TWI678186B - 非接觸式電子心電圖系統 - Google Patents

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約書亞 威克思
Joshua Weeks
大衛 麥德杰丹
David Nadezhdin
尚 赫爾伯特 艾瑟林
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Abstract

一種使用非接觸式ECG感測器而提供人體的標準心電圖(ECG)訊號之系統，供輸出訊號至現有的醫療儀器，或供在一遠端裝置上儲存或觀看。該系統包括一數位處理模組(DPM)，該數位處理模組係適於連接在織物或類似物上所設的非接觸式ECG感測器陣列。一選擇機構係嵌入該DPM以使得DPM可使用不同ECG感測器的ECG訊號來識別身體部位，並對於各個身體部位選擇最佳的感測器導程。DPM可接著使用針對偵測到的不同身體部位所選定之ECG訊號而產生該標準ECG訊號。該系統係適於連續地重新檢驗其選擇，以確保在身體部位移動之後可針對一給定的身體部位選擇最佳的導程，藉以允許連續且不間斷地對患者進行ECG監測。

Description

非接觸式電子心電圖系統 【相關申請案之交叉參考】
本申請案請求2015年8月18日申請之美國第62/206542號臨時專利申請案的優先權，其說明書係以引用方式併入本文中。
本發明標的大致上係有關心電圖系統。
心電圖(下文稱ECG)係為心律、心律不整檢測、靜態ECG異常的唯一可靠測量方式，其需要強制進一步測試先前心電圖的改變。
ECG係為在醫學中對於眾多心臟與非心臟疾病所使用的基本診斷及後續篩選工具之一。儘管標準的12導程心電圖擁有豐富的資訊，但其只擷取10秒的資料。長期以多重導程進行監測可提供更多的資訊，且使得更容易查看心電圖的變化。
因多種原因而缺乏長期監測為一個重要的醫療問題。在患者的檔案中缺少心電圖的基準經常在第一次完成的ECG是正常的、但根據已制訂的診斷標準卻是異常的患者之中導致困惑與不必要的額外檢查。通常，如果舊的ECG(甚至是10年前的ECG)與被認為是異常的ECG相同時其是可利用的，不需要進一步的檢查。換言之，對當前的ECG與舊的ECG進行比較的能力導致了龐大的醫療價值。而ECG沒有發生變化能夠減少檢查的需要。
傳統依靠接觸電極(與患者身體形成電流連接的電極)之 心電圖測量系統在需要立即地、不引人注目地或經常地監測ECG時出現了難題。傳統的接觸電極需要經由受過訓練的的醫護人員將其放置在乾淨、準備好的皮膚表面，以確保精確的位置(及因此的身體形態)和訊號品質。標準的濕凝膠接觸電極位置的限制包含，正確地將其放置在身體上，並在其時限內將其移除以避免皮膚反應。
除了它們無法提供長期的監測，其可利用性也受限，如下討論。
在理想的情況下，心電圖應該在所有的患者上做為例行就診的一部分來進行，尤其是如果患者有需要就醫的症狀時。然而，檢查的可利用性係受限的。其可利用性係因為ECG設備的費用及無法輕易找到需用來對患者進行檢查而將極導正確放在患者身上之技術人員而受到限制。就ECG費用而言，大部分的內科醫生並未投資在現場進行檢查的部分。即使在醫院，大型醫院中的遙測單元在加護病房外係被限制為約6至10個單位供全部患者使用。
另一個缺點是，標準電極有多個問題會限制ECG的適當及廣泛使用。這些問題如下：1.該等電極會因為住院期間需要多次更換所產生之金屬、凝膠及黏附反應而與皮膚反應；2.缺乏正確放置電極所需的知識；3.放置電極的時間；4.與長期監測相關的併發症，諸如當電極因流汗、患者移動、放置不當等因素而經常脫落時；5.使用標準電極所衍生的心電圖容易發生會導致偽心電圖的肌肉干擾波。
另一個缺點為，以標準電極所獲得的心電圖為勞力及材料 密集型的。甚至在某些情況下，每天的每一次病人護理時間遙測裝置會耗費2-3小時以上的時間來安裝及重新安裝標準電極。
又另一個缺點為，因為心電圖機器的線材及其與護理及醫院工作人員的接觸，以及頻繁的電極護理維護，心電圖成為一種在醫院中所傳播的院內感染來源。
因此，市場上有需要一種可解決上述缺點的系統及方法。
本發明該等實施例係描述一種ECG系統，其可藉由排除以人工識別與準備患者身體上接觸感測器的區域及放置感測器在那些區域上之需要，而輕鬆、不引人注目且快速地從任一患者或個人進行頻繁、不貴且方便的ECG資料記錄。所述系統藉由不接觸及可藉由數小時、多重導程來每天及終身進行監測，而避開了與接觸電極相關的爭議。
在一態樣中，其提供一種使用非接觸式ECG感測器而提供心電圖(ECG)信號之醫療設備(又名DPM)，該醫療設備包括：一輸入端，其適於從一非接觸式ECG感測器陣列接收非接觸式ECG訊號；一處理器，適於執行一選擇程序，該選擇程序包含：偵測位於該非接觸式ECG感測器陣列鄰近處之身體部位；將一非接觸式ECG感測器群組與各個偵測到的身體部位聯結；從各個群組選擇一具有最高訊號品質之非接觸式ECG感測器；該處理器係適以基於所接收到之各選定非接觸式ECG感測器的非接觸式ECG訊號而產生一標準ECG訊號；以及一輸出端，用於發送該標準ECG訊號。
該醫療設備係可為一重量小於2磅之輕量可攜式裝置。
在一實施例中，該選擇程序更包括下列步驟：使用該等與位於身體鄰近處之非接觸式ECG感測器相關聯的非接觸式ECG訊號而取 得人體的身體輪廓；判定在該非接觸式ECG感測器陣列上的人體位置；將該等非接觸式ECG感測器劃分成群，並使用該身體輪廓及人體位置將各個群組與一身體部位聯結；以及從各個群組選擇提供有具最高訊號品質之非接觸式ECG訊號的非接觸式ECG感測器。
在一實施例中，該處理器係可藉由測量各個非接觸式ECG感測器與人體之間的阻抗而識別位於緊靠人體處之非接觸式ECG感測器。
在另一實施例中，該醫療設備係可適於在該與非接觸式ECG感測器陣列有關的人體移動之後，對於一給定身體部位選擇另一非接觸式ECG感測器。在另外一個實施例中，該處理器係可適於連續地重新運行該選擇程序以執行其他非接觸式ECG感測器的選擇。該處理器亦可適於連續地監測與各個身體部位相關聯之所選定非接觸式ECG感測器之訊號品質，以於該訊號品質下降超過一給定閾值時重新運行該選擇程序。
該醫療設備可包括不同的運作模式，包括：一非接觸模式，其輸出一由該非接觸式ECG訊號所產生的第一標準ECG訊號；一混合模式，其輸出一由該非接觸式ECG訊號所產生的第二標準ECG訊號以及接收自習用接觸式電極之習用ECG訊號；以及一旁路模式，其輸出一由接收自習用接觸式電極之習用ECG訊號所產生的第三標準ECG訊號。
該醫療設備可進一步包括一適於控制不同的非接觸式ECG感測器之間的相對阻抗差異之自動增益控制機構，以及因為各個非接觸式ECG感測器與人體之間的距離或服裝材料差異，各個非接觸式ECG感測器對於人體的絕對阻抗。
可設置一有線/無線資料埠，用於在一資料網路上傳送該標準ECG訊號至一遠端裝置。
在另一態樣中，其為一種使用非接觸式ECG感測器而提供 人體的心電圖(ECG)訊號之系統，該系統包括：一感測墊，其包括一非接觸式ECG感測器陣列；一處理器，其在操作上係連接該感測墊，且適於從該等非接觸式ECG感測器接收非接觸式ECG訊號並執行一選擇程序，該選擇程序包含：偵測位於該非接觸式ECG感測器陣列鄰近處之身體部位；將一非接觸式ECG感測器群組與各個偵測到的身體部位聯結；從各個群組選擇一具有最高訊號品質之非接觸式ECG感測器；該處理器係適於產生一基於各個所選定非接觸式ECG感測器之非接觸式ECG訊號的標準ECG訊號；以及一用於發送該標準ECG訊號之輸出端。
在一實施例中，該感測墊包括一供接近人體一定距離放置之接地墊，該接地墊係適於提供關於人體之電容耦合接地參考位準以降低干擾。
在另一實施例中，該接地墊係可利用一衍生自該等非接觸式ECG訊號之反饋訊號來驅動。
該系統可進一步包括一驅動訊號產生器，該驅動訊號產生器係經配置以供給該接地墊一ECG頻段以外的高頻訊號，用於對各個非接觸式ECG感測器判定該電容耦合接地參考位準。
在一實施例中，該非接觸式ECG感測器可包括：一電容電極，其係適於電容性地耦接至人體以輸出代表心臟電活動之電荷；一電動力感測器，其係經配置以偵測及放大由該電容電極所產生的電荷；以及一電極屏罩，其係接近該電極實體設置，用於降低在該電動力感測器之輸入端處之雜散干擾。
該非接觸式ECG感測器係可由撓性材料所製成。
在一實施例中，該感測墊可設置在人體所接觸的織物上。
在另一個態樣中，其提供一種使用非接觸式ECG感測器以 提供人體的心電圖(ECG)訊號之方法，該方法包括：從一非接觸式ECG感測器陣列接收非接觸式ECG訊號；偵測位於該非接觸式ECG感測器陣列鄰近處之身體部位；將一非接觸式ECG感測器群組與各個偵測到的身體部位聯結；從各個群組選擇一具有最高訊號品質之非接觸式ECG感測器；以及產生一基於各個所選定非接觸式ECG感測器之非接觸式ECG訊號的標準ECG訊號。
該方法可進一步包括：使用與該等位於人體鄰近處之非接觸式ECG感測器相關聯的非接觸式ECG訊號來取得人體的身體輪廓；判定在該非接觸式ECG感測器陣列上的人體位置；將該等非接觸式ECG感測器劃分成群，並使用該身體輪廓及人體位置將各個群組與一身體部位聯結；以及從各個群組選擇提供具有最高品質的非接觸式ECG訊號之非接觸式ECG感測器。
在一實施例中，該方法進一步包括藉由測量各個非接觸式ECG感測器與人體之間的阻抗而識別位於緊靠人體處之非接觸式ECG感測器。
該方法可進一步重覆偵測的步驟以連續地選擇，以用於在該與非接觸式ECG感測器陣列有關的人體移動之後，對於一給定身體部位選擇另一非接觸式ECG感測器。在一實施例中，其有可能連續地監測與各個身體部位相關聯之所選定非接觸式ECG感測器之訊號品質，並於在該與非接觸式ECG感測器陣列有關的人體移動之後該訊號品質下降超過一給定閾值時，重覆偵測的步驟以連續地選擇，以對於一給定身體部位選擇另一非接觸式ECG感測器。
下列術語係定義如下：術語「導程」係意欲表示人體上兩個位置之間所測得的電 壓差異，且其提供並顯示PQRSTU波形。
術語「ECG導程」係意欲表示基於人體上的二個醫學上所界定的位置之間所測得的電壓差異、之醫學上所定義的ECG訊號。
標準ECG訊號係為一種與現有的醫療設備互接並符合ECG標準之ECG訊號。標準ECG訊號可包含單一個心律長條圖或任何數量之標準的醫療上所定義ECG導程。
心律長條圖係為任何顯示心律介於PQRSTU波長之間的導程。心律長條圖並不需要從該等醫療上所定義的ECG位置採用ECG訊號。
本發明標的之特徵及優點按照下列所選擇的實施例(如附圖中所示)之詳細說明將更加顯現。應了解到，本發明所揭示及所請求之標的能夠在完全不背離申請專利範圍的範疇之情況下在各方面進行修改。因此，附圖及說明在本質上係視為例示性的而不是限制性的，且本發明標的之完整範疇係陳述於申請專利範圍之中。
2‧‧‧數位處理模組(DPM)
3‧‧‧行動裝置
4‧‧‧雲端
5‧‧‧中繼纜線
6‧‧‧醫療儀器
7‧‧‧感測墊
8‧‧‧標準纜線
9‧‧‧纜線
10、10a、10b‧‧‧感測器
13‧‧‧A/D轉換器
14‧‧‧RLD產生器
15‧‧‧接地墊
17‧‧‧ADC
18‧‧‧數位訊號處理單元
19‧‧‧數位類比轉換器階段
20‧‧‧繼電器
21‧‧‧低功耗藍芽介面
22‧‧‧Wi-Fi
23‧‧‧乙太網路
24‧‧‧整合性聲音警報
25‧‧‧唯讀記憶體
26‧‧‧快閃記憶體
27‧‧‧加密處理模組
29‧‧‧切換矩陣
32‧‧‧電極屏罩
33‧‧‧導電電極
34‧‧‧放大器
35‧‧‧偏壓電路
36‧‧‧屏蔽驅動電路
37‧‧‧基板
38‧‧‧介電層
39、40、41‧‧‧層狀結構
42‧‧‧感測器通道
43‧‧‧可程式增益放大器
44‧‧‧ADC
45‧‧‧處理器
200‧‧‧ECG系統
202‧‧‧感測器矩陣
204‧‧‧選擇演算法
210、212、214、216‧‧‧步驟
220‧‧‧增益控制機構
250‧‧‧使用者
252‧‧‧輪廓
260‧‧‧方法
262、264、266、268‧‧‧步驟
本發明之進一步的特徵及優點將可由下面的詳細描述並結合附圖而顯現，其中：第1圖係為根據一實施例之例示性ECG系統之方塊圖；第2圖係顯示根據一實施例之感測器矩陣之非限制性實例；第3圖係為根據一實施例之說明藉由選擇演算法所執行的主要步驟之流程圖；第4圖係為使用根據一實施例之系統對患者取得完整的PQRSTU波形之實例；第5圖係說明該感測器陣列是如何在不直接接觸患者皮膚的情況下擷取ECG訊號； 第6圖係顯示根據一實施例之非接觸式ECG感測器之例示性感測器設計的方塊圖；第7圖係顯示根據一實施例之非接觸式ECG感測器之實體設計實例；第8圖係顯示根據一實施例之系統之整體設計的例示性方塊圖；第9圖係為根據一實施例之說明一例示性增益控制機構之方塊圖；第10圖係為根據一實施例之說明RLD產生器功能的例示性方塊圖；第11圖係顯示為了取得標準ECG導程之醫學上認可的ECG位置；第12圖係顯示一標準ECG導程的實例，各導程係顯示成人體上的兩個位置之間的向量；第13a及13b圖係顯示該系統如何判定患者身體輪廓之實例；以及第14圖係為一種使用非接觸式ECG感測器來提供人體的心電圖(ECG)訊號之方法的流程圖。
應注意到在整個附圖中，同樣的特徵係以相同的標號來識別。
一種使用非接觸式ECG感測器而提供人體的標準心電圖(ECG)訊號之系統，供輸出訊號至現有的醫療儀器(以及新型/專用的顯示器，或用以於一與計算機裝置相關聯的顯示裝置上觀看)，或供在一遠端/ 本地裝置上儲存或觀看。該系統包括一數位處理模組(DPM)，該數位處理模組係適於連接在織物或類似物上所設的非接觸式ECG感測器陣列。一選擇機構係嵌入該DPM以使得DPM可使用不同ECG感測器的ECG訊號來識別身體部位，並對於各個身體部位選擇最佳的感測器導程。DPM可接著使用針對偵測到的不同身體部位所選定之ECG訊號而產生該標準ECG訊號。該系統係適於連續地重新檢驗其選擇，以確保在身體部位移動之後可針對一給定的身體部位選擇最佳的導程，藉以允許連續且不間斷地對患者進行ECG監測。
本發明將通過參照用來說明本發明而非限制其範圍之以下實例而可更容易理解。
現參照圖式，第1圖係為根據一實施例之例示性ECG系統200之方塊圖。如第1圖所示，該系統200包括一設置在感測墊7(在一非限制性的實施實例中)中之非接觸式感測器陣列，以及一在操作上使用纜線9連接該感測器陣列以從該感測墊7中所設置的感測器取得感測器讀數之數位處理模組(DPM)2。DPM 2可經配置以同時記錄心臟的電生理活動(體表電位圖)，並識別最佳的電極/感測器以輸出一標準ECG訊號(+後心前)至現有的醫療儀器(6)之內。DPM可經由網際網路或資料網路而連接至行動裝置(3)或雲端(4)，使資料容易即時為醫生所獲得，使醫生可快速診斷由DPM 2所偵測到的心律不整及缺血性變化。
在一非限制性實例中，DPM 2可設置成重量小於約2磅或更少之輕量可攜式裝置，且可隨身攜帶以執行持續性的ECG監測。
如上所述，DPM 2可經配置以產生一符合現有醫療標準之輸出訊號，使該輸出訊號與標準接觸式ECG系統所獲得的訊號完全相同，且可以即插即用的方式使用現有的醫療儀器6觀看/讀取(由此不對現有的 醫療儀器進行改變，而讀取與輸出接收自DPM的標準ECG訊號)。DPM 2可包含一適於容置標準纜線(8)之資料輸出插頭，以輸出一訊號而使用現有的醫療儀器6同時讀取。DPM 2也能夠在附接有標準的中繼纜線5之情況下同時記錄接觸式ECG資訊。
然而，DPM 2也可具有嵌入於其本身中或與其相連接之自己的顯示裝置，且可適於經由通訊/資料網路而發送/移動該標準ECG訊號，以使該標準ECG訊號可在一本地/遠端個人電腦或可攜式裝置所獲得。
應注意到第1圖係顯示一非限制性的實施實例。可在不偏離本發明申請專利範圍中所界定的範疇之情況下對該系統200進行改變。例如，儘管第1圖顯示了用於在不同模組之間傳達資料的纜線，可設想到可使用無線連接方式，包含(但不限於)Wi-Fi、藍芽等。
再者，感應器陣列可設在多種其他物件之中，包含：衣服、床及車輛裝置/組件。在另一實例中，該感測器陣列可設置在複數個裝置之中，包含(但不限於)：傢俱(例如椅子、床/床墊/床罩、沙發、座椅、墊蓆)、車載裝置(例如座椅、頭枕、方向盤等)或在一可穿戴裝置之中(例如外套、襯衫、T卹、毛衣、胸罩等)。
選擇演算法
傳統的ECG基於患者的生理機能而支配電極位置，並由此將傳統接觸式電極黏貼到這些位置，維持相對的身體位置但不管患者的移動問題。例如，V1電極應被放置在第四肋間隙至胸骨的右側，RA電極應被放置在右臂，LA電極應放在左臂如RA電極的相同位置上，RL電極應被放置在右腿的側腓腸肌上等等，如第11圖中所例示。這些電極及其位置的重要性在於兩個特定位置之間的電壓差代表了醫學上所定義的ECG導程(如第11及12圖所討論)，且該導程在心電圖中代表了測量與記錄心臟去 極化以產生心電圖所沿著的向量。
因此為了產生兼容於傳統ECG標準的ECG訊號，儘管是以非接觸的方式收集數據，但必須遵循相同的原則。
第2圖係顯示根據一實施例之感測器矩陣202之非限制性實例。如第2圖所示，該矩陣202包括配置成矩陣結構之n列與m行的感測器10，使得不論患者是如何放置在該矩陣202上，總會有至少一個感測器會座落在患者身體上對應習用ECG電極實際放置之位置處。使用嵌入於DPM 2中的適應性演算法，可使用該矩陣202而藉由從該矩陣202選擇一對應於患者身體上之一已定義ECG位置的給定感測器10來取得連續的ECG讀數。
第3圖係為根據一實施例之說明藉由一選擇演算法204所執行的主要步驟之流程圖。在步驟210中，該演算法係藉由測量各個感測器10與患者之間的阻抗而偵測哪些感測器10緊接著患者的身體。這允許偵測可使用的感測器10以藉由這些感測器10(即經判定為緊接於身體之感測器)從ECG訊號輸出端取得資料，再接著進行分析以取得患者的身體輪廓。
在一個非限制性的實施實例中，該等實施例可使用不同類型的資訊來取得身體輪廓。第一種類型為代表身體與感測器之間的距離之耦合阻抗。當耦合阻抗太高時，該感測器係離身體太遠而無法使用。第二種類型為該訊號本身，例如該訊號的型態特徵及訊號看起來的樣子，以查看該訊號是否具有一般的ECG圖案與否(PQRSTU波形)。第三種資訊類型係有關該等提供良好ECG訊號之ECG感測器的幾何位置。這些感測器及其位置提供了人體幾何形狀的指標，如第13a及13b圖中所例示。在第13a圖的實例中，假設使用者250躺在一嵌入有感測墊202於其內之床墊上， 接近患者身體的感測器10a將取得良好的ECG訊號，而患者身體外的感測器10b將無法取得良好的訊號。基於此資訊及各感測器在感測墊202上的位置，DPM 2可藉判定形狀、寬度及其他患者身體的尺寸而取得患者身體的輪廓252，如第13b圖所例示。使用此資訊及一組嵌入於DPM 2內的規則，DPM 2可接著偵測/判定身體部分的位置，並將一或多個感測器10與供ECG用途之各個身體部位/身體位置相聯結，如下所述。
在步驟212中，該演算法分析接收自該等感測器之ECG訊號，並將其與已偵測到的身體輪廓結合以找出該感測墊上的患者身體位置。在步驟214中，該演算法係使用由步驟210及212所獲得的資訊而執行各個感測器10於該身體上之座落處的映射。一旦找到接近各個主要身體部位供ECG用途之感測器群組(右臂、左臂等)，來自該等相鄰的感測器的訊號係經比較並在步驟216中過濾，以選擇單一個具有最佳ECG訊號的感測器來接收並記錄來自各別身體部位的ECG資料。
在一實施例中，DPM 2可適於連續且動態地運行該選擇演算法204，以即時重新檢驗取自該等感測器10的讀數而重新驗證該具有最佳ECG讀數的感測器10之選擇，進而不斷地將病人的移動考慮進去，由此可選擇一個提供比先前在移動前所選定者有更好的讀數之新感測器10。
在另一實施例中，該系統可於患者移動時進行偵測，並於判定何時需要再次運行演算法以重新計算是否需要進行新的選擇。例如，該系統可監測訊號的強度/品質，並於訊號品質下降到低於一給定閾值時進行判定而重新運行選擇演算法204。
PQRSTU波形的偵測
如上所述，該系統可經配置以記錄心臟的電生理活動及ECG。特別是該系統可設計來獲得完整的PQRSTU頻譜構成的ECG波形， 如第4圖中所例示，其顯示使用根據一實施例之系統所取得之患者完整PQRSTU波形實例。第4圖所示之PQRSTU波形係由心臟所產生且由該系統所擷取，以供醫生查看診斷。在一實施例中，該系統擷取ECG讀數並對其進行處理，以產生可使用現有的醫療儀器讀取及查看之ECG訊號，並產生與標準接觸式ECG系統所產生者完全一致的波形，且因而在所有應用層面上可用來取代標準ECG系統。
不用說的是，該非接觸式感測器10並不產生兼容於現有醫療儀器(例如螢幕或類似物)的輸出訊號且因而無法與這些儀器互接，因此需要進一步處理。在一實施例中，DPM將獲得的訊號轉換成與用於現有醫療儀器國際標準相符的格式。這容許在不需要取代現有的診斷醫療裝置或重新訓練醫生及醫學專家之情況下，可無縫取代習用的接觸式心電圖系統。這類的轉換可在數位類比轉換器階段(19)中結合使用數位訊號處理及類比輸出電路而在DPM 2中執行。
感測器設計
如上所述，該等實施例使用非接觸示ECG感測器10來取得患者的ECG讀數。該等感測器10係特別設計成在不需要直接以電極接觸患者的皮膚而從患者身上擷取高品質的ECG。這可將該等感測器10以離患者一定距離及/或以織物(諸如衣服、床單等)而與患者皮膚分開之方式來放置，如第5圖所例示，其顯示了該感測器陣列如何在不直接與患者皮膚接觸的情況下擷取ECG訊號之實例。
第6圖係顯示根據一實施例之例示性感測器設計的方塊圖。如第6圖所示，該等感測器10可包含一導電電極33、一電極屏罩32及一電動力感測器，該電動力感測器包含一放大器34與一偏壓電路35電壓。在第6圖的例示性設計中，該增益/電流緩衝放大器34係可以一種負回饋布 局的類型來使用，而該輸入偏壓網路35係適於增加該放大器34的有效輸入阻抗，以保留所獲得到的ECG之訊號品質。該電動力感測器的輸入端係連接該導電電極33。可利用一屏蔽驅動電路(36)來產生一回饋訊號以連接該電極屏罩32，進而藉由降低在電動力感測器的輸入端所看到的寄生電容來增加訊噪比(SNR)的比率。
電極33係可藉由接近但不碰觸皮膚/身體的方式而電容性地耦接至患者身體。這可藉由穿著衣服的同時躺在一具有感測器10陣列嵌入於其內之床上而實現。由心臟的電活性於接近患者皮膚表面處所建立的電場係在不直接電性接觸的情況下於該導電電極33上電容性地誘發電荷。此電荷可接著被該電動力感測器收集及放大，進而產生一代表該位置處(完整的PQRSTU)之心臟電活性的電訊號(電壓)。
電極屏罩32係經配置以降低該電動力感測器所接收到的雜散干擾數量，也減少該放大器34輸入端的有效電容，以助於保留所獲得到的ECG之訊號品質。
在一非限制性的實施實例中，電極33及該電極屏罩32二者係可由彈性/撓性材料所製成，使該感測器10可更適於人體的幾何形狀並取得更好的ECG讀數。與此同時此配置使該等感測器10可無縫地設置在該感測器陣列所待設置之織物(或下列各物中之一者：凝膠/矽膠/橡膠墊/墊體等)內。
第7圖係顯示該感測器10之實體設計實例。如第7圖所例示，該實體設計包含在實體上實施為層狀結構39之導電電極33，在實體上實施為層狀結構40之電極屏罩32，且其餘的電路係嵌入該層狀結構41內。整個結構係可(例如)在基板37(其亦可為印刷電路板)上生成。在第7圖所示的設計中，該等層狀結構39、40、41係可藉由介電層38而彼此絕 緣，以提供電性絕緣。
第8圖係顯示根據一實施例之系統之整體設計的例示性方塊圖。
參照第8圖，以及上述關於第1圖之部分，該系統可包含一包括有非接觸式ECG感測器(下稱CECG感測器10)之感測墊7，該等感測器係可設置成陣列202形式，諸如第2圖中所示者。感測墊7也可包含一接地墊15、一驅動電路(例如右腿驅動(RLD)產生器14，如下文中所述)以及A/D轉換器13。該感測墊7將該等感測器10之數位化ECG讀數輸出至DPM 2。該RLD產生器14係經配置以供給該接地墊15一個ECG頻段以外的高頻訊號。此高頻訊號接著通過患者身體而耦合至該等CECG感測器，該等CECG感測器記錄了振幅並由DPM 2進行分析。這給予了該系統各個感測器與患者耦合程度的度量，以及有效的阻抗測量來判定來自各個感測器的訊號品質程度。
除了數位化CECG感測器資料之外，DPM 2亦可經配置以接收習用電極之類比格式的標準ECG資料。這樣的類比ECG資料係可選擇性地通過標準接觸式電極與中繼纜線(5)的使用而獲得。該類比訊號係可使用ADC17轉換。該等訊號接著可使用數位訊號處理單元18來過濾，並輸出於各種有線及無線介面(Wi-Fi(22)/乙太網路(23)至手持裝置的app(3)/雲端伺服器(4)及通過該「類比CECG & ECG輸出」介面而至現有的醫療儀器(6))。
DPM 2可包含某些類型的非揮發性記憶體，例如用於儲存ECG資料之快閃記憶體26(如有必要)。DPM 2亦可經設置以執行急性問題的診斷，並傳送警示通過該等通訊介面中之一者或一整合性聲音警報(24)。DPM 2亦可包含一低功耗藍芽介面(21)以能夠由使用者通過行動裝置 進行配置。亦可包含一唯讀記憶體(25)以儲存唯一識別碼。亦可使用一加密處理模組(27)以加密及解密通過該等通訊介面所傳送的/接收到的資料，並安全地儲存此加密資料的金鑰。
所有的感測器資料(非接觸式與接觸式)係可發送通過該等有線及無線介面。該選擇演算法204(如上面第3圖所述)決定哪一個感測器資訊應被輸出通過該類比介面19至現有的醫療儀器。可設置一繼電器20以於接收自該等習用電極與該等非接觸式感測器10的類比資料之間切換，並讓DPM 2於該二者之間進行比較。DPM 2係可經配置在不影響該接觸式ECG訊號(需要的話)的情況下被關閉而如直通纜線般作用(由該處理單元及繼電器(20)所控制)。其亦可在「混合模式」中使用，在此期間可將CECG及ECG感測器的組合輸出通過類比介面(若其改善ECG訊號的品質時)。
自動增益校正
由於電生理感測器10的輸入阻抗大(但有限)，各個感測器10與患者身體之間的電容耦合變化(例如，)可造成各個感測器通道的增益變化。這具有影響ECG導程振幅的效果，以相同的方式乾涸的接觸式黏附電極會產生比新的電極較低品質的訊號。為解決此問題，係設有一增益控制機構讓該系統可於不同的非接觸式ECG感測器之間控制相對的阻抗差異，以及歸因於各個非接觸式ECG感測器與人體之間的距離差異之各個非接觸式ECG感測器與人體之間的絕對阻抗。如第9圖所示，可在各個感測器通道42上設置一可程式增益放大器43(類比或數位範圍)以補償由該等感測器10與患者之間的耦合差異而造成的增益變化。第9圖係為根據一實施例之說明一例示性增益控制機構220之方塊圖。如第9圖所示，該增益控制機構220可包含一反饋迴路，其包含一耦合於可程式增益放大器43 與處理器45之間的ADC 44，且該處理器本身係連接可程式增益放大器43以於變化發生時即時控制其增益。
該處理器45係可為一專用處理器，也可以是嵌入DPM 2之處理單元18內的處理器模組。
右腿驅動
再參照第8圖，其顯示一接地墊15，該接地墊在運作上應接近但不接觸(在一定距離下)接近患者身體放置。此接地墊係以一衍生自該等ECG訊號之反饋訊號來驅動，以提供關於該患者身體之電容耦合接地參考位準。該反饋訊號係以增加該系統之共模排斥比(CMRR)的方式(一般情況下超過10dB)而衍化。這減少了來自共模訊號的干擾，並保留所獲得ECG的訊號品質。
第10圖係為根據一實施例之說明RLD產生器14的功能之例示性方塊圖。如第10圖所示，接收自該等感測器的資料係使用一切換矩陣(29)來選擇(或拋棄)，該切換矩陣係選擇特定的感測器10且使用該處理單元(18)中以數位化實施的RLD演算法來獲得資料。該等訊號接著經合計(29)、反轉及放大(30)。這構成了用於接地墊15的驅動訊號。
RLD演算法係經配置以監測由各個感測器所獲得的共模訊號(並通過擴展，從選擇演算法輸出ECG訊號)。RLD演算法可在RLD訊號被應用在關於患者的反饋配置之後，選擇該組可增加系統共模排斥比的感測器。
獲得的導程
如上所述，比較當前的ECG與舊的ECG之能力導致了龐大的醫療價值，且這在現有不允許長期監測的系統中是不可能的。例如， 異常的ECG並無法證實急性的心臟疾病，且正常的ECG並無法排除心臟疾病。因此需要比較新的ECG與過去所做的ECG。特徵包括：
●是否有心律的改變？
●是否有頻率的改變？
●是否有傳導時間的改變？
●是否有心軸的改變？
●是否有新的病理性Q波？
●是否有R波大小的改變？
●是否有ST的改變？
●是否有T波的改變？
上述改變立即導致進一步的調查。在心電圖中的變化可進一步分類為急性與慢性，然而，該二者皆需要比較心電圖。
一般而言，當電極的數目增加時，可能可以減少監測時間。目前，當前標準的一個主要限制為利用多個電極獲得長期監測的難度，因為受到放置多個電極並維持其在身體上的內在限制。
上述系統可允許在第一次進行心電圖的連續比較。此系統已被證明可獲取後部的ECG導程。根據經修飾的Mason-Likar導程系統，可從躺在內嵌於床墊、椅子等感測器矩陣上的患者獲取16導程ECG。所獲取的導程包含：Leads I、II、III、aVr、aV1、aVf、V1、V1R、V2、V2R、V3、V3R、V4、V4R、V5、V5R，如第11圖及第12圖所例示。第11圖係顯示為了取得標準ECG導程之醫學上認可的ECG位置，而第12圖係顯示一標準ECG導程的實例，各導程係顯示成人體上的兩個位置之間的向量。
包含該等感測器10之感測墊係可以無法察覺的方式放置在床墊下，使得可從後部導程(例如俯臥位)來獲取ECG資料。該系統可基 於所使用的Mason-Likar感測器放置位置以在壓力測試期間獲得ECG。因為肌電位、動作及干擾波等以及限制10秒的12導程ECG印出，故未使用標準的12導程放置位置，且其對於短至長程的監測並不實用。
後部設置的電極係為一種獲取ECG的可接受方法，且對於更常使用的前部導線佈置方法，其實際上在某些情況下係做為輔助。前部導線佈置因方便而成為目前所使用的唯一導線佈置類型。然而，俯臥位ECG導程在某些情況下係以標準電極來執行，但由於內在的難度而不是標準做法。
第14圖係為一種使用非接觸式ECG感測器來提供人體的心電圖(ECG)訊號之方法的流程圖。如第14圖所示，方法260在步驟262中係藉由從非接觸式ECG感測器陣列接收非接觸式ECG訊號而開始。步驟264包括偵測位於該非接觸式ECG感測器陣列身體部位鄰近處之身體部位。步驟266包括從各個群組選擇出一具有最高訊號品值的非接觸式ECG感測器。步驟268包括基於各個所選定非接觸式ECG感測器之非接觸式ECG訊號來產生一標準ECG訊號。
儘管已在上文中描述較佳實施例並顯示於附圖中，對於本領域技術人員而言，明顯地可在不偏離本發明的情況下對本發明做出修改。這類修改係被視為本發明範疇中所包括的可能變化。

Claims (20)

  1. 一種數位處理模組(DPM)，用於提供人體的心電圖(ECG)訊號以用於在一遠端/本地裝置上儲存及/或查看，該數位處理模組包括：- 一輸入端，適於從一非接觸式ECG感測器陣列接收該人體的非接觸式ECG訊號；- 一處理器，適於執行一選擇程序，該選擇程序包含：- 使用接收自位於人體鄰近處之非接觸式ECG感測器而取得人體的身體輪廓；- 使用一組嵌入於該數位處理模組內的規則而偵測位於該身體輪廓中的一或多個身體部位；- 將一非接觸式ECG感測器群組與各個偵測到的身體部位聯結；- 從各個群組選擇一具有與所述非接觸式ECG感測器群組相關聯之身體部位的最高訊號品質之非接觸式ECG感測器；該處理器係適於產生一基於接收自所選定非接觸式ECG感測器之非接觸式ECG訊號的標準ECG訊號；以及- 一輸出端，用於發送該標準ECG訊號至該遠端/本地裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之數位處理模組，其中該處理器係進一步適於執行下列步驟：a.判定在該非接觸式ECG感測器陣列上的人體位置；b.將該等非接觸式ECG感測器劃分成群，並使用該身體輪廓及人體位置將各個群組與一身體部位聯結；且c.從各個群組中選擇提供有最高訊號品質的非接觸式ECG感測器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之數位處理模組，其中該處理器係藉由測量各個非接觸式ECG感測器與人體之間的阻抗而識別位於緊靠人體處之非接觸式ECG感測器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之數位處理模組，其中該處理器係適於在與非接觸式ECG感測器陣列有關的人體移動之後，對於一給定身體部位選擇另一個非接觸式ECG感測器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之數位處理模組，其中該處理器係適於連續地重新運行該選擇程序以執行其他非接觸式ECG感測器的選擇。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之數位處理模組，其中該處理器係適於連續地監測與各個身體部位相關聯之所選定非接觸式ECG感測器之當前訊號品質，以於所述當前訊號品質下降超過一給定閾值時重新運行該選擇程序。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之數位處理模組，其更包括一自動增益控制機構，適於控制不同的非接觸式ECG感測器之間的相對阻抗差異，以及歸因於各個非接觸式ECG感測器與人體之間的距離或服裝材料種類的差異之各個非接觸式ECG感測器與人體之間的絕對阻抗。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之數位處理模組，其更包括一用於在一資料網路上傳送該標準ECG訊號至一遠端裝置之有線/無線資料埠。
  9. 一種提供人體的心電圖(ECG)訊號以用於在一遠端/本地裝置上儲存及/或查看之系統，該系統包括：- 一包含有一感測墊之織物，該感測墊包括一非接觸式ECG感測器陣列；- 一處理器，其在操作上係連接該感測墊，且適於從該等非接觸式ECG感測器接收非接觸式ECG訊號並執行一選擇程序，該選擇程序包含：- 使用接收自位於人體鄰近處之非接觸式ECG感測器而取得該人體的身體輪廓；- 使用一組嵌入於數位處理模組內的規則而偵測位於該身體輪廓中的一或多個身體部位；- 將一非接觸式ECG感測器群組與各個偵測到的身體部位聯結；- 從各個群組選擇一具有與所述非接觸式ECG感測器群組相關聯之身體部位的最高訊號品質之非接觸式ECG感測器；該處理器係適於產生一基於接收自所選定非接觸式ECG感測器之非接觸式ECG訊號的標準ECG訊號；以及- 一輸出端，用於發送該標準ECG訊號至該遠端/本地裝置。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該感測墊包括一供接近人體一定距離放置之接地墊，該接地墊係適於提供關於人體之電容耦合接地參考位準以降低干擾。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之系統，其更包括一驅動訊號產生器，該驅動訊號產生器係經配置以供給該接地墊一ECG頻段以外的高頻訊號，用於對各個非接觸式ECG感測器判定該電容耦合接地參考位準。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該非接觸式ECG感測器包括：- 一電容電極，其係適於電容性地耦接至人體以輸出代表心臟電活動之電荷；- 一電動力感測器，其係經配置以偵測及放大由該電容電極所產生的電荷；以及- 一電極屏罩，其係接近該電極實體設置，用於降低在該電動力感測器之輸入端處之雜散干擾。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該非接觸式ECG感測器係由撓性材料所製成。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該感測墊係設置在人體所接觸的織物上，或設置在下列各物中之其中一者上：凝膠、矽膠、橡膠墊及墊體。
  15. 一種使用非接觸式ECG感測器以提供人體的心電圖(ECG)訊號之方法，該方法包括：- 從一非接觸式ECG感測器陣列接收非接觸式ECG訊號；- 取得人體的身體輪廓；- 偵測位於該身體輪廓中的身體部位；- 將一非接觸式ECG感測器群組與各個偵測到的身體部位聯結；- 從各個群組選擇一具有與所述非接觸式ECG感測器群組相關聯之身體部位之最高訊號品質的非接觸式ECG感測器；- 基於接收自所選定非接觸式ECG感測器之非接觸式ECG訊號而產生並輸出一標準ECG訊號。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其更包括：- 判定在該非接觸式ECG感測器陣列上的人體位置；- 將該等非接觸式ECG感測器劃分成群，並使用該身體輪廓及人體位置將各個群組與一身體部位聯結；- 從各個群組中選擇提供有最高訊號品質的非接觸式ECG感測器。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其更包括藉由測量各個非接觸式ECG感測器與人體之間的阻抗而識別位於緊靠人體處之非接觸式ECG感測器。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其更包括：重覆偵測的步驟以連續地選擇，以用於在與非接觸式ECG感測器陣列有關的人體移動之後，對於一給定身體部位選擇另一非接觸式ECG感測器。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其更包括連續地監測與各個身體部位相關聯之所選定非接觸式ECG感測器之當前訊號品質；以及於與非接觸式ECG感測器陣列有關的人體移動之後，所述當前訊號品質下降超過一給定閾值時，重覆所述偵測、聯結及選擇步驟，以為所述身體部位中之至少一者選擇另一非接觸式ECG感測器。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其更包括控制不同的非接觸式ECG感測器之間的相對阻抗差異，以及歸因於各個非接觸式ECG感測器與人體之間的距離或服裝材料種類的差異之各個非接觸式ECG感測器與人體之間的絕對阻抗。
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US20130204100A1 (en) * 2006-06-15 2013-08-08 Wireless Live D/B/A Peerbridge Health Wireless electrode arrangement and method for patient monitoring via electrocardiography

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