CN109805922A - 非接触式心电测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗设备技术领域，具体一种非接触式心电测量系统。本发明包括心电信号采集系统和上位机软件系统；其中，心电信号采集系统包括信号采集模块、信号处理模块、信号传送模块、供电模块，用于对被测对象心电信号的采集、预处理和传送；上位机软件系统是一个面向使用者操作简单的人机交互界面，用于对采集到的心电信号进行提取、处理、显示和记录，可以给医生或使用对象更直观的心电显示，存储的数据也可用于数据分析、心脏疾病预测和睡眠分析。本发明系统使用方便，适用于长期持续的心电测量；系统都是低功耗元器件，节能、低功耗；操作采用简单的人机交互界面，用户能直观地看到清晰的心电波形，数据可存储下来以便后期分析。

Description

非接触式心电测量系统

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及非接触式心电测量系统。

背景技术

心血管疾病是一类具有高患病率和高死亡率的疾病，严重威胁着人类(尤其是老年人)的生命。目前虽然有一些先进的治疗手段，但死亡率还是很高，且幸存者也基本无法痊愈，不时饱受病痛折磨。所以，在提高心血管治疗水平的同时，对心血管疾病的预防，以及对心血管疾病患者的监护也尤为重要。

作为反映心脏重要生理参数的心电信号，对其进行测量与分析，是预防心血管疾病或监护患者的有效方式。比如，心电信号直接反映了心脏活动中的各项指标，可用来检测心脏房室膈以及动静脉瓣等各项病变，可用来对病患进行临床或者远程生命监护。所以，研究用于心电信号的测量系统十分有意义。

目前应用最广泛的心电采集电极是被动式测量的湿电极，比如Ag/Agcl电极，虽然能够采集到质量较高的心电信号，但是有一定的局限性，主要体现在：(1)使用麻烦，需要对电极放置位置的皮肤做一些预处理，比如去除厚重、粗硬的毛发以及皮肤的角质层；(2)擦拭酒精或者涂导电膏有可能会引起人体过敏，特别是婴儿和敏感人群；(3)可能引起患者的恐慌和紧张情绪，间接影响所测量心电信号的可靠性；(4)电极不能多次使用，测量成本较高。传统心电测量系统上述局限都制约着其往长期监护和日常监护的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便捷、成本低廉、使用安全和信号可靠的非接触式心电测量系统。

本发明提供的非接触式心电测量系统，包括：心电信号采集系统，上位机软件系统两大部分；心电信号采集系统包括信号采集模块、信号处理模块、信号传送模块、供电模块，用于对被测对象心电信号的采集、预处理和传送；上位机软件系统可安装在带操作系统的PC机或监视仪，是一个面向使用者操作简单的人机交互界面，用于对采集到的心电信号进行提取、处理、显示和记录；

所述信号采集模块、信号处理模块、信号传送模块、供电模块为系统的硬件部分，其中：

所述信号采集模块由两个电容式干电极和一个参考电极组成，测量心电时电极可贴着皮肤，也可隔着衣服，既可采用标准导联，也可采用非标准导联；所述信号处理模块包含仪表放大器、高通滤波器和低通滤波器；所述信号传送模块包含AD转换和串口通讯模块；所述供电模块由锂电池和稳压电路组成，为系统提供电源；系统的工作流程如下：

信号采集模块中的电极通过电容耦合方式采集心电信号，并将心电信号传输至信号处理模块；在信号处理模块中，两个电容式电极采集的信号首先进行差分放大，然后经过高通滤波滤除低频干扰信号，经过低通滤波器滤除高频噪声，之后传输到信号传送模块；在信号传送模块中，信号先经过AD模块，由模拟量转换成数字量，再经过串口通讯模块传送到上位机；上位机软件对采集的信号进行提取和处理，实时显示波形，并将数据存储下来。

本发明中：

所述信号采集模块包括两个柔性电容式干电极和一个参考电极，用于采集被测对象的心电信号；

所述信号处理模块包括仪表放大器、高通滤波器和低通滤波器，用于两个电容式电极信号的差分放大、高通滤波和低通滤波；

所述信号传送模块包含AD模块和通讯模块，用于将心电数据有模拟量转换成数字量，并通过串口传输至上位机；

所述供电模块包含锂电池和稳压电路，为系统提供电源。

本发明中，信号采集模块的电极既可以贴在皮肤上测量心电，也可以隔着衣服测量心电。

本发明中，电容式干电极结构分为四层，从下至上分别为感应层、PCB板、电子元器件层和屏蔽外壳。

本发明中，电容式干电极的PCB板正面用于承载电子元器件，反面用于承载感应层。

本发明中，电容式干电极的感应层采用敷铜工艺与沉金工艺制作，在PCB板反面敷一层铜，铜上在利用沉金工艺保证其导电性和表面平滑，感应层与人体皮肤耦合成电容形式，以采集皮肤上的心电信号。

本发明中，电容式干电极的电子元器件层主要由电阻R_B和运算放大器A组成，采用主动供电方式以提高电极的输入阻抗，如图4所示。其中，电阻R_B用于电流偏置，而运放器A输入输出端有如下关系：

V_in＝V₊,V₊＝V_-,V_{_}＝V_o

所以运放器A实现了一个电压跟随器或者说缓冲器的作用。

本发明中，上位机软件系统主要是一个面向使用者操作简单的人机交互程序，与串口进行通讯实现心电信号的提取，用IIR滤波器滤除基线漂移，用小波滤波技术滤除工频和肌电噪声，给使用者显示清晰的波形，并将数据保存在excel文件中。软件系统可以给医生或使用对象更直观的心电显示，存储的数据也可用于数据分析、心脏疾病预测和睡眠分析。

本发明的特点：

1、本发明提出一种新的心电测量系统，可用于心电信号的长期监测和数据存储；

2、本发明用电容式干电极替代传统的湿电极片，用于采集心电信号；

3、本发明所用电极既可以贴在皮肤上采集心电信号，亦能隔着衣服采集心电信号；

4、本发明采用硬件和软件两个层面对采集的心电信号进行处理，能在高噪声情况下获得清晰的心电波形。

本发明技术效果

本发明用芯片、软件以及新型心电传感器制造出的便捷、成本低廉、使用安全和信号可靠的非接触式心电测量系统。该系统可以给医生或使用对象直观的心电波形显示，存储的数据也可用于数据分析、心脏疾病预测和睡眠分析。

1、本发明可进行长期持续的心电测量。心电电极可以重复使用，并且无需接触被测对象的皮肤，可放置在座椅或者床上，使用方便，所以适用于长期持续的心电测量；

2、本发明工作功耗较低。硬件系统的功耗主要包括信号采集模块功耗、信号处理模块功耗、信号传送模块功耗。而本系统采用的都是低功耗元器件，所以装置整体都是节能、低功耗的；

3、本发明采用操作简单的人机交互界面，并通过硬件和软件两个层面对心电信号进行处理，所以用户既能直观地看到清晰的心电波形，又可以将有用数据存储下来以便后期分析。

附图说明

图1为非接触式心电采集系统结构框图。

图2为信号采集模块的使用示意图。

图3为电容式电极结构示意图。

图4为电极元器件层电路原理图。

图5为上位机软件工作流程。

图6为接触皮肤情况下心电测量结果。

图7为不接触皮肤情况下心电信号原始波形。

图8为不接触皮肤情况下心电信号处理后波形。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步介绍本发明。

图1为本发明的系统框图。从功能上主要分为硬件和软件两个部分。硬件上有信号采集模块、信号处理模块、信号传送模块和供电模块，软件上有数据提取、信号处理、数据存储和波形显示。

硬件上，首先供电模块通过电源线给信号采集模块和信号处理模块供电，使硬件开始工作；信号采集模块通过电容耦合的方式感应人体皮肤的心电变化，通过一个电压跟随器将毫伏级的微弱信号捕捉并稳定下来，再通过信号线传给信号处理模块；信号处理模块的放大器对微弱信号进行放大至伏特级，然后经过高通滤波器和低通滤波器滤除一定的漂移和高频噪声，再通过信号线传给信号传送模块；信号传送模块将心电信号从模拟量转换成数字量，再利用USB串口通讯传送到上位机上。

上位机软件上，程序建立读取USB串口的虚拟通道，以可设置的采样率将采集的ECG数据读取出来；在对数据进行高通滤波滤除基线漂移，小波去噪滤除工频噪声和肌电噪声，以便将清晰的ECG波形显示出来。最后，将滤波前后的数据都存储到指定excel中。

电极使用简便，测量时既可以按照标准导联放置，也可以非标准导联。图2为一种推荐的简便导联方式。其中两个电容式电极分别放置在右胸和左腰位置，两个电极采集到对应位置的信号，然后输入到信号处理模块做差分放大；参考电极可以放置在身体皮肤任何方便放置的位置上，比如捏在手中。

下面介绍主要模块的功能和工作流程。

1.1信号采集模块

图3为电容式电极的结构简图，分为四层，从下至上依次为感应层、PCB板、元器件层和疲敝外壳。

其中，PCB板正面用于承载电子元器件，反面用于承载感应层。

感应层测量时与人体皮肤构成耦合电容，感应皮肤上的心电变化。其采用敷铜工艺与沉金工艺制作，在PCB板反面敷一层铜，铜上在利用沉金工艺保证其导电性和表面平滑。

元器件层主要由偏置电阻和电压跟随器组成，电路原理如图4所示，主要由电阻R_B和运算放大器A组成，采用主动供电方式以提高电极的输入阻抗。其中，电阻R_B用于电流偏置，而运放器A输入输出端有如下关系：

V_in＝V₊,V₊＝V_{_},V_{_}＝V_o

所以运放器A实现了一个电压跟随器或者说缓冲器的作用。

1.2上位机软件系统

上位机软件系统主要是一个面向使用者操作简单的人机交互程序，与串口进行通讯实现心电信号的提取，用IIR滤波器滤除基线漂移，用小波滤波技术滤除工频和肌电噪声，给使用者显示清晰的波形，并将数据保存在excel文件中。软件系统可以给医生或使用对象更直观的心电显示，存储的数据也可用于数据分析、心脏疾病预测和睡眠分析。

图5是上位机软件的流程框图。整体流程是，参数初始化后，创建虚拟的数据通道，新建一个excel文件以备数据存储之需，之后进入一个主循环进行数据处理，主循环结束后关闭数据通道，并关闭excel文件。

主循环里，数据流分为两路。一路是必须执行的信号处理和波形显示，主要是：从虚拟数据通道中读取数据，然后对数据进行IIR高通滤波处理以消除信号的基线漂移，之后对数据进行小波去噪以消除信号的工频和肌电噪声，最后进行波形显示。

数据流另一路是数据存储程序，需要判断用户是否点击保存数据，判断“是”的情况下，通过实际采集周期的累加进行计算时间，然后将时间数据、原始信号和滤波后的信号数据写入到创建的excel文件中。

信号处理涉及的算法如下：

(a)滤除基线漂移

利用IIR数字滤波器设计一种高通滤波器用于滤除低频的基线漂移，其通带频率f_pass为1Hz，阻带频率f_stop为0.5Hz，通带最大衰减为1dB，阻带最小衰减为60dB。其脉冲传递函数形式为：

式中，Y代表滤波器输出信号z变换，X代表输入信号z变换，N为滤波器阶数。a和b为多项式系数，可需要根据采样频率f_s计算得到。

处理时，递推形式如下：

式中，x(n-i)为当前或历史待处理的ECG信号数值，y(n)为当前输出的ECG信号数值，y(n-i)为历史输出的ECG信号。

(b)滤除工频和肌电噪声

首先用Daubechies小波对ECG信号进行小波变换多尺度分解，小波阶数为5，分解层数为3，得到信号的1个近似向量cA₃和3个细节向量cD₁,cD₂,cD₃。

对3个细节向量cD₁,cD₂,cD₃进行阈值量化。以cD₁为例，算法为：把用来估计阈值的小波系数向量取绝对值(设其长度为n₁)，由小到大排序，然后将各元素平方，得到新的待估计向量NV；对NV的每个元素下标k，按下式计算风险向量Risk；求出风险向量Risk最小点所对应的下标k₀值，从而得到阈值

对每一个细节向量，当小波系数绝对值大于等于给定阈值时，保持不变，而小于时，令其为0。

最后对处理后的小波系数细节向量cD₁,cD₂,cD₃，结合近似向量cA₃，进行小波逆变换，得到去除工频和肌电噪声的ECG信号。

测试结果，如图6～8所示。

其中，图6显示了本发明在贴着皮肤时对心电的测量结果；图7和图8显示了本发明在隔着衣服时对心电的测量结果，图7为原始信号波形，图8为信号处理后的波形图。上述结果验证了本发明的可行性。

Claims (6)

1.一种非接触式心电测量系统，其特征在于，包括：心电信号采集系统，上位机软件系统两大部分；心电信号采集系统包括信号采集模块、信号处理模块、信号传送模块、供电模块，用于对被测对象心电信号的采集、预处理和传送；上位机软件系统安装在带操作系统的PC机或监视仪，是一个面向使用者操作简单的人机交互界面，用于对采集到的心电信号进行提取、处理、显示和记录；

所述信号采集模块、信号处理模块、信号传送模块、供电模块为系统的硬件部分，其中：

所述信号采集模块由两个电容式干电极和一个参考电极组成，测量心电时电极贴着皮肤，或者隔着衣服；所述信号处理模块包含仪表放大器、高通滤波器和低通滤波器；所述信号传送模块包含AD转换和串口通讯模块；所述供电模块由锂电池和稳压电路组成，为系统提供电源；系统的工作流程如下：

电极通过电容耦合方式采集心电信号，并将心电信号传输至信号处理模块；在信号处理模块中，两个电容式电极采集的信号首先进行差分放大，然后经过高通滤波滤除低频干扰信号，经过低通滤波器滤除高频噪声，之后传输到信号传送模块；在信号传送模块中，信号先经过AD模块，由模拟量转换成数字量，再经过串口通讯模块传送到上位机；上位机软件对采集的信号进行提取和处理，实时显示波形，并将数据存储下来。

2.根据权利要求1所述的非接触式心电测量系统，其特征在于，所述电容式干电极的结构分为四层，从下至上分别为感应层、PCB板、电子元器件层和屏蔽外壳；PCB板正面用于承载电子元器件，反面用于承载感应层。

3.根据权利要求2所述的非接触式心电测量系统，其特征在于，所述电容式干电极的感应层采用敷铜工艺与沉金工艺制作，在PCB板反面敷一层铜，铜上利用沉金工艺保证其导电性和表面平滑，感应层与人体皮肤耦合成电容形式，以采集皮肤上的心电信号。

4.根据权利要求3所述的非接触式心电测量系统，其特征在于，所述电容式干电极的电子元器件层主要由偏置电阻和电压跟随器组成，采用主动供电方式以提高电极的输入阻抗。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的非接触式心电测量系统，其特征在于，所述上位机软件系统主要是一个面向使用者操作简单的人机交互程序，与串口进行通讯实现心电信号的提取，用IIR滤波器滤除基线漂移，用小波滤波技术滤除工频和肌电噪声，给使用者显示清晰的波形，并将数据保存在excel文件中；软件系统给医生或使用对象更直观的心电显示，存储的数据用于数据分析、心脏疾病预测和睡眠分析。

6.根据权利要求5所述的非接触式心电测量系统，其特征在于，所述上位机软件中，信号处理如下：

（a）滤除基线漂移

利用IIR数字滤波器设计高通滤波器，用于滤除低频的基线漂移，其通带频率f_pass为1Hz，阻带频率f_stop为0.5Hz，通带最大衰减为1dB，阻带最小衰减为60dB；其脉冲传递函数形式为：

式中，Y代表滤波器输出信号z变换，X代表输入信号z变换，N为滤波器阶数；a和b为多项式系数，可需要根据采样频率f_s计算得到；

处理时，递推形式如下：

式中，x（n-i）为当前或历史待处理的ECG信号数值，y(n)为当前输出的ECG信号数值，y(n-i)为历史输出的ECG信号；

（b）滤除工频和肌电噪声

首先用Daubechies小波对ECG信号进行小波变换多尺度分解，小波阶数为5，分解层数为3，得到信号的1个近似向量cA₃和3个细节向量cD₁,cD₂,cD₃；

对3个细节向量cD₁,cD₂,cD₃进行阈值量化；对于cD₁，算法为：把用来估计阈值的小波系 数向量取绝对值，设其长度为n₁，由小到大排序，然后将各元素平方，得到新的待估计向量 NV；对NV的每个元素下标k，按下式计算风险向量Risk；求出风险向量Risk最小点所对应的 下标k₀值，从而得到阈值；

对每一个细节向量，当小波系数绝对值大于等于给定阈值时，保持不变，而小于时，令其为0；

对于cD₂,cD₃算法相同；

最后对处理后的小波系数细节向量cD₁,cD₂,cD₃，结合近似向量cA₃，进行小波逆变换，得到去除工频和肌电噪声的ECG信号。