CN216257132U - 一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其包括：心电衣主体、多个柔性金属纤维织物干电极、心电采集和通信装置；其中，心电采集和通信装置包括前端电路集成模块、无线通信模块以及电源管理电路，所述无线通信模块以及电源管理电路均与所述前端电路集成模块连接；所述多个柔性金属纤维织物干电极设置在所述心电衣主体的内侧，并通过电极线连接至所述前端电路集成模块。本实用新型可在不影响被测者日常生活的前提下长时间、准确地采集心电信号，具有较高的可靠性、准确性、穿戴舒适性、长时间佩戴，可应用于运动及心脏功能监测，心血管、心肺疾病等的实时远程监护、病情发展及早期预警。

Description

一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统

技术领域

本实用新型涉及柔性电子、智能织物、远程医疗、医疗器械技术领域，具体地涉及一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统。

背景技术

心血管疾病的死亡率居疾病死亡构成的首位，据调查，大部分人对心脏疾病认识不足，意识不到病发症状，延误了治疗的最佳时期，最终导致悲剧的发生。心电实时监测是对心脏疾病最直接有效的预警方式，然而医院使用的心电图机和Holter机存在便携性或实时性不足的缺陷，因此可穿戴式心电监测设备将成为未来居家医疗设备的主体。

现有的可穿戴式监测设备形态上大致分为手环、手表、胸带、背心、粘贴式等。但手环、手表通过光反射与吸收原理测定的血氧浓度仅能测出心率而并非真正意义的心电，因此不能够达到心电对等的医学参考价值。胸带、背心等产品一般通过电极与皮肤直接接触的方式进行测量，其相较于光反射与吸收原理具有较高的准确率。

目前临床通用的电极为一次性Ag/AgCl凝胶电极，或金属刚性电极，这些电极与皮肤直接接触的是导电膏和凝胶，长期使用会对使用者皮肤造成一定程度过敏。另外，该电极随着使用时间的延长，阻抗增大，采集的心电信号质量随之下降，不能用于心电信号的长期监测。

此外，逐渐也有一些技术采用了导电织物电极，其使用导电染料印料，或导电印染纤维混纺到一般纤维中去。然而这种导电织物电极存在不耐水洗、耐污损、电阻值较大等缺点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种能够实现低功耗、可穿戴具备舒适性和数据准确性的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统。

本实用新型实施例提供了一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电衣监测系统，其包括：心电衣主体、多个柔性金属纤维织物干电极、心电采集和通信装置；其中，心电采集和通信装置包括前端电路集成模块、无线通信模块以及电源管理电路，所述无线通信模块以及电源管理电路均与所述前端电路集成模块连接；所述多个柔性金属纤维织物干电极设置在所述心电衣主体的内侧，并通过电极线连接至所述前端电路集成模块。

优选地，所述心电衣主体的框架由柔软、轻薄和高弹面料，采用针织结构制作而成。

优选地，所述柔性金属纤维织物干电极包括纺织基底、柔性金属纤维织物干电极主体以及可拉伸屏蔽导线，所述柔性金属纤维织物干电极主体设置在所述纺织基底上，所述可拉伸屏蔽导线电连接于所述柔性金属纤维织物干电极主体。

优选地，所述纺织基底采用高弹纺织材料制成，所述柔性金属纤维织物干电极主体与所述纺织基底之间设置有柔性填充物。

优选地，所述柔性金属纤维织物干电极主体为：

电阻较小的纤维结构金属纤维电极主体；所述柔性金属纤维织物干电极主体通过针织形成回路形图案的金属纤维织物，所述回路形图案能够通过改变金属丝或纤维的弯曲角度实现拉伸与回复。

优选地，所述前端电路集成模块的型号如ADS1293。

优选地，所述无线通信模块为低功耗蓝牙模块或窄带物联网芯片。

优选地，所述电源管理电路包括低压差线性稳压芯片以及可充电电池，所述低压差线性稳压芯片型号如XC6206。

优选地，所述多个柔性金属纤维织物干电极包括RA电极、LA电极、V1-V9电极、RL电极以及LL电极，所有电极分别连接前端电路集成模块的引脚。

优选地，所述V1导联设置在胸骨右缘第四肋间，中线旁开一指；所述V2导联设置在胸骨左缘第四肋间，与V1导联平行；所述V3导联设置在V2导联与V4导联连线的中点；所述V4导联设置在左锁骨与胸骨左缘第五肋间交接点；所述V5导联设置在左腋前线第五肋骨间，并平行V4导联；所述V6导联设置在左腋中线，平行V4导联；所述RA导联设置在右锁骨下一指，中线旁开两指，所述LA导联设置在左锁骨下一指，中线旁开两指，平行于所述RA导联；所述RL导联设置在倒四肋骨末；所述LL导联设置成平行于RL导联。

综上所述，基于本实施例的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其采用的柔性金属纤维织物干电极对生理电信号的检测较为灵敏，可以抵抗长时间的汗液腐蚀且具有很好的透气亲肤性；同时，长时间佩戴，电极由于污垢附着等造成的接触电阻增大时，可通过清洁与洗涤得以复原，因此本实用新型可在不影响被测者日常生活的前提下长时间准确地采集心电信号，具有较高的可靠性、准确性和穿戴舒适性，可长时间应用于心脏康复等实时监护以及心脏疾病的远程监护与早期预警。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，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的附图。

图1是本实用新型实施例提供的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的柔性金属纤维织物干电极的结构示意图。

图3是回路形图案的柔性金属纤维织物干电极主体的结构示意图。

图4是不同状态下的具有回路形图案的柔性金属纤维织物干电极主体的状态变化图。

图5是柔性金属纤维织物干电极的电化学阻抗图谱。

图6(a)-图6(e)是柔性金属纤维织物干电极在不同导联下的分布示意图。

图7是CC2541硬件设计原理图。

图8是APP登录页面和蓝牙连接页面。

图9是柔性金属纤维织物干电极和商业化一次性电极监测心电、脑电和肌电的波形对比图。

图10是柔性金属纤维织物干电极与常规湿电极的的汗液测试图谱的汗液测试图谱。

图11是柔性金属纤维织物干电极的APP实时心电图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例提供了一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其包括：心电衣主体10、多个柔性金属纤维织物干电极20以及心电采集和通信装置30；其中，心电采集和通信装置包括前端电路集成模块31、无线通信模块32以及电源管理电路33，所述无线通信模块32以及电源管理电路均与所述前端电路集成模块31连接；所述多个柔性金属纤维织物干电极20设置在所述心电衣主体10的内侧，并通过电极线连接至所述前端电路集成模块31。

在本实施例中，特别的，所述心电衣主体10的框架由柔软、轻薄和高弹面料(如T3000弹性纤维)，采用针织结构制作而成，其具备吸湿排汗、冰凉触感、舒适的特点，在一定程度上减少了活动中因衣服形变造成的噪声干扰，既保证柔性金属纤维织物干电极20采集心电信号要求的贴合度又不会因长期测试对测者造成不适。当然，所述心电衣主体10也可以由其他材料制成，本实用新型不做具体限定。

在本实施例中，为了克服凝胶电极诸多限制(例如，一次性电极不支持长期、多次使用，频繁使用会对部分敏感皮肤造成一定影响)，基于柔性金属网的良好导电性和生物相容性，本实施例采用了柔性金属纤维织物干电极，柔性金属纤维织物干电极使用过程中舒适、透气并可长期多次使用，解决了现有凝胶电极存在的问题。

具体地，如图2所示，所述柔性金属纤维织物干电极20包括纺织基底21、柔性金属纤维织物干电极主体22以及可拉伸屏蔽导线，所述柔性金属纤维织物干电极主体22设置在所述纺织基底21上，所述可拉伸屏蔽导线电连接于所述柔性金属纤维织物干电极主体22。

其中，所述柔性金属纤维织物干电极20可通过如下方式制备得到：

S1，选择选择纺织基底21；

其中，纺织基底21采用高弹纺织材料制成，其厚度为10-500μm，保证纺织基底21的柔软度和强度。此外高弹性面料在穿上后可以对电极产生一定压力，以利于电极与皮肤的接触。

S2，柔性复合膜的制作；

其中，将纺织基底21固定在一个平面上，用表面活性剂处理并烘干可获得柔性复合膜。柔性复合膜选择蚕丝与聚合物的混合溶液。

S3，电极主体的组装；

其中，所述柔性金属纤维织物干电极主体22的组装步骤为固定好纺织基底21，金属纤维功能层覆盖于纺织基底21金属纤维织物固定其上。所述柔性金属纤维织物干电极主体22为：电阻较小的纤维结构金属纤维(如金/镀金丝/纤维、铜丝/纤维、银丝/纤维、铝丝/纤维,各类不锈钢丝/纤维、各类合金丝/纤维电极主体。

其中，特别的，如图3所示，所述柔性金属纤维织物干电极主体通过针织形成回路形图案的金属纤维织物，所述回路形图案能够通过改变金属丝或纤维的弯曲角度实现拉伸与回复。

其中，电极织物拉伸应变为：ΔL/L＝tan(Δθ+θ)tanΔθ-1。

如图4所示，其示出了在不同拉伸情况下回路形图案的应变变化。

S4，电极的封装。

其中，具体地，将保护层及背衬覆盖于电极主体上来实现封装。

其中，为了提高穿戴的舒适性，所述柔性金属纤维织物干电极主体22与所述纺织基底21之间还设置有柔性填充物24，例如，海绵、各类弹性纤维或布料、高分子弹性体等。

为了解柔性金属纤维织物干电极的阻抗特性，对柔性金属纤维织物干电极做了本征阻抗，测试曲线如图5所示，可以看出柔性金属纤维织物干电极在整个测量频率内具有平坦的阻抗曲线，呈现阻性阻抗。

在本实施例中，所述多个金属网柔性金属纤维织物干电极20在心电衣主体10上的位置，按不同导联，包括RA导联、LA导联、V1-V9导联、RL导联以及LL导联。

在本实施例中，特别的，如图6(a)所示，所述RA导联设置在所述心电衣主体的胸骨右缘锁骨中线第一肋间，所述V1导联设置在胸骨右缘第四肋间，中线旁开一指；所述V2导联设置在胸骨左缘第四肋间，与V1导联平行；所述V3导联设置在V2导联与V4导联连线的中点；所述V4导联设置在左锁骨与胸骨左缘第五肋间交接点；所述V5导联设置在左腋前线第五肋骨间，并平行V4导联；所述V6导联设置在左腋中线，平行V4导联；所述RA导联设置在右锁骨下一指，中线旁开两指，所述LA导联设置在左锁骨下一指，中线旁开两指，平行于所述RA导联；所述RL导联设置在倒四肋骨末；所述LL导联设置成平行于RL导联。

如图6(b)-图6(c)所示，其示出了单导联下的分布图。图6(d)和图6(e)分布为三导联和七导联的分布示意图。所有导联中，RA导联、LA导联、V1-V9导联、RL导联以及LL导联分别连接前端电路集成模块31的相应引脚。

在本实施例中，心电采集和通信装置31用于对柔性金属纤维织物干电极采集且经电极线传输的心电信号进行放大，滤波等进一步处理，其具备生成高集成度低功耗、高分辨率的数字心电图，不用经过二次滤波、放大即可得到满足心电信号采集分辨率的要求。

在本实施例中，特别的，所述前端电路集成模块31的型号可为ADS1293。ADS1293具备高集成度低功耗、3通道、24位高分辨率的数字心电图，不用经过二次滤波、放大即可得到满足心电信号采集分辨率的要求。在缩小板级空间和降低系统采集电路功耗方面表现了优异的性能。

在本实施例中，所述无线通信模块32可为低功耗蓝牙模块或窄带物联网(NB-IoT)芯片。以低功耗蓝牙模块为例，其型号可为CC2541，所述低功耗蓝牙模块通过SPI与所述前端电路集成模块31连接。当然，需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，所述无线通信模块32也可以是wifi模块、3/4/5G模块等，本实用新型不做具体限定。

在本实施例中，所述电源管理电路33包括低压差线性稳压芯片以及可充电电池，所述低压差线性稳压芯片连接所述前端电路集成模块31以及所述可充电电池。

其中，如图7所示，所述低压差线性稳压芯片采用XC6206芯片，所述可充电电池可采用锂电池。所述低压差线性稳压芯片将3.7V锂电池降压至3.3V作为ADS1293和CC2541芯片组供电。

在本实施例中，所述心电采集和通信装置20能够将其采集的信号发送给外部的用户终端，所述用户终端可为智能手机、平板电脑、笔记本电脑等，特别的，所述用户终端为具有蓝牙功能的智能手机，其内安装有对应的APP，通过该APP可以实现心电信号的处理以及显示等。

其中，如图8所示，APP是基于AndroidStudio集成开发工具开发和调试完成，该APP分为3个进程同时进行，第一个进程为显示页面，该部分由登录页面、蓝牙搜索页面和心电实时显示页面三部分组成。第二个进程为滤波与数据处理，将接收的实时心电数据进行滤波与心率、R波检测等数据处理；第三个进程为数据传输进程，该部分将从设备接收到的心电数据，加上个人用户信息，进行数据协议封装，通过网络将用户心电数据实时发送至云平台，将心电数据进行小波变换，深度学习等算法处理，实现心电疾病的智能化诊断。

对健康志愿者在穿戴心电监测设备进行实时心电监测，其中，图9是本实施例的柔性金属纤维织物干电极和商业化一次性电极监测心电、脑电和肌电的波形对比图。图10是柔性金属纤维织物干电极与常规湿电极的的汗液测试图谱。图11实时测试截图可以看出，在静息状态下，测试波形最好，由皮肤阻坑、工频干扰等其他外部因素造成的杂波基本已被完整滤除，仅有部分由呼吸、肌电引入的基线漂移，该类基线漂移在后期健康云平台通过小波变换进行修正。

综上所述，基于本实施例的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其采用的柔性金属纤维织物干电极对生理电信号的检测较为灵敏，可以抵抗长时间的汗液腐蚀且具有很好的透气亲肤性；同时，长时间佩戴，电极由于污垢附着等造成的接触电阻增大时，可通过清洁与洗涤得以复原，因此本实用新型可在不影响被测者日常生活的前提下长时间准确地采集心电信号，具有较高的可靠性、准确性和穿戴舒适性，可长时间应用于心脏康复等实时监护以及心脏疾病的远程监护与早期预警。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其包括：心电衣主体、多个柔性金属纤维织物干电极、心电采集和通信装置；其中，心电采集和通信装置包括前端电路集成模块、无线通信模块以及电源管理电路，所述无线通信模块以及电源管理电路均与所述前端电路集成模块连接；所述多个柔性金属纤维织物干电极设置在所述心电衣主体的内侧，并通过电极线连接至所述前端电路集成模块。

2.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述心电衣主体的框架由柔软、轻薄和高弹面料，采用针织结构制作而成。

3.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述柔性金属纤维织物干电极包括纺织基底、柔性金属纤维织物干电极主体以及可拉伸屏蔽导线，所述柔性金属纤维织物干电极主体设置在所述纺织基底上，所述可拉伸屏蔽导线电连接于所述柔性金属纤维织物干电极主体。

4.根据权利要求3所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述纺织基底采用高弹纺织材料制成，所述柔性金属纤维织物干电极主体与所述纺织基底之间设置有柔性填充物。

5.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述柔性金属纤维织物干电极主体为：

电阻较小的纤维结构金属纤维电极主体；

所述柔性金属纤维织物干电极主体通过针织形成回路形图案，所述回路形图案能够通过改变金属丝或纤维的弯曲角度实现拉伸与回复。

6.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述前端电路集成模块的型号为ADS1293。

7.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述无线通信模块为低功耗蓝牙模块或窄带物联网芯片。

8.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述电源管理电路包括低压差线性稳压芯片以及可充电电池，所述低压差线性稳压芯片型号为XC6206。

9.根据权利要求1所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述多个柔性金属纤维织物干电极包括RA导联、LA导联、V1-V9导联、RL导联以及LL导联，各个导联分别连接前端电路集成模块的引脚。

10.根据权利要求9所述的基于柔性金属纤维织物干电极的心电监测系统，其特征在于，所述V1导联设置在胸骨右缘第四肋间，中线旁开一指；所述V2导联设置在胸骨左缘第四肋间，与V1导联平行；所述V3导联设置在V2导联与V4导联连线的中点；所述V4导联设置在左锁骨与胸骨左缘第五肋间交接点；所述V5导联设置在左腋前线第五肋骨间，并平行V4导联；所述V6导联设置在左腋中线，平行V4导联；所述RA导联设置在右锁骨下一指，中线旁开两指，所述LA导联设置在左锁骨下一指，中线旁开两指，平行于所述RA导联；所述RL导联设置在倒四肋骨末；所述LL导联设置成平行于RL导联。

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