、近场通信(NFC)、射频识别(RFID)或WiFi。
图17中所示的计算装置210包括：无线接口215、CPU 220、存储器控制器225、存储器230、显示控制器235和显示器240。计算装置210可被实现为移动计算装置或服务器。例如，服务器可被用于提供远程医疗服务。
无线接口215、CPU 220、存储器控制器225、存储器230、显示控制器235和显示器240可通过总线结构211来互相通信。无线接口215可与无线接口190通信。无线接口215可支持蓝牙、BLE、NFC、RFID或WiFi。
CPU 220可通过总线结构211来控制存储器控制器225以及显示控制器235。
存储器控制器225可根据CPU 220的控制将数据(例如，关于ECG的数据)写入到存储器230或者可从存储器230读取数据(例如，关于ECG的数据)。可使用易失性和/或非易失性存储器来实现存储器230。
显示控制器235可根据CPU 220的控制通过接口将数据从CPU 220或存储器控制器225发送到显示器240。该数据可包括与ECG信号(或ECG波形)相关的数据、与心率相关的数据和/或与心律失常相关的数据。
图18是概括根据本发明构思的特定实施例的使用可穿戴设备中的ECG传感器芯片的方法的流程图。参照图4、图5和图6以及图13、图14、图15、图16和图17，开关信号生成器123A或者峰值检测器123B可被用于生成开关信号(SS)，并且随后将开关信号传送到开关电路121(S 110)。如上所述，响应于具有第一电平的开关信号，开关电路121将使通过第一输入端子A接收的第一ECG信号ECG1传递到第一输出端子C，并且使通过第二输入端子B接收的第二ECG信号ECG2传递到第二输出端子D。可选地，响应于具有第二电平的开关信号，开关电路121将使通过第一输入端子A接收的第一ECG信号ECG1传递到第二输出端子D，并且使通过第二输入端子B接收的第二ECG信号ECG2传递到第一输出端子C(S120)。
然后，差分放大器124放大在第一输入端子IL1表观的第一ECG信号(SA)与在第二输入端子IL2表观的第二ECG信号(SA′)之间的差，并且将放大的ECG输出信号(SB和SB′)输出到ADC 130(S 130)。
如以上参照图9和图10所述，当偏移控制器129将偏移电压Vos施加到差分放大器124时，如参照图12以及针对操作S 130所述，差分放大器124可将反映偏移电压Vos的放大的信号SB和SB′输出到ADC 130。
图19是概括根据本发明构思的特定实施例的使用可穿戴设备的方法的流程图。参照图4、图7、图11、图13、图14、图15、图16和图18，在开始ECG信号捕获的处理之前，可穿戴设备(例如，100、100-1、100-2、100-3、100-4或100-5)的用户可使用输入装置185从显示在显示器180上的GUI 181选择图标(182或184)(S210)。
这里，假设第一电极101和地电极105被放置为与左手或右手中的一个接触，而第二电极103被左手或右手中的另一个接触。作为结果，第一电极101生成第一ECG信号ECG1，第二电极103生成第二ECG信号EEG2(S220)。
然后，差分放大器124被用于放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差，生成放大的ECG输出信号(SB和SB′)，并将放大的ECG输出信号传送到ADC 130(S230)。然后，ADC 130将放大的ECG输出信号SB和SB′转换为相应的数字ECG信号(S240)。
当在操作S210期间用户选择图标(例如，182)时，相应的位置信息通过输入装置185和用户接口172被传送到CPU 140。因此，在上述假设下，当可穿戴设备被佩戴在左手腕上并且右手的手指与第二电极103接触时，生成具有图3A的波形的ECG信号。因此，CPU 140通过将数字ECG信号处理为正常的(或未反转的)ECG信号来基于位置信息处理由ADC 130提供的得到的数字ECG信号(S260)。
然而，假设在操作S210用户选择图标184，则不同的位置信息通过输入装置185和用户接口172被传送到CPU 140。因此，当可穿戴设备被佩戴在右手腕上并且左手的手指与第二电极103接触时，得到的ECG信号将具有图3B的波形。因此，CPU 140将基于位置信息来处理由ADC 130提供的相应的数字ECG信号，并且将数字ECG信号处理为反转的ECG信号(S270)。
之后，显示器180或者显示控制器170的DAC 175可被用于将由CPU 140提供的特定数字控制信号/数据转换为一个或多个模拟信号(S280)。
图20是根据本发明构思的特定实施例的包括包含如关于图4描述的ECG传感器芯片的可穿戴设备100-5的数据处理系统300的框图。数据处理系统300可被用于提供适于监测、记录、表征和/或保护佩戴可穿戴设备100-5的用户的健康的一个或多个远程医疗服务。
因此，参照图20，数据处理系统300包括可穿戴设备100-5以及第一健康保健服务器320，其中，第一健康保健服务器320被配置为通过无线网络(例如，因特网310或类似的分布、无线通信系统)传送由可穿戴设备得到的或监测到的数据。在本发明构思的特定实施例中，数据处理系统300还可包括第二健康保健服务器350，类似地，第二健康保健服务器350被配置为与可穿戴设备100-5和/或第一健康保健服务器320通信。这里，例如，假设保险机构管理第二健康保健服务器350以及它的组成数据库355。
当可穿戴设备100-5的用户促使安装在可穿戴设备100-5中的应用的执行时，可穿戴设备100-5的无线接口将通过因特网310把健康相关数据(HDATA)传送到健康保健服务器320(S301)。假设应用能够存储与第一健康保健服务器320和/或第二健康保健服务器350相关的统一资源定位符(URL)。因此，应用可被用于使用URL将健康数据(HDATA)传送到第一健康保健服务器320和/或第二健康保健服务器350。
无线网络310可被用于将健康数据(HDATA)传送到第一健康保健服务器320(S303)和/或第二健康保健服务器350(S321)。就这一点而言，健康数据可包括与一个或多个ECG信号相关的或者从一个或多个ECG信号得到的数据，其中，所述数据包括指示用户心率的相关数据。
第一健康保健服务器320接收健康数据(S303)，必要时可将健康数据存储在组成数据库321中(S304)，并通过网络330将健康数据或从健康数据得到的数据传送到医生的计算装置345(S305)。在此上下文中，医生的计算装置345可以是个人计算机(PC)或平板PC。假设医生在医疗机构(例如，个体医疗服务、公共卫生保健中心、诊所、医院或救助中心340)工作，则他/她的计算装置可被管理或与更大的病人数据系统集成以监测接收到的健康数据，并且诊断用户的医疗状态。响应于健康数据，医生和/或他/她的代理人可随后将诊断数据(DDATA)(例如，与医生的建议或诊断相关的信息)输入到医生的计算装置345(S307)。然后，医生的计算装置345可通过网络330将诊断数据传送到第一健康保健服务器320(S309)。第一健康保健服务器320接收诊断数据，将诊断数据存储在数据库321中(S304)，并通过无线网络310将诊断数据传送到可穿戴设备100-5和/或第二健康保健服务器350(S311、S313和/或S321)。响应于诊断数据，可穿戴设备100-5可在由CPU 140执行的应用的控制下通过它的显示器185显示特定数据，并且在本发明构思的特定实施例中，第二健康保健服务器350可将诊断数据存储在数据库355中(S323)。
以这种方式，可穿戴设备100-5的用户可根据医疗专家接收并响应由可穿戴设备100-5传送的健康数据的能力来从健康保健专家接收近似实时通信的诊断数据。
图21是根据本发明构思的特定实施例的包括包含如关于图4所述的ECG传感器芯片的可穿戴设备100-5的数据处理系统400的框图。与图20的数据处理系统300相似，图21的数据处理系统400可被用于提供一个或多个远程医疗服务。
参照图21，数据处理系统400包括可穿戴设备100-5和计算装置210，其中，计算装置210被配置为通过无线网络(例如，因特网405)与可穿戴设备100-5进行通信。根据一些实施例，数据处理系统400还可包括被配置为通过无线网络(例如，因特网410)与计算装置210进行通信的健康保健服务器415。
当可穿戴设备100-5的用户促使安装在可穿戴设备100-5中的应用的执行时，可穿戴设备100-5的无线接口将通过无线网络405把健康数据(HDATA)传送到计算装置210(S401)。健康数据可包括指示用户心率的一个或多个ECG信号。
在本发明构思的特定实施例中，计算装置210可通过近场通信(NFC)扫描方法或标签方法从可穿戴设备100-5接收健康数据。这里，假设能够从可穿戴设备100-5接收健康数据的应用被安装在计算装置210上。例如，可穿戴设备100-5可作为NFC标签操作，并且计算装置210可作为NFC阅读器操作。如上所述，安装在计算装置210中的应用可存储与被配置为与计算装置210和医生的计算装置425进行通信的健康保健服务器415相关的URL。
当计算装置210从可穿戴设备100-5接收到健康数据时，计算装置210可生成指示和/或显示健康数据或从健康数据得到的数据。如果医生的介入被授权，则计算装置210可被用于在由医生或他/她的医疗组控制的应用的控制下，通过因特网410将诊断数据(DDATA)和健康数据传送到健康保健服务器415。因此，应用可使用健康保健服务器415的URL来将健康数据传送到健康保健服务器415。
以这种方式，健康保健服务器415可接收健康数据(S405)，将健康数据存储在组成数据库417中(S406)，并通过网络将健康数据传送到医生的计算装置425。这里再次，网络可以是有线通信网络和/或无线通信网络，医生的计算装置425可以是个人计算机(PC)或平板PC。
当医生在医疗机构、公共卫生保健中心、诊所、医院或救助中心420工作时，计算装置425可以与用于监测健康数据并诊断用户的医疗状况的病人服务系统功能性地集成。医生可将响应于健康数据的诊断数据输入到医生的计算装置425(S407)。然后，医生的计算装置425可通过网络将诊断数据传送到健康保健服务器415。
然后，健康保健服务器415接收诊断数据，将诊断数据存储在数据库417中，并通过无线因特网410将诊断数据传送到计算装置210(S409和S411)。计算装置210可在由CPU 140执行的应用程序的控制下通过显示器180显示数据DDATA。
在一些特定实施例中，如果用户有紧急情况，则医疗组、家庭保护者(familyprotector)或过路人可响应于由计算装置210显示的诊断数据对用户执行紧急治疗。例如，如果必要，则医疗组、家庭保护者或过路人可使用计算装置210与医生进行视频通话。因此，医疗组、家庭保护者或过路人可在医生的指导下对用户实施适当的紧急治疗。此外，医疗组、家庭保护者或过路人可响应于医生的监测和/或诊断来提供实时反馈。
根据上述的本发明构思的实施例，ECG传感器芯片可根据开关信号对捕获的ECG信号进行反转或不反转。此外，使用配置有偏移控制器的放大器的ECG传感器芯片可被用于减小噪声并改善信号辨识。根据本发明构思的实施例，可穿戴设备将响应于可穿戴设备被用户佩戴的位置来适当地处理一个或多个ECG信号。
本质上，上述的实施例是说明性的。本发明构思的范围被权利要求和它们的等同物限定。

Claims (25)

1.一种被配置为在可穿戴设备中使用的心电图ECG传感器芯片，所述ECG传感器芯片包括：
开关，由开关信号控制并包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出；
放大器，包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差；
位置指示器，当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号强时，将用户的身体上的捕获第一ECG信号的位置确定为用户的第一位置，并生成第一状态下的开关信号；当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号弱时，将用户的身体上的捕获第二ECG信号的位置确定为用户的第二位置，并生成第二状态下的开关信号，其中，第一位置与用户的心脏之间的距离小于第二位置与用户的心脏之间的距离，
其中，响应于开关信号的第一状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
2.如权利要求1所述的ECG传感器芯片，其中，位置指示器包括：开关信号生成器，响应于指示信号来生成第一状态和第二状态之一下的开关信号。
3.如权利要求2所述的ECG传感器芯片，其中，指示信号响应于用户激活的位置输入元件的用户激活/去激活状态被生成。
4.如权利要求3所述的ECG传感器芯片，其中，用户激活的位置输入元件是以下项中的一个：
布置在可穿戴设备上的机械按钮，
在布置在可穿戴设备上的显示器上呈现的图形用户界面(GUI)的图标，和
在无线连接到可穿戴设备的计算装置上布置的用户输入装置。
5.如权利要求3所述的ECG传感器芯片，其中，放大器包括：
前端低噪声放大器LNA，从所述开关接收第一ECG信号和第二ECG信号，并生成中间放大的第一ECG信号和中间放大的第二ECG信号；
后端可编程增益放大器PGA，从LNA接收中间放大的第一ECG信号和中间放大的第二ECG信号，并生成放大的第一ECG信号和放大的第二ECG信号。
6.如权利要求5所述的ECG传感器芯片，还包括：
偏移控制器，将至少一个电压控制偏移提供给LNA和PGA中的至少一个。
7.如权利要求1所述的ECG传感器芯片，其中，位置指示器包括峰值检测器，所述峰值检测器接收从第一ECG信号得到的第一峰值检测信号和从第二ECG信号得到的第二峰值检测信号，并基于第一峰值检测信号与第二峰值检测信号之间的差来生成开关信号。
8.如权利要求7所述的ECG传感器芯片，其中，放大器包括：
前端低噪声放大器LNA，从所述开关接收第一ECG信号和第二ECG信号，并且生成中间放大的第一ECG信号和中间放大的第二ECG信号；
后端可编程增益放大器PGA，从LNA接收中间放大的第一ECG信号和中间放大的第二ECG信号，并且生成放大的第一ECG信号和放大的第二ECG信号。
9.如权利要求8所述的ECG传感器芯片，还包括：
偏移控制器，将至少一个电压控制偏移提供给LNA和PGA中的至少一个。
10.一种被配置为在可穿戴设备中使用的系统，所述系统包括：
心电图ECG传感器芯片，接收来自第一ECG传感器的第一ECG信号和来自第二ECG传感器的第二ECG信号；
模数转换器ADC，接收第一ECG输出信号和第二ECG输出信号，并生成相应的ECG数字信号；
处理器，接收ECG数字信号，并响应于接收到的指示被用户佩戴的可穿戴设备的位置的位置信息来处理ECG数字信号，
其中，ECG传感器芯片包括：
开关，由开关信号控制并包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出；
放大器，包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并放大第一ECG信号与第二ECG信号之间的差以生成第一ECG输出信号和第二ECG输出信号；
位置指示器，当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号强时，将用户的身体上的捕获第一ECG信号的位置确定为用户的第一位置，并生成第一状态下的开关信号；当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号弱时，将用户的身体上的捕获第二ECG信号的位置确定为用户的第二位置，并生成第二状态下的开关信号，其中，第一位置与用户的心脏之间的距离小于第二位置与用户的心脏之间的距离，
其中，响应于开关信号的第一状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
11.如权利要求10所述的系统，其中，位置信息响应于用户激活的位置输入元件的用户激活/去激活状态被生成。
12.如权利要求11所述的系统，其中，用户激活的位置输入元件是以下项中的一个：布置在可穿戴设备上的机械按钮，在由布置在可穿戴设备上的显示器提供的图形用户界面(GUI)上呈现的图标，和在无线连接到可穿戴设备的计算装置上布置的用户输入装置。
13.如权利要求10所述的系统，其中，放大器包括：
前端低噪声放大器LNA，从开关接收第一ECG信号和第二ECG信号，并生成中间放大的第一ECG信号和中间放大的第二ECG信号，以及
后端可编程增益放大器PGA，从LNA接收中间放大的第一ECG信号和中间放大的第二ECG信号，并生成放大的第一ECG信号和放大的第二ECG信号。
14.一种在用户上的位置处佩戴的可穿戴设备，所述可穿戴设备包括：
第一心电图ECG电极；
第二ECG电极；
ECG传感器芯片，接收来自第一ECG电极的第一ECG信号和来自第二ECG电极的第二ECG信号，
所述ECG传感器芯片包括：
开关，由开关信号控制并包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出；
放大器，包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并且生成第一ECG信号与第二ECG信号之间的放大的差信号；
位置指示器，当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号强时，将用户的身体上的捕获第一ECG信号的位置确定为用户的第一位置，并生成第一状态下的开关信号；当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号弱时，将用户的身体上的捕获第二ECG信号的位置确定为用户的第二位置，并生成第二状态下的开关信号，其中，第一位置与用户的心脏之间的距离小于第二位置与用户的心脏之间的距离，其中，响应于开关信号的第一状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
15.如权利要求14所述的可穿戴设备，其中，第一ECG电极被布置在可穿戴设备的第一表面上，并且第二ECG电极被布置在可穿戴设备的与第一表面不同的第二表面上。
16.如权利要求15所述的可穿戴设备，还包括：
地电极，被布置在当可穿戴设备被用户佩戴时可穿戴设备的与用户接触的第三表面上。
17.如权利要求16所述的可穿戴设备，其中，第一表面和第三表面是可穿戴设备的相同表面，使得地电极和第一ECG电极被靠近地布置在当可穿戴设备被用户佩戴时可穿戴设备的与用户接触的相同表面上。
18.如权利要求14所述的可穿戴设备，其中，第一ECG电极、第二ECG电极和地电极被共同布置在当可穿戴设备被用户佩戴时可穿戴设备的与用户接触的表面上。
19.如权利要求14所述的可穿戴设备，其中，所述可穿戴设备是眼镜，所述眼镜包括：
通过桥部分连接的左镜片部分和右镜片部分；
在用户头部的左侧支撑眼镜的左臂构件；
在用户头部的右侧支撑眼镜的右臂构件，
其中，第一ECG电极和第二ECG电极中的至少一个被布置在当所述眼镜被用户佩戴时与用户头部接触的左臂构件和右臂构件中的一个上。
20.如权利要求14所述的可穿戴设备，还包括：
模数转换器ADC，从放大器接收放大的差信号并且生成相应的ECG数字信号；
中央处理器CPU，从ADC接收ECG数字信号并且生成相应的显示数据；
显示器，被配置为响应于从CPU接收的显示数据来生成可视图像。
21.一种片上系统(SoC)，包括：心电图ECG传感器芯片、模数转换器ADC和中央处理器CPU，
其中，所述ECG传感器芯片包括：
开关，由开关信号控制并包括接收来自第一ECG传感器的第一ECG信号的第一开关输入、接收来自第二ECG传感器的第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出；
放大器，包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并生成第一ECG信号与第二ECG信号之间的放大的差信号；和
位置指示器，当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号强时，将用户的身体上的捕获第一ECG信号的位置确定为用户的第一位置，并生成第一状态下的开关信号；当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号弱时，将用户的身体上的捕获第二ECG信号的位置确定为用户的第二位置，并生成第二状态下的开关信号，其中，第一位置与用户的心脏之间的距离小于第二位置与用户的心脏之间的距离，其中，响应于具有第一状态的开关信号，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于具有第二状态的开关信号，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出，
所述模数转换器ADC接收放大的差信号并生成相应的ECG数字信号，
所述中央处理器CPU接收ECG数字信号并生成控制显示器上的可视图像的生成的显示信息。
22.如权利要求21所述的片上系统，其中，位置指示器在第一ECG传感器与用户的左手腕接触并且第二ECG传感器与用户的右手接触时生成第一状态下的开关信号，并且在第一ECG传感器与用户的右手腕接触并且第二ECG传感器与用户的左手接触时生成第二状态下的开关信号。
23.如权利要求21所述的片上系统，还包括：
电源管理电路，从电池电源获得至少一个电源信号，并将所述至少一个电源信号提供给ECG传感器芯片、ADC和CPU；
显示控制器，接收显示信息并驱动显示器以生成可视图像。
24.一种数据处理系统，包括：
可穿戴设备，包括ECG传感器芯片；
计算装置，被配置为通过无线连接和硬接线连接中的至少一个与可穿戴设备传送信息，
其中，所述可穿戴设备包括：
第一心电图ECG电极；
第二ECG电极；
ECG传感器芯片，接收来自第一ECG电极的第一ECG信号和来自第二ECG电极的第二ECG信号，
其中，ECG传感器芯片包括：
开关，由开关信号控制，并且包括接收第一ECG信号的第一开关输入、接收第二ECG信号的第二开关输入、第一开关输出以及第二开关输出，
放大器，包括从第一开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的一个的第一放大器输入以及从第二开关输出接收第一ECG信号和第二ECG信号中的另一个的第二放大器输入，并且生成第一ECG信号与第二ECG信号之间的放大的差信号，
位置指示器，当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号强时，将用户的身体上的捕获第一ECG信号的位置确定为用户的第一位置，并生成第一状态下的开关信号；当在第一放大器输入处的第一ECG信号比在第二放大器输入处的第二ECG信号弱时，将用户的身体上的捕获第二ECG信号的位置确定为用户的第二位置，并生成第二状态下的开关信号，其中，第一位置与用户的心脏之间的距离小于第二位置与用户的心脏之间的距离，其中，响应于开关信号的第一状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第一开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第二开关输出，并且响应于开关信号的第二状态，所述开关使第一ECG信号从第一开关输入传递到第二开关输出，并使第二ECG信号从第二开关输入传递到第一开关输出。
25.如权利要求24所述的数据处理系统，其中，无线连接支持使用以下项中的至少一个的信息的传送：蓝牙、蓝牙低能耗(BLE)、近场通信(NFC)、射频识别(RFID)和WiFi。
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