一种基于锁相环的心电信号探测系统和方法

本发明涉及心电信号探测领域，尤其是一种利用锁相环将贴在人体胸部皮肤表面的电极采集到的心电信号直接调制为射频振荡信号，通过分析射频振荡信号的频谱从而识别出心电信号特征的系统及方法。

背景技术：

1、心血管疾病是世界范围内导致死亡和残疾的首要原因，带来了巨大的经济负担，由于发病具有无规律性和突发性，往往不能得到及时诊断，因此，准确及时的辨识出异常心电信号具有重大意义。由于日常工作生活的需要，常规的心电图监测设备由于其高成本和不便携性，难以承担日常心电监测的需要，而传统的穿戴式心电检测设备大多将模拟心电信号转化为数字心电信号进行传输，其信号精度收到位宽和通讯速率的影响，且电路结构复杂，对心电监测的应用存在一定的限制。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种土木香内酯抗人巨细胞病毒的新用途，旨在解决上述现有技术中的问题。

2、本申请提供了一种基于锁相环的心电信号探测系统：在心电信号采集模块与信号输出模块之间连接产生震荡信号的锁相环模块；锁相环模块包括接收心电信号放大信号的压控振荡器，压控振荡器输出端连接到分频器上，分频器输出端和晶振并联连接到鉴相器输入端，鉴相器输出端连接到低通滤波器得到差频信号，通过鉴相器和低通滤波器控制振荡频率，从而实现时域的心电信号幅度直接控制振荡信号振荡频率的变换，压控振荡器的输出端以负反馈的形式和晶振并联连接到鉴相器输入端，鉴相器会将两路输入信号以频谱搬移的形式产生输出信号。

3、进一步地，鉴相器输出的信号如公式(二)和公式(三)所示：

4、

5、

6、其中fd1和fd2为鉴相器输出信号包含的两个频率，fout1为压控振荡器输出的振荡信号频率，fc为晶振频率，n1为分频器分频系数，设计低通滤波器的截止频率不大于fc，从而使低通滤波器输出较小的差频信号fd2。

7、进一步地，压控振荡器输出信号的频率和输入电压有关，如公式(一)所示：

8、fout1＝fo+k·vin，公式(一)

9、其中，fout1为压控振荡器输出的振荡信号频率，fo是压控振荡器没有电压输入时的输出频率，k是压控振荡器输出频率跟随输入电压的响应系数，vin是输入到压控振荡器的实时电压。

10、进一步地，由于锁相环模块负反馈结构的存在和鉴相器的频谱搬移效应，锁相环模块最终输出的振荡信号由公式(四)表示：

11、fout2＝n1·f(fc,n·vh)，公式(四)

12、其中，fout2为考虑输入的差频信号后压控振荡器输出的振荡信号频率，n1为分频器分频系数，fc是晶振振荡频率，n是运算放大器的放大倍数，vh是采集到的心电信号电压。

13、进一步地，锁相环模块接收的放大信号由心电信号采集放大模块获得；信号输出模块包括与锁相环模块输出端连接的无线放大输出模块，无线放大输出模块通过无线信号连接信号接收处理器，信号接收处理器无线连接外部智能设备。

14、进一步地，心电信号采集放大模块包括两个贴在人体胸部表面不同位置的采集电极和与其连接的运算放大器，采集电极分别贴在左右两胸并保证高度相对一致；采集到的心电信号输入运算放大器进行放大。

15、进一步地，无线放大输出模块包括谐波发生器、带通滤波器、功率放大器和发射天线，压控振荡器输出端连接到谐波发生器上，谐波发生器输出端连接到带通滤波器上，带通滤波器输出端连接到功率放大器上，功率放大器输出端连接到发射天线上，发射天线发射倍频放大后的振荡信号。

16、进一步地，信号接收处理器包括接收天线和频谱接收测量电路，接收天线输出端连接到频谱接收测量电路输入端，频谱接收测量电路无线连接到外部智能设备上。

17、心电信号传感系统的心电信号探测方法包括如下步骤：

18、步骤一：将两个采集电极金属面分别贴在人体左右两胸皮肤表面，并保持位置相对对称，在人体心率正常状态下，采集基准心电信号并通过运算放大器放大，放大后的基准心电信号和压控振荡器输入端并联进行压控振荡器的振荡频率控制，得到基准振荡信号并通过无线放大输出模块倍频放大后传输到信号接收处理器上，进行基准心电信号的提取和存储；

19、步骤二：保持两个采集电极位置不变，实时采集心电信号，实时心电信号经过运算放大器和锁相环模块产生实时振荡信号，实时振荡信号通过无线放大输出模块进行倍频放大后传输到信号接收处理器上，通过实时分析振荡信号的频率即可得到实时心电信号，将实时心电信号和基准心电信号作比较以排除本征干扰，从而实现实时心电信号探测；

20、其中，通过锁相环模块产生的振荡信号，实时振荡频率和放大后心电信号实时幅度相关，振荡信号的振荡频率变化即表现心电信号的波形特征；

21、压控振荡器输出的振荡信号需要经过无线放大输出模块的倍频和放大后才能由发射天线发射，发射信号的频率其公式表示如公式(五)所示：

22、fout3＝n2·fout2，公式(五)

23、其中，fout3为发射信号的频率，n2为倍频的倍数，fout2为考虑输入的差频信号后压控振荡器输出的振荡信号频率；

24、上式表明，压控振荡器输出的振荡信号的振荡频率是晶振频率和放大后心电信号电压的函数，通过调节晶振频率和运算放大器放大倍数，从而调控射频信号的频率范围。

25、本发明的有益效果是：本发明的心电信号探测系统作为一种可穿戴设备，可以实现实时探测心电信号的同时不影响使用者的正常生活。利用心电信号放大后接入锁相环，锁相环将晶振信号和压控振荡器输出信号通过鉴相器和低通滤波器进行差频输出，输出值和放大后的心电信号并联进行压控振荡器的振荡频率控制，这样压控振荡器的输出频率将随心电信号的变化而产生变化。此输出频率经过倍频、功率放大和天线发送后利用接收天线和频谱接收测量电路进行接收，获取其随时间变化的振荡频率。此振荡频率的变化即为心电信号的信号特征，将其解调出来可获取心电信号数据。基于锁相环的心电信号调制方式简化了信号传输流程，降低了设备复杂度和硬件成本。本发明系统和方法能够用于运动健康监测，高危人群心脏健康预警等方面，具有很好的应用价值。

技术特征：

1.一种基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于：在心电信号采集模块与信号输出模块之间连接产生震荡信号的锁相环模块(4)；锁相环模块(4)包括接收心电信号放大信号的压控振荡器(8)，压控振荡器(8)输出端连接到分频器上，分频器输出端和晶振(5)并联连接到鉴相器(6)输入端，鉴相器(6)输出端连接到低通滤波器(7)得到差频信号，通过鉴相器和低通滤波器控制振荡频率，从而实现时域的心电信号幅度直接控制振荡信号振荡频率的变换，压控振荡器(8)的输出端以负反馈的形式和晶振(5)并联连接到鉴相器(6)输入端，鉴相器(6)会将两路输入信号以频谱搬移的形式产生输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，鉴相器(6)输出的信号如公式(二)和公式(三)所示：

3.根据权利要求2所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，压控振荡器输出信号的频率和输入电压有关，如公式(一)所示：

4.根据权利要求3所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，由于锁相环模块负反馈结构的存在和鉴相器的频谱搬移效应，锁相环模块最终输出的振荡信号由公式(四)表示：

5.根据权利要求1所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，所述锁相环模块(4)接收的放大信号由心电信号采集放大模块(1)获得；信号输出模块包括与锁相环模块(4)输出端连接的无线放大输出模块(10)，无线放大输出模块(10)通过无线信号连接信号接收处理器(15)，信号接收处理器(15)无线连接外部智能设备(18)。

6.根据权利要求5所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，所述的心电信号采集放大模块(1)包括两个贴在人体胸部表面不同位置的采集电极(2)和与其连接的运算放大器(3)，采集电极(2)分别贴在左右两胸并保证高度相对一致；采集到的心电信号输入运算放大器(3)进行放大。

7.根据权利要求5所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，所述的无线放大输出模块(10)包括谐波发生器(11)、带通滤波器(12)、功率放大器(13)和发射天线(14)，压控振荡器(8)输出端连接到谐波发生器(11)上，谐波发生器(11)输出端连接到带通滤波器(12)上，带通滤波器(12)输出端连接到功率放大器(13)上，功率放大器(13)输出端连接到发射天线(14)上，发射天线(14)发射倍频放大后的振荡信号。

8.根据权利要求5所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于，所述的信号接收处理器(15)包括接收天线(16)和频谱接收测量电路(17)，接收天线(16)输出端连接到频谱接收测量电路(17)输入端，频谱接收测量电路(17)无线连接到外部智能设备(18)上。

9.根据权利要求1-8任一所述的基于锁相环的心电信号传感系统，其特征在于：心电信号传感系统的心电信号探测方法包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种心电信号无线实时探测的系统和方法。系统由心电信号采集放大模块，锁相环模块和无线放大输出模块构成。本方法利用锁相环将晶振信号和压控振荡器输出信号通过鉴相器和低通滤波器进行差频输出，输出值和放大后的心电信号并联进行压控振荡器的振荡频率控制，这样压控振荡器的输出频率将随心电信号的变化而产生变化。此输出频率经过倍频、功率放大和天线发送后利用接收天线和频谱接收测量电路进行接收，获取其随时间变化的振荡频率。此振荡频率的变化即为心电信号的信号特征，将其解调出来可获取心电信号数据。该方法结构简单紧凑，便于人体佩戴，可在不影响人体活动情况下无线进行人体心电信号的连续监测。

技术研发人员：皇甫江涛,郭雪松,缪晓辉,彭雨敏
受保护的技术使用者：浙江大学绍兴研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29