CN204428025U - 基于可穿戴装置的心电检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于可穿戴装置的心电检测装置，包括心电采集器、集成模拟前端、混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、电源管理模块、太阳能电池、输入装置和指示灯，心电采集器包括第一心电传感器和第二心电传感器，第一心电传感器设置于可穿戴装置的背面，第二心电传感器设置于可穿戴装置正面或边框；心电采集器与集成模拟前端相连，集成模拟前端与混合信号微控制器相连，蓝牙模块分别与混合信号微控制器、外部网络连接；电源管理模块与太阳能电池相连，二者用于为检测装置中相关部件供电。本实用新型体积小，结果准确，功耗极低，可利用太阳能充电，便于进行户外运动或者心血管疾病的心电随时随地监测。

Description

基于可穿戴装置的心电检测装置

技术领域

本实用新型涉及生命体征参数检测装置研究领域，具体是指一种基于可穿戴装置的心电检测装置。

背景技术

目前，心血管疾病已成为危害人类健康的主要疾病，据统计，世界上每年有几百万人死于心血管疾病，因此心血管疾病的预防和诊断显得格外重要。目前心电图是测量和诊断异常心脏节律的最好方法，通过心电图可诊断心电传导组织受损时心脏的节律异常以及由于电解质平衡失调引起的心脏节律的改变。然而，在传统的心电监测仪中，各硬件装置间主要通过通信线缆连接，其操作平台也基于有线装置，这类传统装置因有线连接，使其可用范围大大受到限制，不方便移动，还会给被检测者带来心理压力，从而使检测结果失真。

随着人们生活水平的提高，人们的健康意识日益增强，希望能随时随地检测生理参数，近几年，发展迅速的可穿戴医疗产品正是满足这种需求的理想产品。将心电检测功能移植到可穿戴医疗产品上，一方面可以实时监测心血管疾病，方便使用者进行自我健康状况评估，及时获得发病信息，从而及早获得救治，增加生存机会，同时，长期监测心电、心率的变化，也可从变化趋势中获得有用的信息，从而有益于指导疾病的预防和诊疗。另一方面，能够为极限运动、高强度运动实时提供参考，有利于根据心电图形和心率数值实时调整运动强度，制定、修改运动计划，及早检测到心脏的节律异常，在出现健康危害、生命危险前停止运动。

虽然目前市场上已经出现了一系列可穿戴式心电监测装置，但大部分都采取将粘贴电极粘贴在人体的特征部位，通过导线将电极与控制器、显示器相连，不仅使用不方便，而且不利于长期佩戴，粘贴电极和导线都会极大影响运动状态时装置的使用，这些局限都会很大程度地限制心电的实时监测和稳定性，从而影响到监测结果的准确性和实时性。此外，现有心电检测装置电源几乎全部采用电池供电或电源充电的方式，这种供电方式使检测装置可使用时间受到很大程度的限制，不能满足实时监测的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于可穿戴装置的心电检测装置，该装置是设置于现有的可穿戴式设备上，例如智能手表、智能手环等，具有体积小巧、使用方便、使用时间长的优点。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：基于可穿戴装置的心电检测装置，包括心电采集器、集成模拟前端、混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、电源管理模块、太阳能电池、输入装置和指示灯，所述心电采集器包括第一心电传感器和第二心电传感器，第一心电传感器设置于可穿戴装置外壳的背面，与皮肤接触，第二心电传感器设置于可穿戴装置外壳正面或边框；心电采集器与集成模拟前端相连，集成模拟前端通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)与混合信号微控制器相连，蓝牙模块通过UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，通用非同步收发传输器)与混合信号微控制器相连，蓝牙模块与外部网络连接；电源管理模块与太阳能电池相连，二者用于为心电检测装置中混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、指示灯供电；显示装置、输入装置、指示灯分别与混合信号微控制器相连，并由混合信号微控制器控制工作，所述输入装置用于启动可穿戴装置的心电检测功能，指示灯用于显示可穿戴装置当前所处的心电检测功能状态。

优选的，所述电源管理模块包括太阳能充电电路、太阳能放电电路、太阳能充电控制器、太阳能放电控制器、太阳能接口、蓄电池接口、负载接口和蓄电池，其中太阳能电池与太阳能接口连接，蓄电池接口与蓄电池连接，蓄电池还设有接口用于与外部充电电源连接；负载接口与所述混合信号微控制器连接；太阳能充电控制器控制太阳能充电电路工作，太阳能电池通过太阳能充电电路向蓄电池充电；太阳能放电控制器控制太阳能放电电路工作，蓄电池通过太阳能放电电路向心电检测装置中混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、指示灯供电。

优选的，由所述太阳能充电电路和所述太阳能充电控制器组成的太阳能充电模块与由所述太阳能放电电路和所述太阳能放电控制器组成的太阳能放电模块彼此独立，充电和放电过程独立进行。从而可以大幅度降低功耗，进一步延长待机、使用时间。

更进一步的，所述太阳能电池采用多晶硅薄膜型太阳能电池。该电池是由高效能、高光电转换效率的多晶硅薄膜型光电材料得到的，因此具有体积小、供电时间长的优点。

优选的，所述蓝牙模块包括主控制模块、射频核心模块、通用外围设备接口模块、传感器接口模块和天线，所述主控制模块用于接收、存储混合信号微控制器传来的信号，并在信号需要向外传输时，将信号传入射频核心模块，主控制模块包括导线相连的主控制器、JTAG(Joint Test Action Group，联合测试工作组)接口、ROM(Read-Only Memory，只读存储器)、闪存、SRAM；所述射频核心模块用于在信号需要向外传输时，接收主控制模块传入的信号，并将信号由天线向外传输，射频核心模块包括导线相连的协控制器、数字锁相环、DSP调制解调器、SRAM、ROM和放大器，放大器与天线相连接；所述天线用于将信号发送到外部移动终端，并接收移动终端反馈结果，并将反馈结果发送到显示装置显示；通用外围设备接口模块由导线相连的I²C、UART和SPI组成；传感器接口模块包括导线相连的传感器控制器、ADC(Analog to Digital Converter,模拟数字转换器)和比较器；主控制模块分别通过导线与射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器接口模块相连。

更进一步的，所述主控制模块在将信号传到射频核心模块后进入睡眠状态。从而可以大大降低蓝牙模块的功耗。

更进一步的，所述传感器控制器用于感知外接心电采集器的工作状态，若外接心电采集器没有进行信号采集，则控制蓝牙模块自动进入睡眠状态。从而可以大大降低蓝牙模块的功耗。

更进一步的，所述蓝牙模块采用蓝牙标准V4.0，用以将wifi、UWB无线射频技术纳入蓝牙技术。从而将高速传输和超低功耗有机地结合，可以实现本实用新型与其他来自全球制造商不同设备之间的信息交互，进行信息共享。

具体的，所述集成模拟前端选用TI公司的ADS1293芯片，可用于对采集到的心电信号进行滤波、自动增益、AD转换。

具体的，所述混合信号微控制器选用TI公司的MSP430FR5739微控制器，在这里采集到的心电信号采用低通平滑的算法实现低通滤波，采用基于奇异值分解方法的滤波法去除肌电干扰和运动干扰，采用自适应相干模板法抑制采集过程中和采集后的工频干扰，采用多项式插值方法中的三次样条函数差值法对基线漂移进行纠正，最后采用小波变换法进行信号消噪、数据压缩和奇异点检测，并利用小波变换在多尺度下具有的滤波器组特性，实现相应的QRS波与其他波形的区分。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型的心电检测装置基于可穿戴装置，克服了传统心电检测装置中有线连接带来的使用局限性，并且通过可穿戴装置可以实现随时随地的心电检测。体积小巧，可穿戴，结果准确，功耗极低，可利用太阳能充电，便于进行户外运动或者心血管疾病的心电随时随地监测，最大程度地降低心脏节律异常对机体的损害和生命危险。

(2)本实用新型心电采集器包括2个心电传感器，一个心电传感器置于可穿戴装置的背板，与皮肤接触，另一个心电传感器置于可穿戴装置外壳正面或边框，使用时，将本实用新型所述的可穿戴装置戴于手腕处，使其背板与皮肤接触，另一只手的手指搭在可穿戴装置外壳正面或边框上，构成心电检测的回路，获取心电信号。与现有技术相比，突破了导线和电极的束缚，使用方便，体积小巧，便于实时监测和运动中心电和心率的监测。

(3)本实用新型采用的蓝牙模块，相比于现有技术，可以很大程度上降低功耗，延长待机和使用时间，同时支持蓝牙、wifi、UWB无线射频技术，可实现本实用新型与其他来自全球制造商不同设备之间的信息交互，不仅可以将检测结果发送到智能终端，进一步计算得到健康参数，更可以为远程医疗监护和远程医疗诊断提供有力支持，与现有技术相比，具有更广泛的适用范围，可以获得更丰富的监测信息，从而给使用者带来更好的、更准确的、更实用的可穿戴医疗体验。

(4)本实用新型的电源管理模块采取太阳能充电和充电电源充电两种供电模式。其中的电源管理模块的太阳能充电模式，采用高效能、高光电转换效率的多晶硅薄膜型太阳能电池，这种新型光电材料制得的太阳能电池一方面可以减小电池体积，从而带来更良好的可穿戴体验，另一方面其高光电转换率保证了本实用新型的持久供电性能，与现有技术相比，当通过充电电源获得的电量耗尽后，可再利用太阳能电池高效能转换来的电量继续进行心电的检测，突破了现有技术中心电检测受电池电量限制的局限。同时，电源管理模块的太阳能充电模式采取充电模块和放电模块彼此独立的结构和工作方式，充电和放电过程不必同时进行，相比于现有技术，可以大幅度降低功耗，进一步延长待机、使用时间。多晶硅薄膜型太阳能电池的使用还可以大幅度降低成本，增加本实用新型的市场竞争力。

(5)本实用新型采用集成模拟前端，使得信号处理效率更高，稳定性明显增强。克服了以往检测装置中测试装置复杂，需要使用大量电子元件，不易于实现便携化的缺点，此外，现有技术中心电采集器采集到心电信号后以模拟电压信号的方式向下一级传输，直到A/D转换处才实现数字化，这个过程中信号极易受到外界的干扰而引入噪声，本实用新型通过采用集成模拟前端，克服了这个缺陷，极大提高了测量结果的准确性。

附图说明

图1是本实施例的硬件框图。

图2(a)是本实施例智能手表的正面示意图。

图2(b)是本实施例智能手表的背板示意图。

图3是本实施例的蓝牙模块的组成结构图。

图4是本实施例的电源管理模块组成图。

图5(a)是本实施例电源管理模块中太阳能充电控制器的电路图。

图5(b)是本实施例电源管理模块中太阳能充电控制器的蓄电池反接保护电路图。

图6是本实施例电源管理模块中太阳能放电控制器的电路图。

图7是本实施例电源管理模块中太阳能充电电路的电路图。

图8是本实施例电源管理模块中太阳能放电电路的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的硬件组成包括心电采集器、集成模拟前端、混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置(即液晶显示器)、电源管理模块、太阳能电池、输入装置(即按键)和指示灯。心电采集器与集成模拟前端相连，集成模拟前端通过SPI与混合信号微控制器相连，混合信号微控制器通过蓝牙模块与外部网络连接，蓝牙模块通过UART与混合信号微控制器相连，电源管理模块与太阳能电池相连，为心电检测装置中混合信号微控制器、蓝牙模块、液晶显示器、指示灯供电，液晶显示器、按键和指示灯与混合信号微控制器相连，并由混合信号微控制器控制工作，所述按键用于启动可穿戴装置的心电检测功能，指示灯用于显示可穿戴装置处于心电检测功能状态。图1中黑色实线箭头表示电流走向，中空箭头表示采集到的心电信号走向，虚线箭头表示控制指令走向。

具体的，本实施例中所述集成模拟前端选用TI公司ADS1293芯片，用于对采集到的心电信号进行滤波、自动增益、AD转换。

具体的，本实施例所述混合信号微控制器选用TI公司的MSP430FR5739微控制器，该微控制器为超低功耗型，在这里对采集到的心电信号采用低通平滑的算法实现低通滤波，采用基于奇异值分解方法的滤波法去除肌电干扰和运动干扰，采用自适应相干模板法抑制采集过程中和采集后的工频干扰，采用多项式插值方法中的三次样条函数差值法对基线漂移进行纠正，最后采用小波变换法进行信号消噪、数据压缩和奇异点检测，并利用小波变换法在多尺度下的滤波器组特性实现相应的QRS波与其他波形的区分，从而得到准确的心电图波形和心率数值。

以图2(a)、(b)所示智能手表为例，本实施例心电采集器包括2个心电传感器，第一心电传感器2置于智能手表的背板，与皮肤接触，第二心电传感器1置于智能手表液晶显示器周围的边框，使用时，将智能手表戴于手腕处，使其背板与皮肤接触，另一只手的手指搭在智能手表液晶显示器周围的边框上，构成心电检测的回路，获取心电信号。

如图3所示，本实施例的蓝牙模块，包括主控制模块、射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器接口模块。其中主控制模块由导线相连的主控制器、JTAG、ROM、闪存、SRAM组成；射频核心模块由导线相连的协控制器、数字锁相环、DSP调制解调器、SRAM、ROM和放大器组成，放大器与天线相接；通用外围设备接口模块由导线相连的I²C、UART和低功耗SPI组成；传感器接口模块由导线相连的超低功耗传感器控制器、ADC和低功耗比较器组成；主控制模块分别通过导线与射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器接口模块相连。

本实施例所述蓝牙模块还可以通过如下方式达到功耗超低水平：

(1)所述蓝牙模块配有自主的超低功耗传感器控制器，可以自主感知外接心电采集器的工作状态，若外接心电采集器没有进行信号采集，则蓝牙模块自动进入睡眠状态。若外接心电采集器进行信号采集，则蓝牙模块自动进入工作状态。睡眠状态时蓝牙模块中只有中断检测程序运行，此时功耗极低，几乎可忽略不计。若超低功耗传感器控制器检测到外接心电采集器进行信号采集，立即向蓝牙模块中主控制器传送中断指令，唤醒蓝牙模块中主控制模块运行。

(2)该蓝牙芯片采用更细致的分区管理，将数据接收、存储与数据向外传输分离，以便独立管理和运行，由混合信号微控制器传来的信号首先在主控制模块中进行接收、存储，主控制模块由主控制器控制工作，此时射频核心模块暂不工作，当信号需要向外传输时，在主控制器作用下将信号传输入射频核心模块，主控制模块随即进入睡眠状态，在协控制器控制下，经过数字锁相环、DSP调制解调器和放大器处理，由天线将此信号向外传输发送，

该蓝牙模块除具备超低功耗的特性外，还利用最新的蓝牙标准V4.0提供一个平台，用以将wifi、UWB无线射频技术纳入蓝牙技术，将高速传输和超低功耗有机地结合，可以实现本实施例与其他来自全球制造商不同设备之间的信息交互，进行信息共享。此外，利用本实施例采集得到的心电信号不仅可以在可穿戴装置的液晶显示器上显示心电图波形和心率数值，也可以通过蓝牙模块发送到移动终端，进一步计算其他健康参数，并将结果发送回可穿戴装置的液晶显示器上进行显示，同时，也可以将检测结果和计算得到的健康参数通过移动终端的无线网络传送到远程医疗监护中心和医院，实现远程监护和远程医疗。

本实施例的电源管理模块采取太阳能充电和充电电源充电两种供电模式。电源管理模块的结构如图4所示，由太阳能充电电路(见图7)、太阳能放电电路(见图8)、太阳能充电控制器(见图5(a)和图5(b))、太阳能放电控制器(见图6)、太阳能接口、蓄电池接口、负载接口、蓄电池组成。太阳能电池与太阳能接口连接，蓄电池接口与蓄电池连接，蓄电池也可以与外部充电电源相接，负载接口与所述混合信号微控制器相接。太阳能充电电路实现太阳能电池向蓄电池的充电过程，太阳能放电电路实现蓄电池向心电检测装置中混合信号微控制器、蓝牙模块、液晶显示器、指示灯的放电过程，太阳能充电控制器控制太阳能充电电路工作，太阳能放电控制器控制太阳能放电电路工作。太阳能电池置于本实施例中可穿戴装置的腕带或手环上。电源管理模块采取太阳能充电模式时，由太阳能充电电路和太阳能充电控制器组成的太阳能充电模块与由太阳能放电电路和太阳能放电控制器组成的太阳能放电模块彼此独立，充电和放电过程独立进行，从而可以大幅度降低功耗，进一步延长待机、使用时间。电源管理模块的太阳能充电模式中，采用高效能、高光电转换效率的多晶硅薄膜型太阳能电池，这种多晶硅薄膜型太阳能电池在保持高光电转换效率的同时，使得太阳能电池得以薄膜化，一方面减小了太阳能电池的体积，提供更舒适的可穿戴体验，另一方面，降低了太阳能电池的生产成本，提高了本实施例的市场竞争力。

具体的，所述太阳能充电控制器的电路图如图5(a)所示，U2起电压比较和震荡作用，其中U2A是核心控制元件，VD3为红绿双色指示LED灯，用于指示充电工作状态，由U2B驱动，根据充电电池的参数指标，通过精密电位器RV1设定浮充电压，RT1为热敏电阻，用于微调不同温度时的浮充电压值。当偶尔发生电池过充时，将开关SW2接通可设置更高的浮充电压，起到补偿均衡的作用。VT2为电源开关，VD4为肖特基二极管，防止蓄电池向太阳能电池方向放电，VD5起蓄电池保护反接作用(见图5(b))，当极性接反时熔断器熔丝烧断，保护电路其余部分免遭损坏。当电池电压低于设定的浮充电压时，U2A输出高电平，LED指示红色，光耦导通使能开关管VT2，太阳能电池向蓄电池充电，当充电电压达到设定浮充电压值时进入浮充状态，LED进入双色闪烁指示状态。

具体的，所述太阳能放电控制器的电路图如图6所示，将开关S1切换至开位置时，供电激活集成运放工作，此时，如果蓄电池电压高于低电压指令(LowVoltage Directive,LVD)电压值，电压比较器输出低电压，VT5截止，上半部分电路驱动VT3，蓄电池为负载正常供电，如果蓄电池电压低于LVD电压值，VT5导通使得通断控制端输出低电压将VT3关断，切断负载电源，为避免负载在LVD电压值附近反复地进行通断操作，此时，将开关S1切换至关位置以自锁，同时关断放电控制系统以实现节能，发光二极管VD14用以提示电池电压接近LVD电压值，调节电位器RV2可调节LVD电压值。

具体的，所述太阳能充电电路图如图7所示，由单相桥式整流电路D和电感L滤波电路组成滤波单元，D可使太阳能电池始终向蓄电池充电而蓄电池不会向太阳能电池供电，且太阳能电池在光线骤变时产生交流电流或与蓄电池反接时，只能向蓄电池充电，滤波电路滤波整流后输出电压的稳波，使充电电流更稳定。

具体的，所述太阳能放电电路图如图8所示，采取两级电保护装置，以防外界短路或其他情况造成的电流骤增而损坏蓄电池以及其他电子元件，第一级保护采集高精密电阻R两段电压，当满足设定最大放电电流与高精密电阻阻值之积且持续20秒，确认短路，由混合信号微控制器控制R11切断放电回路。第二级保护为防止第一级电流过大且未持续20秒，将对电路造成损害，此时增加自恢复保险丝，当流经的电流达到额定值时，自恢复保险丝温度上升，电阻迅速增大，电流迅速减小，当过流消失时，电子保险丝自动回复到初始状态。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，包括心电采集器、集成模拟前端、混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、电源管理模块、太阳能电池、输入装置和指示灯，所述心电采集器包括第一心电传感器和第二心电传感器，第一心电传感器设置于可穿戴装置外壳的背面，与皮肤接触，第二心电传感器设置于可穿戴装置外壳正面或边框；心电采集器与集成模拟前端相连，集成模拟前端通过SPI与混合信号微控制器相连，蓝牙模块通过UART与混合信号微控制器相连，蓝牙模块与外部网络连接；电源管理模块与太阳能电池相连，二者用于为心电检测装置中混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、指示灯供电；显示装置、输入装置、指示灯分别与混合信号微控制器相连，并由混合信号微控制器控制工作。

2.根据权利要求1所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，所述电源管理模块包括太阳能充电电路、太阳能放电电路、太阳能充电控制器、太阳能放电控制器、太阳能接口、蓄电池接口、负载接口和蓄电池，其中太阳能电池与太阳能接口连接，蓄电池接口与蓄电池连接，蓄电池还设有接口用于与外部充电电源连接；负载接口与所述混合信号微控制器连接；太阳能充电控制器控制太阳能充电电路工作，太阳能电池通过太阳能充电电路向蓄电池充电；太阳能放电控制器控制太阳能放电电路工作，蓄电池通过太阳能放电电路向心电检测装置中混合信号微控制器、蓝牙模块、显示装置、指示灯供电。

3.根据权利要求2所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，由所述太阳能充电电路和所述太阳能充电控制器组成的太阳能充电模块与由所述太阳能放电电路和所述太阳能放电控制器组成的太阳能放电模块彼此独立，充电和放电过程独立进行。

4.根据权利要求1或3所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，所述太阳能电池采用多晶硅薄膜型太阳能电池。

5.根据权利要求1所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，所述蓝牙模块包括主控制模块、射频核心模块、通用外围设备接口模块、传感器接口模块和天线，所述主控制模块包括导线相连的主控制器、JTAG接口、ROM、闪存、SRAM；所述射频核心模块包括导线相连的协控制器、数字锁相环、DSP调制解调器、SRAM、ROM和放大器，放大器与天线相连接；所述天线用于将信号发送到外部移动终端，并接收移动终端反馈结果，并将反馈结果发送到显示装置显示；通用外围设备接口模块由导线相连的I²C、UART和SPI组成；传感器接口模块包括导线相连的传感器控制器、ADC和比较器；主控制模块分别通过导线与射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器接口模块相连。

6.根据权利要求5所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，所述蓝牙模块采用蓝牙标准V4.0。

7.根据权利要求1所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，所述集成模拟前端选用TI公司的ADS1293芯片。

8.根据权利要求1所述的基于可穿戴装置的心电检测装置，其特征在于，所述混合信号微控制器选用TI公司的MSP430FR5739微控制器。