CN111166309B - 集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录系统，包括聚二甲基硅氧烷基底、固定在聚二甲基硅氧烷基底正面上的压电脉搏传感器、压阻脉搏传感器、第一心电电极、第二心电电极、红外发射管、红外接收管、蓄电池、光机电心电脉搏信号调理电路、主控芯片、固定在聚二甲基硅氧烷基底背面的第三心电电极和上位机；红外发射管和红外接收管之间的距离为2‑4mm；调理电路包括心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路四路独立的调理电路；本发明可以不同在体条件下，采用集成光机电传感器与系统，同步记录高质量的心电与脉搏信号，将多种类型脉搏传感器，可以确保脉搏信号高质量准确的记录。

Description

集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录系统

技术领域

本发明涉及一种在体心血管生理检测装置，尤其涉及一种集成光机电传感的心电脉搏一体化检测的在体心血管生理记录系统。

背景技术

心电信号与脉搏信号是评价在体心血管健康的两种重要指标，对于两种生理参数的实时记录广泛应用于日常体检、临床监护等场景，通过同步地测量心电脉搏信号，可以通过模型计算出血压大小。通常对于心电和脉搏信号同步检测，仅基于光电、压电、或压阻中的一种脉搏传感器与心电记录传感器相互集成。然而，现在还没有可以同时采用光电、压电和压阻三种脉搏传感器同时检测脉搏信号的传感器与系统，也没有集成三种脉搏传感器与心电传感器同时检测心电与脉搏信号的传感器与系统，无法确保不同在体环境与条件下，如动物或人体，体表厚或薄等条件下，均能高质量获取两种信号的能力，这成为了现有心电与脉搏生理传感器与系统可靠性的缺陷。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提出一种集成光机电传感的心电脉搏一体化检测的在体心血管生理记录系统。

本发明采用如下技术方案：

一种集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录系统，包括上位机、主控芯片、蓄电池、光机电心电脉搏信号调理电路、聚二甲基硅氧烷基底、固定在聚二甲基硅氧烷基底正面上的压电脉搏传感器、压阻脉搏传感器、第一心电电极、第二心电电极、红外发射管、红外接收管、固定在聚二甲基硅氧烷基底背面的第三心电电极；红外发射管和红外接收管之间的距离为2-4mm；光机电心电脉搏信号调理电路包括心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路四路独立的调理电路；心电信号调理电路由依次连接的差分放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路和电压加法器组成；压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路分别由依次连接的信号采集电路、一级放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路和加法器组成；压电脉搏传感器由依次连接的跨阻放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路和电压加法器组成。

所述压电脉搏传感器与压阻脉搏调理电路的输入端相连，压阻脉搏传感器与压阻脉搏调理电路的输入端相连，第一心电电极、第二心电电极和第三心电电极与心电信号调理电路的输入端相连，红外发射管、红外接收管与光电脉搏调理电路的输入端相连；心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路的信号输出端与主控芯片的信号输入端相连。主控芯片的信号输出端与上位机的信号输入端相连。压阻脉搏传感器、第一心电电极、第二心电电极、红外发射管、红外接收管、光机电心电脉搏信号调理电路、主控芯片与蓄电池相连。

进一步地，所述主控芯片的信号输出端通过蓝牙传输数据至上位机。

本发明的有益效果是，本发明可以不同在体条件下，采用集成光机电传感器与系统，同步记录高质量的心电与脉搏信号，将多种类型脉搏传感器，可以确保脉搏信号高质量准确的记录。

附图说明

图1是本发明系统的传感器模块；

图2是本发明系统的控制电路板的硬件框图；

图3是本发明系统的系统框图；

图4是手机蓝牙接收数据流程图；

图5是本发明系统的手机实时采集数据的结果图；

图6是本发明系统的手机实时采集数据的两种脉搏信号图；

图7是本发明系统采用的信号采集电路原理图；

图8是本发明系统采用的一级放大电路原理图；

图9是本发明系统采用的带通滤波器原理图；

图10是本发明系统采用的差分放大电路原理图；

图11是本发明系统采用的跨阻放大器原理图；

图12是本发明系统采用的二级放大电路原理图；

图13是本发明系统采用的电压加法器原理图；

图14是本发明系统采用的二阶50Hz陷波器原理图；

图中，压电脉搏传感器1、压电脉搏传感器槽2、压阻脉搏传感器槽3、压阻脉搏传感器4、第一心电电极槽5、第一心电电极6、第二心电电极槽7、第二心电电极8、第三心电电极槽9、第三心电电极10、数据线接口11、导线12、光电脉搏传感器槽13、红外发射管14、红外接收管15，透膜柔性聚二甲基硅氧烷基底16。串口模块17、蓄电池18、光机电心电脉搏信号调理电路19、信号输入口20、蓝牙模块21、按键22、主控芯片23、柔性基底24、MicroUSB口25。

具体实施方式

下面详细介绍所使用的压电传感器、压阻传感器、光电传感器测脉搏的原理和心电检测的原理。

压电传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。皮肤表面脉搏信号强，将压电传感器紧贴皮肤表面，会产生微弱的电信号，对微弱电信号进行放大滤波得到脉搏波。压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，压阻传感器在一定区间内，表面压力的变化与阻值的变化呈线性关系。将压阻传感器紧贴皮肤表面，脉搏的跳动会改变压阻传感器表面的压力，从而引起阻值的变化，设计电路将电阻的变化转换为电压的变化，对电压进行放大滤波可以得到脉搏波。光电传感器使用850nm波长的红外对管，血液中血氧蛋白对红外光具有较强的反射能力，当脉搏信号通过血管时血液中的血氧蛋白浓度增大，对红外光的反射能力增强，红外接收管接收到光强的变化会引起接收管两端电压的变化，对电压进行放大滤波得到脉搏波。心电检测有多种导联方式，其原理都是测量身体不同部位的电位差，对采集到的电压进行处理即可得到心电图。

下面结合附图和实例进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1-2所示，本发明提出的基于生物相容电极的光机电一体化生理多指标同步检测系统，包括：上位机、主控芯片23、蓄电池18、光机电心电脉搏信号调理电路19、柔性聚二甲基硅氧烷基底16、固定在聚二甲基硅氧烷基底16正面上的压电脉搏传感器1、压阻脉搏传感器4、第一心电电极6、第二心电电极8、红外发射管14、红外接收管15、固定在聚二甲基硅氧烷基底16背面的第三心电电极10；红外发射管14和红外接收管15之间的距离为2-4mm；光机电心电脉搏信号调理电路19包括心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路四路独立的调理电路，均由一级放大电路、跨阻放大电路、差分放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路、电压加法器等组合连接而成；下面，提供各电路的具体结构，但不限于此：

信号采集电路(图7)具体包括限流电阻R112、光电脉搏传感器U41、分压电阻R111和电阻R113。其中限流电阻R112一端与光电脉搏传感器U41的发射管正极相连；分压电阻R111和电阻R113与光电脉搏传感器U41的红外接收管负极相连，电阻R113的另一端为信号采集电路的输出端。

一级放大电路(图7、8)具体由OP07CS运放U40、电源滤波电容C124、电源滤波电容C127、电阻R104和放大电阻R105组成。其中OP07CS运放U40的3脚为一级放大电路的输入端，电阻R104的一端与地相连，另一端与放大电阻R105相连，放大电阻R105与OP07CS运放U40的6脚相连，电源滤波电容C124的一端与VCC相连，另一端与GND相连，电源滤波电容C127的一端与VEE相连另一端与GND相连，OP07CS运放U40的6脚为一级放大电路的输出端。

带通滤波器(图7-9)具体由滤波电容C107、滤波电容C108、滤波电阻R92、滤波电阻R101、OP07CS运放U35、电源滤波电容C103、电源滤波电容C117、滤波电阻R98、滤波电阻R99、滤波电容C106、滤波电容R106组成。OP07CS运放U35的3脚分别与电阻R101、滤波电容C108相连，滤波电容C108的另一端分别与滤波电阻R92、滤波电容C107相连，滤波电容C107的另一端作为带通滤波器的输入端，滤波电阻R92另一端接至OP07CS运放U35的6脚，滤波电阻R92的两端分别与OP07CS运放U35的引脚2和引脚6相连，滤波电阻R101另一端接地，电源滤波电容C103的一端与VCC相连另一端与OP07CS运放U35的引脚7相连，电源滤波电容C117的一端与VEE相连，另一端与GND相连，OP07CS运放U35的6脚与滤波电阻R98相连，滤波电阻R98另一端与滤波电阻R99相连，滤波电阻R99另一端与滤波电容C115和OP07CS运放U34的3脚相连，滤波电容C115的另一端与地相连，滤波电容C106的一端与滤波电阻R98和滤波电阻R99相连，滤波电容C106另一端与OP07CS运放U34的2脚相连，OP07CS运放U34的2脚与6脚相连，电源滤波电容C102的一端与VCC相连另一端与GND相连，滤波电容C116的一端与VCC相连另一端与GND相连，OP07CS运放U34的6脚为带通滤波器的输出端。

差分放大电路(图10)具体的由OP07CS运放U2、电阻R4、电阻R5、电容C6、滤波电容C2、滤波电容C4、电阻R1、电阻R3、电阻R2、OP07CS运放U3、电源滤波电容C5、电源滤波电容C7组成。电容C6与电阻R5串联后与电阻R4并联，并联后一端接到OP07CS运放U2的6脚，另一端接到OP07CS运放U2的2脚上，电阻R1与电阻R3串联后与电阻R2并联，并联后一端接到OP07CS运放U3的1脚，另一端接到OP07CS运放U3的8脚，OP07CS运放U2的2脚接到电阻R1和R3之间的接点，电源滤波电容C4、电源滤波电容C5一端与VCC相连，另一端与GND相连，电源滤波电容C2、电源滤波电容C7一端与VEE相连另一端与GND相连；OP07CS运放U2的6引脚为差分放大电路的输入端，OP07CS运放U3的6引脚为差分放大电路的输出端。

跨阻放大器(图10-11)具体由放大电阻R56、电容C66、OP07CS运放U22、电压滤波电容C68、滤波电容C70和电阻R60组成。其中电阻R60一端与GND相连，另一端与OP07CS运放U22的3脚相连，电阻R56与C66并联，并联后一端与OP07CS运放U22的2脚相连相连，另一端与OP07CS运放U22的6脚相连，OP07CS运放U22的7脚与电源滤波电容C68、VCC相连，4脚与电源滤波电容C70、VEE相连；和R58的一端相连；OP07CS运放U22的2脚为跨阻放大器的输入端，OP07CS运放U22的6脚为跨阻放大器的输出端。

二级放大电路(图9-12)包括电阻R114、OP07CS运放U43、设于OP07CS运放U43的2脚和6脚之间的放大电阻P22、电源滤波电容C129、电源滤波电容C131、分压电阻R115，电阻R114的一端与GND相连，另一端与OP07CS运放的2脚相连；OP07CS运放U43的3脚为二级放大电路的输入端，7脚与电源滤波电容C129、VCC相连，4脚与电源滤波电容C131、VEE相连；OP07CS运放U43的6脚为二级放大电路的输出端。

电压加法器(图9-13)电路包括加压电阻P23、电阻R118、电阻R116、电阻R119、OP07CS运放U42、设于OP07CS运放U42的2脚和6脚之间的电阻R120、电阻R117、电源滤波电容C128和电源滤波电容C130；电阻R118的一端与OP07CS运放U42的3脚相连，另一端为电压加法器的输入端，加压电阻P23的3脚接地，1脚分别与电阻R115、电阻R116相连，电阻R116的另一端连接至OP07CS运放U42的3脚，电阻R119一端与GND相连，另一端与OP07CS运放U42的2脚相连；OP07CS运放U42的7脚与电源滤波电容C128、VCC相连，4脚与电源滤波电容C130、VEE相连；，电阻R117的一端与OP07CS运放U42的6脚相连，另一端作为电压加法器电路的输出端。

二阶50Hz陷波器由两个相连的50Hz限波电路组成，其中50Hz限波电路具体由滤波电阻R94、滤波电阻R95、滤波电容C109、滤波电容C110、滤波电容C118、滤波电容C121、滤波电阻R100、滤波电阻R106、OP07CS运放U36、OP07CS运放U38、滤波电阻R102、滤波电阻R109、电源滤波电容C104、电源滤波电容C113、电源滤波电容C120、电源滤波电容C125组成；其中，滤波电阻R94与滤波电阻R95串联，滤波电容C109与滤波电容C110串联，串联后的滤波电容和滤波电阻并联，并联的一端接到OP07CS运放U36的3引脚上，另一端为50Hz陷波器的输入端；滤波电阻R100与滤波电阻R106并联，并联后一端接到滤波电容C109和滤波电容C110的接点，另一端接到OP07CS运放U38的6引脚，滤波电容C118与滤波电容C121并联，并联的一端与滤波电阻R94和滤波电阻R95的接点相连，另一端与OP07CS运放U38的6脚相连，OP07CS运放U36的6脚连接至2脚，7脚与电源滤波电容C104、VCC相连，4脚与电源滤波电容C113、VEE相连；OP07CS运放U38的6脚连接至2脚，7脚与电源滤波电容C125、VCC相连，4脚与电源滤波电容C120、VEE相连；滤波电阻R102的一端与OP07CS运放U36的6脚相连，另一端与OP07CS运放U38的3脚相连；滤波电阻R109一端与OP07CS运放U38的3脚相连，另一端接地；到OP07CS运放U36的6引脚为50Hz陷波器的输出端。两个50Hz限波电路的输出与输入相连构成了二阶50Hz陷波器，其完整的电路如图14所示。

心电信号调理电路由输入与输出依次连接的差分放大电路、带通滤波器、二阶50Hz工频陷波器、二级放大电路和加法器组成；压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路分别由输入与输出依次连接的信号采集电路、一级放大电路、带通滤波器、二阶50Hz工频陷波器、二级放大电路和电压加法器组成；压电脉搏传感器由输入与输出依次连接的跨阻放大电路、带通滤波器、二阶50Hz工频陷波器、二级放大电路和电压加法器组成。

所述压电脉搏传感器1与压阻脉搏调理电路的输入端相连，压阻脉搏传感器4与压阻脉搏调理电路的输入端相连，第一心电电极6、第二心电电极8和第三心电电极10与心电信号调理电路的输入端相连，红外发射管14、红外接收管15与光电脉搏调理电路的输入端相连；心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路的信号输出端与主控芯片23的信号输入端相连。主控芯片23的信号输出端与上位机的信号输入端相连。

作为优选方案，透明柔性聚二甲基硅氧烷基底16上设有压电脉搏传感器槽2、压阻脉搏传感器槽3、第一心电电极槽5、第二心电电极槽7、第三心电电极槽9、数据线接口11、导线12、光电脉搏传感器槽13、压电脉搏传感器1通过导电银胶固定在聚二甲基硅氧烷基底16的压电脉搏传感器槽2上，压阻脉搏传感器4通过导电银胶固定在聚二甲基硅氧烷基底16的压阻传感器槽上，第一心电电极6、第二心电电极8和第三心电电极10通过导电银胶分别固定在聚二甲基硅氧烷基底16的第一心电电极槽5、第二心电电极槽7和第三心电电极槽9上，数据接口11使用导电银胶与聚二甲基硅氧烷基底16上的各传感器相连的导线一一连接，红外发射管14和红外接收管15固定在聚二甲基硅氧烷基底16的光电脉搏传感器槽里，引脚通过导电银胶与透膜柔性聚二甲基硅氧烷基底16上的数据接口11相连。

压阻脉搏传感器4、第一心电电极6、第二心电电极8、红外发射管14、红外接收管15、光机电心电脉搏信号调理电路19、主控芯片23与蓄电池18相连，蓄电池18提供电源。

优选地，主控芯片23的型号为STM32F103ZET6，但不限于此。其信号输出端通过蓝牙21传输数据至上位机，整个系统集成在柔性基底24上，柔性基底24上还设置有串口模块17，串口模块可采用芯片CH340，信号输入口20、MicroUSB口25；MicroUSB数据口25和信号输入口20焊接在柔性基底24的边缘，串口模块17与MicroUSB口25相连，信号输入口20与数据接口11相连，另一端与光机电心电脉搏信号调理电路19的输入端对应相连。蓝牙21焊接在柔性基底24的右下角，主控芯片23焊接在柔性基底的左下角，主控芯片23与串口模块17、蓄电池18、光机电心电脉搏信号调理电路19、蓝牙21相连。数据线接口11与数据输入口20相连。

本发明的系统框图如图3所示，其工作过程如下：将集成光机电传感的心电脉搏一体化检测的在体心血管生理记录系统的传感器模块和控制模块固定在皮肤表面处，压电脉搏传感器1、压阻脉搏传感器2、红外发射管14、红外接收管15、第一心电电极6和第三心电电极10与皮肤接触紧密，右手手指触摸第二心电电极8，开启电源，下位机系统开始工作；压电脉搏传感器1、压阻脉搏传感器2、红外接收管15、第一心电电极6、第二心电电极8和第三心电电极10将采集到信号通过数据线接口11和数据输入口20之间的导线传输到光机电心电脉搏信号调理电路19，经过光机电心电脉搏信号调理电路19调理的信号传输到主控芯片23的IO引脚，主控芯片23对数据进行存储和信噪比计算处理，开启蓝牙传输按钮，蓝牙开始往外发送数据及信噪比计算结果；打开上位机通过蓝牙获取数据，如手机，其工作流程如图4所示：首先进入主界面，点击设备连接，跳转到设备连接界面，开启蓝牙，点击搜索，程序将会开启一个线程进行蓝牙设备的搜索，并将搜索到的结果显示在设备列表中，连接成功后，关闭搜索线程，开启接收线程，用一个选择程序对接收到的数据进行分类，开启4个数据传输线程，用于显示进程通信，4个线程分别发送4个通道的数据，分别是心电数据、压阻脉搏数据、压电脉搏数据和光电脉搏数据及其对应的信噪比。在接收线程中，有一个缓冲区，数据不是直接显示，而是经过一个缓冲区，以免线程不安全造成数据丢失。

通过对光电脉搏信号、压阻脉搏信号以及压电脉搏信号的信噪比，信噪比最高的即为最佳的脉搏信号，选择最优的脉搏信号和心电信号一起显示在主图形显示中，有利于观测其他疾病，如图5和6所示。

Claims (1)

1.一种集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录方法，其特征在于，利用集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理系统进行记录；所述集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录系统包括上位机、主控芯片(23)、蓄电池(18)、光机电心电脉搏信号调理电路(19)、聚二甲基硅氧烷基底(16)、固定在聚二甲基硅氧烷基底(16)正面上的压电脉搏传感器(1)、压阻脉搏传感器(4)、第一心电电极(6)、第三心电电极(10)、红外发射管(14)、红外接收管(15)、固定在聚二甲基硅氧烷基底(16)背面的第二心电电极(8)；红外发射管(14)和红外接收管(15)之间的距离为2-4mm；光机电心电脉搏信号调理电路(19)包括心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路四路独立的调理电路；心电信号调理电路由依次连接的差分放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路和电压加法器组成；压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路分别由依次连接的信号采集电路、一级放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路和加法器组成；压电脉搏传感器由依次连接的跨阻放大电路、带通滤波器、二阶50Hz陷波器、二级放大电路和电压加法器组成；

所述压电脉搏传感器(1)与压电脉搏调理电路的输入端相连，压阻脉搏传感器(4)与压阻脉搏调理电路的输入端相连，第一心电电极(6)、第二心电电极(8)和第三心电电极(10)与心电信号调理电路的输入端相连，红外发射管(14)、红外接收管(15)与光电脉搏调理电路的输入端相连；心电信号调理电路、压阻脉搏调理电路、光电脉搏调理电路和压电脉搏调理电路的信号输出端与主控芯片(23)的信号输入端相连；主控芯片(23)的信号输出端与上位机的信号输入端相连；压阻脉搏传感器(4)、第一心电电极(6)、第二心电电极(8)、红外发射管(14)、红外接收管(15)、光机电心电脉搏信号调理电路(19)、主控芯片(23)与蓄电池(18)相连；所述主控芯片(23)的信号输出端通过蓝牙(21)传输数据至上位机；

方法具体为：

将集成光机电传感的心电脉搏一体化心血管生理记录系统的传感器模块和控制模块固定在皮肤表面处；压电脉搏传感器(1)、压阻脉搏传感器(2)、红外发射管(14)、红外接收管(15)、第一心电电极(6)和第三心电电极(10)与皮肤接触紧密，右手手指触摸第二心电电极(8)，开启电源，压电脉搏传感器(1)、压阻脉搏传感器(2)、红外接收管(15)、第一心电电极(6)、第二心电电极(8)和第三心电电极(10)将采集到信号传输到光机电心电脉搏信号调理电路(19)，经过光机电心电脉搏信号调理电路(19)调理的信号传输到主控芯片(23)的IO引脚，主控芯片(23)对数据进行存储和信噪比计算处理，开启蓝牙传输按钮，蓝牙开始往外发送数据及信噪比计算结果；打开上位机通过蓝牙获取数据，分别是心电数据、压阻脉搏数据、压电脉搏数据和光电脉搏数据及其对应的信噪比；

通过对比光电脉搏信号、压阻脉搏信号以及压电脉搏信号的信噪比，信噪比最高的即为最佳的脉搏信号。