CN105726009A - 半接触式ecg测量系统及半接触式ecg测量方法 - Google Patents

Abstract

半接触式ECG测量系统及半接触式ECG测量方法。本公开提供了一种半接触式ECG测量系统，其包括：接触式传感器，其被定位为直接接触车辆中的乘客的皮肤，并且检测第一ECG信号；非接触式传感器，其被定位为邻近乘客，以便在不接触乘客的皮肤的情况下检测第二ECG信号；以及ECG传感器模块，其被配置为对第一ECG信号和第二ECG信号进行处理，并且被配置为根据第一ECG信号和第二ECG信号确定乘客的生理状态。

Description

半接触式ECG测量系统及半接触式ECG测量方法

技术领域

本发明涉及一种ECG测量系统。更具体而言，本发明涉及一种半接触式ECG测量系统及半接触式ECG测量方法，相比于现有的接触式心率检测方法，本发明由于无限制性测量而具有更佳的方便性，并且相比于非接触式心率检测方法，本发明具有更佳的ECG信号质量。

背景技术

在医疗领域，心电图(ECG)测量设备是广泛使用的医疗仪器，在常规上其以下述方式使用：使电极进行接触，从而测量人体的电势并检测电活动，并且以图的形式记录所检测到的电活动。

近年来，持续进行了对于在驾驶员驾驶车辆时测量车辆驾驶员的ECG的技术的研究。

进行这些研究活动的一个主要目的在于，监控驾驶员的心脏活动以便解决在驾驶员进行驾驶时可能出现的由心脏问题导致的各种不便，以及防止在发生心搏停止时可能出现的事故。

公开于该发明背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对发明构思的背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

已作出本公开以致力于解决与现有技术相关的上述问题。

本公开致力于提供一种半接触式ECG测量系统和半接触式ECG测量方法，其相比于现有的接触式心率检测方法，通过非限制性测量而具有更佳的方便性，并且相比于非接触式心率检测方法，具有更佳的ECG信号质量，其使第一电极和GND直接接触皮肤，并且以两点接触方法配置第二电极，该方法中，第二电极以非接触的方式隔着衣物接触皮肤，以便更好地检测ECG信号。

在一个方面，本发明构思提供了一种半接触式ECG测量系统，其包括：接触式传感器，其被定位在直接接触车辆中的乘客的皮肤的位置，以接触乘客的暴露的皮肤并检测ECG信号；非接触式传感器，其被定位为近距离接触座椅上的乘客的衣物，以便通过乘客的衣物检测ECG信号；以及ECG传感器模块，其被配置为对ECG信号进行发送和处理，并且通过接触式传感器和非接触式传感器检测的ECG信号来确定乘客的生理状态以在车辆中提供适宜的环境。

在另一方面，本发明构思提供了一种半接触式ECG测量方法，其包括：通过半接触式ECG测量系统，通过检测坐在座椅上的乘客的ECG信号来测量ECG；在多个预定时间存储和收集所测量的ECG数据；在收集的通过滤波的ECG数据中获得ECGR-R峰值间距信息；确定所获得的ECGR-R峰值间距信息是否具有规律性；通过压力指数计算单元，通过在ECGR-R峰值间距信息中进行分析和实施压力算法来计算压力指数；以及基于所计算的压力指数，通过微控制器，创建用于维持乘客稳定性的措施和环境。

根据如上配置的本发明构思，本公开提供了一种半接触式ECG测量系统，其包括：接触式传感器，其被定位为直接接触车辆中的乘客的皮肤，并且检测第一ECG信号；非接触式传感器，其被定位为邻近乘客，以便在不直接接触乘客的皮肤的情况下检测第二ECG信号；以及ECG传感器模块，其被配置为对第一ECG信号和第二ECG信号进行处理，并且被配置为根据第一ECG信号和第二ECG信号确定乘客的生理状态。

ECG传感器模块可以进一步包括：差分放大单元，其被配置为放大第一ECG信号和第二ECG信号，并且去除共模噪声；带通滤波器，其被配置为去除噪声；A/D转换器；R-R峰值检测器，其被配置为检测R-R峰值间距；以及压力指数计算器，其被配置为基于R-R峰值间距来计算压力指数。

ECG传感器模块可以进一步包括陷波滤波器，其被配置为从ECG信号中去除功率噪声分量。

一种半接触式ECG测量方法可以包括下列步骤：通过半接触式ECG测量系统，通过检测坐在座椅上的乘客的ECG信号来测量ECG；在预定时间收集所测量的ECG数据；在ECG数据中获得ECGR-R峰值间距信息；确定所获得的ECGR-R峰值间距信息是否具有规律性；使用ECGR-R峰值间距信息来计算压力指数；以及基于压力指数，输出措施。

半接触式ECG测量方法可以进一步包括：在ECG测量步骤之前，初始化ECG信号和峰值。

此外，可以在不打扰驾驶员的情况下计算诸如心率、ECG和压力的人体反应指数，并且通过微控制器对应于计算结果的反馈可以提供车辆中安全的驾驶环境。

下面将讨论本发明构思的其它方面和示例性实施方案。

应了解本文所用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语一般包括机动车辆，如客运汽车，包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆、包括多种小船和船舰的船只、飞机等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他选择性的燃料车辆(例如衍生自除了石油之外的来源的燃料)。本文所指的混合动力车辆为具有两个或更多个动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电动车辆。

附图说明

接下来将参照由所附附图显示的本发明构思的某些示例性实施方案来详细地描述本发明的以上及其它特征，这些附图在下文中仅以显示的方式给出，因而对本发明构思是非限定性的，在这些附图中：

图1是根据本发明构思的实施方案的半接触式ECG测量系统的配置图。

图2是根据本发明构思的实施方案的半接触式ECG测量系统中的ECG传感器模块的配置图。

图3和图4是应用于车辆的根据本发明构思的实施方案的半接触式ECG测量系统的配置与安装状态图。

图5是通过根据本发明构思的实施方案的半接触式ECG测量系统进行的ECG测量方法的流程图。

其中，图1中的部分附图标记如下：

A：人体的第一感测单元(皮肤)；

B：衣物、座垫等；

C：第一放大器(传感器单元)；

D，G：动态电势屏蔽线；

E：GND；

F：输入偏置电阻；

H：电极；

I：绝缘单元(特氟龙)；

J：人体的第二感测单元(皮肤)。

应当了解，所附附图并不必须是按比例绘制的，其呈现了某种程度上经过简化的说明本发明构思的基本原理的各个特征。本文所公开的本发明构思的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和形状将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记引用本发明构思的同样的或等同的部件。

具体实施方式

接下来将详细地参考本发明构思的不同实施方案，实施方案的示例示出在所附附图中并描述如下。尽管将结合示例性实施方案来描述本发明构思，但是应当理解的是，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明构思旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明构思的精神和范围之内的各种替换、修改、等同形式和其他实施方案。

下文将参考所附附图对本发明构思进行更为全面的描述，在这些附图中显示了本发明构思的示例性实施方案。

在描述本发明构思之前，心电图(ECG)设备是这样的设备，其利用与人体表面接触的电极130，通过引入、微分并放大由心脏肌肉的活动(去极化/再极化)产生的电势改变而将心率测量为波形。

这就是说，在车辆座椅100上设置了可以接触人体的传感器110，并且在车辆座椅100上设置了可以不接触人体的另一个传感器120，在每个传感器中，电极130和GND131彼此分开且整体地形成，两个电极130中一个是电容耦合电极，另一个是用于测量电势差的电极。

这里，接触式传感器110测量由接触电极130的人体皮肤的电势与接触GND131(GND131围绕电极130)的人体皮肤的电势之间的差所产生的信号，非接触式传感器120的电极130测量由从人体以电容耦合方式而流过覆盖电极130的电场所产生的电势与接触接触式传感器单元(其与电路连接)的GND131的人体的电势之间的差所产生的信号。因此，ECG信号被测量为，接触式传感器110所测量的信号与非接触式传感器120所测量的信号之间的差。

在该情况下，每个传感器单元均配置有电极130和GND131，待测量部分的电极130部分受到经由接触或非接触人体而流动的电场的影响，该电场受到在电极130周围形成的GND131的影响。

因此，通过GND131，流入电极130的电场的方向和大小可以被配置为与外部噪声的大小类似，从而，可以获得由两个传感器测量的两个信号之间的差来简单地去除噪声的结构，并从而获得ECG；基于接触式传感器的更佳的信号质量，相比于非接触式传感器可以稳定地获得信号。

如图1和图2所示，本发明构思的半接触式ECG测量系统包括接触式传感器110，其设置在邻近座椅100的直接接触乘客皮肤的位置(例如，扶手、车门、座椅结构、把手、换挡杆等)，从而通过接触暴露的乘客皮肤而检测ECG信号；以及非接触式传感器120，其设置在同样邻近座椅100的接触乘客衣物的位置(例如，座椅、靠背、靠枕等)，从而以非接触的方式检测ECG信号。

如图1和图2所示，半接触式ECG测量系统包括ECG传感器模块200，其发送和处理ECG信号，从而通过接触式传感器110和非接触式传感器120所检测到的ECG信号来确定乘客的生理状态，以有助于在车辆中提供稳定的环境。

在上述配置下的半接触式ECG测量系统中，半接触式测量需要电极130和GND131(电极130和GND131检测人体表面的电信号)构成的传感器以对ECG进行测量。为了检测出良好的ECG信号，一个传感器被配置为整合了直接接触皮肤的电极130和GND131，而另一个传感器以非接触的方式在间隔有衣物的情况下检测ECG信号。

为了在车辆的行驶状态下通过检测ECG信号来确定乘客的状态，可以在各种行驶条件(例如，加速、突然停止或不佳路况)下获得良好的ECG信号，而不对乘客产生不便。

此外，因为接触式检测方法获得相比于非接触式检测具有更佳质量的ECG信号，以及非接触式检测由于非限制性测量而提升了方便性，所以本发明构思的半接触式ECG测量系统检测处于接触式水平的信号，并且其方便性与非接触式测量相同。

在该情况下，包括接触式传感器110和非接触式传感器120的本发明构思可以进一步包括信号放大单元140，其放大由电极130引入的心率信号以产生ECG信号。

此外，如图2所示，在ECG传感器模块200中，包括电极130(电极130设置在接触式传感器110和非接触式传感器120的每个中)所检测的噪声的弱ECG信号被信号放大单元140初级放大，DC分量通过高通滤波器150去除，每个传感器110和120的输出被传递至ECG传感器模块200。

这里，ECG传感器模块200被配置为可以通过下列各项而获得良好的ECG信号的结构：①通过低通滤波器210去除从每个传感器输入的ECG信号的噪声，②通过放大差分单元220，放大两个传感器的ECG信号之间的差，并且同时去除共模噪声，③通过使信号通过陷波滤波器230而去除功率噪声分量，以及④在带通滤波器240中仅通过适于ECG频率的分量。

最后，ECG传感器模块200的微控制器280被配置为⑤在A/D转换器单元250中将良好的ECG信号转换为数字信号，⑥通过R-R峰值检测单元260检测峰值，以及⑦基于积累的峰值数据，通过压力指数计算单元270计算压力。

因此，因为根据乘客的健康状态、姿态和环境产生各种ECG信号，所以电极130(其包括用于检测差分信号的GND131并且检测生理电势)整体地直接接触皮肤，而另一个电极130通过以非接触式测量的方式在有衣物的状态下测量ECG而检测ECG信号。

这就是说，在乘客舒服地就座时，仅通过使一只手接触电极130就测量了ECG，并且乘客的压力指数可以通过使用表示各种生理状态的指数来确定。可以使用微控制器反馈来生成使乘客稳定的环境，并且其可以与例如车辆环境通风的服务性功能协同工作。

此外，ECG信号通过接触式传感器110和非接触式传感器120在接触和不接触(有衣物的状态)预定人体部位(手掌和大腿)之后基于时间轴检测，从而通过带通滤波器、陷波滤波器、GND131以及差分放大而不是通过DRL电路来去除接触噪声和环境噪声。

通过上述配置，现在将参考所附的图5详细描述ECG测量方法。

坐在座椅100上的乘客的ECG信号通过半接触式ECG测量系统得到检测，然后测量ECG(S100)。

接下来，存储并收集对于每个预定时间测量的ECG数据(S200)。

在该情况下，优选的是，将预定时间设定为0.5至1.5ms，以便实时测量检测信号。

在收集的通过滤波的ECG数据中获得ECGR-R峰值间距信息(S300)。

确定所获得的ECGR-R峰值间距信息是否具有规律性(S400)。

通过压力指数计算单元270，通过在ECGR-R峰值间距信息中进行分析和实施压力算法，计算压力指数(S500)。

基于计算出的压力指数，通过微控制器创建用于维持乘客稳定性的措施和环境(S600)。

此外，进一步包括在ECG测量步骤(S100)之前的对ECG信号和所收集的峰值进行初始化的过程(S700)。

另外，通过形成直接接触式集成GND电极130，通过人体中的ECG信号和ECG传感器的内部电路而以闭环的方式确保了信号的稳定，而且，除了将从人体流过电极130的噪声经由GND131导出至外部，对剩余分量的噪声(衣物的摩擦、静电、外部电磁波、车辆的行驶噪声)进行旁通，可以去除噪声。

因此，随着GND131具有更大的接触面积，直接接触电容耦合电极130的输入至电极130的人体信号的相位趋于减小，而在差分电路中，信号质量通过去除大量的50至60Hz的相位信号的噪声而提高。

因此，当GND131接触人体时，通过与人体中的ECG信号(ECG通过两个传感器中的参考和人体的接触而形成)形成闭合回路，ECG信号通过两个传感器的偏压电阻器的两端的两个电压之间的差而得到测量，而当GND131不接触人体时，通过测量人体的一部分的人体电压(人体电压相对于每个传感器的内部参考)，ECG信号通过两个传感器单元所测量的电压之间的差而得到测量，并且ECG通过两个信号之间的差而得到测量。因此，每个传感器的电平由于传感器的内部参考和阻抗的变化而较不稳定，从而，接触人体的DRL方法被用作了保障方法，其中，DRL方法将预定比的两个传感器的测量值的平均值取逆。

根据如上配置的本发明构思，存在多种有益效果，例如，通过非限制性测量而相比于现有的接触式心率检测方法提高了方便性，相比于非接触式心率检测方法而具有更佳的ECG信号质量。此外，可以在干扰最小的情况下计算诸如心率、ECG和压力的人体反应指数，并且通过微控制器对应于计算结果的反馈可以提供愉快的车辆环境。

本说明书和下述权利要求书中所使用的术语和词语不应当被解释为限制为一般的意思和词典上的意思，而是基于发明人可以适当地限定术语的概念以便以最佳的方式描述他/她自己的发明构思的原则，说明书和权利要求书中所使用的术语和词语应当被解释为具有符合本发明构思的技术精神的意思和概念。

因此，本说明书中，实施方案和附图中所示出的配置仅是本发明构思的各种实施方案，并不表示本发明构思的全部技术精神，所以应当将其理解为，在提交本申请时可能的可以替换该配置的各种等同形式和修改示例。

已经参考本发明构思的示例性实施方案详细地描述了本发明构思。然而，本领域技术人员将清楚，可以在不脱离本构思构思的原理和精神的情况下对这些实施方案进行改变，本发明构思的范围在所附权利要求及其等同形式中得以限定。

Claims (5)

1.一种半接触式ECG测量系统，包括：

接触式传感器，其被定位为直接接触车辆中的乘客的皮肤，并且检测第一ECG信号；

非接触式传感器，其被定位为邻近乘客，以便在不直接接触乘客的皮肤的情况下检测第二ECG信号；以及

ECG传感器模块，其被配置为对第一ECG信号和第二ECG信号进行处理，并且被配置为根据第一ECG信号和第二ECG信号确定乘客的生理状态。

2.根据权利要求1所述的半接触式ECG测量系统，其中，ECG传感器模块包括：

差分放大单元，其被配置为放大第一ECG信号和第二ECG信号，并且去除共模噪声；

带通滤波器，其被配置为去除噪声；

A/D转换器；

R-R峰值检测器，其被配置为检测R-R峰值间距；以及

压力指数计算器，其被配置为基于R-R峰值间距来计算压力指数。

3.根据权利要求2所述的半接触式ECG测量系统，其中，ECG传感器模块进一步包括陷波滤波器，其被配置为从ECG信号中去除功率噪声分量。

4.一种半接触式ECG测量方法，包括下列步骤：

通过半接触式ECG测量系统，通过检测坐在座椅上的乘客的ECG信号来测量ECG；

在预定时间收集所测量的ECG数据；

在ECG数据中获得ECGR-R峰值间距信息；

确定所获得的ECGR-R峰值间距信息是否具有规律性；

使用ECGR-R峰值间距信息来计算压力指数；以及

基于压力指数，通过微控制器输出措施。

5.根据权利要求4所述的半接触式ECG测量方法，进一步包括：

在测量ECG的步骤之前，初始化ECG信号和峰值。