CN113940684A - 一种可穿戴便携式心脏监护设备 - Google Patents

一种可穿戴便携式心脏监护设备 Download PDF

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赵卫
徐征宇
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Abstract

本申请提供了一种可穿戴便携式心脏监护设备，包括心电传感器和主机，所述主机包括心电信号采集前端、心振信号采集模块、主控模块、电源管理模块、控制模块和通信模块，所述电源管理模块、心电信号采集前端、心振信号采集模块、控制模块和通信模块均与所述主控模块连接；所述心电传感器用于采集心电数据，所述心振信号采集模块用于采集心振数据。通过同时采集心电数据和心振数据，可以对一些原先单纯依靠心电信号无法作出诊断的心脏疾病进行补充(如HRV变异，冠心病等)，从而实现在较低成本的条件下对心脏进行监护。

Description

一种可穿戴便携式心脏监护设备
技术领域
本发明涉及心脏监护技术，尤其涉及一种可穿戴便携式心脏监护设备。
背景技术
近年来，工作量的增加、睡眠模式的不均衡和不健康的生活方式在很大程度上影响了人类健康，尤其是心脏健康。心血管疾病是全世界所有年龄段人群的主要死因，每年在欧洲造成超过400万人死亡。然而，由于医疗保健服务的成本不断增加，对于普通人来说，获得可靠且低成本的医疗保健设施变得越来越困难。尽管可穿戴心脏诊断系统越来越受欢迎，但大多数人仍然使用传统方法进行常规心脏检查，例如超声心动图(Echo)、计算机断层扫描(CT扫描)、磁共振成像(MRI)和核心肌灌注扫描。这些方法需要基于硬件和软件的昂贵技术，而且只能由医院的专业人员处理。此外，这样的临床检查需要患者必须到医院进行检查。考虑到广大人群心脏问题的日趋普遍，因此对廉价但可靠且连续的心脏健康监测系统的需求不断增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本较低同时能保证一定精度的可穿戴便携式心脏监护设备。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种可穿戴便携式心脏监护设备，包括心电传感器和主机，所述主机包括心电信号采集前端、心振信号采集模块、主控模块、电源管理模块、控制模块和通信模块，所述电源管理模块、心电信号采集前端、心振信号采集模块、控制模块和通信模块均与所述主控模块连接；所述心电传感器用于采集心电数据，所述心振信号采集模块用于采集心振数据。
在一实施例中，所述心振信号采集模块包括陀螺仪和加速度计。
在一实施例中，所述陀螺仪噪声小于3.8mdps/√Hz，所述加速度计噪声小于70μg/√Hz。
在一实施例中，所述加速度计的量程为2g，所述陀螺仪的量程为250dps。
在一实施例中，所述陀螺仪工作在至少250Hz的采样率。
在一实施例中，所述心电信号采集前端用于心电信号的放大和噪声过滤，所述心电信号采集前端输出三通道16比特的心电数据。
在一实施例中，所述心电传感器为一体式贴片柔性心电传感器。
在一实施例中，所述主控模块用于负责整机的逻辑控制、数据获取、数据压缩、数据存储和数据传输；所述控制模块用于给用户进行操作和状态指示；所述电源管理模块用于管理各模块的供电、电池保护、充放电管理和整机功耗控制；
在一实施例中，还包括充电器，所述充电器用于给主机供电。
在一实施例中，所述充电器还用于连接电脑传输数据。
本发明实施例的有益效果是：通过同时采集心电数据和心振数据，可以对一些原先单纯依靠心电信号无法作出诊断的心脏疾病进行补充(如HRV变异，冠心病等)，从而实现在较低成本的条件下对心脏进行监护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是本申请实施例的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
近年来随着微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS)在移动健康方面取得了巨大的发展，因此研究人员开发了大量低成本的身体传感器来测量与人类健康相关的各种生理参数，列如体温、心率和血压等。传感器技术的进步鼓励许多人设计基于传感器便携式监护设备进行健康监测，例如运动监测、药物监测、饮食监测和心脏监测。大多数健康监测系统使用低成本的可穿戴设备，如智能腰带、智能手环、智能衣物，或者使用基于智能手机的传感器来收集生命体征。在此背景下，使用便携设备结合加速度计采集SCG信号对心脏健康进行监护逐渐成为可能。
为了监测心脏健康相关问题，有许多临床实践，如超声心动图(Echo)、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、核心肌灌注扫描和心电图(ECG)。然而，大多数临床实践要么非常昂贵且需要特殊设备，要么无法使用身体传感器进行设计。心电图(ECG)可通过采集人体表面电流实现，虽然它可以测量心脏电活动，但对各种心脏机械活动，如心脏瓣膜的运动、进入心室的血液循环、心室壁的抑制-松弛等知之甚少。此外，心电图的独立用于心脏监测既不充分也不推荐。没有足够的证据证明基于心电图的诊断在患有轻度至高危冠心病(CHD)等问题的人群中能起到作用。
为此，本申请实施例提供了一种可穿戴便携式心脏监护设备，如图1所示，该设备包括心电传感器1和主机2，主机2包括心电信号采集前端4、心振信号采集模块7、主控模块5、电源管理模块3、控制模块6和通信模块8，电源管理模块3、心电信号采集前端4、心振信号采集模块7、控制模块6和通信模块8均与主控模块5连接；心电传感器1用于采集心电数据，心振信号采集模块7用于采集心振数据。
通过将心电数据和心振数据相结合，心电信号(ECG)加入心振信号(SCG)的对心脏机械运动的描述辅助，可以对一些原先单纯依靠心电信号无法作出诊断的心脏疾病进行补充(如HRV变异，冠心病等)，从而实现在较低成本的条件下对心脏进行监护。
在可能的实施例中，心振信号采集模块7包括陀螺仪和加速度计。由于是穿戴式设备，为了尽可能减小噪音，应控制陀螺仪噪声小于3.8mdps/√Hz，加速度计噪声小于70μg/√Hz。
同时，为了提高对心振信号的检测精度和范围，可选择量程为2g的加速度计，以及量程为250dps的陀螺仪，并且陀螺仪工作在至少250Hz的采样率。
心振信号采集模块7获取的心振信号数据同时经过提取还能对人体运动进行监护，可以起到计步、运动识别、跌倒告警等功能。
心振信号采集模块7应安装在主机2振动传导最佳位置，主板与外壳之间需使用刚性连接来加强振动传导。
心电信号采集前端4可采用高性能adc芯片，用于心电信号的放大和噪声过滤，心电信号采集前端4输出三通道16比特的心电数据。心电传感器1为一体式贴片柔性心电传感器，通过定位扣与主机2进行方便连接。由于使用柔性材料制作，具有防水耐弯折的特点，贴于人体表面不会影响人体运动，佩戴舒适。
主控模块5用于负责整机的逻辑控制、数据获取、数据压缩、数据存储和数据传输。控制模块6用于给用户进行操作和状态指示，包括按键、指示灯等结构。设备通过长按按键开机进入工作状态，指示灯会指示设备工作状态。电源管理模块3用于管理各模块的供电、电池保护、充放电管理和整机功耗控制。
在本实施例中，通信模块8为蓝牙通信模块，用于连接数据传输终端或手机app，进行高速数据传输，能够实现250Hz采样率下ECG和SCG信号同时传输。
传输前，心电数据和心振数据经由高性能的压缩算法压缩处理。这里的压缩算法为一种低功耗的实时多通道胎儿心电数据压缩算法。例如，可采用如下的压缩算法对心电数据和心振数据进行压缩：
a.首先设置需要压缩的数据的长度n_L，数据通道数n_N，数据bit数n_B1-n_Bn，将上述参数写入输出数据流头部。
b.根据计算深度D，对输入压缩前的每个通道的N个数据数据进行D阶差分运算，得到差值数组val_1，...，val_N-D-1，同时将差分阶数D写入数据流。
c.对差分运算后每个通道的数组进行排序，得到每个通道差值数组中的最大值val_MAX_n，并计算出val_MAX_n占用的bit数n，并将每个通道的n写入数据流。
d.将多阶差分的每阶头部参数组写入数据流同时将差分后的数值组添加符号位后按顺序写入数据流。
e.数据流生成结束后需要在数据包结尾添加校验位，最后在数据在两端分别增加2bit的边界标记。
f.压缩后的数据包典型格式为头部标记|参数位|数据位|校验位|尾部标记。
压缩后的数据存储在nand flash存储器中，设备可存储14天以上的数据。
在可能的实施例中，该设备还包括充电器9，充电器9用于给主机供电，设备在充电时自动停止工作。充电器9还可通过USB接口等形式，实现连接电脑传输数据的功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：包括心电传感器和主机，所述主机包括心电信号采集前端、心振信号采集模块、主控模块、电源管理模块、控制模块和通信模块，所述电源管理模块、心电信号采集前端、心振信号采集模块、控制模块和通信模块均与所述主控模块连接；所述心电传感器用于采集心电数据，所述心振信号采集模块用于采集心振数据。
2.根据权利要求1所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述心振信号采集模块包括陀螺仪和加速度计。
3.根据权利要求2所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述陀螺仪噪声小于3.8mdps/√Hz，所述加速度计噪声小于70μg/√Hz。
4.根据权利要求2所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述加速度计的量程为2g，所述陀螺仪的量程为250dps。
5.根据权利要求2所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述陀螺仪工作在至少250Hz的采样率。
6.根据权利要求1所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述心电信号采集前端用于心电信号的放大和噪声过滤，所述心电信号采集前端输出三通道16比特的心电数据。
7.根据权利要求1所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述心电传感器为一体式贴片柔性心电传感器。
8.根据权利要求1所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述主控模块用于负责整机的逻辑控制、数据获取、数据压缩、数据存储和数据传输；所述控制模块用于给用户进行操作和状态指示；所述电源管理模块用于管理各模块的供电、电池保护、充放电管理和整机功耗控制。
9.根据权利要求1所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：还包括充电器，所述充电器用于给主机供电。
10.根据权利要求9所述的可穿戴便携式心脏监护设备，其特征在于：所述充电器还用于连接电脑传输数据。
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