一种环形带状无线便携式心电监测系统

1.本发明属于医疗监护技术领域，具体涉及一种环形带状无线便携式心电监测系统。


背景技术：

2.无线通信和集成电路的快速发展创新极大的带动了医疗技术的发展。例如，智能心电监护设备的使用为心血管疾病的患者带来不少福利。尽管人们在心电监护设备方面的研究已经做了大量的工作，但由于可靠性和可行性方面的困难，它们在医疗保健中的应用仍然有限。
3.目前常见的心电监护设备有医用医疗级心电监护设备、便携式心电监护仪以及可穿戴式心电监护仪。医用医疗级心电监护设备存在体积较大，价格昂贵、操作不便等特点，使得使用人群大大受限。目前市场上存在的便携式心电监护仪虽体积小，但依然存在因导联线多，使人行动不便等弊端，无法在日常生活外出行走中使用。可穿戴式心电监护仪虽解决因导联线限制肢体行动的问题，但仍然存在穿戴不便，整体设备与人体皮肤接触面积较大，在夏季闷热的条件下使用效果大打折扣。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种环形带状无线便携式心电监测系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种环形带状无线便携式心电监测系统，包括：信号采集装置以及信号处理装置，其中，
6.所述信号采集装置用于采集心电模拟信号，所述信号处理装置用于对所述心电模拟信号进行处理得到心电数字信号，并将所述心电数字信号传输至终端设备；
7.所述信号采集装置包括若干个耦合电路电极贴片，通过将所述耦合电路电极贴片贴附于人体的躯干以及心脏位置处采集所述心电模拟信号；
8.所述信号处理装置包括环形带状绑带以及设置在所述环形带状绑带上的信号处理模块，其中，所述环形带状绑带上设置有若干第一连接件，该第一连接件与所述耦合电路电极贴片对应连接；
9.所述信号处理模块通过所述第一连接件以及铺设在所述环形带状绑带内部的若干导线与所述信号采集装置连接。
10.在本发明的一个实施例中，所述信号采集装置包括右上肢耦合电路电极贴片、左上肢耦合电路电极贴片、右下肢耦合电路电极贴片、左下肢耦合电路电极贴片、第一胸部耦合电路电极贴片、第二胸部耦合电路电极贴片、第三胸部耦合电路电极贴片、第四胸部耦合电路电极贴片、第五胸部耦合电路电极贴片和第六胸部耦合电路电极贴片。
11.在本发明的一个实施例中，所述耦合电路电极贴片包括依次连接的导电石墨烯电极、滤波电路模块和第二连接件，其中，
12.所述导电石墨烯电极用于采集原始心电信号；
13.所述滤波电路模块用于对所述原始心电信号进行滤波处理，得到所述心电模拟信号；
14.所述第二连接件与所述环形带状绑带上设置的所述第一连接件对应连接。
15.在本发明的一个实施例中，所述滤波电路模块包括依次连接的陷波滤波单元、低通滤波单元和高通滤波单元；所述陷波滤波单元、所述低通滤波单元和所述高通滤波单元依次对所述原始心电信号进行滤波处理，滤除干扰信号得到所述心电模拟信号。
16.在本发明的一个实施例中，所述信号处理模块包括主控单元、心电信号处理单元、无线传输单元和电源管理单元，其中，
17.所述主控单元用于控制所述心电信号处理单元对所述心电模拟信号进行处理，将接收的所述心电数字信号发送至所述无线传输单元，并控制所述无线传输单元进行数据传输；
18.所述心电信号处理单元用于根据所述主控单元发送的第一控制信号对所述心电模拟信号进行差分、放大和数模转换处理，得到所述心电数字信号，并将所述心电数字信号发送至所述主控单元；
19.所述无线传输单元用于根据所述主控单元发送的第二控制信号将所述心电数字信号无线传输至所述终端设备；
20.所述电源管理单元用于对所述心电信号处理单元、所述主控单元和所述无线传输单元供电。
21.在本发明的一个实施例中，所述主控单元为stm32f103微控制器。
22.在本发明的一个实施例中，所述心电信号处理单元包括第一ads1296芯片和第二ads1296芯片，其中，
23.所述第一ads1296芯片和所述第二ads1296芯片的din管脚接收所述控制信号；
24.所述第一ads1296芯片和所述第二ads1296芯片的dout管脚输出所述心电数字信号；
25.所述第一ads1296芯片的in1p管脚与所述右上肢耦合电路电极贴片连接，in1n管脚与所述左上肢耦合电路电极贴片连接，in2p管脚与所述左下肢耦合电路电极贴片连接，in2n管脚复用其in1n管脚导联线得到的信号；
26.所述第一ads1296芯片的rdlout管脚与所述右下肢耦合电路电极贴片连接；
27.所述第二ads1296芯片的in3p、in4p、in5p、in6p、in7p、in8p管脚分别与所述第一胸部耦合电路电极贴片、所述第二胸部耦合电路电极贴片、所述第三胸部耦合电路电极贴片、所述第四胸部耦合电路电极贴片、所述第五胸部耦合电路电极贴片和所述第六胸部耦合电路电极贴片对应连接；
28.所述第二ads1296芯片的in3n、in4n、in5n、in6n、in7n、in8n管脚均与所述第一ads1296芯片的wct管脚连接。
29.在本发明的一个实施例中，所述无线传输单元为蓝牙模块。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
31.本发明的环形带状无线便携式心电监测系统，其体积小、利用无线发送数据、使用过程中不限制人体走动，而且与人体总体接触面积较小，在夏季炎热条件下使用不受限。
32.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的一种环形带状无线便携式心电监测系统的结构框图；
34.图2是本发明实施例提供的一种耦合电路电极贴片的结构示意图；
35.图3是本发明实施例提供的一种滤波电路模块的电路图；
36.图4是本发明实施例提供的一种信号处理装置的实物示意图；
37.图5是本发明实施例提供的一种信号处理模块的结构框图；
38.图6是本发明实施例提供的一种主控单元的电路图；
39.图7是本发明实施例提供的一种心电信号处理单元的电路图；
40.图8是本发明实施例提供的心电信号处理单元的电路与人体对应点连接示意图；
41.图9是本发明实施例提供的一种无线传输单元的电路图；
42.图10是本发明实施例提供的一种电源管理单元的电路图。
43.图11是本发明实施例提供的一种环形带状无线便携式心电监测系统的应用场景示意图；
44.图12是本发明实施例提供的一种环形带状无线便携式心电监测系统的穿戴示意图。
具体实施方式
45.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种环形带状无线便携式心电监测系统进行详细说明。
46.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
47.实施例一
48.请结合参见图1，图1是本发明实施例提供的一种环形带状无线便携式心电监测系统的结构框图，如图所示，本实施例的环形带状无线便携式心电监测系统，包括：信号采集装置100以及信号处理装置200，其中，信号采集装置100用于采集心电模拟信号，信号处理装置200用于对心电模拟信号进行处理得到心电数字信号，并将心电数字信号传输至终端设备。
49.在本实施例中，信号采集装置100包括若干个耦合电路电极贴片101，通过将耦合电路电极贴片101贴附于人体的躯干以及心脏位置处采集心电模拟信号。
50.进一步地，信号处理装置200包括环形带状绑带201以及设置在环形带状绑带201上的信号处理模块202，其中，环形带状绑带201上设置有若干第一连接件203，该第一连接件203与耦合电路电极贴片101对应连接；信号处理模块202通过第一连接件203以及铺设在
环形带状绑带内部的若干导线与信号采集装置100连接。
51.具体地，在本实施例中，信号采集装置100包括8个耦合电路电极贴片101，分别为右上肢耦合电路电极贴片ra、左上肢耦合电路电极贴片la、右下肢耦合电路电极贴片rl、左下肢耦合电路电极贴片ll、第一胸部耦合电路电极贴片v1、第二胸部耦合电路电极贴片v2、第三胸部耦合电路电极贴片v3、第四胸部耦合电路电极贴片v4、第五胸部耦合电路电极贴片v5和第六胸部耦合电路电极贴片v6。
52.环形带状无线便携式心电监测系统在工作过程中，右上肢耦合电路电极贴片ra、左上肢耦合电路电极贴片la、右下肢耦合电路电极贴片rl、左下肢耦合电路电极贴片ll分别贴附于人体的躯干的右上方、左上方、右下方和左下方位置处，第一胸部耦合电路电极贴片v1、第二胸部耦合电路电极贴片v2、第三胸部耦合电路电极贴片v3、第四胸部耦合电路电极贴片v4、第五胸部耦合电路电极贴片v5和第六胸部耦合电路电极贴片v6依次贴附于人体的心脏位置处。
53.进一步地，请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种耦合电路电极贴片的结构示意图。如图所示，本实施例的耦合电路电极贴片101包括依次连接的导电石墨烯电极1011、滤波电路模块1012和第二连接件1013，在本实施例中，导电石墨烯电极1011、滤波电路模块1012和第二连接件1013均是通过导联线相连接。
54.具体地，导电石墨烯电极101用于采集原始心电信号；滤波电路模块用1012于对原始心电信号进行滤波处理，得到心电模拟信号；第二连接件1013与环形带状绑带201上设置的第一连接件203对应连接。
55.在本实施例中，导电石墨烯电极1011采用柔性电极石墨烯材料，将其贴附于人体上采集原始心电信号，由于柔性电极石墨烯材料具有良好的生物相容性，可以做到无违和感和佩戴感，无毒无害，长期佩戴也不会对皮肤造成损伤，更适用于需要长期监测的场景。
56.进一步地，滤波电路模块1012包括依次连接的陷波滤波单元、低通滤波单元和高通滤波单元，其中，陷波滤波单元、低通滤波单元和高通滤波单元依次对原始心电信号进行滤波处理，滤除干扰信号得到心电模拟信号。
57.可选地，在本实施例中，陷波滤波单元为50hz陷波器，低通滤波单元为100hz四阶巴特沃斯低通滤波器，高通滤波单元为四阶0.05hz巴特沃斯高通滤波器，具体的电路结构如图3所示，图3是本发明实施例提供的一种滤波电路模块的电路图，在该有源电路的设计和器件选择中，选择lm6144放大器作为该设计的运放元器件。
58.可选地，第二连接件1013为纽扣母扣，第一连接件203为纽扣公扣。
59.进一步地，请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种信号处理模块的结构框图，如图所示，信号处理模块202包括主控单元2021、心电信号处理单元2022、无线传输单元2023和电源管理单元2024。在本实施例中，主控单元2021、心电信号处理单元2022、无线传输单元2023和电源管理单元202集成在硬件pcb电路板上，如图4所示，图4是本发明实施例提供的一种信号处理装置的实物示意图。
60.具体地，主控单元2021用于控制心电信号处理单元2022对心电模拟信号进行处理，将接收的心电数字信号发送至无线传输2023单元，并控制无线传输单元2023进行数据传输；心电信号处理单元2022用于根据主控单元2021发送的第一控制信号对心电模拟信号进行差分、放大和数模转换处理，得到心电数字信号，并将心电数字信号发送至主控单元
2021；无线传输单元2023用于根据主控单元2021发送的第二控制信号将心电数字信号无线传输至终端设备；电源管理单元2024用于对心电信号处理单元2021、主控单元2022和无线传输单元2023供电。
61.在本实施例中，主控单元2021为stm32f103微控制器，心电信号处理单元2022包括两个ads1296芯片，无线传输单元2023为蓝牙模块，该蓝牙模块为蓝牙hc-05。
62.请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种主控单元的电路图，本实施例选择基于32位cortex-m3中央处理器的stm32f103微控制器作为主控单元2021，具体地，心电信号处理单元2022的ads1296芯片使用spi(serial peripheral interface)串行外设接口总线进行数据通信。spi以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线：数据输入(sdi)、数据输出(sdo)、总线时钟(sclk)、片选(cs)。在本实施例中两个ads1296芯片都以从机身份进行通信，mcu(微控制器)以主机身份对ads1296芯片进行芯片的控制命令输入、寄存器数据配置写入，以及采集完成后的数据的读出。
63.具体地，在实施例中，使用了分时复用的方式，通过stm32f103微控制器的片选信号线18管脚cs1和19管脚cs2分别控制两片ads1296芯片。14号管脚ready信号线可以在ads1296芯片完成数据转换之后发出一个下降沿信号，用于提示mcu通过控制相对应的cs信号，并使能spi传输将转换好的数据读取到相对应的内存中。stm32f103微控制器的7号管脚reset信号线在初始化的过程中用于复位adds1296芯片，在设备运行的过程中也可以通过控制该信号线，停止使用数据采集功能并将adds129芯片进入待机模式。
64.进一步地，stm32f103微控制器通过rx与tx管脚与蓝牙模块进行信息输入输出，而蓝牙hc-05的en信号线是蓝牙模块的控制使能位，at信号线则是识别是否进入at模式。
65.进一步地，stm32f103微控制器的swdio、boot0与swclk信号线所对应的端口则是本设计的程序烧录端口。
66.请结合参见图7和图8，图7是本发明实施例提供的一种心电信号处理单元的电路图，图8是本发明实施例提供的心电信号处理单元的电路与人体对应点连接示意图。如图所示，在本实施例中，心电信号处理单元包括第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2。其中，第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2的din管脚接收控制信号；第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2的dout管脚输出心电数字信号。
67.需要说明的是，start1和start2信号用于分别控制第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2采样的开始和停止，在本实施例中，可以用于同步两片芯片的采样时刻，保证每个通道的数据都是在相同的时刻采集到的。cs1与cs2分别作为第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2的片选信号线，当stm32f103微控制器选择哪个片选cs，则该芯片将数据通过管脚dout进行输出至stm32f103微控制器。第一ads1296芯片u1的cs1信号线接在stm32f103微控制器的18号管脚，第二ads1296芯片u2的cs2信号线接在stm32f103微控制器的19号管脚。第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2的信号输出dout管脚同时接在stm32f103微控制器的16号管脚。sclk是时钟管脚，用于为ads1296芯片工作提供一个系统时钟，第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2的sclk管脚同时接在stm32f103微控制器的15号管脚。din为信号输入线管脚，stm32f103微控制器是通过该管脚将相关操作指令(即第一控制信号)传输给第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2，第一ads1296芯片u1和第二ads1296芯片u2的din管脚同时接在stm32f103微控制器的17号管脚。
68.进一步地，第一ads1296芯片u1的in1p管脚与右上肢耦合电路电极贴片ra连接，in1n管脚与左上肢耦合电路电极贴片la连接，in2p管脚与左下肢耦合电路电极贴片ll连接，in2n管脚复用其in1n管脚导联线得到的信号；第一ads1296芯片u1的rdlout管脚与右下肢耦合电路电极贴片rl连接，rdlout管脚用于将右腿驱动电路生成通道中生成的右腿驱动信号输出至人体的右腿，以用来抑制共模干扰，提高心电信号的准确性。
69.进一步地，第二ads1296芯片u2的in3p、in4p、in5p、in6p、in7p、in8p管脚分别与第一胸部耦合电路电极贴片v1、第二胸部耦合电路电极贴片v2、第三胸部耦合电路电极贴片v3、第四胸部耦合电路电极贴片v4、第五胸部耦合电路电极贴片v5和第六胸部耦合电路电极贴片v6对应连接。
70.在本实施例中，第二ads1296芯片u2的in3n、in4n、in5n、in6n、in7n、in8n管脚均与第一ads1296芯片u1的wct管脚连接，第一ads1296芯片u1在wct管脚输出一个wct信号，该信号做为胸部导联的参考电压使用。
71.如图8所示，对本实施例的心电信号处理单元的信号处理过程进行简单说明如下：
72.人体心电信号是通过两个电极片采集两路肢体信号再进行差分相减得到的，在本实施例中，第一ads1296芯片u1使用两个通道，第二ads1296芯片u2使用六个通道，每个通道均有两根信号线inxp、inxn。ads1296中，每个通道两根信号线分别采集两路电信号后，通过emi电磁干扰滤波，再进入pga里进行差分放大，最后再送入到adc中进行数模转换，得到心电数字信号，control是控制将得到的心电数字信号发送至stm32f103微控制器。其中mux通道为复用通道，在该通道中，可以复用采集到的任意肢体的心电信号，在本实施例中，复用了右上肢、左上肢、左下肢的信号，通过wctchl通道，得到了威尔逊中心参考电压。rldchl则为右腿驱动电路生成通道，在该通道中，可以生成一个右腿驱动信号，并通过管脚输出。
73.进一步地，第一ads1296芯片u1还额外输出两个信号，分别是在wct通道里生产的wct信号，以及rld通道里生成的右腿驱动信号。其中，wct信号将为第二ads1296芯片u2在采集胸部导联时提供一个参考电压，而右腿驱动信号通过第一ads1296芯片u1的rldout管脚输出到人体的右腿，以用来抑制共模干扰，提高心电信号的准确性。
74.因此，在本实施例中，第一ads1296芯片u1的两个通道分别可得到一路心电导联。第二ads1296芯片u2利用复用的第一ads1296芯片u1输出的wct信号做为参考电压与in3p、in4p、in5p、in6p、in7p、in8p采集到的心电信号进行差分相减得到对应的六路心电导联信号。
75.请参见图9，图9是本发明实施例提供的一种无线传输单元的电路图，如图所示，在本实施例中，蓝牙hc-05将主控单元2021发送的数据进行无线传输至终端设备，该终端设备可以是pc端或智能手机终端。
76.具体地，蓝牙hc-05的1号管脚txd、2号管脚rxd分别与stm32f103微控制器的12号管脚hc05_tx和13号管脚hc05_rx连接，通过该管脚来实现两者之间的实时通信。蓝牙hc-05的vcc管脚则连接3.3v供电电源，gnd管脚接地即可。ds2管脚为专用连接信号灯，当ds2灯每500ms闪烁时，则表明蓝牙设置已成功。
77.请参见图10，图10是本发明实施例提供的一种电源管理单元的电路图，如图所示，电路中的chrg管脚与stdby管脚分别表示充电状态指示输出端和充电完成指示输出端。充电时管脚chrg输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压低于2.9v，tp4057则会用小电
流对电池进行预充电。当电池电压超过2.9v时，采用恒流模式对电池充电，充电电流由prog管脚和gnd之间的电阻r38确定。当电池电压接近4.2v电压时，充电电流逐渐减小，tp4057进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，chrg管脚输出高阻态，stdby管脚输出低电位。
78.请结合参见图11和图12，图11是本发明实施例提供的一种环形带状无线便携式心电监测系统的应用场景示意图；图12是本发明实施例提供的一种环形带状无线便携式心电监测系统的穿戴示意图。如图所示，用户将耦合电路电极贴片101贴附于人体的待测点，通过纽扣公母扣将耦合电路电极贴片101与环形带状绑带201连接，对心电信号进行采集处理，将得到的心电数字信号无线传输至终端设备，显示心电波形，以便于评估用户的健康状态。
79.在本实施例中，环形带状无线便携式心电监测系统的体积较小，该环形带状无线便携式心电监测系统与人体的整体接触面积仅为待测点贴片总和面积，与人体总体接触面积较小，在夏季炎热条件下使用不受限，而且利用无线发送数据、使用过程中不限制人体走动。
80.需要说明的是，该环形带状无线便携式心电监测系统在使用过程中，用户可根据自己实际需要调整心电导联数量。
81.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
82.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。