CN108378844A - 一种基于电子表皮的便携式心电检测装置及心电监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子表皮的便携式心电检测装置及心电监测系统，能够在不影响使用者佩戴舒适度的情况下，提高检测高精度，且抗干扰能力强。该心电监测系统中心电监测片具有一个或者多个电子表皮单元，用于采集心脏活动产生的电信号；监测电路与心电监测片中一个或者多个电子表皮单元的连接点连接并用于对采集到的电信号进行处理以适于输入控制单元；控制单元用于控制其他单元的工作并根据输入的电信号获取心电监测数据；数据存储单元用于对获取的心电监测数据进行存储，通信单元用于与外部终端进行通信以传输所示心电监测数据和/或控制指令；所述控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元设置在柔性电路板上。

Description

一种基于电子表皮的便携式心电检测装置及心电监测系统

本申请要求如下在先申请的优先权：1、原受理机构名称为中华人民共和国国家知识产权局，在先申请日为2017年03月21日，在先申请号为201710169969.5。

技术领域

本发明涉及生物电检测技术领域，尤其是涉及一种基于电子表皮的便携式心电检测装置及心电监测系统。

背景技术

随着经济的发展，生活节奏的加快，人们的工作压力普遍增大，越来越多的人开始出现心脏相关的疾病。而此类病是一种长期性病症，及时心脏状况对于适时治疗、预防心脏病突发死亡，具有十分重要的意义。心脏周围的组织和体液都能导电，会产生微弱的电流，这些弱电流经过传导反映到体表，被连接于体表的电极接收后，通过处理芯片会形成一种波形，也就是我们看到的心电图波形了。正常心电波形实际是由一系列“波组”构成的曲线图，导联方式不同，人与人之间的个体差异也很大，所记录到的心电图在波形上也会有所不同，但基本上都包括一个P波、一个QRS波群和一个T波，有时在T波之后还出现一个小的U波，这些波段名称均是国际上所规定的。心脏的病变，会使心电信号在周期和形态上发生畸变，电图异常引起心电图异常的病因多见于器质性心脏病或者心脏外疾病，正常心脏也可发生。心电图异常主要表现在心电波形(P波、QRS波群、T波和U波等)、间期(P-R、R-R、Q-T间期等)和心率(RR间期)等参数的变异上，同时正常心电图中，有的波型因导联不同可有倒置，需采用不同的算法进行数据分析。

目前，医学上对心脏类疾病的诊断基本上是以常规心电图(ECG)为主要手段，它在诊断心律异常、心肌缺血、心肌梗塞等方面有着重要作用，是记录心脏电活动简单而实用的方法，能反映出兴奋在心脏内的传播过程及心脏的机能状态，因此能够获得连续而稳定的心电波形一直是医学界的关注焦点。现有的临床医学及消费领域中的心电监测仪一般采用医用凝胶电极或者氯化银干电极来获取人体的心电信号，但因需长时间佩戴，必会给人的正常生活带来一定的不便。

公告号为CN104739401B的中国发明专利公开了一种能够采集心电信号的智能手环，通过手环表带的导电布获取体表的脉搏信号，但在实际应用中导电布的性能不稳定，易受到干扰，并且导电布表面的导电涂层在长时间使用后难以保持良好的导电性能，降低获取的数据的准确性。申请号为CN201420380950.7的实用新型专利提出了一种腰带，可以测得腰围、心率、血压度等信息，但是腰带在使用过程中易脱落，监测频段较窄，灵敏度有限，测量精度易受人体动作影响，在移动过程中易脱落且阻抗变化较大，直接影响大测量结果。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于电子表皮的便携式心电检测装置及心电监测系统，能够在不影响使用者佩戴舒适度的情况下，提高检测高精度，且抗干扰能力强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种基于电子表皮的便携式心电检测装置，包括模拟部分、主控MCU、电子表皮心电电极，所述模拟部分、主控MCU由柔性电路板制成；所述柔性电路板连接在电子表皮心电电极上，所述主控MCU包括数据处理分析电路、蓝牙BLE通信部分，所述蓝牙BLE通信部分包括设备信息接口、心率数据接口、心电数据接口，所述数据处理分析电路包括设备信息存储电路、ADC接口、数据存储电路、心率监测算法电路、心电DSP算法电路，所述数据存储电路、心率监测算法电路与所述心率数据接口导线连接，所述心电DSP算法电路与所述心电数据接口导线连接，所述模拟部分包括仪表放大电路、放大与滤波电路，所述放大与滤波电路与所述ADC接口导线连接，所述电子表皮心电电极与仪表放大电路导线连接。

一种基于电子表皮的心电监测系统，其包括：控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元，及至少一个心电监测片；

其中，所述心电监测片具有一个或者多个电子表皮单元，用于采集心脏活动产生的电信号；所述监测电路与心电监测片中一个或者多个电子表皮单元的连接点连接并用于对采集到的电信号进行处理以适于输入控制单元；所述控制单元用于控制其他单元的工作并根据输入的电信号获取心电监测数据；所述数据存储单元用于对获取的心电监测数据进行存储，所述通信单元用于与外部终端进行通信以传输所示心电监测数据和/或控制指令；所述控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元设置在柔性电路板上或者设置在柔性电路板之外并经由柔性电路板与心电监测片连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过柔性电路板与具有电子表皮心电单元的心电监测片能够在使用者静止或运动状态下保证心电信号的实时监控和测量，而不影响使用者的日常生活；其测量精度高，抗干扰能力强，交流阻抗能够减小至1kΩ，可有效地抑制人体运动所造成的干扰信号，测量精度不受人体动作影响。且由于其体积小、能任意移动和伸缩，可长期佩戴在手腕、胸膛等处，不易脱落，佩戴舒适度较高，便于长期不间断地监测心电信号。且电子表皮单元接触噪声抑制能力强，能够极大的降低由人的运动和振动所引起电极与皮肤阻抗变化，提高测量精度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电子表皮单元结构示意图。

图2是根据本发明实施例的便携式心电检测装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的便携式心电检测装置的三维结构图。

图4是根据本发明实施例的心电监测系统的结构示意图。

图5和图6是根据本发明两个实施例的心电监测片的结构示意图。

图7是根据本发明实施例的图形用户界面GUI的示意图。

图8～10是根据本发明实施例的心电波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1至图3所示，根据本发明实施例的一种基于电子表皮的便携式心电检测装置包括电子表皮心电电极206、模拟部分201、主控MCU 202、三轴传感器207，主控MCU 202还包括数据处理分析电路203、蓝牙BLE通信部分204，所述模拟部分201、主控MCU 202采用柔性电路板301制作，三轴传感器207集成在柔性电路板301上，柔性电路板301连接在电子表皮心电电极206上，所述电子表皮心电电极206为蛇形互联岛桥结构。其结构特点是：所述模拟部分201包括仪表放大电路208、放大与滤波电路209，数据处理分析电路203包括设备信息存储电路210、ADC接口211、运动信号接口212、数据存储电路213、心率监测算法电路214、心电DSP算法电路215、运动检测算法电路216，蓝牙BLE通信部分204包括设备信息接口217、心率数据接口218、心电数据接口219、运动数据接口220。所述数据存储电路213、心率监测算法电路214与所述心率数据接口218导线相连，所述心电DSP算法电路215与所述心电数据接口219导线相连，所述运动检测算法电路216与所述运动数据接口220导线相连，所述运动信号接口212与所述三轴传感器207导线连接，所述电子表皮心电电极206与所述仪表放大电路208导线连接，所述放大与滤波电路209与所述ADC接口211导线连接。

使用方法是：当检测人体在静止或运动状态下的心电信号时，将本装置贴于手腕处或胸前心脏肌肉处，此时，紧贴皮肤的电子表皮心电电极206采集心电信号，通过模拟部分201进行放大和滤波处理，传输至ADC接口211进行模数转换，将心电信号转换成数字信号，数据存储电路213将心电数字信号进行存储，心率监测算法电路214对心电数字信号进行专业算法转换成心率数字信号，心电DSP算法电路215将心电数字信号运算为心电图信号，经数字处理分析电路203处理后，心电信号转换成心率数字信号和心电图信号，并分别输入蓝牙B LE通讯部分204的心率数据接口218、心电数据接口219，由蓝牙BLE通讯部分204无线传输至上位机205进行显示。三轴传感器207采集人体奔跑、倾斜、仰卧、侧身等运动状态下的移动轨迹和速度等信号，通过运动信号接口212传输至运动检测算法电路216，运动检测算法电路216计算出人体倾斜、侧向、蹲仰等运动轨迹和幅度数据，并通过蓝牙BLE部分204的运动数据接口220传输至上位机205，提供人体运动数据，便于做出运动状态和心电数据的相关性分析，为医生提供诊断依据。本实施例中，上位机205可以是手机、电脑等设备。

当被监测对象在运动状态，例如步行、跑步中，系统监测到的心电波形通常起伏较大或者心率值较高，在进行数据分析时易对佩戴者的心脏情况产生误判；为了解决上述问题，在本发明中采用三轴传感器实现，三轴传感器采集被监测对象的运动数据，判断佩戴者处于静止、步行、跑步等运动状态，并将采集到的数据传输至控制单元，由数据分析单元结合心脏的电活动信号进行分析，可准确提高对心电数据和心率数据的分析的准确性。

进一步，为了提高本系统在运动状态下采集心电数据的稳定性，提高测量的精度，电子表皮心电电极206采用蛇形互联导线结构，如图1所示；与直互联导线相比，蛇形互联导线结构大大提升了系统的延展性，可以发生侧向屈曲从而使测量系统可承受更大的变形，柔性电路板连接在电子表皮心电电极上，跟随电子表皮心电电极的运动轨迹，从而保证在人体运动状态下还能贴合体表不脱落、提高测量系统的稳定性和数据测量的精度。

更进一步，检测数据通过蓝牙BLE通信部分传输心电、心率及运动数据，本发明适用于在低带宽条件下临近的两个或多个设备间的信息传输，能够简化设备间服务的发现和设置，比其他类型网络更安全、网络地址、许可配置可自动进行，可以进行无缝连接和切换。同时，采用蓝牙4.0是目前耗电量最低的无线连接方式，极大的增强了心电检测系统的续航功能，可连续监测时间达10小时。在其他的实施例中，蓝牙BLE通信部分可以替换为其他通信接口，例如LTE无线接口，WIFI接口，USB接口，或者耳机接口等接口与上位机连接。

更进一步，本发明可采用标准导联及十二导联为病人或普通人提供差异化服务，上位机显示端架设在家中，病人数据传输至上位机，上位机显示端通过Internet网络将病人监测数据发送至医院，为医生提供诊断依据。为普通人提供移动监测设备时，手机显示端显示心电、心率数据，提供日常参数监测，并能够监测运动过程中的心率、心电变化，指导运动健身。

更进一步，如图3所示本发明所述主控MCU202和模拟部分201采用柔性电路板301制作，与电子表皮连接，佩戴舒适，重量轻，成本低。

以上示出了模拟部分、主控MCU与电子表皮电极的一种连接方式，本发明还提供了其他连接方式的实施例。

图4示出了根据本发明实施例的一种基于电子表皮的心电监测系统的结构示意图。该心电监测系统包括控制单元、监测电路、数据存储单元、数据分析单元、通信单元，及至少一个心电监测片；所述心电监测片具有一个或者多个电子表皮单元，其外形结构与图1所示电子表皮心电电极206相同，用于采集心脏活动产生的电信号；所述监测电路与心电监测片连接并用于对采集到的电信号进行处理以适于输入控制单元，例如监测电路可以包括放大电路和滤波电路，放大电路用于对心电监测片采集到的心脏的电活动信号进行放大，并将放大信号输出到滤波电路，所述滤波电路用于对放大的电信号进行滤波，去除干扰信号；所述控制单元用于控制其他单元的工作并根据输入的电信号获取心电监测数据，所述数据存储单元用于对获取的数据进行存储(可以采用易失性存储器或非易失性存储器)，所述通信单元用于与外部终端进行通信以传输所示心电监测数据和/或控制指令；所述数据分析单元用于对控制单元获取的数据进行分析，例如可以包括心电数据分析和/或心率数据分析模块，且数据分析单元可以设置在外部终端或者服务器中。

在本发明的各种实施方式中，每个电子表皮单元可以由柔性材料制成，其结构包括导电层和绝缘层，导电层面向人体皮肤，与人体皮肤贴合以采集被监测对象体表的电信号变化。电子表皮优选贴附在人体胸腔正对心脏的上方或者附近位置，在本方案实例中，采用Ⅰ导联(导联：心电监测片在人体体表的放置位置及与放大器的连接方式称为心电图的导联)的方式进行心脏电活动信号的采集；具体实际应用中，可根据不同的需要(不同导联方式获取的信号波形有差异，因此在对信号进行数据分析时，需要采用不同算法进行分析)采取Ⅱ导联或Ⅲ导联不同的位置和方式进行信号的采集，以上导联方式为现有技术，在此不赘述。

为了进一步提高电子表皮与人体皮肤的贴合性，在本发明中的电子表皮单元具有镂空片状可拉伸结构，其结构如图1所示，具体可为多个四叶镂空风扇的单列组合体，形成各边以及镂空内部具有波浪形的结构，并在一端引出连接点，以贴附在胸腔与心脏对应的较狭长部位。由于生物电信号一般较为微弱并且干扰较大，在本发明优选的实施方式中可以采用三个单元的电子表皮来形成心电监测片，以实现心脏电活动信号的采集，其结构如图5、6所示。其中，图5为具有三个间隔设置的如图1所示电子表皮单元的心电监测片，所述控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元设置在柔性电路板上(以图5中黑色矩形表示，图6未示出)，心电监测片经由每个电子表皮单元的连接点通过柔性电路板与监测电路连接。图6中的心电监测片具有三个间隔设置电子表皮单元，每个单元包括两列或更多列多个四叶镂空风扇组合体，形成的各边以及镂空内部具有波浪形的结构，以贴附在胸腔与心脏对应的较宽部位，从而采集到更精确的原始数据。在实际应用中，所述控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元也可以不设置在柔性电路板上，而是另外单独设置在数据处理和控制电路板上，监测电路经由诸如USB、耳机接口等外部接口通过柔性电路板与心电监测片中每个电子表皮单元的连接点。

在上述各实施例中，导电层可以采用金属材料制成，例如金Au、钛Ti、铜Cu、银Ag、不锈钢等导电材料，也可为石墨、金属油墨等非金属导电材料，绝缘层可以采用塑料、PET、橡胶、树脂等非导电绝缘材料制成；所述电子表皮为片状结构，其中导电层厚度为50nm～200nm，绝缘层的厚度为0.5μm～25μm，以保证电子表皮单元的整体厚度为0.55～25.2μm。由于导电层的厚度的特殊性，必须通过绝缘层作为导电粒子的载体才能在现实中使用，因此电子表皮是作为一个整体存在。本发明利用电子表皮实现信号的采集，其与人体的皮肤能够达到更好的贴合效果，可提高获取的心脏电活动信号数据的灵敏度和准确度，同时，由于电子表皮的厚度轻薄，贴附于人体体表不会带来不适，即便长时间佩戴也不会影响佩戴者的正常生活。

由于电子表皮单元的整体厚度的非常薄，为了防止在实际使用中出现电子表皮破损断裂的情况，可以在电子表皮的绝缘层的上表面(与导电层相对、远离皮肤表面的一面)覆盖一层保护膜，保护膜与电子表皮的绝缘层相粘结，例如所述保护膜可采用PET、PP、PC等绝缘塑料薄膜，并具有透明结构从而将电子表皮单元准确地放置在贴附在胸腔与心脏对应的部位。

控制单元作为与其他工作单元连接的主控单元，在本发明的各种实施方式中可采用MCU微控制芯片、DSP芯片等实现控制功能，例如MSP430单片机或STM32系列芯片等。所述监测电路中的放大电路可选择AD620放大器及其配套放大连接电路；滤波器电路可采用数字滤波器或带通滤波器滤除干扰噪声。

所述数据分析单元中包括了心电数据分析模块和/或心率分析模块，两模块采用分析算法对采集到的心脏电信号活动进行数据提取和分析，获得心电波形和/或心率数据，外部终端可以通过人机交互界面直接展示(例如，通过显示屏显示、扬声器语音播报、指示灯提示、振动提示等)获取的数据，也可将长期观测到的数据采用深度学习算法，对被监测者的心脏情况进行初步判断，是否出现异常波段，心率异常等。上述心电数据分析模块、心率分析模块采用算法可基于实际使用的控制芯片采用现有的编程语言及相应的算法来实现。所述通信单元用于系统与外部终端的数据传输，具体可采用WIFI、蓝牙、USB、移动无线通信网等方式实现。所述外部终端为具有人机交互接口的电子设备，例如平板电脑、智能手机、PC终端、云端服务器等，其可以具有显示单元以直接显示心电波形和/心率数据，或者具有语言播放单元，以通过语音播报获得心电波形和/或心率数据。

在一个具有的实施方式中，电子表皮单元采用不锈钢作为导电层，其厚度为200nm，并采用PET薄膜作为绝缘层，厚度为25μm，电子表皮采用如图5所示的心电监测片结构进行数据采集，其具体贴附在左胸腔正对心脏的上方或者附近位置，采用Ⅰ导联的方式。电子表皮单元的连接点可以通过USB接口与监测电路连接。控制单元采用STM32芯片来实现，并采用ASM汇编语言进行心电数据分析模块和/或心率分析模块的算法编辑。利用平板电脑或手机作为外部终端来显示的波形和心率数据，如图7所示GUI界面显示设备名称Rotex，ECG当前值为67bpm，且在监测电路进一步设置有温度传感器的情况下可以同时显示监测时的温度，例如26℃，设备MAC地址E6:B3:99:45:3A:7D，ECG当前值会以固定频率(例如每2秒)更新一次，因此可以点击Record按钮来进行记录；对应的被监测者静坐和快走时的心电波形分别如图8和图9所示，图中单位横轴单位为25mm/s，纵轴单位为12.0mm/mv。

在另一个具有的实施方式中，电子表皮单元采用钛作为导电层，其厚度为200nm，并采用PET薄膜作为绝缘层，厚度为25μm，电子表皮采用如图6所示的心电监测片结构进行数据采集，其具体贴附在左胸腔附近位置，采用Ⅰ导联的方式。电子表皮单元的连接点通过TRS、TRRS等3.5mm耳机接口与监测电路连接。控制单元采用STM32芯片来实现，并采用ASM汇编语言进行心电数据分析模块和/或心率分析模块的算法编辑。利用平板电脑或手机作为外部终端来显示的波形和心率数据，对应的被监测者静坐时的心电波形如图10所示，图中单位横轴单位为25mm/s，纵轴单位为12.0mm/mv。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电子表皮的便携式心电检测装置，包括模拟部分(201)、主控MCU(202)、电子表皮心电电极(206)，所述模拟部分(201)、主控MCU(202)由柔性电路板(301)制成，其特征在于：所述柔性电路板(301)连接在电子表皮心电电极(206)上，所述主控MCU(202)包括数据处理分析电路(203)、蓝牙BLE通信部分(204)，所述蓝牙BLE通信部分(204)包括设备信息接口(217)、心率数据接口(218)、心电数据接口(219)，所述数据处理分析电路(203)包括设备信息存储电路(210)、ADC接口(211)、数据存储电路(213)、心率监测算法电路(214)、心电DSP算法电路(215)，所述数据存储电路(213)、心率监测算法电路(214)与所述心率数据接口(218)导线连接，所述心电DSP算法电路(215)与所述心电数据接口(219)导线连接，所述模拟部分(201)包括仪表放大电路(208)、放大与滤波电路(209)，所述放大与滤波电路(209)与所述ADC接口(211)导线连接，所述电子表皮心电电极(206)与仪表放大电路(208)导线连接。

2.如权利要求1所述的一种基于电子表皮的便携式心电检测装置，其特征在于：所述柔性电路板(301)上还集成有三轴传感器(207)，所述蓝牙BLE通信部分(204)还包括运动数据接口(220)，所述数据处理分析电路(203)还包括运动信号接口(212)、运动检测算法电路(216)；所述三轴传感器(207)连接所述运动信号接口(212)，所述运动信号接口(212)另一端连接至运动检测算法电路(216)，所述运动检测算法电路(216)另一端与所述运动数据接口(220)导线连接。

3.一种基于电子表皮的心电监测系统，其特征在于：所述心电监测系统包括：控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元，及至少一个心电监测片；

其中，所述心电监测片具有一个或者多个电子表皮单元，用于采集心脏活动产生的电信号；所述监测电路与心电监测片中一个或者多个电子表皮单元的连接点连接并用于对采集到的电信号进行处理以适于输入控制单元；所述控制单元用于控制其他单元的工作并根据输入的电信号获取心电监测数据；所述数据存储单元用于对获取的心电监测数据进行存储，所述通信单元用于与外部终端进行通信以传输所示心电监测数据和/或控制指令；所述控制单元、监测电路、数据存储单元、通信单元设置在柔性电路板上或者设置在柔性电路板之外并经由柔性电路板与心电监测片连接。

4.如权利要求3所述的心电监测系统，其特征在于：所述电子表皮单元由柔性材料制成，呈片状结构，并包括导电层和绝缘层，其中导电层面向皮肤并通过与皮肤贴合以采集被监测对象体表的电信号变化。

5.如权利要求3所述的心电监测系统，其特征在于：所述电子表皮单元具有镂空可拉伸结构。

6.如权利要求5所述的心电监测系统，其特征在于：所述电子表皮单元为多个四叶镂空风扇的单列组合体，或者为两列或更多列多个四叶镂空风扇组合体，以形成各边以及镂空内部具有波浪形的结构。

7.如权利要求4所述的心电监测系统，其特征在于：所述导电层的厚度为50nm～200nm，绝缘层的厚度为0.5μm～25μm，且电子表皮单元的整体厚度为0.55μm～25.2μm。

8.如权利要求4至7中任一项所述的心电监测系统，其特征在于：所述绝缘层的上表面覆盖有一层保护膜，保护膜与绝缘层相粘结；并且所述保护膜采用包括PET、PP、PC中一者绝缘塑料薄膜制成。

9.如权利要求4至7中任一项所述的心电监测系统，其特征在于：所述导电层采用包括金Au、钛Ti、铜Cu、银Ag、不锈钢中一者或多者的金属导电材料制成，或者采用包括石墨、金属油墨中一者或多者的非金属导电材料制成；绝缘层采用包括塑料、PET、橡胶、树脂中一者或多者的非导电绝缘材料制成。

10.如权利要求9所述的心电监测系统，其特征在于：所述电子表皮单元采用钛或不锈钢作为导电层，其厚度为200nm；并采用PET薄膜作为绝缘层，其厚度为25μm。