CN106580310A - 一种基于心电信号监测的智能内衣及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于心电信号监测的智能内衣及其方法，包括智能内衣主体、柔性电路板单元、信号输入单元、电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元；可以在不对正常生活产生影响的情况下对一个人的心电信号进行实时监测，并能够将检测的数据发送至医生的上位机终端，达到一旦出现异常，即可随时报警，随时查看病人心电特性，随时采取紧急治疗的效果。

Description

一种基于心电信号监测的智能内衣及其方法

技术领域

本发明属于电子化医学监测技术领域，具体涉及一种基于心电信号监测的智能内衣及其方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，健康问题已经逐渐成为人们日益关注的焦点。伴随着人们生活水平的提高及社会老龄化的加剧，心血管疾病的发病率也不断升高。据统计，全球每年的死亡人数中，约有三分之一死于心脏病，因此心脏病已经成为威胁人类生命健康的主要疾病之一。而心脏病在老年人中的发病率更高，心血管疾病时时刻刻威胁着老人们的健康。而突发心脏病，如果能够得到及时的报警和快速地治疗，那么可以大幅度地降低死亡率。

心电信号(ECG)是心脏病诊断最直接的手段，它蕴藏着很多有用的信息，能反映心脏的跳动节律以及心脏各部位的生理状况，是各种心血管疾病，尤其是心率异常及传导障碍诊断的重要依据。因此对心电信号的研究和分析具有重要的意义。

由于随着老龄化的加剧以及人们对健康问题不断地重视，对老年人心电信号进行实时监测成为了一个刻不容缓的命题，而将心电信号检测设备置于穿戴衣物之中则是最有效的方法。目前很多的可穿戴设备基本是基于心律，体温，血压的检测，却无法对心电信号进行实时的准确检测。但是在医学判断中，心电图可以让医生迅速地判断心脏病的类型并进行诊断。而医学的心电监测设备，由不适合随声携带而且不适合夜间全时刻检测，基于这些问题，本款基于心电监测为主体的智能衣物及解决了实时性问题，有解决了心电信号的准确性和全时刻性的问题。

发明内容

针对现有技术所存在的不足的上述技术问题，本发明提供了一种基于心电信号监测的智能衣物及其方法，能够以较高的进度提取心电信号并传送给主机进行实时监测，并且具有舒适的可穿戴性。

一种基于心电信号监测的智能内衣包括：

智能内衣主体、柔性电路板单元、信号输入单元、电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元；

优选的，所述的智能内衣主体包括躯干部分、大臂部分和小臂部分；所述的信号输入单元设置在小臂部分；电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元、报警单元设置在柔性电路板单元上；柔性电路板单元设置在躯干部分；心电处理单元分别与信号输入单元、微机处理单元相连，微机处理单元分别与Zigbee信号单元和报警单元相连，电源单元分别与心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元相连。

优选的，所述的信号输入单元为金属环和魔术贴；金属环共两个，分别设置在左、右两个小臂部分内侧相同的位置，金属环所在位置的小臂部分外侧设置魔术贴，用于调节金属环的松紧度。

优选的，所述的心电处理单元包括AD8232芯片及其外围电路、工频限波电路；AD8232芯片及其外围电路分别与金属环和工频限波电路相连；工频限波电路与微机处理单元相连；

AD8232芯片及其外围电路对金属环的采集信号进行放大和低通滤波，工频限波电路滤去心电信号中的工频干扰，微机处理电路对工频限波电路出来的心电信号进行AD采样，储存数据并进行处理。

优选的，所述的微机处理单元为MSP430芯片及其外围电路，MSP430芯片分别与Zigbee信号单元和报警单元相连；微机处理单元控制Zigbee信号单元发射心电信号数据；微机处理单元处理心电信号后判断是否需要触发报警单元。

优选的，所述的电源单元包括纽扣电池和开关电路，产生3.3V和5V的电压源进行供电。

所述的基于心电信号监测的智能内衣的监测方法，包括如下步骤：

1)初始化设备

开启电源单元对微机处理单元、ZigBee信号单元、心电处理单元报警单元进行供电；

2)数据采集

金属环采集用户小臂表面的心电信号并通过导线导入心电处理单元；心电处理单元的A8232芯片及其外围电路对心电信号进行放大、高通滤波和低通滤波，完成对心电信号的初步处理；经过初步处理的心电信号通过导线进入工频限波电路，将心电信号中带有的工频干扰滤去，得到最终的心电信号，并将此最终的心电信号导入微机处理单元的MSP430单片机的ADC通道，MSP430单片机对心电信号进行AD采样并储存；

3)数据处理

微机处理单元的MSP430单片机获得AD采样的心电电压进行储存，储存半分钟的采样数据，获取采样数据的极大值点，对这些极大值点进行归类，取出设定范围内的极大值点作为心电信号一个周期内的峰值；对峰值数据进行处理，算出心电信号峰值间的平均间隔作为心电信号的周期T，根据f＝1/T计算出心电信号的频率，并将存储数据中取得的峰值数据做处理得到其平均值，作为心电信号的幅值；

4)发送和报警

微机处理单元将储存的心电电压数据通过串口传输给Zigbee信号单元，通过Zigbee发射心电数据，微机处理单元内存有正常心电信号的频率范围和幅值范围，当微机处理单元处理得到的心电信号的频率和幅值超出这个正常的范围后，便会出发报警单元进行报警。

本发明将装置微型化，将单元模块集成在5cm*5cm的柔性电路板上，并且采用可拆卸的模式与嵌有柔性电线的衣物相结合，方便一直穿戴，方便衣物的洗涤。另外柔性电路板设计不会影响到穿戴者的正常生活，具有友好的使用效果，将柔性电路板放在设计的双层夹层中，保护了柔性处理单元，使电路板不易在运动和睡眠的时候被损坏。采用了超低功耗的电路，使得电池能够较为长时间的运行。可以在不对一个人的正常生活产生影响的情况下对一个人的心电信号进行实时监测，并能够将检测的数据发送至医生的上位机终端，达到一旦出现异常，即可随时报警，随时查看病人心电特性，随时采取紧急治疗的效果。

附图说明

图1为基于心电信号监测的智能内衣的单元结构示意图。

图2为基于心电信号监测的智能内衣的智能内衣主体结构示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，一种基于心电信号监测的智能内衣包括：

智能内衣主体、柔性电路板单元、信号输入单元、电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元；

优选的，所述的智能内衣主体包括躯干部分、大臂部分和小臂部分；所述的信号输入单元设置在小臂部分；电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元、报警单元设置在柔性电路板单元上；柔性电路板单元设置在躯干部分；心电处理单元分别与信号输入单元、微机处理单元相连，微机处理单元分别与Zigbee信号单元和报警单元相连，电源单元分别与心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元相连。所述的智能内衣主体包括躯干部分、大臂部分和小臂部分；所述的信号输入单元设置在小臂部分；电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元、报警单元设置在柔性电路板单元上；柔性电路板单元设置在躯干部分；心电处理单元分别与信号输入单元、微机处理单元相连，微机处理单元分别与Zigbee信号单元和报警单元相连，电源单元分别与心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元相连。

优选的，所述的信号输入单元为金属环和魔术贴；金属环共两个，分别设置在左、右两个小臂部分内侧相同的位置，金属环所在位置的小臂部分外侧设置魔术贴，用于调节金属环的松紧度。

在本发明的一个具体实施例中，电路板采用柔性材料制成，并且接入的各个元件和模块都十分微型，设计的柔性电路板主体面积为5cm*5cm，并制作成可拆卸的模式，即在衣物的肚脐眼处设立接口和存放柔性电路板的大小约为6cm*6cm的口袋，口袋由厚度为1cm的双层棉质材料构成，使用时可以将柔性电路板放置在口袋里面并通过纽扣接口与衣服上的输入电线进行连接，这样的设计是为了方便穿戴者的运动的睡眠不损坏核心电路板，而且方便主电路板的检修工作。

信号输入单元：采用ECG标准导联的I导联，亦称双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。将心电信号通过两个导联输入至AD8232芯片的2号和3号管脚。

心电处理单元：对输入的心电信号进行放大和滤波，并滤去体外50Hz工频信号的干扰

微机处理单元：MSP430对采集到的心电信号进行数字化采样，在微机中判断心律是否正常来控制报警系统，并将心电信号通过串行口传输至Zigbee信号单元。

Zigbee信号单元：将数字化的心电信号传输至上位机医生的软件终端。

电源单元：电源单元主要由5V的纽扣电池和开关电路构成，产生3.3V的电压源来供超低功耗的AD8232心电处理芯片，超低功耗的MSP430微机处理芯片，以及超低功耗的XBeeProRF的ZigBee信息发送模块工作。

所述的心电处理单元采用双极点高通滤波器来消除运动伪像和电极半电池电位。该滤波器与仪表放大器结构紧密耦合，可实现单级高增益及高通滤波，从而节约了空间和成本。它还采用一个无使用约束运算放大器来创建一个三极点低通滤波器，消除了额外的噪声。用户可以通过选择所有滤波器的截止频率来满足不同类型应用的需要。AD8232内置一个放大器，用于右腿驱动(RLD)等受驱导联应用。通过接入一定的外围电路，包括高通滤波器和电源电路，将双极肢体导联采样的信号导入AD8232芯片进行处理，输出信号即为0～3.3V的心电信号。

微机处理单元：本设备采用超低功耗的MSP430单片机进行心电信号的处理，通过MSP430自带的ADC对心电信号的电压进行采样。经过AD8232采集处理后的心电信号在0～3.3V之间(其中1.65V为AD8232电源系统设置的虚地)，通过12位精度的ADC进行采样，采样频率为500HZ，将采样后的信号在单片机内经过一定的简易算法模块进行处理。处理结果一方面作用于该智能衣物的报警模块，另一方面通过串口将采集到的心电信号和报警信号(若有)传输到ZigBee模块并进行发送。

所述的报警模块由三极管，限流电阻，和蜂鸣器构成，当微机监测检测到心电信号异常，比如心率为零，或者心律过快，或者心律严重不齐时，则会产生一个高电平信号输入三极管的基极，使得三极管导通。三极管导通之后蜂鸣器就能够工作，达到报警的效果。当微机监测到心电信号正常的时候，所传输的是低电平，不会触发蜂鸣器。

所述的ZigBee发送模块是FreescaleMC1319x芯片组为核心的XBeeProRF模块，通过串口将MSP430与XBeeProRF相连接，微机将采集到的数字化心电电压通过串口发送到XBeeProRF，由其进行信号的发送，在上位机端由计算机进行接受数据。可以在计算机的软件中实时显示心电波形，并与医师的终端相连，如果穿戴者出现心电异常，上位机终端软件首先会根据一定的算法判断出常见的疾病，扩大报警的范围而不仅仅是心律不正常产生的报警，接到报警后医生可迅速查看其心电图做出诊断和采取相应治疗措施。

所述的基于心电信号监测的智能内衣的监测方法，包括如下步骤：

1)初始化设备

开启电源单元对微机处理单元、ZigBee信号单元、心电处理单元报警单元进行供电；

2)数据采集

金属环采集用户小臂表面的心电信号并通过导线导入心电处理单元；心电处理单元的A8232芯片及其外围电路对心电信号进行放大、高通滤波和低通滤波，完成对心电信号的初步处理；经过初步处理的心电信号通过导线进入工频限波电路，将心电信号中带有的工频干扰滤去，得到最终的心电信号，并将此最终的心电信号导入微机处理单元的MSP430单片机的ADC通道，MSP430单片机对心电信号进行AD采样并储存；

3)数据处理

微机处理单元的MSP430单片机获得AD采样的心电电压进行储存，储存半分钟的采样数据，获取采样数据的极大值点，对这些极大值点进行归类，取出设定范围内的极大值点作为心电信号一个周期内的峰值；对峰值数据进行处理，算出心电信号峰值间的平均间隔作为心电信号的周期T，根据f＝1/T计算出心电信号的频率，并将存储数据中取得的峰值数据做处理得到其平均值，作为心电信号的幅值；

4)发送和报警

微机处理单元将储存的心电电压数据通过串口传输给Zigbee信号单元，通过Zigbee发射心电数据，微机处理单元内存有正常心电信号的频率范围和幅值范围，当微机处理单元处理得到的心电信号的频率和幅值超出这个正常的范围后，便会出发报警单元进行报警。

本发明属于可拆卸设备，由于处理电路采用柔性电路板所以一般不会产生挤压损坏的情况，如果产生了挤压损坏则更换处理电路板，如果是智能衣物上的柔性电线和金属薄片产生了损坏，更换衣物即可。此外本设备采用的纽扣电池，虽然各部分模块都采用了超低功耗的元件，但是仍然要每隔一个星期更换一次电池，更换电池需先将柔性电路板从智能衣物里拆下，再进行更换电池。更换电池完毕后原处放回即可。

Claims (6)

1.一种基于心电信号监测的智能内衣，其特征在于，包括：

智能内衣主体、柔性电路板单元、信号输入单元、电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元；

所述的智能内衣主体包括躯干部分、大臂部分和小臂部分；所述的信号输入单元设置在小臂部分；电源单元、心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元、报警单元设置在柔性电路板单元上；柔性电路板单元设置在躯干部分；心电处理单元分别与信号输入单元、微机处理单元相连，微机处理单元分别与Zigbee信号单元和报警单元相连，电源单元分别与心电处理单元、微机处理单元、Zigbee信号单元和报警单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于心电信号监测的智能内衣，其特征在于所述的信号输入单元为金属环和魔术贴；金属环共两个，分别设置在左、右两个小臂部分内侧相同的位置，金属环所在位置的小臂部分外侧设置魔术贴，用于调节金属环的松紧度。

3.根据权利要求2所述的一种基于心电信号监测的智能内衣，其特征在于所述的心电处理单元包括AD8232芯片及其外围电路、工频限波电路；AD8232芯片及其外围电路分别与金属环和工频限波电路相连；工频限波电路与微机处理单元相连；

AD8232芯片及其外围电路对金属环的采集信号进行放大和低通滤波，工频限波电路滤去心电信号中的工频干扰，微机处理电路对工频限波电路出来的心电信号进行AD采样，储存数据并进行处理。

4.根据权利要求3所述的一种基于心电信号监测的智能内衣，其特征在于所述的微机处理单元为MSP430芯片及其外围电路，MSP430芯片分别与Zigbee信号单元和报警单元相连；微机处理单元控制Zigbee信号单元发射心电信号数据；微机处理单元处理心电信号后判断是否需要触发报警单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于心电信号监测的智能内衣，其特征在于所述的电源单元包括纽扣电池和开关电路，产生3.3V和5V的电压源进行供电。

6.一种如权利要求4所述的基于心电信号监测的智能内衣的监测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)初始化设备

开启电源单元对微机处理单元、ZigBee信号单元、心电处理单元报警单元进行供电；

2)数据采集

金属环采集用户小臂表面的心电信号并通过导线导入心电处理单元；心电处理单元的A8232芯片及其外围电路对心电信号进行放大、高通滤波和低通滤波，完成对心电信号的初步处理；经过初步处理的心电信号通过导线进入工频限波电路，将心电信号中带有的工频干扰滤去，得到最终的心电信号，并将此最终的心电信号导入微机处理单元的MSP430单片机的ADC通道，MSP430单片机对心电信号进行AD采样并储存；

3)数据处理

微机处理单元的MSP430单片机获得AD采样的心电电压进行储存，储存半分钟的采样数据，获取采样数据的极大值点，对这些极大值点进行归类，取出设定范围内的极大值点作为心电信号一个周期内的峰值；对峰值数据进行处理，算出心电信号峰值间的平均间隔作为心电信号的周期T，根据计算出心电信号的频率，并将存储数据中取得的峰值数据做处理得到其平均值，作为心电信号的幅值；

4)发送和报警

微机处理单元将储存的心电电压数据通过串口传输给Zigbee信号单元，通过Zigbee发射心电数据，微机处理单元内存有正常心电信号的频率范围和幅值范围，当微机处理单元处理得到的心电信号的频率和幅值超出这个正常的范围后，便会出发报警单元进行报警。