睡眠非接触式心电信号测量系统
阅读说明：本技术 睡眠非接触式心电信号测量系统 (Non-contact electrocardiosignal measurement system for sleep ) 是由 彭顺 徐珂 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,具体为一种睡眠非接触式心电信号测量系统。本发明系统包括传感模块和信号采集模块；传感器模块包含两个感应电极、一个右腿驱动电极,均采用柔性材料；信号采集模块在信号输入端增加缓冲器电路,使其具有非常高的输入阻抗。电极做成条带形式横放在床上,采用电容耦合的方式感应皮肤电信号,在人体不同睡姿下都能对心电信号进行非接触式测量。本发明可以无觉察地采集整夜的心电信号,进而可以计算心率、分析各种心律失常,辅助心血管疾病的诊断,实现心脏的长期检测和家庭监护。(The invention belongs to the technical field of medical equipment, and particularly relates to a sleep non-contact electrocardiosignal measuring system. The system comprises a sensing module and a signal acquisition module; the sensor module comprises two sensing electrodes and a right leg driving electrode which are made of flexible materials; the signal acquisition module is additionally provided with a buffer circuit at a signal input end, so that the signal acquisition module has very high input impedance. The electrodes are made into strip form and transversely placed on the bed, and the skin electric signals are induced by adopting a capacitive coupling mode, so that the electrocardiosignals can be measured in a non-contact way under different sleeping postures of the human body. The invention can imperceptibly collect the electrocardiosignals all night, further calculate the heart rate, analyze various arrhythmia, assist the diagnosis of cardiovascular diseases and realize the long-term detection and family monitoring of the heart.)
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种心电信号测量系统。
背景技术
传统的心电信号测量设备常常采用湿电极，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，但是运用在睡眠心电检测中却有很多不足，包括：（1）导联线连着身体以及湿电极贴着皮肤可能会引起使用者的恐慌和紧张情绪，严重干扰使用者的睡眠；（2）由于电极长时间贴着皮肤，导电膏有可能会引起人体过敏，特别是婴儿和敏感人群；（3）湿电极不能重复使用，测量成本较高。这使得传统心电测量设备不适合用在睡眠状态下的心电监测中。
为此，一些非接触式心电传感器得到了越来越多的研究。其基本原理是提高信号采集模块的输入阻抗，使得电极能够以电容耦合的方式感应皮肤上的电信号。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”（CN 202699127U）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。然而，这种硬质传感器可能会影响床垫的舒适度，干扰人的睡眠。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，但它没有考虑人翻身或者移动身体的情况下上肢的电极是否仍能感应到心电信号。
所以目前非接触式心电测量系统中，不干扰使用者睡眠的同时能进行整夜心电监护仍然是一个待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种舒适便捷、使用安全并且能够进行整夜稳定工作的非接触式心电信号测量系统，以解决两个技术问题，一是传统心电监测产品用在睡眠上会严重干扰使用者睡眠的问题，二是目前非接触式心电传感系统很难保证使用者改变睡姿仍能测量心电的问题。
本发明提供的睡眠非接触式心电信号测量系统，包括传感模块和信号采集模块；所述传感模块包含两个感应电极和一个右腿驱动电极；所有电极材料为柔性的银纤维导电布，保证使用者的舒适度；信号采集模块包含三个缓冲器、差分放大器和右腿驱动电路；所述缓冲器是一个由运算放大器设计的电压跟随器；其中：信号采集模块的两个信号输入端与两个感应电极电气连接，
所述的感应电极，为依次叠迭的感应层、绝缘层和屏蔽层的三层结构；其中，绝缘层由普通绝缘布料制成；两个感应电极的屏蔽层之间通过屏蔽层连接布连接，使屏蔽层电势相等，增加屏蔽层的屏蔽性能。
所述的信号采集模块中，两个信号输入端与两个感应电极电气连接；两个缓冲器分别设置在两个感应电极输入端，用来提高信号采集模块的输入阻抗，使得感应电极能够以电容耦合的方式隔着衣服感应皮肤上的电信号。
所述的右腿驱动电路与右腿驱动电极相连，用于将两个感应电极的共模信号通过右腿驱动电极反馈回人体；第三缓冲器设置在反馈回路中，以增强反馈回路的负载能力，使共模信号的反馈也能隔着衣服进行。
所述差分放大器，用于对采集的信号进行差分以及放大，以生成心电信号；
所述的感应电极和右腿驱动电极，做成条带形式，在测量时，分别横向铺设在床上，且基本相互平行；其中，第一感应电极位于平躺睡姿下人体肩胛骨下方，第二感应电极位于腰部位置，右腿驱动电极位于人体臀部位置。条带形电极的长度，确保使用者改变睡姿后仍旧能够测量心电信号，保证整夜测量的稳定性。
所述的睡眠非接触式心电信号测量系统的工作流程如下：两个感应电极通过电容耦合方式采集皮肤上的电信号，并传输至信号采集模块；在信号采集模块中，两个感应电极感应的电信号首先分别经过缓冲器缓冲，增加负载能力；然后经过差分放大器进行差分以及放大，以生成心电信号；右腿驱动电路将两个感应电极的共模信号，通过缓冲器以及右腿驱动电极，隔着衣服反馈回人体。
本发明中，条带形感应电极的尺寸为（4-6cm）*（70-80cm），条带形右腿驱动电极尺寸为（8-12cm）*（70-80cm），即可满足实际需要。
本发明中，所述信号采集模块还包括模数转换器、微型处理器、蓝牙模块；其中：
所述模数转换器用于将心电模拟信号转换为数字信号，然后传输至微型处理器中；微处理器一方面通过串行外设总线配置ADS1292的寄存器以及使能其工作，另一方面通过串行外设总线接收ADS1292采集的数据；最后，微处理器将读取的心电数据通过通用异步收发传输器传输至蓝牙通信模块，并上传至使用者端口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明所用的电极都是柔性可拉伸的，有很好的舒适性，而不干扰使用者睡眠。
（2）本发明在信号输入端用了缓冲器提高了信号采集模块的输入阻抗，使得感应电极能够以电容耦合的方式隔着衣服感应皮肤的电信号；另外右腿驱动反馈回路也增加了一个缓冲器以便共模信号反馈也能隔着衣服进行。这使得系统在使用者穿着睡衣的情况下也能对心电信号进行无觉察监测。
（3）本发明的三个电极都是横放在床垫在测量时都横放在床上，使得系统在使用者改变睡姿后仍旧能够测量心电信号，保证了整夜测量的稳定性。
（4）本发明的两个感应电极通过等电势的屏蔽层减少了环境对感应电极的电磁辐射，提高了心电信号的质量。
本发明可以无觉察地采集整夜的心电信号，进而可以计算心率、分析各种心律失常，辅助心血管疾病的诊断，实现心脏的长期检测和家庭监护。
附图说明
图1为心电信号监测系统图示。
图2为传感模块结构结构示意图。其中，（a）为正视图；（b）为侧视图。
图3为传感模块布置示意图。
图4为信号采集模块原理图。
图5为屏蔽层连接布的用处对比图。其中，(a)无屏蔽层连接布，(b)有屏蔽层连接布。
图6为四种睡姿下心电信号测量结果。
图中标号：10为第一感应电极，20为第二感应电极，30为屏蔽层连接布，40为右腿驱动电极，50信号采集模块，60为使用者端口（比如上位机），101、201为感应层，102、202为绝缘层，103、203为屏蔽层，501为第一缓冲器，502为第二缓冲器。503为第三缓冲器，504为差分放大器，505为模数转换器，506为右腿驱动电路，507为微型处理器，508为蓝牙模块。
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案进一步介绍本发明。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为用于睡眠的心电监测系统结构图示。包含传感模块和信号采集模块50。其中传感模块包含第一感应电极10、第二感应电极20、一个屏蔽层连接布30和一个右腿驱动电极40。第一感应电极10、第二感应电极20工作时候与皮肤形成耦合电容，从而能够隔着衣服感应皮肤电信号。信号采集模块50将两个感应电极的电信号进行差分放大，以生成心电信号；同时将两个感应电极的共模信号通过右腿驱动电极反馈回人体，以提高共模抑制性能。之后用蓝牙模块将心电信号上传至使用者端口60（比如上位机软件），实现心电信号的监控和记录。
图2显示了传感模块的结构示意图。每个感应电极包含三层结构，分别为感应层101/201、绝缘层102/202和屏蔽层103/203。其中感应层101/201用来感应皮肤上的电信号，屏蔽层103/203用来屏蔽环境对电极的电磁辐射，而绝缘层102/202用来隔离感应层和屏蔽层。感应层和屏蔽层用银纤维导电布制成，而绝缘层用普通绝缘布料制成，这使得电极是柔性可拉伸的，保证了使用的舒适性。另外，为了增加感应电极的屏蔽效果，将两个感应电极的屏蔽层用屏蔽层连接布30进行连接，使得两个电极的屏蔽层电势相等。屏蔽层连接布30的材料为银纤维导电布。
图3显示了传感模块在床垫上的布置示意图。为了保证传感模块在使用者翻身后仍然能够测量到心电信号，感应电极和右腿驱动电极都做成长条形状，并且相互平行。其中，第一感应电极10位于平躺睡姿下人体肩胛骨下方，第二感应电极20位于腰部位置，右腿驱动电极40位于人体臀部位置。另外，一般地，人在睡眠过程中身体活动范围不超过70cm，为此电极长度大于70cm即可保证无约束睡眠下信号的稳定测量。示例中，每个感应电极做成6cm*80cm的长条形状，右腿驱动电极做成12cm*80cm的形状。
图4显示了信号采集模块的原理图。所述信号采集模块包含：三个缓冲器501、502、503，差分放大器504，模数转换器505，右腿驱动电路506，微型处理器507，蓝牙模块508。第一缓冲器501和第二缓冲器502分别与第一感应电极10和第二感应电极20电气连接，用于增加感应电极输出端的负载能力以及抗干扰能力；第三缓冲器503与右腿驱动电极电气连接，用于提高反馈回路的负载能力，使得共模信号能够通过衣服反馈回人体。三个缓冲器都是由精密运算放大器实现的，将运算放大器的输出端与反向输入端连接，使得其增益设置为1，从而实现了电压跟随器的功能。运算放大器的型号可以选用美国Analog Device公司生产的AD8608，因为它的工作电压比较低，并且只需要单极性电源供电。
所述信号采集模块还包含差分放大器504、模数转换器505和右腿驱动电路506，这些可以通过美国Texas Instruments公司的芯片ADS1292去实现。睡眠非接触式心电信号测量系统的工作流程如下：感应电极通过电容耦合方式将皮肤上的电信号采集，传输至信号采集模块；在信号采集模块中，两个感应电极感应的电信号首先分别经过缓冲器缓冲，增加负载能力，然后经过差分放大器504进行差分以及放大，以生成心电信号；右腿驱动电路506将两个感应电极的共模信号，通过缓冲器以及右腿驱动电极，隔着衣服反馈回人体。所述模数转换器505用于将心电模拟信号转换为数字信号，然后传输至微型处理器507中。微处理器采用STMicroelectronics公司的STM32F103C8的芯片，它一方面通过串行外设总线配置ADS1292的寄存器以及使能其工作，另一方面也通过串行外设总线接收ADS1292采集的数据。最后，微处理器将读取的心电数据通过通用异步收发传输器传输至蓝牙通信模块508，并上传至使用者端口。蓝牙模块可选用深圳市飞易通科技有限公司型号为FSC-BT822的产品。
本发明用了一个屏蔽层连接布30连接两个感应电极的屏蔽层，使得两个感应电极屏蔽层等电势。为了验证这种方式能够提高电极屏蔽层的屏蔽效果，本发明做了对比实验。在同一环境下，用带屏蔽层连接布的系统和不带屏蔽层连接布的系统去测量同一个受试者（被试者衣服厚度约为1mm），结果如图5所示。可以看到有屏蔽层连接布明显改善了心电信号的信号质量。
人在无约束睡眠下会出现四种睡姿：平躺、左侧躺、俯卧和右侧躺。为了验证本发明在四种睡姿下都能够测量到心电信号，发明者进行了四种睡姿的心电测量实验。实验中，受试者穿着厚度约为1mm的衣服，然后分别以四种睡姿躺在本发明的系统上。心电测量结果如图6所示，验证了本发明对各种睡姿的有效性。