CN106725427A - 多导心电电极连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及心电信号技术领域，特别涉及一种多导心电电极连接装置。通过信号选通单元选通连接到信号处理单元的正信号输入端和负信号输入端的电极，从而切换传导至信号处理单元的电位信号，对于各个电极单独传导电位信号给信号处理单元的多种匹配方案，或者多个电极连通后传导电位信号给信号处理单元的多种匹配方案，不需要为上述每种匹配方案配备一组信号处理单元，简化了多导心电电极的连接装置，并且可以将多个电极的电位信号联通后再进行信号的处理，减小了多导心电电极连接装置体积，使其便于随身携带。
Description
技术领域
本发明涉及心电信号技术领域，特别涉及一种多导心电电极连接装置。
背景技术
目前心血管疾病致死已经成为我国死亡原因的首三位因素，而心血管疾病的发病率更是居高不下。其中，心肌梗死、心律失常、心房颤动等心电活动异常作为常见的心血管疾病表征，严重异常时会导致血液循环失常，引发人体猝死，是心血管疾病的重要监控因素。心电图记录仪等多导心电电极连接装置是诊断心脏疾病的主要工具之一，但它仅能描记短时间的心电信号，在大多数的临床情况下，心脏的异常电生理活动难以及时捕捉，因而导致无法对患者做出诊断和治疗。因此，长时间的心电监测成为心脏疾病诊断的重要手段。随着人们对健康的重视程度越来越高，大量心电设备进入家庭中，以便于患者在家中进行心脏监测。
心电噪声的存在会引起心电信号形状的改变，影响信号的质量，给心电信号的采集和识别带来不便。但是，在心电信号的采集过程中，由于受人体表面信号传导情况、设备状态和环境等因素的影响，不可避免的会存在由于工频干扰、基线漂移、肌电干扰、电极接触噪声等原因带来的噪声干扰。为了抑制噪声干扰，提高心电信号处理和分析的精度，现有的多导心电电极连接装置通常对每一个电极或者每两个电极导联形成的通道都连接一路差分运算放大和滤波模块组合，从而实现心电信号的去噪和放大传输，但是这样使得设备整体体积偏大，不利于患者随身携带。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足提供一种便于随身携带的多导心电电极连接装置。
提供一种多导心电电极连接装置，包括依次连接的电极集单元、信号选通单元和信号处理单元；
所述电极集单元包括至少两个用于测量电位信号的电极；
所述信号处理单元包括正信号输入端和负信号输入端；
所述信号选通单元的信号输入端可选择地连接电极集单元的各个电极，把所传导接收的各个电极测得的电位信号传导给信号处理单元的正信号输入端和负信号输入端；
所述信号选通单元传导给正信号输入端和负信号输入端的电位信号不完全相同；
所述信号处理单元根据所述正信号输入端和所述负信号输入端接收的电位信号输出心电信号。
优选地，所述信号选通单元包括正信号选通芯片和负信号选通芯片，所述正信号选通芯片和所述负信号选通芯片的信号输入端都可选择地连接到所述电极集单元的各个电极；
所述正信号选通芯片的信号输出端与所述信号处理单元的正信号输入端相连；
所述负信号选通芯片的信号输出端与所述信号处理单元的负信号输入端相连。
优选地，所述电极集单元的各个电极与所述正信号选通芯片和所述负信号选通芯片的信号输入端之间都连接有可调电阻。
优选地，所述信号处理单元包括差分运算放大器，所述信号处理单元的正信号输入端和负信号输入端是所述差分运算放大器的两个信号输入端。
优选地，所述信号处理单元包括输出控制器，其控制所述差分运算放大器在输入到任意一个输入端的信号被切换后的预设的时间段T0内不输出心电信号。
优选地，所述差分运算放大器有至少两个，每个差分运算放大器对应连接有正信号选通芯片和负信号选通芯片，所述至少两个差分运算放大器根据预设的顺序轮替输出心电信号。
优选地，在任意一个预设的时间段T0内，至少有输入到一个差分运算放大器的两个输入端的电位信号都不被切换；输入到一个差分运算放大器的任意一个输入端或两个输入端之间的电位信号相邻两次被切换的时间间隔长度大于时间段T0的时间长度。
优选地，所述电极集单元为金属片，该金属片的电极放置心电测试装置上，或者佩戴在服饰和/或手上。
优选地，所述电极集单元包括肢体电极单元和/或胸电极单元。
优选地，所述肢体电极单元包括连接到左上肢左上躯肢的电极A、和/或连接到右上躯肢的电极B、和/或连接到左下躯肢的电极C。
通过信号选通单元选通连接到信号处理单元的正信号输入端和负信号输入端的电极，从而切换传导至信号处理单元的电位信号，对于各个电极单独传导电位信号给信号处理单元的多种匹配方案，或者多个电极连通后传导电位信号给信号处理单元的多种匹配方案，不需要为上述每种匹配方案配备一组信号处理单元，简化了多导心电电极的连接装置，并且可以将多个电极的电位信号联通后再进行信号的处理，减小了多导心电电极连接装置体积，使其便于随身携带。
附图说明
图1是多导心电电极连接装置的结构框图。
图2是包括两个差分放大器的多导心电电极连接装置的结构框图。
图3是多导心电电极连接装置的电极的正、负极连接构成的导联示意图。
图4是信号输入端口P的接口示意图。
图5是正信号选通芯片A﹢的电路示意图。
图6是正信号选通芯片B﹢的电路示意图。
图7是负信号选通芯片A﹣的电路示意图。
图8是负信号选通芯片B﹣的电路示意图。
图9是补偿电阻R1、R2、R3和R4~R9的连接示意图。
图10是差分运算放大器P的电路示意图。
图11是差分运算放大器Q的电路示意图。
图12是信号选通芯片的信号输出端和与其对应的差分运算放大器的信号输入端之间的电压跟随器的电路示意图。
图13是三组导联的波形存储模型示意图。
图14是心电信号波形的异步多导形式存储形式示意图。
具体实施方式
心脏在工作过程中产生的生物电流会经过身体组织传导至体表，体表不同位置的肌理差异会造成电位差异，如图1所示，本实施例的多导心电电极连接装置包括依次连接的电极集单元、信号选通单元和信号处理单元。电极集单元包括至少两个用于测量电位信号的电极，信号选通单元选通电极集单元中的至少两个电极来传导不同肌理位置的电位信号给信号处理单元，信号处理单元根据不同肌理位置的电位差异生成心电信号，然后把该心电信号随时间变化形成的反映心脏的生理活动情况的心电波形输出给波形显示器或者移动终端。正常心电信号呈现的波形是有规律的周期性波形曲线，当心脏活动出现异常情况时，就会对心电信号产生影响而呈现出不规律的心电信号波形，医生或者病人根据心电信号波形的状态就可以推断心脏的活动情况，从而直观地进行心脏监测。
如图2所示，电极集单元包括用于采集人体肢体位置电位信号的肢体电极单元和用于采集胸腔位置电位信号的胸电极单元，肢体电极单元包括分别连接到左上躯肢、右上躯肢和左下躯肢的电极A、B、C，胸电极单元包括连接在胸腔位置沿胸腔壁分布的电极D1～D6，电极N则作为中性电极接右下躯肢。信号选通单元包括如图5所示的正信号选通芯片A﹢、如图6所示的正信号选通芯片B﹢、如图7所示的负信号选通芯片A﹣以及如图8所示的负信号选通芯片B﹣。信号处理单元包括如图10所示的差分运算放大器P和如图11所示的差分运算放大器Q，两个差分运算放大器的型号都是AD620。
电极A、B、C和电极D1～D6的电位信号分别由如图4所示的信号输入端口P的UL、UR、LL和CH/V1~CH/V6端口输入，然后分别经过如图9所示的补偿电阻R1、R2、R3和R4~R9连接到信号选通单元的正、负信号选通芯片A﹢、A﹣和B﹢、B﹣四个信号选通芯片的信号输入端。正、负信号选通芯片A﹢、A﹣的信号输出端MA﹢、MA﹣分别连接到差分运算放大器P的正、负信号输入端，正、负信号选通芯片B﹢、B﹣的信号输出端MB﹢、MB﹣分别连接到差分运算放大器Q的正、负信号输入端。四个信号选通芯片的信号输出端MA﹢、MA﹣、MB﹢、MB﹣和与其对应的差分运算放大器的信号输入端之间都连接有如图12所示的电压跟随器，可以起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
正信号选通芯片A﹢、B﹢都是型号为74HC4051的单路模拟选通芯片，负信号选通芯片A﹣、B﹣都是型号为74HC4052的双路模拟选通芯片。电极A经补偿电阻R1可选择地连接到各个信号选通芯片的UL、aVLp和aVLn引脚；电极B经补偿电阻R2可选择地连接到各个信号选通芯片的UR、aVRp 和aVRn引脚；电极C经补偿电阻R3可选择地连接到各个信号选通芯片的LL、aVFp和aVFn引脚；电极D1～D6分别可选择地连接到各个信号选通芯片的CH/V1~CH/V6引脚。补偿电阻R1、R2、R3和R4~R9都是可调电阻，在信号选通单元选通的连接到差分运算放大器P、Q的正、负信号输入端的电极发生变化时，电极在不同人体位置产生的阻抗差值和信号选通芯片的内阻都发生了变化，此时调节各个补偿电阻的阻值，就可以使由电极到差分运算放大器的正、负信号输入端的阻抗相等，确保波形的准确性。
如图3~11所示，电极A、B、C任意两个分别作为正、负极可以构成三组标准双极导联：正信号选通芯片A﹢选通UL引脚，负信号选通芯片A﹣选通UR引脚，则电极A作为正极与电极B作为负极构成导联Ⅰ；正信号选通芯片A﹢选通LL引脚，负信号选通芯片A﹣选通UR引脚，则电极C作为正极与电极B作为负极构成导联Ⅱ；正信号选通芯片A﹢选通LL引脚，负信号选通芯片A﹣选通UL引脚，则电极C作为正极与电极A作为负极构成导联Ⅲ。电极A、B、C中任意一个电极作为正极，余下两个电极联通后作为负极从而构成三组加压单极肢体导联：正信号选通芯片A﹢选通aVLp引脚，负信号选通芯片A﹣选通aVRn、aVFn引脚，则电极A作为正极、电极B、C联通作为负极构成导联aVL；正信号选通芯片B﹢选通aVRp引脚，负信号选通芯片B﹣选通aVLn、aVFn引脚，则电极B作为正极、电极A、C联通作为负极构成导联aVR；正信号选通芯片B﹢选通aVFp引脚，负信号选通芯片B﹣选通aVRn、aVFn引脚，则电极C作为正极、电极A、B联通作为负极构成导联aVF。把负信号选通芯片A﹣和B﹣的信号输出端MA﹣和MB﹣通过电阻连接，从而把电极A、B、C联通后作为负极，电极D1～D6中的任意一个作为正极，可以构成六组单极胸导联V1~V6。
在实际使用中，把该多导心电电极连接装置戴于左手腕上，多导心电电极连接装置与手腕接触的部位设置电极A，就可以采集体表左手部位的电位信号；在多导心电电极连接装置上设置一个导电触片，把右手手指按在这个导电触片上，该导电触片就可以作为电极B采集体表右手部位的电位信号；在左手的食指和拇指上分别套上外部有导电触片，并且通过导线连接到多导心电电极连接装置的绝缘指套，把左手带有指套的拇指按于左腹部，该指套上的导电触片就可以作为电极C采集体表左足部位的电位信号。结合上述电极连接方式，就可以实现对三组标准双极导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和三组加压单极肢体导联aVL、aVR、aVF的监测，而把左手带有指套的拇指按在胸部各个部位，则可以实现对六组单极胸导联V1~V6的监测。
信号选通单元控制各个电极间的正、负极连接关系从而实现上述总计十二组导联间的切换。使用时可以根据实际需求选择导联的数量，精准度要求较高的心电测量通常使用十二组导联，可记录大部分的心脏电生理活动，充分反映心脏的健康状况，而家庭用多导心电电极连接装置可以采用三组标准双极导联，或者采用三组标准双极导联和三组加压单极肢体导联组成的六组导联。较低的导联数量虽然会减少测得的心脏活动信息，但是已经能够满足基本的心脏活动检测需求，而且能够有效减少多导心电电极连接装置的复杂程度，降低成本并且缓解设备耗电情况。
以三组标准双极导联为例，信号处理单元的两个差分运算放大器P、Q交替把导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的心电信号放大、去噪后传输给信号处理单元内的信号处理器，信号处理器按照如图13所示的三组标准双极导联的波形存储模型对心电信号波形进行存储。差分运算放大器P、Q每次切换导联时对共模信号的抑制需要满足在某时限期内（不超过15秒）起效，因此在信号处理单元设置输出控制器，输出控制器控制差分运算放大器在输入到任意一个输入端的信号被切换后的预设的时间段T0内不输出心电信号。在时间段T0（T0=15秒）内，差分运算放大器P只是进入预备状态，而不对导联Ⅰ的心电信号进行处理，其波形数据被保存为模拟数据空N。在时间段T1（T1＞15秒）内，差分运算放大器P读取导联Ⅰ的心电信号并传输给信号处理器，信号处理器把时间段T1内收到的导联Ⅰ的心电信号保存为波形数据WⅠ，该波形数据WⅠ内包括至少一个完整的有效波形Waveform的数据；同时差分运算放大器Q切换为读取导联Ⅱ的心电信号的预备状态，此时差分运算放大器Q由于导联切换处于不稳定状态，因而差分运算放大器Q先不对导联Ⅱ的心电信号进行处理，在时间段T1内导联Ⅱ的心电信号被保存为模拟数据空N。在随后的时间段T2内，差分运算放大器Q对导联Ⅱ的心电信号进行处理，而差分运算放大器P进入读取导联Ⅲ的心电信号的预备状态，然后在时间段T3内，差分运算放大器P对导联Ⅲ的心电信号进行处理，而差分运算放大器Q回到读取导联Ⅰ的心电信号的预备状态。差分运算放大器P、Q按上述循环顺序交替处理导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的心电信号并发送给信号处理器，信号处理器将收到的心电信号处理为波形并按照如图14所示的异步多导形式存储，在时间段T1内显示导联Ⅰ的波形，在时间段T2内显示导联Ⅱ的波形，在时间段T3内显示导联Ⅲ的波形，在时间段T4内再次显示导联Ⅰ的波形，导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的心电信号波形依时间顺序被循环保存，从而得到一个仅显示有效心电信号波形，不显示无效心电信号波形完整的心电图。由上述三组标准双极导联的波形存储模型可以类推得到六组导联、十二组导联等波形存储模型。本实施例中，对心电信号波形进行存储的方案满足行业执行标准ISO_22077-1_2015、ISO_TS_22077-2_2015、ISO_TS_22077-3_2015的要求，进行三导联、六导联以及十二导联心电信号采集和切换时，在满足行业标准的基础上，解决了多导联切换时共模信号抑制处理的问题，并且减少了差分运算放大器的数量，从而满足把多导心电电极连接装置集成在互联网+物联功能的小型穿戴设备（如手表）上的体积限制。
上述多导心电电极连接装置的信号处理器在存储差分运算放大器P、Q传输的心电信号时避开其切换导联的时期，把收到的不同导联的心电信号处理为完整的心电信号周期波形，按照异步多导的形式存储并输出为心电图。这样信号处理器同一时间只读取一组导联的有效心电数据，不同时间段输出不同导联的心电信号波形，从而消除了输出的心电波形中由切换导联时差分运算放大器对共模信号的抑制不稳定引起的噪声信号。通过信号选通电路减少了多导心电电极连接装置中需连接的差分运算放大器，并采用两个差分运算放大器交替工作，避开了抑制共模信号的稳定时间，去除了噪声段信号干扰，使多导心电电极连接装置体积减小，同时又能对心电信号进行去噪和放大传输。
多导心电电极连接装置的电极集单元的电极可以集成在金属片上，把金属片放置心电测试装置上，或者佩戴在腰带、内裤、胸衣、披肩等服饰上，或者作为指环或指套戴于手上，使得多导心电电极连接装置便于随身携带。
Claims (10)
1.多导心电电极连接装置，其特征在于，包括依次连接的电极集单元、信号选通单元和信号处理单元；
所述电极集单元包括至少两个用于测量电位信号的电极；
所述信号处理单元包括正信号输入端和负信号输入端；
所述信号选通单元的信号输入端可选择地连接电极集单元的各个电极，把所接收的各个电极测得的电位信号传导给信号处理单元的正信号输入端和负信号输入端；
所述信号选通单元传导给正信号输入端和负信号输入端的电位信号不完全相同；
所述信号处理单元根据所述正信号输入端和所述负信号输入端接收的电位信号输出心电信号。
2.根据权利要求1所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述信号选通单元包括正信号选通芯片和负信号选通芯片，所述正信号选通芯片和所述负信号选通芯片的信号输入端都可选择地连接到所述电极集单元的各个电极；
所述正信号选通芯片的信号输出端与所述信号处理单元的正信号输入端相连；
所述负信号选通芯片的信号输出端与所述信号处理单元的负信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述电极集单元的各个电极与所述正信号选通芯片和所述负信号选通芯片的信号输入端之间都配置有电阻，该电阻的阻值根据所在电路的阻抗进行调节。
4.根据权利要求2或3所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述信号处理单元包括差分运算放大器，所述信号处理单元的正信号输入端和负信号输入端是所述差分运算放大器的两个信号输入端。
5.根据权利要求4所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述信号处理单元包括输出控制器，其控制所述差分运算放大器在输入到任意一个输入端的信号被切换后的预设的时间段T0内不输出心电信号。
6.根据权利要求5所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述差分运算放大器有至少两个，每个差分运算放大器对应连接有正信号选通芯片和负信号选通芯片，所述至少两个差分运算放大器根据预设的顺序轮替输出心电信号。
7.根据权利要求6所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，
在任意一个预设的时间段T0内，至少有输入到一个差分运算放大器的两个输入端的电位信号都不被切换；
输入到一个差分运算放大器的任意一个输入端或两个输入端之间的电位信号相邻两次被切换的时间间隔长度大于时间段T0的时间长度。
8.根据权利要求1所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述电极集单元的电极放置心电测试装置上，或者佩戴在服饰和/或手上。
9.根据权利要求1所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述电极集单元包括肢体电极单元和/或胸电极单元。
10.根据权利要求9所述的多导心电电极连接装置，其特征在于，所述肢体电极单元包括连接到左上躯肢的电极A、和/或连接到右上躯肢的电极B、和/或连接到左下躯肢的电极C。
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