本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能心電輔助監(jiān)護裝置。

背景技術(shù)：

眾所周知，心血管疾病是當今人類面臨的最具有威脅的疾病之一。目前，我國心腦血管疾病患者已達2.9億人，其中每年有超過300萬人死于心血管疾病。由于心血管疾病發(fā)病時具有很大的突然性，因而極易失去了寶貴的早期診斷救治時間，為此，最好的方法是防患于未然。因為日常的心臟監(jiān)護是病人生命安全的重要保證手段，通過對心臟的日常監(jiān)護可預先發(fā)現(xiàn)異常征兆，可為及時救治贏得時間。通過心電信號對人體心臟情況進行日常監(jiān)控是心臟監(jiān)護的有效途徑。但由于傳統(tǒng)心電監(jiān)護采用的大都為AgCl-Ag電極，需要使用電解凝膠或者粘合劑，而且采用帶右腿驅(qū)動電極的三電極輸入模式，測量時非常不便，而且其長期使用極易引起皮膚過敏等不適反應，因而不適合在日常生活中長期佩戴使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種可對心電進行長時間監(jiān)護的多功能心電輔助監(jiān)護裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種多功能心電輔助監(jiān)護裝置，包括一根胸帶、嵌入胸帶的用于與人體皮膚接觸的用于采集原始心電信號的第一心電信號輸入模塊、可取出的置于所述胸帶內(nèi)的硬件系統(tǒng)、呈耳機結(jié)構(gòu)的用于將第一心電信號輸入模塊采集的心電信號接入硬件系統(tǒng)的中間連接件，所述硬件系統(tǒng)的PCB電路板上嵌有第二心電信號輸入模塊，所述第一心電信號輸入模塊為兩個鍍銀金屬干電極/Agcl濕電極，所述第二心電信號輸入模塊為兩個平板狀的用于供用戶的兩個拇指觸摸的鍍銀金屬干電極，中間連接件分叉的兩端分別與嵌入胸帶上的一個鍍銀金屬干電極/Agcl濕電極遠離皮膚的一側(cè)扣合連接，中間連接件的另一端與硬件系統(tǒng)插接；

所述硬件系統(tǒng)包括：用于接收第一心電信號輸入模塊或者第二心電信號輸入模塊的心電信號并根據(jù)電極阻值對輸入電極類型進行識別以進入對應的工作模式的輸入接口電路、用于將心電信號進行前置放大及信號調(diào)理的模擬前端預處理模塊、用于對模擬前端預處理模塊輸出的心電信號進行二級放大及濾波及AD采集的心電專用芯片、對心電專用芯片進行控制和通信的MCU、將從心電專用芯片獲得的心電信號以文件系統(tǒng)形式存儲的SD卡模塊、將心電信號發(fā)送給上位機來進行顯示和存儲處理的通訊模塊、電池、通過USB接口給電池充電以及對MCU進行電源管理的電源管理模塊、用于顯示心電數(shù)據(jù)的OLED顯示屏；

所述輸入接口電路與所述第一心電信號輸入模塊、第二心電信號輸入模塊連接，所述模擬前端預處理模塊連接輸入接口電路和心電專用芯片，心電專用芯片、通訊模塊、SD卡模塊、OLED顯示屏分別連接至MCU，所述電源管理模塊與所述電池、MCU、模擬前端預處理模塊、心電專用芯片、通訊模塊連接。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述通信模塊包括藍牙模塊和/或WiFi模塊和/或USB接口。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述模擬前端預處理模塊包括：與第二鍍銀金屬干電極連接的用于阻抗匹配的緩沖放大電路、低通濾波電路、交流耦合及高通濾波電路、與心電專用芯片連接的對兩路差分信號進行二級放大的儀表運算放大器，所述緩沖放大電路、低通濾波電路、交流耦合及高通濾波電路、儀表運算放大器依次連接，所述低通濾波電路的截止頻率為40Hz，交流耦合及高通濾波電路的截止頻率為0.4Hz。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述儀表運算放大器與心電專用芯片之間還包括一個50Hz雙T陷波器。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述緩沖放大電路包括MCP6004系列的四運算放大器、第一電阻、第二電阻，所述低通濾波電路包括第一電容、第二電容、第三電阻、第四電阻，所述交流耦合及高通濾波電路包括第三電容、第四電容、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻；

所述四運算放大器中的第一個運放的正輸入端經(jīng)由所述第一電阻連接至第一個第二鍍銀金屬干電極、負輸入端連接輸出端，所述四運算放大器中的第二個運放的正輸入端經(jīng)由所述第二電阻連接至第二個第二鍍銀金屬干電極、負輸入端連接輸出端，所述第一個運放的輸出端連接第三電阻的一端，第三電阻的另一端連接第三電容的第一端以及經(jīng)由第一電容接信號地，所述第二個運放的輸出端連接第四電阻的一端，第四電阻的另一端連接第四電容的第一端以及經(jīng)由第二電容接信號地，第三電容的第一端先后經(jīng)由第五電阻、第七電阻連接第四電容的第一端，第三電容的第二端先后經(jīng)由第六電阻、第八電阻連接第四電容的第二端，第五電阻和第七電阻之間的節(jié)點與第六電阻和第八電阻之間的節(jié)點連接且均連接至儀表運算放大器的負輸入端，第三電容的第二端連接儀表運算放大器的正輸入端，儀表運算放大器的正輸入端經(jīng)由第九電阻接信號地、負輸入端經(jīng)由第十電阻接信號地，信號地經(jīng)由第十一電阻接內(nèi)部電源、經(jīng)由第十二電阻接地。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述MCU采用STM32F103VCT6，所述儀表運算放大器采用INA321，所述心電專用芯片為ADAS1000。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述硬件系統(tǒng)還包括與所述MCU連接的震動模塊和開關(guān)按鍵。

在本發(fā)明所述的多功能心電輔助監(jiān)護裝置中，所述上位機包括手機、PDA或PC。

實施本發(fā)明的多功能心電輔助監(jiān)護裝置，具有以下有益效果：本發(fā)明采用雙電極輸入檢測模式，與傳統(tǒng)的帶右腿驅(qū)動電極的三電極輸入模式相比，本雙電極通過模擬前端預處理模塊等電路改進來提高信噪比的同時，心電信號輸入端少了一個消除共模抑制噪聲的右腿驅(qū)動電極，攜帶更為自由方便，減小了佩戴本胸帶式心電監(jiān)測裝置給用戶帶來的束縛感；

本發(fā)明中輸入接口電路可以對輸入電極類型進行識別，進而執(zhí)行對應的工作模式，在使用鍍銀金屬干電極作為輸入電極時，不需要使用電解凝膠或者粘合劑，從而提高了本裝置的舒適性和便攜性，同時也可通過Agcl濕電極作為心電輸入以及通過雙手觸摸嵌入本硬件系統(tǒng)PCB中的兩個鍍銀金屬干電極來進行多種方式的便攜測量；

而且心電信號不僅可以通過通訊模塊在上位機上顯示和存儲，供醫(yī)護人員參照，還可以存儲到SD卡中，醫(yī)護人員可通過對SD卡中保存的數(shù)據(jù)進行離線分析，為醫(yī)生診治提供輔助參考。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明多功能心電輔助監(jiān)護裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明多功能心電輔助監(jiān)護裝置的一個較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

參考圖1，本發(fā)明的多功能心電輔助監(jiān)護裝置包括一根胸帶、嵌入胸帶的用于與人體皮膚接觸的用于采集原始心電信號的第一心電信號輸入模塊、可取出的置于所述胸帶內(nèi)的硬件系統(tǒng)、呈耳機結(jié)構(gòu)的用于將第一心電信號輸入模塊采集的心電信號接入硬件系統(tǒng)的中間連接件，所述硬件系統(tǒng)的PCB電路板上嵌有第二心電信號輸入模塊，所述第一心電信號輸入模塊為兩個鍍銀金屬干電極/Agcl濕電極，所述第二心電信號輸入模塊為兩個平板狀的用于供用戶的兩個拇指觸摸的鍍銀金屬干電極，中間連接件分叉的兩端分別與嵌入胸帶上的一個鍍銀金屬干電極/Agcl濕電極遠離皮膚的一側(cè)扣合連接，中間連接件的另一端與硬件系統(tǒng)插接。

中間連接件未分叉的一端形成依次縮徑的三節(jié)，最前面的一節(jié)是用于接地信號，往后的兩節(jié)接通兩路心電信號，該兩路心電信號來自與其分叉的兩端扣合連接的第一心電信號輸入模塊中的鍍銀金屬干電極/Agcl濕電極。

所述硬件系統(tǒng)包括：輸入接口電路100、模擬前端預處理模塊200，心電專用芯片300、MCU 400、SD卡模塊600、通訊模塊500、電池、電源管理模塊700、OLED顯示屏。

所述輸入接口電路100與所述第一心電信號輸入模塊、第二心電信號輸入模塊連接，所述模擬前端預處理模塊200連接輸入接口電路100和心電專用芯片300，心電專用芯片300、通訊模塊500、SD卡模塊600分別連接至MCU 400，所述電源管理模塊700與所述電池、MCU 400、模擬前端預處理模塊200、心電專用芯片300、通訊模塊500連接。

輸入接口電路100，用于接收第一心電信號輸入模塊或者第二心電信號輸入模塊的心電信號并根據(jù)電極阻值對輸入電極類型進行識別以使硬件系統(tǒng)進入對應的工作模式，電極阻值的獲取可以利用阻值定義原理，通過電流電壓檢測電路獲取到的電流電壓計算得到，MCU可以根據(jù)電極阻值進入對應的工作模式。即輸入接口電路100可以根據(jù)是否插入中間連接件來自動選擇，當插入中間連接件時，通過第一心電信號輸入模塊作為心電采集輸入端，此時第二心電信號輸入模塊的輸入端自動斷開，拔掉中間連接件時恰好相反，即從第一心電信號輸入模塊/二心電信號輸入模塊中獲得一路心電信號，送給模擬前端預處理模塊200。

模擬前端預處理模塊200，用于將第二鍍銀金屬干電極100采集的單導聯(lián)心電信號進行前置放大及信號調(diào)理；

心電專用芯片300，用于對模擬前端預處理模塊200輸出的心電信號進行二級放大及軟件濾波及AD采集；優(yōu)選的，所述心電專用芯片300為ADAS1000。

MCU 400，通過配置心電專用芯片300的寄存器以對心電專用芯片300進行控制和通信；優(yōu)選的，所述MCU 400采用STM32F103VCT6。

SD卡模塊600，將從心電專用芯片300獲得的心電信號以FAT32文件系統(tǒng)形式存儲，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)文件暫存；

通訊模塊500，將上述心電信號通過發(fā)送給上位機來進行顯示和存儲處理，上位機既可以實時顯示，也可以存儲后離線顯示。所述上位機包括手機和/或PDA和/或PC，優(yōu)選的，所述通訊模塊500采用藍牙BT4.0模塊，藍牙支持一對一，一對多。

電源管理模塊700，通過USB接口給電池充電以及對MCU 400進行電源管理。優(yōu)選的，當心電專用芯片300檢測到導聯(lián)脫落時，MCU 400控制電源管理模塊700經(jīng)過預設時間后斷開給模擬前端預處理模塊200、心電專用芯片300、通訊模塊500的供電，例如MCU 400通過控制電源管理模塊700給該三個部分供電的通路中的三極管(場效應管)的關(guān)閉實現(xiàn)。如此可以提高裝置的續(xù)航能力。

使用時，由于輸入接口電路可以對輸入電極類型進行識別，進而執(zhí)行對應的工作模式?？梢耘宕骱眯貛Ш?，將呈耳機結(jié)構(gòu)的中間連接件的未分叉的一端與硬件系統(tǒng)插接，分叉的兩端與第一心電信號輸入模塊的鍍銀金屬干電極/Agcl濕電極通過按扣結(jié)構(gòu)扣合，然后將硬件系統(tǒng)置于所述胸帶內(nèi)，再進行測量，穿戴時體積小且無束縛；還可以將硬件系統(tǒng)從胸帶中取出，取下中間連接件，將硬件系統(tǒng)從胸帶中取出后直接雙手按壓第二心電信號輸入模塊中的平板狀的鍍銀金屬干電極進行測量，測量結(jié)果可以通過OLED顯示屏顯示。

本發(fā)明采用雙電極輸入檢測模式，與傳統(tǒng)的帶右腿驅(qū)動電極的三電極輸入模式相比，本雙電極通過模擬前端預處理模塊等電路改進來提高信噪比的同時，心電信號輸入端少了一個消除共模抑制噪聲的右腿驅(qū)動電極，攜帶更為自由方便，減小了佩戴本胸帶式心電監(jiān)測裝置給用戶帶來的束縛感；

本發(fā)明中輸入接口電路可以對輸入電極類型進行識別，進而執(zhí)行對應的工作模式，在使用鍍銀金屬干電極作為輸入電極時，不需要使用電解凝膠或者粘合劑，從而提高了本裝置的舒適性和便攜性，同時也可通過Agcl濕電極作為心電輸入以及通過雙手觸摸嵌入本硬件系統(tǒng)PCB中的兩個鍍銀金屬干電極來進行多種方式的便攜測量。

而且當采用鍍銀金屬干電極時，它在測量心電信號時直接和皮膚接觸，不需要使用電解凝膠或者粘合劑，因而非常適合于長時間的心電監(jiān)測，且還可擴展應用到譬如生理監(jiān)測、遠程醫(yī)療、電子協(xié)助和運動醫(yī)學等諸多領(lǐng)域，也可家用；而且心電信號不僅可以通過通訊模塊在上位機上顯示和存儲，供醫(yī)護人員參照，還可以存儲到SD卡中，醫(yī)護人員可通過對SD卡中保存的數(shù)據(jù)進行離線分析，為醫(yī)生診治提供輔助參考。

具體實施例中，所述硬件系統(tǒng)還包括與所述MCU 400連接的開關(guān)按鍵，所述開關(guān)按鍵用于觸發(fā)供電或切斷電源。

優(yōu)選的，所述硬件系統(tǒng)還包括與所述MCU 400連接的震動模塊，所述震動模塊用于通過發(fā)出不同頻率的震動提醒用戶電源的開啟/關(guān)閉或者提醒用戶心電數(shù)據(jù)異常。

參考圖2，較佳實施例中，所述模擬前端預處理模塊200包括依次連接的：與第二鍍銀金屬干電極100連接的用于阻抗匹配的緩沖放大電路210、低通濾波電路220、交流耦合及高通濾波電路230、對兩路差分信號進行二級放大的型號為INA321的儀表運算放大器240。所述低通濾波電路220的截止頻率為40Hz，交流耦合及高通濾波電路230的截止頻率為0.4Hz。

優(yōu)選的，為了增加濾波效果，前級放大之后、心電專用芯片300之前再加一個50Hz雙T陷波器250，來起到雙重濾除工頻干擾噪聲的效果。

所述緩沖放大電路210包括MCP6004系列的四運算放大器、第一電阻R1、第二電阻R2，40Hz低通濾波電路220包括第一電容C1、第二電容C2、第三電阻R3、第四電阻R4，所述交流耦合及高通濾波電路230包括第三電容C3、第四電容C4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8；

所述四運算放大器中的第一個運放的正輸入端經(jīng)由所述第一電阻R1連接至第一個第二鍍銀金屬干電極100、負輸入端連接輸出端，所述四運算放大器中的第二個運放的正輸入端經(jīng)由所述第二電阻R2連接至第二個第二鍍銀金屬干電極100、負輸入端連接輸出端，所述第一個運放的輸出端連接第三電阻R3的一端，第三電阻R3的另一端連接第三電容C3的第一端以及經(jīng)由第一電容C1接信號地，所述第二個運放的輸出端連接第四電阻R4的一端，第四電阻R4的另一端連接第四電容C4的第一端以及經(jīng)由第二電容C2接信號地，第三電容C3的第一端先后經(jīng)由第五電阻R5、第七電阻R7連接第四電容C4的第一端，第三電容C3的第二端先后經(jīng)由第六電阻R6、第八電阻R8連接第四電容C4的第二端，第五電阻R5和第七電阻R7之間的節(jié)點與第六電阻R6和第八電阻R8之間的節(jié)點連接且均連接至INA321的負輸入端，第三電容C3的第二端連接INA321的正輸入端，INA321的正輸入端經(jīng)由第九電阻R9接信號地、負輸入端經(jīng)由第十電阻R10接信號地，信號地經(jīng)由第十一電阻R11接內(nèi)部電源、經(jīng)由第十二電阻R12接地。

由于第二鍍銀金屬干電極100接觸不固定，所以會造成接觸阻抗的改變，這對人體心電信號的提取造成了一定的困難，因為高阻抗的干電極容易受到噪聲的干擾，噪聲來源主要為運動偽差和電力線干擾。因此，本發(fā)明在第二鍍銀金屬干電極100后面接一個緩沖放大器，即射極跟隨器，其作用就是將高阻抗信號轉(zhuǎn)化為低阻抗信號，實現(xiàn)阻抗的匹配，從而使輸入端獲得較大的信噪比，使低阻抗信號不易受外界噪聲信號的干擾，較佳實施例中，緩沖放大器的正輸入端連接的電阻R1＝R2＝100KΩ。

由于95％以上的心電信號的能量均集聚在0～40Hz，因此本裝置的低通濾波電路220截止頻率設置為40Hz，只獲取0～40Hz頻帶的心電信號，同時低通濾波去掉了大部分50Hz工頻干擾，較佳實施例中，選擇低通濾波的參數(shù)值如下：R3＝R4＝1MΩ，C1＝C2＝2uF。為了增加50Hz工頻干擾的濾波效果，其后面再加一個50Hz陷波來起到雙重除工頻干擾噪聲的效果。

此外，在本裝置的硬件系統(tǒng)中，由電阻R5，R6，R7，R8以及C3，C4構(gòu)成一個交流耦合電路，其主要作用是將織物電極獲得的微弱心電信號有效地耦合到后面信號放大及硬件系統(tǒng)中，另外電容C3和電阻R6、電容C4和電阻R7還分別構(gòu)成一個無源高通濾波器。若選擇R6C3＝R7C4＝τ，此時電路的傳遞函數(shù)關(guān)系式為：GDD(s)＝Sτ/Sτ+1，截止頻率為f_c＝1/2πR₆C₃，在電路參數(shù)選擇中，由于大阻值電阻能帶來較高輸入阻抗，有利于信號的提取，因此，在本電路中盡力選擇較大電阻。同時再根據(jù)心電信號的頻譜特征和心電信號的特點，無源高通濾波器的截止頻率設置為0.4Hz。因而，選擇交流耦合的參數(shù)值如下：R5＝R6＝R7＝R8＝2MΩ，C3＝C4＝200nF。此外，該交流耦合電路也起到了抑制電極端直流偏置電壓的作用，因而可防止微小信號出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象。

本裝置的模擬前端預處理模塊200采用了兩級放大方案，首先采用MCP6004緩沖放大器分別進行射極緩沖放大，主要是為提高輸入端的阻抗來達到阻抗匹配的作用；然后低通濾波電路220對心電原始信號進行40Hz低通濾波；隨后再通過交流耦合及高通濾波電路230來將心電信號有效的耦合到后續(xù)的放大電路中，同時進行0.4Hz高通濾波；再利用儀表運算放大器240INA321對兩路差分信號進行二級放大；再通過50Hz雙T陷波器250進行50Hz工頻干擾信號濾波處理，使心電信號頻率限制在0.4-40HZ的帶通頻段內(nèi)；并通過ADAS1000專用芯片放大及處理后，送給處理器STM32F103VCT6來進行AD采樣；最后通過MCU 400將心電信號再通過藍牙BT4.0發(fā)送給手機、PDA或帶有藍牙接收頭的PC，用于心電信號的實時顯示和保存。

當然，可以理解的是，MCU還可以通過USB進行有線上傳，例如，圖1中的USB接口的電源引腳與電源管理模塊700連接，數(shù)據(jù)引腳與MCU 400之間通過USB轉(zhuǎn)換器連接，USB接口既可以用于給電源管理模塊700充電，又可以用于在MCU 400的控制下上傳數(shù)據(jù)至上位機。

本發(fā)明用于實現(xiàn)病人日常生活中長時間的心電信號采集和存儲，所以系統(tǒng)的低功耗型和電池的續(xù)航能力是本裝置的核心之一?；诘凸牡膶崿F(xiàn)，本裝置采用了以下幾點設計：一是，模擬電路設計方面選用超低功耗模擬器件，例如模擬前端預處理模塊200中儀表運算放大器240采用TI公司的INA321芯片，緩沖放大電路210選用的是Microchip的MCP6004系列芯片。這兩款芯片均是低電壓、低功耗精密放大器，采用單電源供電，供電電壓范圍為1.8～5.5V，且適合于電池供電。且上述兩芯片具有優(yōu)秀的共模抑制比和較小的溫度漂移，非常適用于微小的生理信號放大；二是，MCU 400選擇低功耗芯片STM32F103VCT6芯片；三是，數(shù)據(jù)上傳時采用低功耗藍牙BT4.0，另外采用USB接口代替電池實現(xiàn)系統(tǒng)供電；四是，整個裝置采用的是3.0V單電源供電可充電鋰電池，電池電壓范圍為3.7～4.2V，電源管理模塊700采用了TI的TLV70030線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)固定輸出3.0V電壓。

本裝置可以對心臟健康狀況進行長期的心電監(jiān)護，輔助醫(yī)生或用戶及早發(fā)現(xiàn)心臟缺陷，同時可對心臟患者的治療進行輔助的檢測，從而側(cè)面輔助評判藥物的效果。具有便攜、無束縛、無擾、低功耗的特點。

綜上所述，本發(fā)明采用雙電極輸入檢測模式，與傳統(tǒng)的帶右腿驅(qū)動電極的三電極輸入模式相比，本雙電極通過模擬前端預處理模塊等電路改進來提高信噪比的同時，心電信號輸入端少了一個消除共模抑制噪聲的右腿驅(qū)動電極，攜帶更為自由方便，減小了佩戴本胸帶式心電監(jiān)測裝置給用戶帶來的束縛感；輸入接口電路可以對輸入電極類型進行識別，進而執(zhí)行對應的工作模式，在使用鍍銀金屬干電極作為輸入電極時，不需要使用電解凝膠或者粘合劑，從而提高了本裝置的舒適性和便攜性，同時也可通過Agcl濕電極作為心電輸入以及通過雙手觸摸嵌入本硬件系統(tǒng)PCB中的兩個鍍銀金屬干電極來進行多種方式的便攜測量；而且心電信號不僅可以通過通訊模塊在上位機上顯示和存儲，供醫(yī)護人員參照，還可以存儲到SD卡中，醫(yī)護人員可通過對SD卡中保存的數(shù)據(jù)進行離線分析，為醫(yī)生診治提供輔助參考。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。