一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統的製作方法
2023-12-07 03:17:36 1
專利名稱：一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統，適用於醫療設備領域。
背景技術：
家庭心電監護需長期、連續、實時、遠程監護。雖然市場上有著多種可攜式心電產品，但很難同時完美地做到上述要求。可攜式心電監護儀根據採用的電極可分為粘貼式電極和非粘貼式電極。非粘貼式電極不使用導電膏，將金屬電極直接貼在人皮膚上進行測量，再通過有線電話傳輸到醫院監護中心。但測量時間短，僅在病人感覺不適的時候短時間測量，一般幾十秒左右。另一類是粘貼式電極，將心電電極固定在皮膚上，用導電膏耦合進行採樣，可以連續記錄心電信號，信息量較大，但粘貼式電極使用很少能超過4天，皮膚會紅、癢，難以忍受，同時導電膏變幹和電極表面剝蝕，電極阻抗會隨時間發生變化，不適於長期連續不斷的監護。這兩類設備對心電的監護是短時的，若不在該有限時間內發生心律失常，被發現的概率也是很低的。因此有必要通過相應的監護裝置對患者進行長時間的實時監護，記錄患者的心電數據，提供給醫生及時診斷。由此研發相應的可攜式心電監護儀就顯得尤為重要。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是1、心電、呼吸波信號的非接觸測量，實現心電、睡眠呼吸監護的長期、連續、實時監測；2、傳感器和可攜式接收裝置的信號無線傳輸，取消電極導線，解決設備對人日常活動的限制；3、心電和呼吸波信號的遠程無線傳輸，解決人的遠程監護；4、構建信息處理平臺和專家識別系統，實現相關疾病的自動診斷和報警。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是採用一體化電極，將作用、相關、地電極整合在一起，消除電極導線。設計一種特殊的LC振蕩式傳感器電路，利用變容二極體作為心電信號的傳感器件，電感線圈作為呼吸信號的傳感器件，該傳感器電路具有儀表放大電路的特點，對共模信號有抑制作用，對差模信號有放大的作用。利用生物MEMS技術研製一種柔韌性電路，把一體化電極、傳感器電路整合在一起，形成一種類似於皮膚的輕薄膜片，受大氣壓力而黏貼在人皮膚上，不需傳統的固定。所檢測的電生理信號通過諧振耦合線圈實現信號的無線傳輸。讀取電路把接收到的調製信號通過相位檢測的方式解調出來，並通過濾波的方法實現心電和呼吸波信號的分離。可攜式接收裝置通過GRPS將信號遠程傳輸到信息處理平臺或直接通過USB接口拷貝給信號處理平臺，通過相關的算法，實現對心電、睡眠呼吸的監測。本發明的目的是這樣實現的本發明提供的一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統包括以下模塊S1:一體化電極採集心電信號；S2 :傳感器電路傳感器電路為LC諧振迴路，心電信號的變化使得變容二極體電容發生變化，呼吸導致的胸部起伏使得線圈發生形變，從而影響線圈的電感。諧振迴路中電感和電容的變化使得迴路的諧振頻率和相位發生變化，並且通過電磁場空間耦合方式使得讀取電路中的諧振迴路輸出端的電壓發生變化；S3 :相位檢測讀取電路通過電磁場空間耦合的方式感應傳感器電路中電感、電容變化引起的等效阻抗的變化，通過相位檢測的方式，把心電、呼吸信號的變化檢測出來。然後對信號進行濾波、放大等處理，最後實現心電信號和呼吸信號的分離；S4 :信號採集存儲傳輸電路將信號進行模數轉換並存儲，最後通過GPRS方式或者USB接口傳輸給信息處理平臺；S5 :信息處理平臺根據接收到的信號做出相應的診斷。進一步,一體化電極設計如下摒棄傳統的心電導聯電極分布方式，將作用電極、相關電極、地電極整合在一起，設計成多環的形式；地電極在最外圈，相關電極在次圈，作用電極在最裡圈。電極表面有絕緣層覆蓋，不讓金屬電極和皮膚接觸。進一步，傳感器電路主要由LC諧振迴路構成，變容二極體用於心電信號的提取、電感線圈用於呼吸信號的提取。系統設計中，將一體化電極和傳感器整合在一起，做成類似於皮膚的膜片，可通過大氣壓力黏貼在人體皮膚上。進一步，相位檢測讀取電路主要由壓控振蕩發生器(VCO)、鑑相電路、濾波器、放大器以及分立電路等構成，具體實現如下S31 :讀取電路接收無線傳輸的調製後的電生理信號，將其傳輸給鑑相器輸入端，將VCO發生器提供的高頻信號通過移相電路傳輸給鑑相器的另一個輸入端，鑑相器對調製的電生理信號進行解調，輸出心電、呼吸混合信號；S32 :對鑑相器輸出的信號進行低通濾波，抑制噪聲和幹擾；S33 :對濾波後的信號進行放大處理；S34:根據心電、呼吸信號的頻率差別，通過濾波的方式分離這兩種不同的信號。進一步，接收過程如下S41 :將處理後的信號進行A/D轉換，送入主控制器，經過分析處理後進行數據存儲；S42 :通過GPRS無線傳輸或者USB有線傳輸的方式把數據傳到信息處理平臺。進一步，信息處理平臺包括兩個方面的內容S51 :系統本身設計成一個生理信息處理專家系統，自動處理數據，判斷數據是否異常；S52 :醫生檢查數據，判斷數據是否異常。本發明的優點是採用非接觸測量技術、生物「MEMS」技術、兩級信號無線傳輸技術，經過有機整合，實現對心電、呼吸波信號的非接觸測量，取消了電極連線，解除了監護過程中對人的活動限制，保證了心 電、呼吸波的長期、連續、實時和遠程監測。採用生物「MEMS」技術製作的傳感器膜片非常薄，對皮膚無刺激，通過大氣壓力直接黏貼在皮膚上；同時，傳感器膜片成本低廉，使用類似於「創可貼」。傳感器電路採用無線方式進行能量和信號傳輸，不需要電池供電。取消了電極聯線，不會對病人睡眠產生幹擾，非常適合睡眠中的嬰幼兒心電和呼吸波的長期、實時監護。進一步還可以製成可穿戴式監護系統，用於多參數生理信號長期檢測。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中圖1為本發明實施例提供的可攜式心電、睡眠呼吸監護系統總體框圖；圖2為本發明實施例提供的一體化電極原理圖；圖3為本發明實施例提供的心電信號、呼吸信號測量原理電路；圖4為本發明實施例提供的傳感器電路原理圖；圖5本發明實施例提供的整合一體化電極、傳感器電路形成的膜片的結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的相位檢測讀取電路框圖；圖7為本發明實施例提供的信號採集存儲傳輸電路原理框圖；
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的優選實施例一種新型的心電，睡眠呼吸監護系統進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。圖1為本發明實施例提供的系統總體框圖，如圖所示本發明的系統框圖，由5個功能模塊組成(I) 一體化電極102 (米集電生理信號)；(2)傳感器電路模塊103 (將電生理信號的變化轉換為諧振頻率信號相位的變化)；(3)相位檢測讀取電路模塊104 (信號解調和信號處理);(4)信號採集存儲傳輸電路105 (把模擬信號轉化為數位訊號，存儲並實現遠程傳輸)；(5)信息處理平臺106 (數據診斷)。圖2為本發明實施例提供的一體化電極，具體實現功能與原理如下沒有採取傳統的心電導聯電極分布方式，而是考慮將作用電極、相關電極、地電極整合在一起。電極設計成多圈的環狀形式，地電極在最外圈，其次是相關電極，最裡圈是作用電極。作用電極和相關電極在中間，而地電極在外圍，面積較大，可以起到平均電勢，降低幹擾的作用。同時電極表面有絕緣層覆蓋，不讓金屬電極和皮膚接觸。圖3為本發明實施例提供的心電信號、呼吸信號測量原理電路圖，由讀取電路(U、C1)和傳感器電路(L2X2)組成。讀取電路和傳感器電路之間通過電磁場空間耦合方式進行能量和信號的無線傳輸，傳感器電路無需電池電源就可工作。對讀取電路而言，傳感器電路可等效為阻抗X2。電感L2和電容C2的變化，可影響阻抗X2。圖4為本發明實施例提供的傳感器電路原理圖，用於心電信號和呼吸信號的提取，具體實現功能與原理如下作用電極和地電極的電勢差Vinl加在C21 (變容二極體D1)兩端，相關電極和地電極之間的電勢差Vin2加在C22 (變容二極體D2)兩端。當Vinl和Vin2的電壓相同時，其加在變容二極體D1和D2兩端的電壓必定一個為正、一個為負，則D1和D2兩端的電壓一個增大、一個減小。相應的,D1和D2的電容值C21和C22的變化相反。整個電路中總的電容趨近於不變。而當Vinl和Vin2的電位相反時，則其加在變容二極體D1和D2兩端的電壓必定同為正或負。則C21和C22同時增大或減小。整個電路中總的電容變化趨大。這類似於差分放大電路，對共模信號有抑制作用，而對差模信號有放大作用。C21和C22的變化最終會引起諧振迴路諧振頻率fo的變化。等效阻抗X2跟著發生相應變化。同樣，一體化電極和傳感器電路做成了類似於皮膚的膜片，黏貼在人的胸部，當人呼吸時，膜片發生形變，線圈的電感L2跟著發生變化，引起迴路諧振頻率fo的變化。等效阻抗X2跟著發生相應變化。圖5為本發明實施例提供的整合一體化電極、傳感器電路形成的膜片結構示意圖。利用生物MEMS技術技術研製一種柔韌性電路，把一體化電極、傳感器電路整合在一起，形成一種類似於皮膚的輕薄膜片，受大氣壓力而黏貼在人皮膚上，不需傳統的固定。膜片分為五層第一層是PDMS (Polydimethylsiloxane聚二甲娃氧燒)層，PDMS無毒,對人體無害，可以長期貼在皮膚上並且對皮膚無刺激，並在皮膚和電極之間起到絕緣作用；第二層為電極層，很薄的一層金屬膜；第三層為絕緣層，可以採用PI (Polyimide聚醯亞胺)材料；第四層為傳感器電路，主要元件有線圈、電容，變容二極體等；第五層為保護層，也採用PI材料。圖6為本發明實施例提供的讀取電路，具體實現功能與原理如下讀取電路主要採用相位檢測方式檢測心電信號、呼吸信號的變化。傳感器LC振蕩電路工作在諧振狀態，壓控振蕩器(VCO) 602提供的高頻信號工作頻率f與傳感器振蕩電路的諧振頻率fo —致，並保持恆定不變。VCO的一路信號通過移相電路603，相位提前90度，經過波形變換604後送入到鑑相電路605的一個輸入端，另一路通過電阻施加到讀取電路607 (L1, C1)的線圈L1上，再通過 電磁場耦合到傳感器振蕩電路611 (見圖3)。心電信號和呼吸信號的變化會引起傳感器電路阻抗的變化，而傳感器諧振迴路的阻抗變化會引起其在讀取電路端的等效阻抗X2的變化。鑑相電路的另外一個輸入端接在該電阻和耦合線圈之間，檢測耦合線圈兩端電壓Vtjutl的變化，而Vwtl的變化反映了 X2的變化(見圖3)。當兩個輸入端的電壓相位相同時，鑑相電路的輸出為零；如果不相同，則鑑相電路輸出與二輸入端信號相位差相關的電壓信號。通過後續的濾波606、放大電路610實現對信號的濾波、放大。從讀取電路中得到的呼吸波和心電電位信號是混合在一起的。但呼吸波的頻率成分比心電信號的頻率成分低得多，由分離電路613通過濾波的方式實現二者的信號分離。圖7為本發明實施例提供的可攜式電生理信號接收裝置，具體實現功能如下把放大後的信號702通過A/D轉換模塊703從模擬信號轉換為數位訊號,送入嵌入式系統705，經過分析處理後進行數據存儲708。可攜式接收裝置可以有兩種方式把數據傳輸給信息處理平臺。一種是無線方式，裝置定時把數據通過GPRS (通用無線分組業務)模塊706發送出去，或者系統診斷到數據異常時，或病人感覺不適時，將數據也通過GPRS模塊發送出去，供醫生及時診斷。另一種方式是有線方式，病人把可攜式接收裝置的所有數據通過USB (通用串行總線)接口 707直接轉入到信息處理平臺。
權利要求
1.一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統，其特徵在於系統由一體化電極、LC諧振式傳感器電路、相位檢測讀取電路、信號採集存儲傳輸模塊、心電、呼吸波信息處理平臺五個部分構成。
2.根據權利要求1所述的一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統，其特徵在於一體化電極將作用電極、相關電極、地電極整合在一起，電極表面有絕緣層覆蓋，不讓電極金屬層和皮膚接觸；傳感器電路主要是由電容、變容二極體和線圈構成的LC諧振電路，變容二極體的電容變化反映心電信號的變化，線圈的形變反映呼吸信號的變化，並且電路具有儀表放大電路的特點對共模信號有抑制作用，對差模信號有放大作用；LC諧振式傳感器電路對心電、呼吸信號進行調製；一體化電極和傳感器電路是通過生物微電子機械技術(BioMEMS)整合同一膜片上的，膜片可以通過大氣壓力直接黏貼在人體皮膚上。
3.根據權利要求1所述的一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統，其特徵在於相位檢測讀取電路和信號採集存儲傳輸電路構成可攜式無線接收發送裝置；相位檢測讀取電路主要由壓控振蕩發生器(VCO)、鑑相電路、濾波器、放大器、信號分離電路等構成，傳感器電路將調製後的心電、呼吸波信號通過空間電磁耦合方式傳輸給讀取電路，後者將其送入鑑相器的一個輸入端；同時，壓控振蕩發生器提供的高頻信號通過移相電路送入鑑相器的另一個輸入端；鑑相器將兩個輸入信號進行比較，解調出心電、呼吸的混合信號，然後濾波器對輸出的信號進行低通濾波，抑制噪聲和幹擾，讀取電路中的放大器對濾波後的信號進行放大處理，根據心電、呼吸信號的頻率差別，分離電路實現這兩種不同信號的分離；信號採集存儲傳輸模塊包括模數轉換、主控制器、存儲、顯示和GPRS傳輸幾個模塊，分離後的心電、呼吸信號經過兩路A/D轉換後，送入主控制器，經過分析處理後進行數據存儲，並可通過GPRS無線傳輸或者USB有線傳輸的方式把數據傳到信息處理平臺。
4.根據權利要求1所述的一種可攜式心電、呼吸監護系統，其特徵在於所述心電、呼吸波信息處理平臺包括兩個方面的內容信息處理平臺為一個生理信息處理專家智能系統，通過分析心電信號和呼吸信號的參數指標，同一疾病指標之間的關聯性，自動處理數據，判斷健康是否異常；醫生也可檢查數據，判斷受檢者指標是否異常。
全文摘要
本發明公開了一種可攜式心電、睡眠呼吸監護系統，屬於醫療設備領域。主要解決家庭監護中的長期、連續、實時、遠程監護的問題。系統中一體化電極和傳感器電路利用生物微電子機械技術整合在一起，消除了電極導線，實現電生理信號非接觸檢測。傳感器電路利用變容二極體作心電信號傳感器，線圈作呼吸信號傳感器，電路具有儀表放大電路的功能。檢測信號調製後通過諧振耦合無線傳輸到相位檢測讀取電路。相位檢測讀取電路把接收到的調製信號通過相位檢測方式解調，實現心電和呼吸波信號的分離。信號採集存儲傳輸模塊在主控制器的控制下，實現對心電和呼吸信號的採集、存儲，並通過GRPS或USB方式將信號傳輸到信息處理平臺，實現對心電、睡眠呼吸的監測。
文檔編號A61B5/0402GK103054571SQ20121053344
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者張思傑, 李曉鳳, 李 瑞, 尹玲, 瞿麗紅, 徐鵬, 孫明貴, 曾孝平 申請人:重慶大學