CN204542121U - 一种便携式手指双电极心电信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种便携式手指双电极心电信号采集装置。本实用新型由心电电极传感器、前置滤波电路、BMD101芯片、电源控制电路以及蓝牙传输电路组成，心电电极传感器采用EPIC PS25101A，共有两个，分别用于采集左手和右手的心电信号；前置滤波电路主要包括0.5Hz的低通滤波器、100Hz的高通滤波器以及50Hz的陷波器，用于对采集得到的心电信号进行滤波，BMD101芯片接收来自前置滤波电路预处理后的心电信号，电源控制电路提供3.3V的稳压电源；蓝牙模块用于将BMD101芯片输出的数据通过蓝牙传输。本实用新型使用双电极构造单导联采集人体手指处的心电信号，采集简单，受约束性小。
Description
技术领域
本实用新型属于心电信号（Electrocardiogram, ECG）采集和处理的技术领域，涉及一种基于双电极的便携式手指ECG采集装置。
背景技术
心电图是人体心脏跳动产生的生物电势，反映了心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。由于人与人之间的心脏位置、大小、形状、胸部构造、年龄、性别、体重、情绪和运动状况等因素都不相同，因此每个人的心电信号都是独一无二的，ECG波形必然不尽相同。因此，可以利用心电信号的唯一性特点，实现人体的心电身份识别。综上所述，采集人体的ECG，并分析其结果，不但可以用来作为临床医学诊断的依据，也可以作为一种生物特征，用来识别个人的身份。
目前，对于心电信号的采集方式主要还局限于临床上使用的多导联，该种采集方式虽然能够比较准确地采集和记录人体的ECG，但是它在采集实现上条件较为苛刻，不仅要在相应的皮肤上涂导电胶增强导电性，使用多个电极连接在人体的胸部及其肢体上，还要求测试者保持身体平躺，呼吸均匀，并且采集仪器一般呈现体积大、价格高昂等特点。这在一定条件下限制了家用ECG测量便携设备的发展。然而人们在日常生活中需要随时随地把握自身的生理状况。基于上述原因，人们迫切需要一种便携的心电信号采集装置，以实现对人体ECG进行实时监测，随时随地掌握自身的身体状况，同时又能为类似于指纹识别的便携式生物特征识别设备提供的支撑。
随着传感器、半导体集成技术以及医学技术的快速发展，并且随着人们对自身健康意识的日益增强，越来越多的公司已在不断地对生物电信号的采集以及处理进行相关的研究和开发。例如，Plessey半导体公司开发的EPIC系列的生物电势传感器和神念科技研制的BMD101芯片，这些已有的技术在心电的采集和处理方面具有较强的能力，并能够应用于实现便携式心电设备，包括ECG的监测和身份识别等领域。
因此，基于手指双电极的心电信号采集装置，实现ECG信号采集方式是单导联，仅需通过双手触摸传感器电极，再通过后续设计的信号处理电路，便能够为便携式ECG的监测和身份识别新设备提供支撑。这有利于推动心电信号应用在家用便携式医疗辅助设备和具有一定安全要求的场所提供安全方面的保障，具有一定是实用意义。
发明内容
本实用新型目的在于提出一种基于手指双电极的心电信号采集装置，能够简单高效的完成心电信号的采集和处理，并对便携式的心电信号监测设备和心电身份识别新设备提供一种支撑。
本实用新型由心电电极传感器、前置滤波电路、BMD101芯片、电源控制电路以及蓝牙传输电路组成。
所述的心电电极传感器采用plessey公司的EPIC PS25101A，共有两个，分别用于采集左手和右手的心电信号。
所述的前置滤波电路主要包括0.5Hz的低通滤波器、100Hz的高通滤波器以及50Hz的陷波器，用于对采集得到的心电信号进行滤波，其中低通滤波器采用三阶截止频率是0.5Hz巴特沃斯高通滤波器，高通滤波器采用四阶截止频率是100Hz的低通滤波器。
所述的BMD101芯片接收来自前置滤波电路预处理后的心电信号，主要完成手指心电信号的主处理。
所述的电源控制电路提供3.3V的稳压电源。
所述蓝牙模块用于将BMD101芯片输出的数据通过蓝牙传输。
采集到的手指ECG信号通过蓝牙传输，不仅可以传输至心电监测设备进行显示并分析，还能够传输至便携式心电身份识别设备进行匹配识别。
本实用新型的有益效果：使用双电极构造单导联采集人体手指处的心电信号，不仅采集时简单，受约束性小，而且能够对便携式心电监测和心电身份识别提供一种实用化的方法。
附图说明
图1为0.5Hz的低通滤波器电路原理图。
图2为100Hz的高通滤波器电路原理图。
图3为50Hz的陷波器电路原理图。
图4为BMD101芯片管脚图。
图5位电源控制电路原理图。
图6为蓝牙传输电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对该实用新型做进一步的详细说明：
本实用新型首先通过左手和右手连接的心电电极传感器采集人体手指处的心电信号，使用3节干电池进行供电，然后通过心电处理电路完成心电信号的处理，最后通过蓝牙模块电路将预处理和AD转换后的心电信号传输出去，供后续开发使用。
本实施例中的心电电极传感器为EPIC PS25201A心电传感器。该生物电势传感器是一款超高阻抗的固态心电传感器，在没有低阻抗电路横穿心脏的潜在危险的前提下，它可用作干接触ECG传感器，与常规的湿电极效果一样好，甚至更好。PS25201A使用了积极的反馈技术，不仅降低了传感元件的电容，而且提高了输入阻抗，这些技术能够对心电图的监控和诊断提供极大的帮助。
如图1所示为0.5Hz的低通滤波器电路原理图。根据国内外的相关研究，ECG信号的有效频率范围大概是0.5Hz-100Hz。由于在采集手指ECG的过程当中，会不可避免的引入一些干扰，干扰既来自生物体内，如肌电干扰、 呼吸波干扰、脑电信号干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、 高频电磁干扰、生物电极与体表产生的极化电压干扰（多为不稳定的直流信号，幅度可达300mV）、测量设备自身的干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等。
常见的有源滤波器设计的拓扑结构有两种：多点反馈(Multipoint Feedback, MFB)和Sallen-Key。通常情况下，使用MFB构造Filter用的较多是因为其对元件大小的变化较不敏感，但是在增益精度更为重要、采用单位增益Filter以及极点对 值较低(Q<3)等场合下Sallen-Key结构用的较多。ECG信号属于低频信号，对于低频信号的滤波来说，巴特沃斯滤波器的应用较为广泛，本文选用巴特沃斯滤波器构造。图中为三阶截止频率是0.5Hz巴特沃斯高通滤波器。
如图2为100Hz的高通滤波器。同理，也采用巴特沃兹滤波器设计四阶截止频率是100Hz的高通滤波器，这对滤除高频部分的干扰信号具有积极的作用。
图3为50Hz的陷波器电路。由于ECG的频率主要集中在50Hz左右，因此，容易受到通过电磁感应方式从人体或者导线等途径引入的工频信号干扰，加上手指ECG十分微弱，工频干扰就显得十分突出，甚至可能淹没ECG信号，从而为后续的信号处理带来不便，为消除50Hz的工频信号，需要设计陷波电路，如图所示，可利用双T网络实现陷波电路的设计。
图4为BMD101芯片引脚图及其相应的说明。BMD101芯片是神念科技有限公司第三代生物信号检测与处理的片上系统。BMD101具有高效的模拟前端电路和灵活强大的数字信号处理电路。它旨在采集和处理uv到mv级别的生物信号。该采集处理芯片的集成度很高，面积非常小，长*宽为3mm*3mm。其相应的引脚说明如图所示。
图5为电源控制电路原理图。BMD101芯片的供电电压为3.3V，为得到稳定的3.3V电压，需设计一个稳压电源电路，如图所示，采用的芯片为SGM2020，它是具有低功耗、低噪声、低压差的CMOS线性稳压器。图中VBAT为采集模块的供电电压，本电路设计的范围是3.5V-5.5V，即可用三节干电池或者蓄电池供电，VDD为电源电路输出的电压3.3V，供采集模块电路使用，电容C1、C2和C3的作用是电源滤波电容，对高频信号提供一个对地通路。
图6为蓝牙模块电路原理图。使用HC-06蓝牙芯片实现手指ECG采集后的传输。HC-06蓝牙模块是一种低功耗、低成本的无线通信方式，工作电压为3.1V-4.2V，蓝牙波特率、设备名称、配对密码可用AT命令修改。该装置的HC-06蓝牙模块设置的波特率为57600。蓝牙模块分为主机和从机，主机能和从机连接，而从机之间或主机之间无法连接，从机能与电脑及手机的蓝牙进行配对通信，该装置使用HC-06蓝牙的从机模块。如图所示，为HC-06蓝牙传输电路连接方式。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本实用新型的范围，本实用新型的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本实用新型权利要求基础上的改动都是本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种便携式手指双电极心电信号采集装置，由心电电极传感器、前置滤波电路、BMD101芯片、电源控制电路以及蓝牙传输电路组成，其特征在于：
所述的心电电极传感器采用plessey公司的EPIC PS25101A，共有两个，分别用于采集左手和右手的心电信号；
所述的前置滤波电路主要包括0.5Hz的低通滤波器、100Hz的高通滤波器以及50Hz的陷波器，用于对采集得到的心电信号进行滤波，其中低通滤波器采用三阶截止频率是0.5Hz巴特沃斯高通滤波器，高通滤波器采用四阶截止频率是100Hz的低通滤波器；
所述的BMD101芯片接收来自前置滤波电路预处理后的心电信号，主要完成手指心电信号的主处理；
所述的电源控制电路提供3.3V的稳压电源；
所述蓝牙模块用于将BMD101芯片输出的数据通过蓝牙传输。
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