非接触式心肺信号测量系统
阅读说明：本技术 非接触式心肺信号测量系统 (Non-contact cardiopulmonary signal measurement system ) 是由 彭顺 陈炜 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明属于医疗设备技术领域,具体为一种非接触式心肺信号测量系统。本发明系统包括参考电极、两块感应电极、信号采集模块和信号处理软件；参考电极从底部覆盖两块感应电极并构成整体,改善共模抑制性能；信号采集模块包含缓冲器电路、差分放大器和右腿驱动电路；信号处理软件包含对原始信号预处理算法和从原始信号中提取呼吸信号的呼吸提取算法。两块感应电极采用电容耦合的工作方式测量皮肤电信号,使系统在使用者睡眠时能够非接触式测量心电信号,并且获得呼吸信号。本发明系统舒适便捷、使用安全、信号质量高并且能够进行整夜稳定工作,解决了传统生命体征监测产品用在睡眠监护时舒适感低、信号质量差的问题。(The invention belongs to the technical field of medical equipment, and particularly relates to a non-contact cardiopulmonary signal measuring system. The system comprises a reference electrode, two induction electrodes, a signal acquisition module and signal processing software; the reference electrode covers the two induction electrodes from the bottom to form a whole, so that the common mode rejection performance is improved; the signal acquisition module comprises a buffer circuit, a differential amplifier and a right leg driving circuit; the signal processing software contains a pre-processing algorithm on the raw signal and a breath extraction algorithm that extracts a breath signal from the raw signal. The two induction electrodes adopt a capacitive coupling working mode to measure skin electric signals, so that the system can measure electrocardiosignals in a non-contact manner when a user sleeps and obtain respiratory signals. The system is comfortable and convenient, safe to use and high in signal quality, can stably work all night, and solves the problems of low comfort and poor signal quality when the traditional vital sign monitoring product is used for sleep monitoring.)
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种心电和呼吸信号测量系统。
背景技术
传统的生命体征监护仪常常采用湿电极，比如Ag/AgCl电极。在电极贴着皮肤的情况下，设备能够采集到质量很高的心电信号和呼吸信号，但是在舒适度和便捷性上却有许多不足，尤其是应用在睡眠监护中会严重干扰睡眠。为此，一些非接触式心电传感器得到了许多的研究。例如，实用新型专利“一种基于非接触式电极阵列的心电监测床垫”（CN202699127 U）公布了一种用双面印制电路板（PCB）制成的非接触式心电传感器，它可以通过阵列方式布置在床垫上，从而隔着衣服测量人躺在上面的心电信号。发明专利申请“用于睡眠监测的心肺信号感知与采集系统”（CN 110236517 A）公布了一种利用M/NWs/PDM复合材料设计的柔性心电电极，它保证了使用者的舒适性。该系统一个心电电极放置在枕头上，另一个电极放置在上肢偏右的一侧，并在三种睡眠姿势下做了心电采集测试。
对于非接触式心电传感器应用在睡眠监护上的研究，虽然舒适性得到了极大改善，但是却有信号质量差的问题。主要原因有两点：一是生理电信号本身微弱，隔着衣服测量容易受到噪声干扰；二是为了克服无约束睡眠中信号测量的稳定性问题，床垫上电极往往设计得比较大，使得受到环境中电磁辐射干扰严重。这两个因素极大限制了非接触式心电传感器在睡眠监护上的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种舒适便捷、使用安全、信号质量高并且能够进行整夜稳定工作的用于睡眠监护的非接触式心肺信号测量系统。
本发明提供的非接触式心肺信号测量系统，包括参考电极、两个感应电极、信号采集模块和信号处理软件；其中：
所述感应电极，包括第一感应电极和第二感应电极，其中，第一感应电极布置在人体平躺时肩胛骨位置附近；第二感应电极布置在腰与臀部之间；每块感应电极工作时候与人体皮肤形成耦合电容，从而非接触感应皮肤电信号。
所述感应电极，从上至下包含感应层、绝缘层和连接层；感应层采用柔性导电布料，通过电容耦合方式感应皮肤电信号；绝缘层采用柔性绝缘布料，用于电气隔离感应层与参考电极；而连接层采用高强度黏剂，用于物理连接感应电极和参考电极，使之形成整体。
进一步地，每块感应电极都是长度大于70cm的长条形形状（比如（4-6cm）*70-85cm长方形），其长度足以覆盖一般人睡眠过程中的翻身范围（通常在70cm范围内），保证信号测量的稳定性；工作时候与人体皮肤形成耦合电容，从而非接触感应皮肤电信号。
所述信号采集模块，包含差分放大器和右腿驱动电路，通过差分方式采集两个感应电极的心电信号；可提高共模抑制性能。
进一步地，所述信号采集模块的两个输入端与两个感应电极电气连接，每个输入端包含一个缓冲器电路，用于增大输入阻抗，提高共模抑制性能。
所述参考电极，采用柔性导电布料，从底部覆盖两块感应电极，对感应电极起到电磁噪声屏蔽的作用；另外参考电极还与右腿驱动电路连接，用于将两个感应电极的共模信号反馈回人体（两个感应电极中间的位置），进一步提高共模抑制性能，改善信号质量。
所述信号处理软件，用于预处理心电信号，同时从心电信号中提取呼吸信号。
所述信号处理软件包含心电信号预处理算法和呼吸信号提取算法，其中，心电信号预处理算法用于去除信号中的工频干扰，采用通带上限频率为40赫兹、通带最大波纹0.1分贝、阻带下限频率为45赫兹、阻带最小衰减为60分贝的FIR低通滤波器，可以去除50Hz/60Hz的工频干扰；呼吸信号提取算法采用通带频率为0.2-0.6赫兹、通带最大波纹1分贝、阻带最小衰减为60分贝的IIR带通滤波器，用于提取主要频率范围为0.2-0.6Hz的呼吸信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
目前非接触式心电测量技术用于睡眠监护中往往有信号质量差的局限。右腿驱动电路提高信号质量的原理是：右腿电路提取两个感应电极的共模信号，然后通过参考电极把共模反馈回人体，以抑制共模信号。现有技术中，用于反馈共模信号的参考电极常常放置于右腿区域或者下肢区域。然而当以非接触式方式测量心电时，参考电极隔着衣服反馈共模信号的能力受到削弱。本发明中，参考电极放置在两个感应电极下面，将共模信号反馈至两个感应电极中间的身体区域，能更有效地发挥共模抑制作用。
另外参考电极从底部覆盖两块感应电极，能够对感应电极起到电磁噪声屏蔽的作用，进一步提高心电信号质量。
本发明系统舒适便捷、使用安全、信号质量高并且能够进行整夜稳定工作，解决了传统生命体征监测产品用在睡眠监护时舒适感低、信号质量差的问题。
附图说明
图1为非接触式心肺信号测量整体实施方案。
图2为电极结构以及布局示意图。其中，（a）为正视图；（b）为侧视图。
图3为信号采集模块原理示意图。
图4为参考电极不同位置下心电测量对比图。其中，(a)为参考电极位于两感应电极底部（本发明）；(b)为参考电极位于下肢区域。
图5为非接触式心电和呼吸信号测量结果。
图中标号：10为第一感应电极，20为第二感应电极，30为参考电极，40为信号采集模块，50为信号处理软件，101/201为感应电极感应层，102/202为感应电极绝缘层，103/203为感应电极连接层，401/402为缓冲器，403为差分放大器，404为模数转换器，405为右腿驱动电路，406为微型处理器，407为蓝牙通信模块。
具体实施方式
为了能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，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本发明。需要说明的是，该具体实施方案只是一个运用范例，任何基于本发明做的没有实质型创新的运用都属于本发明的保护范围。
图1是用于睡眠的非接触心肺信号测量系统的一种整体实施方案。所述非接触心肺信号测量系统包含参考电极30、第一感应电极10、第二感应电极20、信号采集模块40和信号处理软件50，其中参考电极30从底部覆盖两个感应电极10和20。两个感应电极用于从人体两个不同位置感应皮肤电信号；而信号采集模块40对两个感应电极的信号进行差分生成心电信号，同时提取共模信号，通过参考电极反馈回人体；信号处理软件用于对原始心电信号进行预处理，同时从心电信号中提取呼吸信号。
图2显示了电极的结构和布局示意图，其中，2(a)为正视图，2(b)为侧视图。第一感应电极10布置在人体平躺时肩胛骨位置附近，而第二感应电极20布置在腰与臀部之间，每块感应电极都为长条形形状（比如6cm*80cm长方形），其长度足以覆盖一般人睡眠过程中的翻身范围（通常在70cm范围内），保证信号测量的稳定性。参考电极30从底部覆盖两块感应电极，并形成整体，其材料为柔性导电布料，比如银纤维导电布。每块感应电极从上至下包含感应层（101/201）、绝缘层（102/202）和连接层（103/203），感应层（101/201）采用柔性导电布料（比如银纤维导电布），通过电容耦合方式感应皮肤电信号；绝缘层（102/202）采用普通绝缘布料（比如纯棉布料），用于电气隔离感应层与参考电极；而连接层（103/203）采用高强度黏剂（比如热熔胶膜），用于物理连接感应电极和参考电极，使之形成整体。
图3显示了信号采集模块的原理示意图。所述信号采集模块包含信号缓冲器401/402、差分放大器403、模数转换器404、右腿驱动电路405、微型处理器406和蓝牙通信模块407。信号采集模块的信号输入端连接感应电极10和20，每个输入端设计有一个信号缓冲器，用于提高信号的输入阻抗和带负载能力。所述缓冲器401/402为运算放大器构建的电压跟随器，可选用美国ADI公司的AD8606芯片。所述差分放大器403用于对两个感应电极感应的皮肤电信号进行差分放大，以生成心电信号。所述右腿驱动电路405用于提取两个感应电极的共模信号，然后通过参考电极反馈回人体（两个感应电极中间位置）。所述模数转换器404用于将模拟信号转换为数字信号，然后传输至微型处理器406中。最后，所述蓝牙通信模块407将采集的心电信号无线上传至信号处理软件。
信号处理软件有两个功能：功能一是对信号采集模块采集的心电信号进行预处理，功能二是从心电信号中提取呼吸信号。其中，功能一心电信号预处理算法用于去除信号中的工频干扰，采用通带上限频率为40赫兹、通带最大波纹0.1分贝、阻带下限频率为45赫兹、阻带最小衰减为60分贝的FIR低通滤波器，这样便能去除50Hz/60Hz的工频干扰。功能二呼吸提取算法采用通带频率为0.2-0.6赫兹、通带最大波纹1分贝、阻带最小衰减为60分贝的IIR带通滤波器，用于提取主要频率范围为0.2-0.6Hz的呼吸信号。
所述参考电极采用柔性导电布料，从底部覆盖两块感应电极，对感应电极起到电磁噪声屏蔽的作用；另外参考电极还与右腿驱动电路连接，用于将两个感应电极的共模信号反馈回人体（两个感应电极中间的位置），进一步提高共模抑制性能，改善信号质量。
为了验证本发明中参考电极的位置有利于改善心电信号质量，发明人对比了参考电极位于感应电极底部和位于人体下肢区域两种情况下信号质量。实验在同一个环境下进行，分别用本发明系统和参考电极位于下肢区域的系统对同一个受试者（衣服1mm厚）进行测试，图4显示了测试结果。充分说明，本发明中参考电极的位置确实能够改善心电信号质量。
另外，图5显示了本发明隔着衣服同时测量的心电信号和呼吸信号，验证了本发明的有效性。
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