一種穿戴式非接觸心電采集裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種穿戴式非接觸心電采集裝置及方法，裝置包括：織物電極、非接觸式傳感器模塊、信號(hào)采集電路板、彈性帶、智能終端；彈性帶綁縛于人體，織物電極、非接觸式傳感器模塊均設(shè)置在彈性帶內(nèi)側(cè)，且兩者不接觸；織物電極、非接觸式傳感器模塊的輸出端分別連接信號(hào)采集電路板，信號(hào)采集電路板與智能終端無線連接。本發(fā)明裝置具有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用者長(zhǎng)期穿著也不會(huì)產(chǎn)生不適感，采用非接觸式傳感器模塊，可以隔著一層衣服對(duì)人體進(jìn)行心電測(cè)量，不與人的皮膚直接接觸，克服了接觸式心電傳感器給皮膚帶來的不適。本發(fā)明方法能夠有效去除心電信號(hào)中的噪聲干擾，保留信號(hào)中的有用信息，為心臟功能的變化和心臟疾病的診斷提供更加有意義的參考。
【專利說明】
一種穿戴式非接觸心電采集裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于心電監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種穿戴式非接觸心電采集裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]心血管疾病已經(jīng)成為一種非常普遍的疾病，嚴(yán)重威脅著人類的健康，隨著人們生活水平的提高，健康問題開始日益受到人們的重視。心電圖是檢測(cè)心臟疾病的重要手段，對(duì)于一些具有突發(fā)性和隨機(jī)性的心臟疾病，心電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意義重大，這使得便攜式、可穿戴的心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置有了很大的發(fā)展空間。
[0003]心電信號(hào)是一種非平穩(wěn)微弱信號(hào)，幅值低，頻率低，所以在提取心電信號(hào)的過程中，極易受到各種干擾。其中主要受到三種噪聲干擾，分別是基線漂移，工頻干擾和高頻干擾。
[0004]中國(guó)專利CN200820045499.8公開的心率檢測(cè)裝置專用衣，專用衣設(shè)有用于固定所述心率檢測(cè)裝置的穿帶孔，穿帶孔位于專用衣前胸位置或前胸附近位置，心率檢測(cè)裝置松緊帶穿入、穿出在背心的穿帶孔上，心率檢測(cè)裝置固定在背心上，緊貼使用者皮膚，可準(zhǔn)確穩(wěn)定的檢測(cè)心率信號(hào)。但是，電極長(zhǎng)時(shí)間和人體直接接觸會(huì)導(dǎo)致不適感，甚至?xí)羞^敏現(xiàn)象。
[0005]中國(guó)專利CN201220187164.6公開的一種基于非接觸式電極的無線可穿戴式胸帶，內(nèi)側(cè)的中心縫制參考電極，參考電極的兩側(cè)分別設(shè)有非接觸式電極，電極為雙面PCB板，一面集成了儀表放大電路、濾波電路、二級(jí)放大電路以及右腿驅(qū)動(dòng)電路，另一面為以單片機(jī)為主控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時(shí)采樣以及藍(lán)牙無線傳輸模塊，可以克服接觸式心電傳感器給皮膚帶來的不適，可長(zhǎng)期的進(jìn)行日常心電監(jiān)測(cè)。但是，在人們的日常生活中上半身的活動(dòng)比較頻繁，長(zhǎng)期穿戴在同一個(gè)位置也會(huì)產(chǎn)生不適感，不可避免的會(huì)牽扯胸帶，進(jìn)而牽扯置于其中的傳感器，容易造成電極脫落等現(xiàn)象，從而引入噪聲，干擾了信號(hào)測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。
[0006]中國(guó)專利CN201410403556.5公開的一種基于形態(tài)學(xué)與EMD類小波閾值的心電信號(hào)去噪方法，該方法首先采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波法濾出心電信號(hào)中的基線漂移，然后采用EMD法對(duì)所獲信號(hào)進(jìn)行分解，之后采用閾值去噪法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行二次濾波，最后采用EMD法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，得到濾除噪聲的心電信號(hào)；中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備2010年8月第7卷第8期論文基于小波變換的心電信號(hào)去噪法，采用軟，硬閾值折衷的閾值函數(shù)及自適應(yīng)的閾值策略對(duì)心電信號(hào)中的不同噪聲進(jìn)行濾除。但是，這些算法的計(jì)算量大，復(fù)雜度高，不易在硬件上實(shí)施，不利于實(shí)時(shí)處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種穿戴式非接觸心電采集裝置及方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種穿戴式非接觸心電采集裝置，包括: 具有導(dǎo)電作用且消除噪聲干擾的織物電極；
采集心電信號(hào)的非接觸式傳感器模塊；
對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并無線傳輸至智能終端的信號(hào)采集電路板；
承載織物電極、非接觸式傳感器模塊、信號(hào)采集電路板的彈性帶；
實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)并且將非正常的心電信號(hào)反饋給信號(hào)采集電路板的智能終端；
彈性帶綁縛于人體腰部或者胸部，織物電極、非接觸式傳感器模塊均設(shè)置在彈性帶內(nèi)偵U，且兩者不接觸;織物電極、非接觸式傳感器模塊的輸出端分別連接信號(hào)采集電路板，信號(hào)采集電路板與智能終端無線連接。
[0009]所述信號(hào)采集電路板包括:
對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬采集調(diào)理模塊；
為整個(gè)信號(hào)采集電路板供電以及為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供參考電壓的電源管理模塊；
將模擬采集調(diào)理模塊處理后的心電信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；
對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理后無線傳輸至智能終端的信號(hào)處理模塊；
實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理模塊和智能終端無線連接與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線模塊；
模擬采集調(diào)理模塊的輸入端連接非接觸式傳感器模塊的輸出端；電源管理模塊分別連接模擬采集調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、無線模塊;模擬采集調(diào)理模塊的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，信號(hào)處理模塊分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、無線模塊。
[0010]所述非接觸式傳感器模塊焊接在一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)接板上，該信號(hào)轉(zhuǎn)接板為兩層PCB板設(shè)計(jì)，該信號(hào)轉(zhuǎn)接板的焊盤分別與非接觸式傳感器模塊的引腳相對(duì)應(yīng)焊接，同時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)接板另外一面的焊盤通過導(dǎo)線連接到信號(hào)采集電路板的模擬采集調(diào)理模塊。
[0011]所述模擬采集調(diào)理模塊包括:前置放大器、無源一階高通濾波器、有源二階低通濾波器和右腿驅(qū)動(dòng)電路；
前置放大器的輸入端連接非接觸式傳感器模塊的輸出端，前置放大器的輸出端連接無源一階高通濾波器的輸入端，無源一階高通濾波器的輸出端連接有源二階低通濾波器的輸入端，有源二階低通濾波器的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，右腿驅(qū)動(dòng)電路分別與前置放大器、織物電極連接。
[0012]利用所述的穿戴式非接觸心電采集裝置進(jìn)行非接觸心電采集的方法，包括:
實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)，同時(shí)消除噪聲干擾；
對(duì)實(shí)時(shí)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及AD轉(zhuǎn)換；
對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行心電信號(hào)質(zhì)量判斷:若心電信號(hào)幅值變化超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)，否則判斷基線漂移程度:若基線漂移程度未超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為高質(zhì)量可信信號(hào)，否則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)；
對(duì)高質(zhì)量可信信號(hào)去除基線漂移、去除50Hz工頻干擾，去除高頻干擾；
去除無效的心電信號(hào)，得到處理后的心電信號(hào)，無線傳輸至智能終端。
[0013]所述對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行心電信號(hào)質(zhì)量判斷，方法如下:
對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行加窗處理；
判斷心電信號(hào)幅值變化程度是否超過設(shè)定閾值:若超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)，棄用該心電信號(hào)，否則，提取基線漂移信號(hào)；
提取基線漂移信號(hào):運(yùn)用中值濾波和曲線擬合的方法得到基線漂移信號(hào)； 判斷基線漂移程度:判斷基線漂移信號(hào)的基線漂移程度是否超過設(shè)定閾值:若超過設(shè)定閾值，則棄用當(dāng)前心電信號(hào)，否則，當(dāng)前心電信號(hào)質(zhì)量是高質(zhì)量可信信號(hào)。
[0014]所述去除基線漂移的方法如下:
采用中值濾波方法對(duì)基線漂移程度大于設(shè)定值的心電信號(hào)處理得到基線漂移信號(hào)，采用曲線擬合方法對(duì)基線漂移程度小于設(shè)定值的心電信號(hào)處理得到基線漂移信號(hào)；
用原心電信號(hào)減去的基線漂移信號(hào)后，得到去除基線漂移的校正的心電信號(hào)。
[0015]所述去除50Hz工頻干擾的方法如下:
選擇db8小波基函數(shù)對(duì)去除基線漂移的校正的心電信號(hào)進(jìn)行分解；
對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行傅里葉分解；
找到50Hz工頻干擾所對(duì)應(yīng)頻率的小波系數(shù)，并置零，其他頻率小波系數(shù)保持不變；
根據(jù)當(dāng)前的各小波系數(shù)重構(gòu)心電信號(hào)，即得到除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)。
[0016]所述去除高頻干擾的方法如下:
選擇db8小波基函數(shù)，對(duì)除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)做小波分解變換；
對(duì)小波系數(shù)做門限閾值處理；
對(duì)門限閾值處理后的小波系數(shù)做小波逆變換，重構(gòu)心電信號(hào)，即得到去除高頻干擾的心電信號(hào)。
[0017]所述去除無效心電信號(hào)的方法如下:
通過QRS檢測(cè)函數(shù)判斷去除高頻干擾的心電信號(hào)是否有QRS波形形態(tài)即是否為有效心電信號(hào)；
去除心電信號(hào)中的不具有QRS波形形態(tài)特征的信號(hào)；
截取與不具有QRS波形形態(tài)特征的信號(hào)同等長(zhǎng)度的有效心電信號(hào)波形替代被去除的無效心電信號(hào)。
[0018]有益效果:
1、本發(fā)明采用測(cè)量人體電生理信號(hào)的基于電容耦合的非接觸式傳感器模塊，該傳感器精確度高，穩(wěn)定性好，可以隔著一層衣服對(duì)人體進(jìn)行心電測(cè)量，不與人的皮膚直接接觸，克服了接觸式心電傳感器給皮膚帶來的不適，給需要長(zhǎng)期進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)的使用者帶來了極大的方便與舒適。
[0019]2、本發(fā)明裝置將心電采集裝置固定在一個(gè)彈性帶上，根據(jù)不同人群的要求，該裝置可以穿戴在在腰上、胸部，也可以做成皮帶的形式，以適應(yīng)人們的日常穿著習(xí)慣，而且由于該裝置具有一定的彈性，不容易脫落，可以和使用者很好的結(jié)合在一起，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用者長(zhǎng)期穿著也不會(huì)產(chǎn)生不適感，穿戴舒適性高、穿著便利、具有較強(qiáng)抗干擾能力、能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)量。
[0020]3、本發(fā)明使用無線模塊與智能終端連接，可以與智能終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并且數(shù)據(jù)傳輸與處理分析均實(shí)時(shí)進(jìn)行，這樣就對(duì)使用者的心電進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且當(dāng)心電信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，語音模塊會(huì)進(jìn)行提醒，這極大地方便了一些具有突發(fā)性與隨機(jī)性心臟疾病的用戶，為第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)病情提供可能。
[0021]4、本發(fā)明充分利用單片機(jī)模擬多路選擇器和AD采樣保存功能，同步采集心電信號(hào)，并且同步采集節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)通過串口經(jīng)由無線模塊傳輸?shù)街悄芙K端，可以接受智能終端“開始采樣”、“休眠模式”等指令控制，并給智能終端相應(yīng)反饋以返回工作模式等。
[0022]5、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、功能齊全、穩(wěn)定性高，封裝后僅留出導(dǎo)聯(lián)線和非接觸式傳感器，服務(wù)軟件交互性良好，整個(gè)操作簡(jiǎn)便，并且能滿足運(yùn)動(dòng)狀況下的監(jiān)護(hù)。
[0023]6、本發(fā)明方法易于在硬件上實(shí)現(xiàn)，能夠有效去除心電信號(hào)中的噪聲干擾，保留信號(hào)中的有用信息，為心臟功能的變化和心臟疾病的診斷提供更加有意義的參考。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的穿戴式非接觸心電采集裝置使用狀態(tài)示意圖；
圖2是本發(fā)明的內(nèi)側(cè)平鋪結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的人體佩戴示意圖；
圖4是本發(fā)明的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)接板PCB封裝圖，(a)Top Layer(b)Bottom Layer；
圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的穿戴式非接觸心電采集裝置連接示意圖；
圖6是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的+5V電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖；
圖7是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的-5V電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖；
圖8是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的+3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖；
圖9是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的2.5V參考電壓發(fā)生電路原理圖；
圖10是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的前置放大器與右腿驅(qū)動(dòng)電路連接原理圖；
圖11是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的無源一階高通濾波器與有源二階低通濾波器連接原理圖；
圖12是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接原理圖；
圖13是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的非接觸心電采集的方法流程圖；
圖14是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的心電信號(hào)質(zhì)量判斷流程圖；
圖15是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的心電信號(hào)幅值變化與設(shè)定閾值曲線圖；
圖16是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的基線漂移程度與設(shè)定閾值曲線圖；
圖17是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除基線漂移流程圖；
圖18是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除基線漂移前的心電信號(hào)；
圖19是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除基線漂移后的心電信號(hào)；
圖20是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除50Hz工頻干擾流程圖；
圖21是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)；
圖22是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除高頻干擾流程圖；
圖23是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除高頻干擾的心電信號(hào)；
圖24是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除無效心電信號(hào)流程圖；
圖25是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的去除無效信號(hào)的心電信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說明。
[0026]—種穿戴式非接觸心電采集裝置，如圖5所示，包括:
具有導(dǎo)電作用且消除噪聲干擾的織物電極;織物電極是一種柔性干電極，是采用紡織材料經(jīng)紡織加工工藝開發(fā)的具有紡織結(jié)構(gòu)、能感知人體表而生物電信號(hào)的傳感器?？椢镫姌O縫制在彈性帶的內(nèi)側(cè)，該織物電極采用鏤空設(shè)計(jì)，鏤空部位在織物電極中間，該中間部位放置所述的非接觸式傳感器模塊，織物電極不與非接觸式傳感器接觸，織物電極作為參考電極連接著右腿驅(qū)動(dòng)電路。
[0027]采集心電信號(hào)的非接觸式傳感器模塊，采用PS25201B型傳感器，使用時(shí)直接與使用者的衣物接觸；
非接觸式傳感器模塊內(nèi)部自帶電壓放大，非接觸式傳感器模塊的供電電壓為± 2.4~ ±5V，非接觸式傳感器模塊芯片具有四個(gè)引腳，引腳定義如下:PIN1:0UTPUT，PIN2:GND，PIN3:VDD(+)，PIN4:VSS(-)。非接觸式傳感器模塊焊接在一個(gè)如圖4所示的信號(hào)轉(zhuǎn)接板上，該信號(hào)轉(zhuǎn)接板為兩層PCB圓形板設(shè)計(jì)，S卩圖4(a)所示的Top Layer和圖4(b)所示的Bottom Layer；該信號(hào)轉(zhuǎn)接板的焊盤5、6、7、8分別與非接觸式傳感器的PIN1:0UTPUT、PIN2:GND、PIN3:VDD(+)、PIN4:VSS(_)引腳相對(duì)應(yīng)焊接，同時(shí)焊盤另一面5、6、7、8引腳通過導(dǎo)線連接到信號(hào)采集電路板的模擬采集調(diào)理模塊，信號(hào)轉(zhuǎn)接板上的圓孔9用來將信號(hào)轉(zhuǎn)接板縫制在彈性帶上。兩個(gè)非接觸式傳感器模塊看作心電的兩個(gè)電極片使用，將兩個(gè)非接觸式傳感器模塊分別與衣物緊密接觸，將他們的輸出進(jìn)行差分放大，并引入右腿驅(qū)動(dòng)減小系統(tǒng)的共模干擾，右腿驅(qū)動(dòng)織物電極也需要與衣物緊密接觸，以達(dá)到減小噪聲的作用。
[0028]對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并無線傳輸至智能終端的信號(hào)采集電路板;信號(hào)采集電路板由鋰電池提供6 V~ 16 V電壓。
[0029]承載織物電極、非接觸式傳感器模塊、信號(hào)采集電路板的彈性帶；
實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)并且將非正常的心電信號(hào)反饋給信號(hào)采集電路板的智能終端，智能終端上可以安裝心電監(jiān)測(cè)軟件，使其具有開始、停止心電監(jiān)測(cè)、反饋心電信號(hào)以及儲(chǔ)存心電數(shù)據(jù)的功能；
如圖1?2所示，彈性帶2綁縛于人體的腰部或者胸部，兩個(gè)織物電極1、兩個(gè)非接觸式傳感器模塊3均設(shè)置在彈性帶2內(nèi)側(cè)，且兩者不接觸;織物電極1、非接觸式傳感器模塊3的輸出端分別連接信號(hào)采集電路板，信號(hào)采集電路板與智能終端無線連接。彈性帶2的兩端設(shè)有魔術(shù)貼4，彈性帶2外側(cè)縫制有放置信號(hào)采集電路板和鋰電池的口袋。
[0030]彳目號(hào)米集電路板包括:
對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬采集調(diào)理模塊；
為整個(gè)信號(hào)采集電路板供電以及為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供參考電壓的電源管理模塊;可以提供± 5V、3.3V、2.5V和1.2V電壓，比如為非接觸式傳感器模塊和模擬采集調(diào)理模塊提供土5V電源電壓，為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供3.3V、5V電源電壓以及2.5V或1.2V參考電壓，為控制模塊和無線模塊提供3.3V電壓。
[0031]將模擬采集調(diào)理模塊處理后的心電信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊;模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以采用12位、16位、24位AD芯片，比如采用24位AD S1256芯片，如圖12所示，其中8腳AIN2為心電模擬信號(hào)輸入。本實(shí)施方式采用的ADS1256是TI公司推出的微功耗、高精度、8通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該器件內(nèi)部集成有輸入模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器。本實(shí)施方式中ADS1256采用SS0P-28封裝，它的主要特點(diǎn)如下:24位分辨率，數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)30ksps，可配置為8路單極輸入或4路差動(dòng)輸入，SPI總線通信等，下圖為ADSl256的電路連接圖，這里VREFP-VREFN=2.5V，即REFlV2=2.5V。也可采用1.2V的參考源(參考源后接跟隨器，為TLV2252中的一部分，TLV2252也可采用精度更高的0PA2333)。晶振采用81;芯片管腳其中的15、20、21、22、23、24與單片機(jī)相連接，用于3?1通信和芯片的控制。
[0032]控制語音模塊工作、驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與無線模塊的控制模塊;可以采用低功耗、運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)的單片機(jī)，比如MSP430單片機(jī)、STM32單片機(jī)等。
[0033]實(shí)現(xiàn)控制模塊和智能終端無線連接與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線模塊，可以采用藍(lán)牙、WiFi或ZigBee，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，比如采用藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙為信號(hào)采集電路板與智能終端通信設(shè)備，所用藍(lán)牙為藍(lán)牙串口模塊，藍(lán)牙模塊工作在從機(jī)模式，使用前需要使用AT命令對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行相應(yīng)配置，主要配置的部分為藍(lán)牙模塊的波特率，藍(lán)牙模塊供電電壓為3.3V，在焊接在信號(hào)采集電路板之前，先將藍(lán)牙模塊的波特率配置為38400，對(duì)應(yīng)的AT指令為:AT+BAUD6，也可以使用AT+NAME命令將藍(lán)牙模塊更改名字。
[0034]對(duì)智能終端反饋回來的異常的心電信號(hào)進(jìn)行語音提示的語音模塊；
模擬采集調(diào)理模塊的輸入端連接非接觸式傳感器模塊的輸出端；電源管理模塊分別連接模擬采集調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、無線模塊;模擬采集調(diào)理模塊的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端;控制模塊分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、無線模塊，語音模塊分別與電源管理模塊、控制模塊連接。
[0035]電源管理模塊包括:
為非接觸式傳感器提供+5V電壓的+5V電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示，采用線性穩(wěn)壓器； 為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供-5V電壓的-5V電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖7所示，采用7660電荷轉(zhuǎn)換芯片；
為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊和無線模塊提供3.3V電壓的+3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示，采用線性穩(wěn)壓器；
將模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供2.5V或1.2V參考電壓的參考電壓發(fā)生電路，2.5V參考電壓發(fā)生電路如圖9所示；
+5V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接鋰電池，+5V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接-5V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，+5V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接+3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，+5 V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接參考電壓2.5V發(fā)生電路的輸入端。
[0036]模擬采集調(diào)理模塊包括:放大倍數(shù)為1.5倍的前置放大器AD632、0.1Hz的無源一階高通濾波器、35Hz的有源二階低通濾波器和右腿驅(qū)動(dòng)電路；
前置放大器與右腿驅(qū)動(dòng)電路連接如圖10所示，無源一階高通濾波器與有源二階低通濾波器連接如圖11所示，其中包括參考源跟隨器。
[0037]前置放大器的輸入端連接非接觸式傳感器模塊的輸出端，前置放大器的輸出端連接無源一階高通濾波器的輸入端，無源一階高通濾波器的輸出端連接有源二階低通濾波器的輸入端，有源二階低通濾波器的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，右腿驅(qū)動(dòng)電路分別與前置放大器、織物電極連接。前置放大器采用的放大倍數(shù)為1.5倍，之后信號(hào)通過0.1Hz的無源一階高通濾波器、35Hz的有源二階低通濾波器后進(jìn)入AD芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。右腿驅(qū)動(dòng)電路是利用反向放大器來實(shí)現(xiàn)儀表放大器兩輸入端共模信號(hào)的負(fù)反饋，反向放大器的輸入端提取儀表放大器增益電阻之間的共模信號(hào)，反相放大器的輸出端與參考電極即織物電極相連。
[0038]如圖3所示，使用者在使用本發(fā)明裝置時(shí)要穿上一件較薄的衣物，材料最好是純棉，然后圍上彈性帶2，將彈性帶2兩端的魔術(shù)貼4扣緊，打開信號(hào)采集電路板電源，同時(shí)打開智能終端，進(jìn)行無線匹配、連接，點(diǎn)擊開始檢測(cè)，非接觸式傳感器模塊3就會(huì)透過衣服與人腰部皮膚進(jìn)行容性耦合，從而測(cè)得心電信號(hào)，測(cè)得的心電信號(hào)會(huì)通過無線模塊傳輸?shù)街悄芙K端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且語音模塊會(huì)對(duì)不正常的心電信號(hào)進(jìn)行語音播報(bào)。
[0039]能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸以及智能終端接收、顯示以及語音提示功能。
[0040]該裝置的工作過程是:將裝置隔著衣服固定在使用者的上半身部位，比如腰部或者胸部，打開電源后，非接觸式傳感器模塊開始采集使用者的心電信號(hào)，然后將采集到的心電信號(hào)送到信號(hào)采集電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)集成在信號(hào)采集電路板上的無線模塊會(huì)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到智能終端(比如手機(jī))進(jìn)行顯示，同時(shí)智能終端會(huì)將采集到的非正常的心電信號(hào)反饋給信號(hào)采集電路板上，如果測(cè)得的心電信號(hào)出現(xiàn)異常，語音模塊會(huì)進(jìn)行語音提示，達(dá)到對(duì)心電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。所述智能終端安裝有心電監(jiān)測(cè)軟件，具有開始、停止心電監(jiān)測(cè)、反饋心電信號(hào)以及儲(chǔ)存心電數(shù)據(jù)的功能。
[0041]利用穿戴式非接觸心電采集裝置進(jìn)行非接觸心電采集的方法，如圖13所示，包括: 步驟1、實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)，同時(shí)消除噪聲干擾；
步驟2、對(duì)實(shí)時(shí)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及AD轉(zhuǎn)換；
步驟3、對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行心電信號(hào)質(zhì)量判斷:若心電信號(hào)幅值變化超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)，否則判斷基線漂移程度:若基線漂移程度未超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為高質(zhì)量可信信號(hào)，否則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)；
對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行心電信號(hào)質(zhì)量判斷，如圖14所示，方法如下:
步驟3-1、對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行加窗處理；
步驟3-2、判斷心電信號(hào)幅值變化程度是否超過設(shè)定閾值:若超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)，棄用該心電信號(hào)，否則，提取基線漂移信號(hào)；如圖15所示為心電信號(hào)幅值變化與設(shè)定閾值曲線圖，灰色部分是標(biāo)記為低質(zhì)量不可信信號(hào)，圖中底部的曲線為設(shè)定的閾值曲線。
[0042]步驟3-3、提取基線漂移信號(hào):運(yùn)用中值濾波和曲線擬合的方法得到基線漂移信號(hào)；
步驟3-4、判斷基線漂移程度:判斷基線漂移信號(hào)的基線漂移程度是否超過設(shè)定閾值:若超過設(shè)定閾值，則棄用當(dāng)前心電信號(hào)，否則，當(dāng)前心電信號(hào)質(zhì)量是高質(zhì)量可信信號(hào)。如圖16所示為基線漂移程度與設(shè)定閾值曲線圖，灰色部分是標(biāo)記為低質(zhì)量不可信信號(hào)，圖中底部的曲線為設(shè)定的閾值曲線。
[0043]步驟4、對(duì)高質(zhì)量可信信號(hào)去除基線漂移、去除50Hz工頻干擾，去除高頻干擾；
(I)去除基線漂移的方法如下:
如圖17所示，采用中值濾波方法對(duì)基線漂移程度大于設(shè)定值(基線漂移信號(hào)>0.2mv)的心電信號(hào)處理得到基線漂移信號(hào)，采用曲線擬合方法對(duì)基線漂移程度小于設(shè)定值(基線漂移信號(hào)〈=0.2mv)的心電信號(hào)處理得到基線漂移信號(hào)；
用原心電信號(hào)減去基線漂移信號(hào)后，得到去除基線漂移的校正的心電信號(hào)。
[0044]中值濾波方法用來處理基線漂移程度較大的心電波形，曲線擬合用來處理基線漂移比較小的波形。其中中值濾波的原理:是取某點(diǎn)心電信號(hào)前長(zhǎng)度為N的一段心電信號(hào)數(shù)據(jù)(N取奇數(shù))，對(duì)這段心電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，然后取中間一位的值作為該點(diǎn)數(shù)據(jù)。將整段心電信號(hào)都進(jìn)行如上處理，提取心電信號(hào)中的漂移成分，最后將原始心電信號(hào)減去該漂移成分，便得到濾波后效果。曲線擬合的原理是求擬合曲線參數(shù)構(gòu)造擬合曲線，然后用原始心電信號(hào)減去這個(gè)擬合曲線就可以得到基線調(diào)整后的信號(hào)。本實(shí)施方式中，去除基線漂移前的心電信號(hào)如圖18所示，去除基線漂移后的心電信號(hào)如圖19所示.(2 )去除50Hz工頻干擾的方法，如圖20所示，具體如下:
選擇db8小波基函數(shù)對(duì)去除基線漂移的校正的心電信號(hào)進(jìn)行分解；
對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行傅里葉分解；
找到50Hz工頻干擾所對(duì)應(yīng)頻率的小波系數(shù)，并置零，其他頻率小波系數(shù)保持不變；
根據(jù)當(dāng)前的各小波系數(shù)重構(gòu)心電信號(hào)，即得到除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)，如圖21所示。
[0045](3)去除高頻干擾的方法，如圖22所示，具體如下:
選擇db8小波基函數(shù)，對(duì)除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)做小波分解變換；
對(duì)小波系數(shù)做門限閾值處理；當(dāng)小波系數(shù)小于閾值時(shí)，不是簡(jiǎn)單的置為零，而是平滑地減為零，但大于閾值時(shí)，小波系數(shù)幅度都減去閾值，這樣，既保證了大的小波系數(shù)，又保證了加閾值后系數(shù)的平滑過渡；
對(duì)門限閾值處理后的小波系數(shù)做小波逆變換，重構(gòu)心電信號(hào)，即得到去除高頻干擾的心電信號(hào)，如圖23所不。
[0046]步驟5、去除無效的心電信號(hào)，得到處理后的心電信號(hào)(如圖25所示)，無線傳輸至智能終端。
[0047]如圖24所示，去除無效心電信號(hào)的方法如下:
步驟5-1、通過QRS檢測(cè)函數(shù)判斷去除高頻干擾的心電信號(hào)是否有QRS波形形態(tài)即是否為有效心電信號(hào)；
步驟5-2、去除心電信號(hào)中的不具有QRS波形形態(tài)特征的信號(hào)；
步驟5-3、截取與不具有QRS波形形態(tài)特征的信號(hào)同等長(zhǎng)度的有效心電信號(hào)波形替代被去除的無效心電信號(hào)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種穿戴式非接觸心電采集裝置，其特征在于，包括: 具有導(dǎo)電作用且消除噪聲干擾的織物電極； 采集心電信號(hào)的非接觸式傳感器模塊； 對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并無線傳輸至智能終端的信號(hào)采集電路板； 承載織物電極、非接觸式傳感器模塊、信號(hào)采集電路板的彈性帶； 實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)并且將非正常的心電信號(hào)反饋給信號(hào)采集電路板的智能終端； 彈性帶綁縛于人體腰部或者胸部，織物電極、非接觸式傳感器模塊均設(shè)置在彈性帶內(nèi)偵U，且兩者不接觸;織物電極、非接觸式傳感器模塊的輸出端分別連接信號(hào)采集電路板，信號(hào)采集電路板與智能終端無線連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穿戴式非接觸心電采集裝置，其特征在于，所述信號(hào)采集電路板包括: 對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬采集調(diào)理模塊； 為整個(gè)信號(hào)采集電路板供電以及為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供參考電壓的電源管理模塊； 將模擬采集調(diào)理模塊處理后的心電信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊； 對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理后無線傳輸至智能終端的信號(hào)處理模塊； 實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理模塊和智能終端無線連接與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線模塊； 模擬采集調(diào)理模塊的輸入端連接非接觸式傳感器模塊的輸出端；電源管理模塊分別連接模擬采集調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、無線模塊;模擬采集調(diào)理模塊的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，信號(hào)處理模塊分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、無線模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的穿戴式非接觸心電采集裝置，其特征在于:所述非接觸式傳感器模塊焊接在一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)接板上，該信號(hào)轉(zhuǎn)接板為兩層PCB板設(shè)計(jì)，該信號(hào)轉(zhuǎn)接板的焊盤分別與非接觸式傳感器模塊的引腳相對(duì)應(yīng)焊接，同時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)接板另外一面的焊盤通過導(dǎo)線連接到信號(hào)采集電路板的模擬采集調(diào)理模塊。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的穿戴式非接觸心電采集裝置，其特征在于:所述模擬采集調(diào)理模塊包括:前置放大器、無源一階高通濾波器、有源二階低通濾波器和右腿驅(qū)動(dòng)電路； 前置放大器的輸入端連接非接觸式傳感器模塊的輸出端，前置放大器的輸出端連接無源一階高通濾波器的輸入端，無源一階高通濾波器的輸出端連接有源二階低通濾波器的輸入端，有源二階低通濾波器的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，右腿驅(qū)動(dòng)電路分別與前置放大器、織物電極連接。5.利用權(quán)利要求2所述的穿戴式非接觸心電采集裝置進(jìn)行非接觸心電采集的方法，其特征在于，包括: 實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)，同時(shí)消除噪聲干擾； 對(duì)實(shí)時(shí)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及AD轉(zhuǎn)換； 對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行心電信號(hào)質(zhì)量判斷:若心電信號(hào)幅值變化超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)，否則判斷基線漂移程度:若基線漂移程度未超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為高質(zhì)量可信信號(hào)，否則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)； 對(duì)高質(zhì)量可信信號(hào)去除基線漂移、去除50Hz工頻干擾，去除高頻干擾； 去除無效的心電信號(hào)，得到處理后的心電信號(hào)，無線傳輸至智能終端。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸心電采集的方法，其特征在于，所述對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行心電信號(hào)質(zhì)量判斷，方法如下: 對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行加窗處理； 判斷心電信號(hào)幅值變化程度是否超過設(shè)定閾值:若超過設(shè)定閾值，則心電信號(hào)為低質(zhì)量不可信信號(hào)，棄用該心電信號(hào)，否則，提取基線漂移信號(hào)； 提取基線漂移信號(hào):運(yùn)用中值濾波和曲線擬合的方法得到基線漂移信號(hào)； 判斷基線漂移程度:判斷基線漂移信號(hào)的基線漂移程度是否超過設(shè)定閾值:若超過設(shè)定閾值，則棄用當(dāng)前心電信號(hào)，否則，當(dāng)前心電信號(hào)質(zhì)量是高質(zhì)量可信信號(hào)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸心電采集的方法，其特征在于，所述去除基線漂移的方法如下: 采用中值濾波方法對(duì)基線漂移程度大于設(shè)定值的心電信號(hào)處理得到基線漂移信號(hào)，采用曲線擬合方法對(duì)基線漂移程度小于設(shè)定值的心電信號(hào)處理得到基線漂移信號(hào)； 用原心電信號(hào)減去的基線漂移信號(hào)后，得到去除基線漂移的校正的心電信號(hào)。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸心電采集的方法，其特征在于，所述去除50Hz工頻干擾的方法如下: 選擇db8小波基函數(shù)對(duì)去除基線漂移的校正的心電信號(hào)進(jìn)行分解； 對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行傅里葉分解； 找到50Hz工頻干擾所對(duì)應(yīng)頻率的小波系數(shù)，并置零，其他頻率小波系數(shù)保持不變； 根據(jù)當(dāng)前的各小波系數(shù)重構(gòu)心電信號(hào)，即得到除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸心電采集的方法，其特征在于，所述去除高頻干擾的方法如下: 選擇db8小波基函數(shù)，對(duì)除去50Hz工頻干擾的心電信號(hào)做小波分解變換； 對(duì)小波系數(shù)做門限閾值處理； 對(duì)門限閾值處理后的小波系數(shù)做小波逆變換，重構(gòu)心電信號(hào)，即得到去除高頻干擾的心電信號(hào)。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸心電采集的方法，其特征在于，所述去除無效心電信號(hào)的方法如下: 通過QRS檢測(cè)函數(shù)判斷去除高頻干擾的心電信號(hào)是否有QRS波形形態(tài)即是否為有效心電信號(hào)； 去除心電信號(hào)中的不具有QRS波形形態(tài)特征的信號(hào)； 截取與不具有QRS波形形態(tài)特征的信號(hào)同等長(zhǎng)度的有效心電信號(hào)波形替代被去除的無效心電信號(hào)。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK105997050SQ201610311957
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】徐禮勝, 許小俊, 于曉東, 張欠欠, 王強(qiáng), 郝麗玲
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)