CN106606359A - 一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，该装置针对新型柔性电极-织物电极，实现人体心电信号的完整采集。该装置通过阻抗变换电路实现织物电极输入阻抗变换，解决了织物电极高输入阻抗问题，通过低通滤波电路、差分电路完成共模抑制和差分放大，最后实现AD采样和数据组包传输。本发明相对传统心电采集电路，在织物电极部位增加了阻抗变换电路，采用单电源供电，选用高信噪比、高输入阻抗的运算放大器，解决了应用传统心电采集电路在应用织物电极提取人体心电信号时出现的信号不完整的难题，具有性能好、小型化、低功耗特点，可以广泛应用于基于织物电极的可穿戴式心电信号采集，提高了使用的舒适性和便携性。

Description

一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，具体地说是一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置。

背景技术

心脏的跳动是由于心脏受了它本身所产生的电激动刺激而起搏，这种在心脏电激动产生的微弱电流，能通过人体组织传导身体表面，并在体表产生毫伏级的电位差，通常从体表检测到的这种电位差信号就是心电信号，反映了心肌细胞在每个心动周期中除极和复极时跨膜电位的差异。随着心脏规律性的兴奋、收缩与舒张，这些电位变化也呈现一定的规律性，这些规律性的电位变化通过放大记录出来的波形称为心电图。

心电信号的采集广泛应用于医院病人监护和健康检查、家庭监护以及特因环境(如载人航天、岛礁作业)人员作业监护等领域，通常采用粘贴式Ag/AgCl湿电极来拾取体表心电，在信号稳定性和保真度上得到了广泛的认可。随着人们生活水平的不断提高，人们对健康监护的要求不仅停留在医院检查，日常家庭监护变得更加重要，可穿戴式健康监测成为医疗健康领域一个重要发展方向，而基于织物电极的心电信号采集技术是一项关键技术。

心电信号测量方法通常采用贴在人体身体表面特定位置的电极拾取，并通过心电导联线将微弱心电信号送入心电预处理电路、放大电路、滤波电路等，经A/D数字化转化为数字信号，并送入微处理器，由微处理器进行心电图特征点的识别和处理，最后将处理和识别后的心电信号传送给上位机进行显示。

传统的心电图采集系统或装置采用了分立的元器件对心电信号进行采集，主要包括了前级保护电路、电刀抑制电路、导联脱落识别电路、主放大电路、起搏检测电路、高通滤波电路、二级放大电路、低通滤波电路、右腿驱动电路、A/D转换电路以及MCU电路组成。由于采用的分立元器件来实现，无可避免的运用了大量的集成电路、电阻和电容等元器件，造成该装置的体积大、功耗高、设计复杂灵活性低等缺点，然基于织物电极的心电信号采集技术，为实现可穿戴式长期连续心电信号采集，需要小型化、低功耗设计，传统的采集电路不能满足需求，需进一步改进设计。

传统粘贴式湿电极在日常心电信号采集时，常常出现以下问题：首先，电极与皮肤之间涂抹的导电膏最多维持大约24小时的良好接触，当需要更长时间监测人体电信号时，导电膏会变干涸，造成电极与皮肤之间的接触阻抗发生变化，使信号的灵敏度和信噪比下降；其次，导电膏长时间与皮肤接触，其化合物容易渗透至皮肤里，易引起一些过敏反应，如瘙痒、起泡等问题；再次，采用湿电极需要裸露皮肤，经过皮肤表面清洁后才可佩戴，使用者与操作者也并非都是同一性别，容易带来操作上的不便；最后，将冰凉、粘滑的导电膏涂抹在身体上，覆以冰冷的金属接触面，这一系列的繁杂操作以及粘糊糊的导电膏给人带来的不舒适感，容易引起使用者对佩戴电极产生抵触情绪。

织物电极是在提取人体体表生物电信号时不需要皮肤的预处理或涂抹导电膏的一种电极，是采用纺织材料经纺织加工工艺开发的具有纺织结构，能感应人体表面生物电信号的传感器。织物电极的材料目前已有多种形式，有喷溅式、刺绣式、编织式。使用时与皮肤直接接触。

随着计算机技术、微电子技术、无线电通信技术、微弱信号检测技术等技术的发展，可以由患者在家庭环境中使用的可穿戴式健康监测系统已经成为国内外研究人员关注的热点。

在社区和家庭健康监护中，可穿戴式健康监测系统可以方便的穿在用户身上，而不影响其正常的生活，对用户的生理参数可以做到24小时连续监测，可以有效在用户危险期提供重要的生理参数信息，为医务人员的工作带来诸多便利之处，具有重要的实际意义。

传统的心电图采集系统或装置是基于粘贴式一次性湿电极，具有较低的输入阻抗，采集电路通常采用一级调理放大电路能够满足要求，然织物电极具有高的输入阻抗，在电极-皮肤界面形成较高的接触阻抗，传统的心电调理电路已不能满足要求。

本发明所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，攻克了适用于织物电极的心电信号采集技术，解决了当使用心电织物电极时，传统心电信号采集电路采集不到完整心电波形的难题。具有小型化、低功耗、可穿戴式等特点，能够实现可穿戴式心电信号连续采集，时间不小于24小时。

本发明所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，采用阻抗变换电路、右腿驱动电路等设计，使织物电极-皮肤的接触阻抗与电路的输入阻抗匹配，解决了织物电极(不需要涂导电膏)采用传统心电采集电路不能完整采集到心电波形的问题，实现了心电信号波形的完整采集。

本发明所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，实现了基于织物电极的心电信号采集，织物电极属于柔性干电极，使用时不需要涂抹导电膏，且皮肤体验舒适，容易集成于衣服、裤子、袜子等穿戴式载体，能够实现穿戴式心电信号采集，大大提高了心电信号提取的便携性。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种满足织物电极使用的具有低功耗、小型化的穿戴式心电信号采集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，包括：阻抗变换电路、低通滤波器、差分放大电路、右腿驱动电路、电源变换电路、微处理器。

所述织物电极是一种采用纺织材料经纺织加工工艺开发的具有纺织结构，能感应人体表面生物电信号的传感器，在此用于接触人体体表进行心电信号拾取。织物电极安装位置优选运动12导联心电图的电极位置中的肢体导联位置：节点1位于右锁骨、胸壁边缘右侧R，节点2位于右胸壁最下肋骨N，节点3位于左胸壁最下肋骨F；所述阻抗变换电路用于实现织物电极输入阻抗变换；所述低通滤波器用于滤除频率在150Hz以上的高频信号；所述差分放大电路实现心电信号的共模抑制和差分信号放大；所述微处理器实现信号的AD采样、数据组包和传输；所述右腿驱动电路用于抑制来自人体的共模信号；所述电源变换电路实现电压变换，为其他电路提供电压输入，实现单电源供电。

相对传统心电采集电路，本发明的创新点是增加了阻抗匹配电路，采用单电源3V供电，删除了传统心电采集电路中的冗余电路，大大简化了电路设计，实现了穿戴式心电信号采集装置的小型化、低功耗设计。

作为优选，所述阻抗变换电路作用于织物电极部分，用于实现织物电极的输入阻抗变换，包括一个阻值较大的电阻R11、一个运算放大器U1、一个阻值较小的电阻R12，电阻R11连接运算放大器U1的正向输入节点3，电阻R12连接运算放大器U1的输出节点6，运算放大器U1的反向输入节点2和输出节点6短接，运算放大器U1正向供电节点接VCC(+3V)，负向供电节点接VSS(-3V)，它们组成一个电压跟随电路，将大的输入阻抗变换为小的输入阻抗，解决了应用织物电极导致输入阻抗增大的问题。本发明共需要3个织物电极，织物电极节点1和织物电极节点2各需要接一个阻抗变换电路，故需要2个阻抗变换电路。

作为优选，所述低通滤波器实现滤除每个通道信号在150Hz频率以上的噪声信号，由一个电阻R1和电容Cl组成。两个阻抗变换电路各接一个低通滤波器，阻抗变换电路的输出端OUT连接低通滤波器的输入端ECG。

作为优选，所述差分放大电路实现每个通道的共模抑制和信号差分放大，包括1个运算放大器U2，3个电阻R2、R3、R4，2个电容C2、C4，电阻R2和R3串联，分别连接运算放大器U2的输入节点2和节点3，电容C2、C4分别连接运算放大器U2的节点8(VCC)、节点5(VSS)，另一端共电源地Pwd_GND，电阻R4连接运算放大器U2的参考电平节点6，输入节点1和节点4为两通道心电输入节点，电阻R2和R3的串联节点为共模节点Vcm，运算放大器U2的节点7为输出节点，即心电信号输出节点。

作为优选，所述右腿驱动用于抑制来自人体的共模干扰信号，提高采集电路的共模抑制比，包括电阻R7、R8、R9、R10、运算放大器U3和电容C7，电容C7和电阻R7并联，连接电阻R8和运算放大器U3的输出节点1，运算放大器U3的反向输入节点2连接电阻R8，电阻R10一端接地，另一端接运算放大器的正向输入节点3，电阻R8连接运算放大器U3的反向输入节点2和输出节点7，运算放大器U3的节点6和节点7短接，节点5连接共模节点Vcm。电阻R9一端连接运算放大器U3的输出节点1，另一端为右腿驱动节点，连接织物电极节点3。

作为优选，所述电源变换电路实现电压变换，为其他电路提供电压输入，实现穿戴式心电信号采集装置的单电源供电，包括电容C3、C5、CT1、CT2、电感L1、肖特基二极管D1、直流电压变换器U4，电容C5和电容CT2并联，一端连接U4的节点6、节点7的短接点，另一端与电容C3连接，电容C3的另一端连接U4的参考节点4，肖特基二极管D1的正极连接U4的节点1，负极连接电感L1，电容CT1和电感L1串联，电容CT1的负极端连接U4的节点1。U4的节点3、电容C3、C5、CT2负极、CT1正极、电感L1共同接电源地Pwd_GND。

作为优选，所述微处理器实现信号的AD采样和数据组包传输。

本发明具有以下突出的有效效果：当采用心电织物电极(金属圆片织物电极、织物电极等)拾取人体体表心电信号时，采用本发明装置能够完整的采集到心电波形；本发明采用单电源3V供电，具有低功耗特性，采用高输入阻抗的仪表放大器代替分立元器件，具有小型化特性，增加了可靠性；本发明增加了阻抗匹配电路，将织物电极高的输入阻抗转换为低的输入阻抗，匹配后端采集电路；本发明设计了低通滤波和右腿驱动电路，滤除了高频噪声，具有较高的共模抑制比；本发明具有高信噪比、低功耗、小型化等特点，能够实现可穿戴式心电信号连续监测，连续工作时间不小于24小时。

TLC2272具有达到T欧级的输入阻抗，超低的输入电容8pf。输入电压噪声为输入失调电压为950μV。放大器是轨到轨的输入，并且是正负电源供电，所以没有用偏置电路。避免了使用偏置电路带来的输入阻抗降低、噪声增加的影响。

本发明选用的差分放大器为AD8221。AD8221是一款增益可编程、高性能仪表放大器，在业界同类产品中，其相对于频率的共模抑制比(CMRR)最高，使得AD8221可以抑制宽带干扰和线路谐波，从而大大简化对滤波器的要求。AD8221是单芯片仪表放大器，采用经典的三运放拓扑结构设计。输入晶体管Q1和Q2以固定电流偏置，因此任何差分输入信号都会是A1和A2的输出正确的电压。从拓扑意义上说，Q1、A1、R1与Q1、A2、R2均可视为精密电流反馈放大器。经过放大的差分和共模信号作用于差动放大器，后者抑制共模电压，但放大差分电压。该差动放大器采用创新技术，可实现低输出失调电压及低输出失调电压漂移。AD8221采用Superbeta输入晶体管和IB补偿方案，所以具有极高的输入阻抗、低IB，低IB漂移、低IOS、低输入偏置电流噪声和极低的电压噪声特性。

共模干扰一般是指在两根信号线上产生的幅值相等、相位相同的噪声。是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的同方向电压叠加所形成。为了抑制共模干扰的影响，引入右腿驱动电路。一个电压跟随器用以分隔驱动电路与主电路，然后，将共模信号放大100倍，反馈至人体。使用一个100K欧的电阻，进行保护。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明所述织物电极中织物电极样品；

图3是本发明所述的运动12导联心电图的电极位置；

图4是本发明所述阻抗变换电路的电路图；

图5是本发明所述低通滤波电路的电路图；

图6是本发明所述差分放大电路的电路图；

图7是本发明所述右腿驱动电路的电路图；

图8是本发明所述电源变换电路的电路图。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，它包括：阻抗变换电路、低通滤波器、差分放大电路、右腿驱动电路、电源变换电路和微处理器。所述织物电极用于接触人体体表进行心电信号采集，织物电极是采用纺织材料经纺织加工工艺开发的具有纺织结构，能感应人体表面生物电信号的传感器。所述阻抗变换电路用于实现织物电极输入阻抗的变换，所述差分放大电路实现心电信号的共模抑制和差分放大；所述低通滤波器用于滤除频率在150Hz以上的高频信号，所述右腿驱动电路用于抑制来自人体的共模信号，所述电源变换电路实现电压变换，为其他电路提供电压输入，所述微处理器实现信号的AD采样、数据组包和传输。

图2是本发明所述的织物电极种类，相对粘贴式湿电极，它们在使用过程中不需要涂抹导电膏，本发明所述的织物电极容易与可穿戴式载体(如衣服、裤子、袖子等)集成，实现可穿戴式心电传感器，图3是本发明所述的运动12导联心电图的电极位置，本发明采用3个织物电极采集一导心电信号，本发明所述的电极按照位置优选运动12导联心电图的电极位置中的肢体导联位置：节点1位于右锁骨、胸壁边缘右侧，节点2位于右胸壁最下肋骨，节点3位于左胸壁最下肋骨。

图4是本发明所述的阻抗变换电路，实现采集电路的输入阻抗变换，包括一个阻值较大的电阻R11、一个运算放大器U1、一个阻值较小的电阻R12，电阻R11连接运算放大器U1的正向输入节点3，电阻R12连接运算放大器U1的输出节点6，运算放大器U1的反向输入节点2和输出节点6短接，运算放大器U1正向供电节点接VCC(+3V)，负向供电节点接VSS(-3V)，它们组成一个电压跟随电路，将大的输入阻抗变换为小的输入阻抗，解决了应用织物电极导致输入阻抗增大的问题。本发明共需要3个织物电极，织物电极节点1和织物电极节点2各需要接一个阻抗变换电路，故需要2个阻抗变换电路。

图5是本发明所述的低通滤波电路，实现滤除每个通道信号在150Hz频率以上的噪声信号，由一个电阻R1和电容C1组成。两个通道心电信号需要两个低通滤波器。

图6是本发明所述的差分放大电路，实现每个通道的共模抑制和信号差分放大，包括1个运算放大器U2，3个电阻R2、R3、R4，2个电容C2、C4，电阻R2和R3分别连接运算放大器U2的输入节点2和节点3，电容C2、C4分别连接运算放大器U2的节点8(VCC)、节点5(VSS)，电阻R4连接运算放大器U2的参考电平节点6，运算放大器U2的节点7为输出节点，电阻R2和R3的串联节点为共模节点Vcm。

图7是本发明所述右腿驱动电路，用于抑制来自人体的共模干扰信号，提高采集电路的共模抑制比，包括电阻R7、R8、R9、R10、运算放大器U3和电容C7，电容C7和电阻R7并联，连接电阻R8和运算放大器U3的输出节点1，运算放大器U3的反向输入节点2连接电阻R8，电阻R10一端接地，另一端接运算放大器的正向输入节点3，电阻R8连接运算放大器的节点2和节点7，运算放大器的节点6和节点7短接，节点5连接共模节点Vcm。电阻R9一端连接运算放大器U3的输出节点1，另一端连接织物电极节点3。

图8是本发明所述的电源变换电路，用以实现电压变换，为其他电路提供电压输入，包括电容C3、C5、CT1、CT2、电感L1、肖特基二极管D1、直流电压变换器U4，电容C5和电容CT2并联，一端连接U4的节点6、节点7的短接点，另一端与电容C3连接，电容C3的另一端连接U4的参考节点4，肖特基二极管D1连接U4的节点1和电感L1，电容CT1和电感L1串联，电容CT1的负极端连接U4的节点1。U4的节点3、电容C3、C5、CT2、CT1、电感L1共同接电源地Pwd_GND。

上述实时方式中，本发明所设计到的所有运算放大器可以采用OPA4379，OPA2333等，仪表放大器可以采用AD620，AD820等，微处理器可以采用C8051F206，C8051F040，LPC1788，MSP430等单片机。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，所述织物电极是采用纺织材料经纺织加工工艺开发的具有纺织结构，能感应人体表面生物电信号的传感器，在此权利要求中用于接触人体体表实现心电信号拾取，所述穿戴式心电信号采集装置用于心电信号的调理放大，数组传输，具有可穿戴性、舒适性和便携性。

2.根据权利要求1所述的织物电极，其特征是，其安装位置优选运动12导联心电图的电极位置中的肢体导联位置：节点1位于右锁骨、胸壁边缘右侧R，节点2位于右胸壁最下肋骨N，节点3位于左胸壁最下肋骨F。

3.根据权利要求1所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，包括：阻抗变换电路、低通滤波器、差分放大电路、右腿驱动电路、电源变换电路、微处理器，所述阻抗变换电路用于实现织物电极输入阻抗变换；所述低通滤波器用于滤除频率在150Hz以上的高频信号；所述差分放大电路实现心电信号的共模抑制和差分信号放大；所述微处理器实现信号的AD采样、数据组包和传输；所述右腿驱动电路用于抑制来自人体的共模信号；所述电源变换电路实现电压变换，为其他电路提供电压输入，实现单电源供电。

4.根据权利要求3所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，所述阻抗变换作用于织物电极部位，用于实现输入阻抗变换，包括一个阻值较大的电阻R11、一个运算放大器U1、一个阻值较小的电阻R12，电阻R11连接运算放大器U1的正向输入节点3，电阻R12连接运算放大器U1的输出节点6，运算放大器U1的反向输入节点2和输出节点6短接，运算放大器U1正向供电节点接VCC(+3V)，负向供电节点接VSS(-3V)，它们组成一个电压跟随电路，将大的输入阻抗变换为小的输入阻抗，解决了应用织物电极导致输入阻抗增大的问题，根据权利要求1所述，共需要3个织物电极，织物电极节点1和织物电极节点2各需要接一个阻抗变换电路，故需要2个阻抗变换电路。

5.根据权利要求3所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，所述低通滤波器实现滤除每个通道信号在150Hz频率以上的噪声信号，由一个电阻R1和电容C1组成，两个阻抗变换电路各接一个低通滤波器，阻抗变换电路的输出端OUT连接低通滤波器的输入端ECG。

6.根据权利要求3所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，所述差分放大电路实现每个通道的共模抑制和信号差分放大，包括1个运算放大器U2，3个电阻R2、R3、R4，2个电容C2、C4，电阻R2和R3串联，分别连接运算放大器U2的输入节点2和节点3，电容C2、C4分别连接运算放大器U2的节点8(VCC)、节点5(VSS)，另一端共电源地Pwd_GND，电阻R4连接运算放大器U2的参考电平节点6，输入节点1和节点4为两通道心电输入节点，电阻R2和R3的串联节点为共模节点Vcm，运算放大器U2的节点7为输出节点，即心电信号输出节点。

7.根据权利要求3所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，所述右腿驱动用于抑制来自人体的共模干扰信号，提高采集电路的共模抑制比，包括电阻R7、R8、R9、R10、运算放大器U3和电容C7，电容C7和电阻R7并联，连接电阻R8和运算放大器U3的输出节点1，运算放大器U3的反向输入节点2连接电阻R8，电阻R10一端接地，另一端接运算放大器的正向输入节点3，电阻R8连接运算放大器U3的反向输入节点2和输出节点7，运算放大器U3的节点6和节点7短接，节点5连接共模节点Vcm，电阻R9一端连接运算放大器U3的输出节点1，另一端为右腿驱动节点，连接织物电极节点3。

8.根据权利要求3所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，所述电源变换电路实现电压变换，为其他电路提供电压输入，实现穿戴式心电信号采集装置的单电源供电，包括电容C3、C5、CT1、CT2、电感L1、肖特基二极管D1、直流电压变换器U4，电容C5和电容CT2并联，一端连接U4的节点6、节点7的短接点，另一端与电容C3连接，电容C3的另一端连接U4的参考节点4，肖特基二极管D1的正极连接U4的节点1，负极连接电感L1，电容CT1和电感L1串联，电容CT1的负极端连接U4的节点1，U4的节点3、电容C3、C5、CT2负极、CT1正极、电感L1共同接电源地Pwd_GND。

9.根据权利要求3所述的一种基于织物电极的穿戴式心电信号采集装置，其特征是，所述微处理器实现信号的AD采样和数据组包传输。