CN116327201A - 体表信号采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体表信号采集系统及方法，特别适用于心电信号的采集。体表信号采集系统设置在可穿戴设备上并成为所述可穿戴设备的一部分。体表信号采集系统包括：干电极，所述干电极与体表相接触；输入缓冲放大器，用于通过干电极采集体表信号；差分运算放大器，用于将输入缓冲放大器采集到的体表信号输出为模拟信号；模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号；控制器，用于根据数字信号进行处理。在本发明的体表信号采集系统中，输入缓冲放大器的输入阻抗大于差分运算放大器的输入阻抗。本发明的体表信号采集系统能够适应干燥环境、适应不同年龄的用户，方便携带或佩戴，为用户提供实时可靠的心电指标状态及各种预警。

Description

体表信号采集系统及方法

技术领域

本发明涉及信号采集与处理以及医疗健康领域，更具体涉及心电信号采集系统、心电采集衣及心电信号采集方法。

背景技术

当今社会，人们对健康的关注日益增加。在医疗健康领域，人们存在对体表信号进行日常监测的需求。由于心脏类疾病往往会对人们的健康生活造成很大问题，甚至易于导致死亡或残疾，特别对于中老年人而言，对于心脏类疾病而引发的突发性症状不容忽视。现在对心脏类疾病的筛查主要是通过心电图(ECG)、光电容积脉搏波描记法(PPG)等进行检测，且通常是在医院内通过心电图机或动态心电记录仪(Holter)等专业设备进行检测。心电图作为一种无创检测手段，对心脏疾病方面的诊断具有重要意义，但常规一次心电图不易发现心律失常和心肌缺血等方面的心脏疾病。动态心电图可连续监测心电活动的全过程，并记录包括休息、活动、进餐、工作、学习和睡眠等不同情况下的心电图资料，针对在家里、户外等场景的心脏疾病突发性状况进行预警。此类设备检测结果虽然准确，但却不能达到随时随地实时监测的目的。随时随地实时监测的心电图资料将可作为临床分析病情、确立诊断、判断疗效的客观依据。

然而，心脏类疾病具有突发性和高危型，如果无法达到心电实时监测，就无法针对在家里、户外等场景的心脏疾病突发性状况进行预警。此外，即使现有设备可以实现实时监测，但这些设备大多不方便携带，且操作繁琐，对于患有心脏类疾病的中老年人而言，复杂的操作反而会降低其用户体验感。

随着电子产品和互联网行业的快速发展，医疗电子设备正在朝着智能化、小型化的方向发展，可穿戴的移动医疗电子设备越来越受到大众的关注。现有技术中已有一些可穿戴设备，可实现实时监测体表信号，特别是心电信号。这样的可穿戴设备包括智能手环、智能手表、智能项圈、心电衣等等。然而，智能手环或手表等设备的身体检测范围有限，用于监测心电信号时的导联数目也有限，一般局限于单导联或双导联，对心电的监测并不完善。现有技术的心电衣也存在导联数有限、衣服贴合度不好，导联与皮肤之间接触不良的问题。例如，由于待测者的体型过大、过小，或日常运动(弯腰、跑动等)使得衣服上的导联电极与待测者接触不良，甚至出现脱离接触的情况。

此外，现有的心电信号采集设备，一般会采用湿电极，无法长时间穿戴。而一些采用干电极的设备，在干燥条件下，特别是应用于老年人时，由于心电信号的传输阻抗较高而采集芯片的输入阻抗过低，导致在采集过程中产生阻抗不稳定的问题，信号极易被损坏，从而对监测结果产生影响。

因此，希望提供一种设置在可穿戴设备上的体表信号采集系统，其能够适应干燥环境、适应不同年龄的用户，方便携带或佩戴，能够持续稳定地采集体表信号，为用户提供实时可靠的体表信号状态及各种预警。

发明内容

根据本发明的一个目的，提供一种体表信号采集系统以及一种体表信号采集方法。通过在采集端设置了大阻抗的前置缓冲放大器，平衡了传输阻抗与芯片输入阻抗之间的巨大差异，从而能够适应干燥环境、适应不同年龄的用户，方便携带或佩戴，能够持续稳定地采集体表信号。

根据本发明的另一个目的，提供一种银浆电极失效判断方法。通过测量电极，特别是参考电极的电阻大小，来判断电极是否失效，以便及时更换失效电极。

根据本发明的又一个目的，提供一种心电信号链路自适应切换技术。在判断出某个导联电极信号差时，可以将导联链路切换到另一电极，从而暂时保证导联波形基本可用，维持心电采集系统的运转，由此增加设备的环境适应性。

此外，根据本发明的另一个目的，提供一种输出反馈机制。采集到体表信号之后，采集系统可以通过控制器对该信号进行处理，例如进行相应的判断或可视化处理。处理后，需要将信息反馈出去，存在两个途径：一个途径是通过通信手段，将信号传送到另一设备，例如可视设备或对信号进一步进行处理的设备；另一个途径是发出提示，这个提示的方式可以是声、光或触觉振动，以便用户或者其他人得到关于体表信号情况以及采集系统工作情况方面的提示。例如，在上述提到的电极失效的情况下，可以向用户发出提示，以便用户更换电极。

根据本发明的第一方面，提供一种体表信号采集系统。所述体表信号采集系统设置在可穿戴设备上并成为所述可穿戴设备的一部分。所述体表信号采集系统可以包括：干电极，所述干电极与体表相接触；输入缓冲放大器，用于通过干电极采集体表信号；差分运算放大器，用于将输入缓冲放大器采集到的体表信号输出为模拟信号；模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号；控制器，用于根据数字信号进行处理。在所述体表信号采集系统中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗大于所述差分运算放大器的输入阻抗。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述输入缓冲放大器的输入阻抗为所述差分运算放大器的输入阻抗的1000倍。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述输入缓冲放大器的输入阻抗为10TΩ，所述差分运算放大器的输入阻抗为10GΩ。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述可穿戴设备在干燥环境下使用。在此情况下，所述输入缓冲放大器的输入阻抗还应大于干燥环境下干电极采集信号的传输阻抗。

优选地，根据本发明第一方面的体表信号采集系统可以进一步包括电极监测电路，用于监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述电极监测电路可以包括：切换开关，用于将电极监测电路切换加载到待测干电极上；分压电阻，用于与待测干电极串联；运算放大器，其输入端分别接入待测干电极两端，其输出端用于反映待测干电极的电阻大小；判断模块，用于根据运算放大器输出所反映的待测干电极的电阻大小，判断电极是否失效。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述干电极是银浆电极。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述待测干电极为参考电极，当所述判断模块判断所述待测干电极失效时，则同时判断所述体表信号采集系统中的所有干电极都失效。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述体表信号采集系统可以进一步包括反馈输出模块，用于输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述反馈输出模块可以包括通信输出模块，用于采用有线或无线通信的方式，将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述反馈输出模块可以包括提示模块，用于采用声、光或触觉振动的方式，向用户提示体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，不同的声、光或触觉振动可以代表不同的体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，不同的触觉振动可以通过以下参数或其组合来区分：振动频率；振动时长；振动幅度。

优选地，根据本发明第一方面的体表信号采集系统可以进一步包括：电极监测电路，用于监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，当所述电极监测电路判断电极失效时，所述提示模块向用户进行提示。

优选地，在根据本发明第一方面的体表信号采集系统是心电信号采集系统，并且所述可穿戴设备是心电采集衣。

在根据本发明第一方面的体表信号采集系统中，优选地，所述干电极可以包括多个导联电联，所述多个导联电极包括肢体导联电极和胸导联电极。所述心电信号采集系统可以进一步包括心电信号链路自适应切换模块，用于在一个导联电极出现连接性问题时，将与该导联电极连接以进行检测的链路自适应地切换为与另一导联电极连接以进行检测的链路。

根据本发明的第二方面，提供一种体表信号采集方法。所述方法用于通过可穿戴设备采集体表信号。所述方法可以包括：使用输入缓冲放大器通过体表相接触的干电极采集体表信号；使用差分运算放大器将输入缓冲放大器采集到的体表信号输出为模拟信号；将模拟信号转换为数字信号；根据数字信号进行处理，

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述输入缓冲放大器的输入阻抗大于所述差分运算放大器的输入阻抗。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述可穿戴设备在干燥环境下使用。在此情况下，所述输入缓冲放大器的输入阻抗还应大于干燥环境下干电极采集信号的传输阻抗。

优选地，根据本发明第二方面的体表信号采集方法进一步包括：监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述干电极是银浆电极。

优选地，根据本发明第二方面的体表信号采集方法可以进一步包括：输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述的输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况可以包括：采用有线或无线通信的方式，将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述的输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况可以包括：采用声、光或触觉振动的方式，向用户提示体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，不同的声、光或触觉振动可以代表不同的体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，不同的触觉振动可以通过以下参数或其组合来区分：振动频率；振动时长；振动幅度。

优选地，根据本发明第二方面的体表信号采集方法，其中，所述方法进一步包括：监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，当判断电极失效时，向用户进行提示。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述体表信号是心电信号，并且所述可穿戴设备是心电采集衣。

在根据本发明第二方面的体表信号采集方法中，优选地，所述干电极可以包括多个导联电联，所述多个导联电极可以包括肢体导联电极和胸导联电极。所述体表信号采集方法可以进一步包括：在一个导联电极出现连接性问题时，将与该导联电极连接以进行检测的链路自适应地切换为与另一导联电极连接以进行检测的链路。

如上所述，根据本发明的体表信号采集系统可以设置在可穿戴设备上，执行体表信号采集操作，特别是可用于心电采集衣上用于采集心电信号，方便用户携带和佩戴。本发明的系统和方法尽管采用干电极，但是由于在采集端设置了大阻抗的前置缓冲放大器，平衡了传输阻抗与芯片输入阻抗之间的巨大差异，从而能够适应干燥环境、适应不同年龄的用户，持续稳定地采集体表信号。

本发明通过测量电极，特别是参考电极的电阻大小，可以判断电极是否失效，以便及时更换失效电极。

另外，在判断出某个导联电极信号差时，可以将导联链路切换到另一电极，从而暂时保证导联波形基本可用，维持心电采集系统的运转，由此增加设备的环境适应性。

本发明的体表信号采集系统可以进行反馈输出。这个输出可以是通信输出，也可以是声、光或触觉振动，以便用户或者其他人、其他设备得到体表信号情况以及采集系统工作情况。例如，在上述提到的电极失效的情况下，可以向用户发出提示，以便用户更换电极。

附图说明

通过以下详细的描述并结合附图将更充分地理解本发明，其中相似的元件以相似的方式编号，其中：

图1是根据本发明的实施例的体表信号采集系统的功能框图。

图2是根据本发明的优选实施例的电极监测电路的示意图。

图3是根据本发明的实施例的心电采集衣的示意图。

图4是心电信号导联示意图。

图5是根据本发明的实施例的体表信号采集方法的流程图。

图6是根据本发明的体表信号采集系统的一种具体实现方式的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明，但本发明不限于下面的实施例。

体表信号采集系统

图1是根据本发明的实施例的体表信号采集系统的功能框图。

根据本发明的实施例的体表信号采集系统100可以设置在可穿戴设备上并成为所述可穿戴设备的一部分。一般来说，可穿戴设备是指在穿戴物品上增加了各种智能的功能。可穿戴设备可以包括智能手表、智能手环、智能项圈或颈环、心电采集衣(或简称为心电衣)等等。上述常见的可穿戴设备可以具备采集人体的体表信号的功能，例如采集心电信号、脉搏信号、体温、血压、血氧饱和度等等。但是，本领域技术人员应该认识到，本发明的体表信号采集系统和可穿戴设备并不排除也可以用于人体之外的其他生物体。

如图1中所示，根据本发明的实施例的体表信号采集系统100可以包括干电极101、输入缓冲放大器102、差分运算放大器103、模数转换器(A/D)104以及控制器105。

在本发明的应用中，干电极101需要与人体或生物体的体表相接触，从而能够有效地采集体表信号。

输入缓冲放大器102可以连接在干电极101之后；也就是说，通过干电极101采集体表信号后，在输入缓冲放大器102中进行缓冲。

差分运算放大器103可以将通过干电极101和输入缓冲放大器102采集到的体表信号经放大后输出为模拟信号。

在本发明的实施例中，一般采用商用芯片进行心电信号采集。然而，当设置有体表信号采集系统100的可穿戴设备在干燥环境下使用时(特别针对老年人在北方等干燥地区的情况)，由于传输阻抗很高，信号相对比较微弱，这种情况下信号很容易被干扰或衰减，甚至无法采集到。本申请针对这个问题，在信号采集端放置一个输入阻抗为远大于芯片输入阻抗的缓冲放大器进行信号驱动能力增强，有效解决了干电极信号采集所产生的阻抗不稳定对结果的影响。

这里，输入缓冲放大器102的输入阻抗大于差分运算放大器103的输入阻抗。在优选实施例中，输入缓冲放大器102的输入阻抗还应大于干燥环境下干电极采集信号的传输阻抗。例如，在差分运算放大器103的输入阻抗是10GΩ的例子中，输入缓冲放大器102的输入阻抗可以是10TΩ。即，输入缓冲放大器102的输入阻抗为差分运算放大器103的输入阻抗的1000倍。

图1中的模数转换器(A/D)104用于将差分运算放大器103输出的模拟信号转换为数字信号以便后续的处理。

控制器105用于根据A/D 104输出的数字信号进行处理。由此，用户或者医护人员或者其他关联设备可以根据控制器的处理结果来解读采集到的体表信号的情况，从而进行相应操作。

本领域技术人员应该理解，尽管本发明的体表信号采集系统以及可穿戴设备特别适用于在干燥环境下使用，并且专门用于解决在干燥环境下使用时产生的阻抗不稳定的问题，但是这样的体表信号采集系统也同样可以在其他环境下使用，并得到持续稳定的实时输出。

然而，本发明的体表信号采集系统与医院中使用的心电图机的很大区别在于：心电图机一般采用湿电极连接，而本发明则使用干电极。

此外，就可穿戴设备而言，市面上广泛采用了ECG手表的方案，然而这些方案主要针对年轻人市场，而年轻人的皮肤状态较年轻，因此不会产生增加输入缓冲放大器的需求。而本发明一方面主要应用于心电采集衣场景，另一方面主要针对老年人使用，特别是针对干燥环境下皮肤也较为干燥的老年人。在此情况下，本发明针对信号采集技术进行了特殊的适应性改进，从而增加了产品的环境的适应性。

第一优选实施例

根据本发明的第一优选实施例，图1的体表信号采集系统100可以进一步包括电极监测电路，用于监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

在本发明的一个实施例中，干电极更具体可以是银浆电极。

需要对电极进行监测的原因在于，干电极，特别是银浆电极在使用过程中，由于电极表面受到应力、磨损、老化、侵蚀等因素会产生龟裂纹导致导电率下降。因此，在体表信号采集过程中，需要一种方法来对电极的导电率进行检测，使得当电极的导电率下降到一个不可接受程度时，及时作出提示，从而可以在电极失效的情况下及时更换电极。

图2是根据本发明的优选实施例的电极监测电路的示意图。

如图2所示，电极监测电路200包括切换开关SW1和SW2，用于将电极监测电路200切换加载到待测干电极(图中标为ELECTRODE1)上。分压电阻R1和R2与待测干电串联，起到分压的作用，由此可以施加合适的电压值至待测干电极的两端。将运算放大器U1A的两个输入端(图2中的输入端2和输入端3)分别接入待测干电极两端，其输出端(图2中的输出端1)用于反映待测干电极的电阻大小。判断模块(图2中未示出)可以根据运算放大器U1A输出(AD_OUT)所反映的待测干电极的电阻大小，判断电极是否失效。这里，判断模块也可以是控制器105中的一个功能模块；也就是说，控制器105也同时负责对电极监测电路200的输出进行处理。

也就是说，导通SW1与SW2开关，使得电极监测电路200切换加载至待测干电极，通过电阻分压电路进行电极的电阻采集，通过运算放大器U1A将放大后的模拟信号进行读取，判断电阻大小，即判断导电率的下降程度，并由此判断电极是否失效。

在本发明的优选实施例中，并不需要对所有干电极都进行监测。可以选取一个待测干电极作为参考电极。当电极监测电路200的判断模块判断所述待测干电极失效时，则同时判断体表信号采集系统100中的所有干电极都失效。

例如，在心电采集衣的例子(可参看下文中对心电采集衣的详细描述以及附图3对其的描绘)中，可以选取某一个肢体导联电极，例如右腿电极RL，作为参考电极。也就是说，只需要将电极监测电路200切换施加于电极RL，对其导电率(电阻)进行检测，以判断其是否失效。当电极RL出现电极老化失效等情况时，则判断所有电极均需要更换。这个例子中，因为右腿电极RL提供基准电平，所以以该电极作为参考电极。本领域技术人员应该认识到，可以根据实际情况，选择提供基准电平或者在所有电极中起到主要作用或者容易出现电极老化失效的电极作为参考电极，使之成为判断所有电极是否应当更换的参考。

目前市面上虽然存在众多的可穿戴设备，且大多具备进行体表信号采集的功能，但并没有针对其中采集电极的使用寿命进行监测的技术。特别是例如心电采集衣的可穿戴设备，由于其使用干电极甚至银浆电极，电极由于应力、磨损、老化、侵蚀等因素而失效，特别是在干燥环境下使用或针对老年人等干燥皮肤环境下使用，更需要对电极是否失效进行监测。通过本发明的这一优选实施例，可以对可穿戴设备实现产品使用质量管理，防止电极失效引起一些不必要的错误数据。

第二优选实施例

根据本发明的第二优选实施例，图1的体表信号采集系统100可以进一步包括反馈输出模块，用于输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

采集到体表信号之后，体表信号采集系统100可以通过控制器105对该信号进行处理，例如进行相应的判断或可视化处理。处理后，需要将信息反馈出去，存在两个途径：一个途径是通过通信手段，将信号传送到另一设备，例如可视设备或对信号进一步进行处理的设备；另一个途径是发出提示，这个提示的方式可以是声、光或触觉振动，以便用户或者其他人得到关于体表信号情况以及采集系统工作情况方面的提示。

反馈输出模块可以包括通信输出模块，用于采用有线或无线通信的方式，将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。例如，通信输出模块可以包括信号编码单元、存储缓冲单元、线缆或天线(分别对应于有线或无线的情况)。在无线通信的情况下，可以采用WiFi、3G/4G/5G、蓝牙等各种无线通信协议，并使用相应的天线和/或发射信道，与外部设备进行连接，以将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。外部设备可以是可视设备，也可以是对信号进一步进行处理的设备。可穿戴设备工作情况也可以是可穿戴设备所处的位置信息，将该位置信息发送给用户的关联人或关联设备，可以用于在发生紧急情况时(例如心电信号显示用户生命垂危)对用户第一时间进行定位，以便采取抢救措施。另外，在此情况下，同时将心电信号情况和位置信息情况发送给另外的设备或人，也是有助于别人(例如急救人员)对用户病情很快做出判断并部署相应措施。

另一方面，反馈输出模块可以包括提示模块，用于采用声、光或触觉振动的方式，向用户提示体表信号情况和可穿戴设备工作情况。例如，当心电信号表示用户正在遭受严重心脏问题时，可以通过提示模块发出提醒。该提醒可以是声或光的形式，以提示他人或用户(主要是提示他人)，以便得到帮助或及时的救助；该提醒也可以是触觉振动的形式，以提示用户自己，以便用户立即采取措施，例如立即平躺或服用药物以平复心电指标，或者立即拨打急救电话或求助他人。

在本发明的优选实施例中，不同的声、光或触觉振动可以代表不同的体表信号情况和可穿戴设备工作情况。本领域技术人员应该理解，在某些情况下，提示模块可以只向用户提示体表信号情况，或者只向用户提示可穿戴设备工作情况；也可以通过几种提示方式的组合，既提示体表信号情况，同时也提示可穿戴设备工作情况。

这里可以回到第一优选实施例中的情况，即体表信号采集系统进一步包括电极监测电路，用于监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。在此情况下，当电极监测电路判断电极失效时，根据第二优选实施例的提示模块可以向用户进行提示。例如，通过振动的方式引起用户的注意，从而提醒用户需要更换电极。如前文所述，电极监测电路200的判断模块可以是控制器105的一个功能模块，当控制器105根据电极监测电路200的电极电阻检测结果而判断电极失效时，可以通过提示模块向用户进行提醒。

本发明所应用的可穿戴设备，例如心电采集衣，其穿戴方式类似紧身衣，故采集系统也靠近身体，考虑冬天衣服厚重，如果提示模块采用声或光提示，这样的提醒交互可能起不到作用。因此，在本发明的实施例中，优选采用触觉振动提示的方式。具体地说，可以在本发明的体表信号采集系统中增加线性电机，通过信号编程，可以制造多种振动频率、振动强弱等，结合用户交互信息对用户进行皮肤感知的提醒。例如，可以针对不同的情形设置不同的振动方式。举例来说，如果检测波形(体表信号)出现异常波形，通过第一种振动方式提醒用户；如果设备异常(传感器等异常，即采集系统工作情况异常)则通过第二种振动方式提醒用户。在上述的第一种振动方式中，针对不同的波形异常，也可以区分不同的振动方式；同样地，也可以用不同的振动方式来区分不同的系统工作情况异常。

在本发明的优选实施例中，不同的触觉振动可以通过以下参数或其组合来区分：振动频率；振动时长；振动幅度。

上述的不同的触觉振动主要通过算法实现。例如可以预先设置振动幅度的大小，振动时间的长短，振动频率等等参数，分别结合实际需要表达的信息而实现不同的振动参数或参数组合。

第三优选实施例

根据本发明的第三优选实施例，体表信号采集系统可以具体是心电信号采集系统，并且可穿戴设备可以具体是心电采集衣。

图3是根据本发明的实施例的心电采集衣的示意图。

如图3中所示，根据本发明的实施例的心电采集衣300包括衣服本体(紧身衣)301。衣服本体301上设置有多个导联电极，每个导联电极通过电极线将采集到的信号汇集到电极连接组件302。在图3中，电极连接组件302被示出为一个插头，该插头可以插入多通道记录仪以对采集信号进行处理。多通道记录仪可以装在衣服本体301的一个口袋303内。

通过如上所述的多个导联电极来实现本发明的体表信号采集系统中的干电极。多个导联电极可以包括肢体导联电极和胸导联电极。尽管图3中示出了8个导联电极，但是本领域技术人员应该认识到，导联电极的数目也可以更多或更少。如图3中所示，肢体导联电极包括右臂电极RA、左臂电极LA、右腿电极RL和左腿电极LL；胸导联电极包括电极V2、电极V3、电极V4和电极V5。

图4是心电信号导联示意图。

如图4所示，威尔逊中心电端(Wilson Central Terminal，简称为WCT)导联通常由肢体导联电极RA、LA、LL同时参与计算，右腿驱动电极RLD信号是由WCT参与产生，所以肢体导联电极RA、LA、LL信号质量是整个系统稳定的关键。由于心电采集衣平时穿戴过程中，用户会有运动，有可能在某一段时间某个导联电极或导联链路的稳定性不好。本地系统可以通过分析通道CH1、CH2、CH3的最终信号，得到有问题的导联电极或导联链路。通过电极或链路开关，关闭信号差的导联，以获得更佳WCT信号，保证系统稳定性。

切换导联的实质是切断(关闭)信号差的导联，例如，原本需检测导联电极RA和导联电极LL之间的信号，但由于意外(运动等情况)导致导联电极RA与皮肤贴合度不好，出现信号差的情况，则关闭导联电极RA。此时导联电极LL就会和某个胸导联电极(V2、V3、V4或V5)之间建立导联。

一般地，可以将这一过程描述为：根据本发明的实施例的心电信号采集系统可以进一步包括心电信号链路自适应切换模块，用于在一个导联电极出现连接性问题时，将与该导联电极连接以进行检测的链路自适应地切换为与另一导联电极连接以进行检测的链路。

然而，需要说明的是，此种切换实际上是一种策略上的妥协，因为不同电极之间建立的导联，在波形上是不同的，因此切换后的导联链路通常用来判断节律性疾病没有问题，但要具体到波形上判断疾病时，可能会出现问题。具体切换后的导联波形信号是否是有价值或者可被接受的，需要医生的判断。

尽管如此，由于传统心电监护系统中肢体导联的连接性必须可靠，各个胸导联才可以正常工作，但是在将电极附着在可穿戴心电衣的使用场景中，很容易出现肢体导联连接不可靠的情况，从而影响胸导联判断。通过本发明的心电信号链路自适应切换技术很好地增加了设备的环境适应性。

本领域技术人员应该认识到，上述的体表信号采集系统以及第一、第二、第三优选实施例中描述的各种技术手段，在不互相排斥的情况下，存在组合的可能性。

体表信号采集方法

本发明还提供了一种体表信号采集方法。本发明的方法可以看作与之前所描述的体表信号采集系统形成对应的关系。因此，即使下文中没有具体描述的特征或优选实施方式，只要在上文对体表信号采集系统的描述中提及，那就同样适用于体表信号采集方法。

图5是根据本发明的实施例的体表信号采集方法的流程图。

根据本发明的实施例的体表信号采集方法500用于通过可穿戴设备采集体表信号。在本发明的优选实施例中，可穿戴设备在干燥环境下使用。

方法500开始于步骤S510，在此步骤，使用输入缓冲放大器通过体表相接触的干电极采集体表信号。

接下来，在步骤S520，使用差分运算放大器将输入缓冲放大器采集到的体表信号输出为模拟信号。这里需要注意的是，在步骤S510中所使用的输入缓冲放大器的输入阻抗大于在步骤S520中所使用的差分运算放大器的输入阻抗。具体地，可参看对采集系统的详细描述。

然后，在步骤S530，将模拟信号转换为数字信号。例如，可以通过模数转换器(A/D)来实现模数转换。

最后，在步骤S540，根据数字信号进行处理。此外，这里的处理可能还包括对采集系统中各个模块的工作状况的收集、分析、判断等操作。

除了以上步骤之外，根据本发明的一个优选实施例，体表信号采集方法可以进一步包括：监测干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。这里所述的干电极可以是银浆电极。

根据本发明的一个优选实施例，体表信号采集方法还可以包括：输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况。例如，前面提到，体表信号采集方法可以进一步包括：监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。那么，当判断电极失效时，就可以向用户进行提示，即输出可穿戴设备工作情况。

这里所述的输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况可以包括：基于根据数字信号进行的处理，采用有线或无线通信的方式，将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。

另一方面，这里所述的输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况也可以包括：基于根据数字信号进行的处理，采用声、光或触觉振动的方式，向用户提示体表信号情况和可穿戴设备工作情况。不同的声、光或触觉振动可以代表不同的体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

尤其对于触觉振动的情况而言，其更适用于心电采集衣的场景。不同的触觉振动通过以下参数或其组合来区分：振动频率；振动时长；振动幅度。

如前文所述，体表信号可以具体是心电信号，并且可穿戴设备可以具体是心电采集衣。在此情况下，干电极可以包括多个导联电联，例如：肢体导联电极和胸导联电极。根据本发明的一个优选实施例，在一个导联电极出现连接性问题时，可以将与该导联电极连接以进行检测的链路自适应地切换为与另一导联电极连接以进行检测的链路。

软件实现

此外，本领域普通技术人员应该认识到，本公开的方法可以实现为计算机程序。如上结合附图所述，通过一个或多个程序执行上述实施例的方法，包括指令来使得计算机或处理器执行结合附图所述的算法。这些程序可以使用各种类型的非瞬时计算机可读介质存储并提供给计算机或处理器。非瞬时计算机可读介质包括各种类型的有形存贮介质。非瞬时计算机可读介质的示例包括磁性记录介质(诸如软盘、磁带和硬盘驱动器)、磁光记录介质(诸如磁光盘)、CD-ROM(紧凑盘只读存储器)、CD-R、CD-R/W以及半导体存储器(诸如ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦写PROM)、闪存ROM和RAM(随机存取存储器))。进一步，这些程序可以通过使用各种类型的瞬时计算机可读介质而提供给计算机。瞬时计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。瞬时计算机可读介质可以用于通过诸如电线和光纤的有线通信路径或无线通信路径提供程序给计算机。

例如，根据本公开的一个实施例，可以提供一种计算机可读介质，其上存储有可由处理器执行的指令，所述指令在被处理器执行时，使得处理器执行如前所述的体表信号采集方法。

因此，根据本发明公开的内容，还可以提议一种计算机程序或计算机程序产品，当所述计算机程序被执行时，可实现如前所述的体表信号采集方法。

另外，本发明还涉及一种用于体表信号采集的计算装置或计算系统，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序由所述处理器执行时，可实现如前所述的体表信号采集方法。

硬件实现

图6是根据本发明的体表信号采集系统的一种具体实现方式的示意图。

如图6中所示，系统由安卓核心系统模块SIM8905以及实时协处理器MT2523D构成。模拟电路部分由协处理器MT2523D进行控制管理。模拟信号处理路径集中在图6的左侧，信号通过银浆电极进行采集，经过输入缓冲放大器(BUFFERAD8244)进行信号放大，再输入至差分运算放大器AD8233。此差分放大器可直接输出模拟信号，通过ADS8866可进行高精度采集，转换成数字信号。之后，通过SPI总线与MT2523D进行通信。

在采用AD8233进行心电信号采集时，芯片差分输入阻抗为10GΩ，而干燥环境下干电极心电信号传输阻抗过高。如果直接用AD8233采集信号，信号容易被干扰或衰减，甚至采集不到信号。为解决此问题，在信号输入端放置一个输入阻抗为10TΩ的缓冲放大器(BUFFER AD8244)进行信号驱动能力增强，有效解决了干电极信号采集所产生的阻抗不稳定对结果的影响。

通过心电采集衣上的导联电极采集心电信号，通过电极连接组件传输至多通道记录仪内。多通道记录仪内的PCB模拟板将采集到的信号进行转换、滤波、放大，并传输至PCB数字板，由PCB数字板上的4G模组与外部服务器进行通信，实时显示采集到的心电波形。

进一步地，PCB数字板上设置有天线组。天线组共四组天线，分别为主天线、副天线、蓝牙/WiFi天线及GPS天线。由此方便患者的监护者(家人、医生等)对患者进行实时定位，发现异常时第一时间知道患者位置，以及用于与外部终端(手机端等)进行通讯。

而且，PCB数字板上还设置有一振动马达。振动马达在检测到心电信号出现异常时，振动报警提醒患者。

此外，PCB数字板设置天线的一面还设置有4G模组，另一面设置有SIM卡插槽。

如图6中所示，协处理器MT2523D还可以完成其他一些功能，这里不一一用文字来描述，但本领域技术人员通过观看图6的描绘，应该可以理解这些功能的含义以及怎样通过MT2523D和其他外围电路或设备相配合来实现相应的功能。

本发明的实施方式并不限于上述实施例所述，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以在形式和细节上对本发明做出各种改变和改进，而这些均被认为落入了本发明的保护范围。

Claims (32)

1.一种体表信号采集系统，所述体表信号采集系统设置在可穿戴设备上并成为所述可穿戴设备的一部分，所述体表信号采集系统包括：

干电极，所述干电极与体表相接触；

输入缓冲放大器，用于通过干电极采集体表信号；

差分运算放大器，用于将输入缓冲放大器采集到的体表信号输出为模拟信号；

模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号；

控制器，用于根据数字信号进行处理，

其中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗大于所述差分运算放大器的输入阻抗。

2.根据权利要求1所述的体表信号采集系统，其中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗为所述差分运算放大器的输入阻抗的1000倍。

3.根据权利要求2所述的体表信号采集系统，其中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗为10TΩ，所述差分运算放大器的输入阻抗为10GΩ。

4.根据权利要求1所述的体表信号采集系统，其中，所述可穿戴设备在干燥环境下使用。

5.根据权利要求4所述的体表信号采集系统，其中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗大于干燥环境下干电极采集信号的传输阻抗。

6.根据权利要求1所述的体表信号采集系统，其中，所述体表信号采集系统进一步包括电极监测电路，用于监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

7.根据权利要求6所述的体表信号采集系统，其中，所述电极监测电路包括：

切换开关，用于将电极监测电路切换加载到待测干电极上；

分压电阻，用于与待测干电极串联；

运算放大器，其输入端分别接入待测干电极两端，其输出端用于反映待测干电极的电阻大小；

判断模块，用于根据运算放大器输出所反映的待测干电极的电阻大小，判断电极是否失效。

8.根据权利要求6所述的体表信号采集系统，其中，所述干电极是银浆电极。

9.根据权利要求7所述的体表信号采集系统，其中，所述待测干电极为参考电极，当所述判断模块判断所述待测干电极失效时，则同时判断所述体表信号采集系统中的所有干电极都失效。

10.根据权利要求1所述的体表信号采集系统，其中，所述体表信号采集系统进一步包括反馈输出模块，用于输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

11.根据权利要求10所述的体表信号采集系统，其中，所述反馈输出模块包括通信输出模块，用于采用有线或无线通信的方式，将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。

12.根据权利要求10所述的体表信号采集系统，其中，所述反馈输出模块包括提示模块，用于采用声、光或触觉振动的方式，向用户提示体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

13.根据权利要求12所述的体表信号采集系统，其中，不同的声、光或触觉振动代表不同的体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

14.根据权利要求13所述的体表信号采集系统，其中，不同的触觉振动通过以下参数或其组合来区分：

振动频率；

振动时长；

振动幅度。

15.根据权利要求12所述的体表信号采集系统，其中，所述体表信号采集系统进一步包括电极监测电路，用于监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

16.根据权利要求15所述的体表信号采集系统，其中，当所述电极监测电路判断电极失效时，所述提示模块向用户进行提示。

17.根据权利要求1所述的体表信号采集系统，其中，所述体表信号采集系统是心电信号采集系统，并且所述可穿戴设备是心电采集衣。

18.根据权利要求17所述的体表信号采集系统，其中，所述干电极包括多个导联电联，所述多个导联电极包括肢体导联电极和胸导联电极，并且

其中，所述心电信号采集系统进一步包括：心电信号链路自适应切换模块，用于在一个导联电极出现连接性问题时，将与该导联电极连接以进行检测的链路自适应地切换为与另一导联电极连接以进行检测的链路。

19.一种体表信号采集方法，用于通过可穿戴设备采集体表信号，所述方法包括：

使用输入缓冲放大器通过体表相接触的干电极采集体表信号；

使用差分运算放大器将输入缓冲放大器采集到的体表信号输出为模拟信号；

将模拟信号转换为数字信号；

根据数字信号进行处理，

其中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗大于所述差分运算放大器的输入阻抗。

20.根据权利要求19所述的体表信号采集方法，其中，所述可穿戴设备在干燥环境下使用。

21.根据权利要求20所述的体表信号采集方法，其中，所述输入缓冲放大器的输入阻抗大于干燥环境下干电极采集信号的传输阻抗。

22.根据权利要求19所述的体表信号采集方法，其中，所述方法进一步包括：监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

23.根据权利要求22所述的体表信号采集方法，其中，所述干电极是银浆电极。

24.根据权利要求19所述的体表信号采集方法，其中，所述方法进一步包括：输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

25.根据权利要求24所述的体表信号采集方法，其中，所述的输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况包括：采用有线或无线通信的方式，将体表信号情况和可穿戴设备工作情况传送到外部设备。

26.根据权利要求24所述的体表信号采集方法，其中，所述的输出体表信号情况和可穿戴设备工作情况包括：采用声、光或触觉振动的方式，向用户提示体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

27.根据权利要求26所述的体表信号采集方法，其中，不同的声、光或触觉振动代表不同的体表信号情况和可穿戴设备工作情况。

28.根据权利要求27所述的体表信号采集方法，其中，不同的触觉振动通过以下参数或其组合来区分：

振动频率；

振动时长；

振动幅度。

29.根据权利要求26所述的体表信号采集方法，其中，所述方法进一步包括：监测所述干电极的电阻情况，以判断电极是否失效。

30.根据权利要求29所述的体表信号采集方法，其中，当判断电极失效时，向用户进行提示。

31.根据权利要求19所述的体表信号采集方法，其中，所述体表信号是心电信号，并且所述可穿戴设备是心电采集衣。

32.根据权利要求31所述的体表信号采集方法，其中，所述干电极包括多个导联电联，所述多个导联电极包括肢体导联电极和胸导联电极，并且

其中，所述体表信号采集方法进一步包括：在一个导联电极出现连接性问题时，将与该导联电极连接以进行检测的链路自适应地切换为与另一导联电极连接以进行检测的链路。

Images