一种基于柔性材料的心电图与心震图联合采集系统

本发明属于便携式心脏健康监护，具体涉及一种基于柔性材料的心电图与心震图联合采集系统。

背景技术：

1、心血管疾病严重威胁着我国人民的生命健康。目前我国现有的患心血管疾病的人数高达3.3亿，约占全国人口的23％，与此同时，心血管疾病的死亡率始终高居首位，且上升趋势较为明显。心血管病有发病急、病情重、变化快等特点，而在发病早期，人体的部分生理信息便会发生变化，因此可以通过对心脏状况进行实时监测的方式预警心脏疾病的发生。

2、目前临床上最常使用的心脏监护方式是心电图，心电信号可用来提供丰富和精确的心脏活动信息。然而，心电信号对心脏疾病早期产生的生理变化并不敏感，相比之下，作为心机械图的一种，心震图反映了心脏机械活动传播到胸壁的振动规律，具有更为丰富的医学信息，同时对心脏疾病早期产生的生理变化也更加敏感。因此，将心电图与心震图同时进行采集可获取比单一监测方式更为丰富的心脏生理信息，更有利于对心脏生理参数进行全面监测，实现心脏健康状况的早期预警。

3、然而，对于心电信号的采集，目前临床上使用的心电监护设备都存在设备体积较大、使用较为复杂、舒适性较差的问题，而对于心震信号的采集，目前最常使用的方法是使用加速度传感器或位移传感器进行采集，这种信号采集方式极易受到人体运动的干扰，使人体运动状态下的心震信号检测存在了巨大的挑战。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于柔性材料的心电图与心震图联合采集系统，旨在解决现有技术中心电信号采集过程复杂且舒适性差，心震信号采集极易受运动伪迹影响，难以在动态状况下采集较高质量的心震信号的问题，实现更为准确、舒适、便携的心脏健康监护。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于柔性材料的心电图与心震图联合采集系统，包括依次连接的信号传感模块、信号前端处理模块、信号传输模块以及数据处理模块，其中信号传感模块包括基于柔性材料的心电信号传感单元和心震信号传感单元；信号前端处理模块包括分别与心电信号传感单元和心震信号传感单元连接的心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元；信号传输模块包括与心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元连接的微控制单元以及与微控制单元连接的蓝牙传输单元；数据处理模块包括与蓝牙传输单元连接的pc端；心电信号与心震信号分别由基于柔性材料的心电信号传感单元和心震信号传感单元提取，并分别由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元进行前端处理，随后由微控制单元进行a/d转换，通过蓝牙传输单元同步传输至pc端，pc端将实现对信号数据的进一步处理；

4、所述信号传感模块中基于柔性材料的心电信号传感单元利用两块具有高电导率及弹性的织物电极实现对心电信号的采集，基于柔性材料的心震信号传感单元利用一块具有高灵敏度的应变传感织物实现对人体胸腔表面起伏状态的采集，从而实现对心震信号的初步采集，应变传感织物布置于两块织物电极几何中心连线的中点，实现人体表面同一点位的心电信号与心震信号的同步提取。

5、所述信号前端处理模块中的心电信号前端处理单元包含的电路依次为信号差分放大电路、右腿驱动电路、高通滤波电路、工频陷波电路与低通滤波电路，其中信号差分放大电路将心电信号传感单元采集到的心电信号放大随后右腿驱动电路将信号差分放大电路引出的共模干扰信号进行反相放大电路处理，并通过织物电极反馈至人体，以抑制人体表面共模干扰信号，而差分放大电路引出的差模信号首先经过高通滤波电路，用于滤除心电信号中的低频噪声，随后高通滤波电路的输出端连接工频陷波电路，用于滤除心电信号中的工频干扰部分，最后工频陷波电路的输出端连接低通滤波电路，用于滤除心电信号中的高频噪声；心震信号前端处理单元包含的电路依次为信号提取电路、高通滤波电路、工频陷波电路与低通滤波电路，其中信号提取电路通过固定电阻与应变传感织物的等效电阻进行分压获取应变传感织物的应力变化，从而获取表示人体胸腔表面的起伏形变的电压波形，信号提取电路的输出端连接高通滤波电路，用于滤除电压波形中的低频噪声，高通滤波电路的输出端连接工频陷波电路，用于滤除电压波形中的工频干扰部分，工频陷波电路的输出端连接截止低通滤波电路，用于滤除电压波形中的高频噪声。

6、所述心电信号前端处理单元中，信号差分放大电路放大倍数为1000倍，高通滤波电路的截止频率0.1hz，低通滤波电路的截止频率100hz，工频陷波频率50hz；所述心震信号前端处理单元中，高通滤波电路的截止频率1hz，低通滤波电路的截止频率100hz，工频陷波频率50hz。

7、所述信号传输模块中微控制单元的a/d转换i/o引脚分别连接信号前端处理模块中由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元输出的两路并联的模拟信号，将模拟信号转化为数字信号，转化得到的数字信号在微控制单元的控制下由蓝牙传输单元将数据传输至pc端。

8、所述数据处理模块通过pc端实现数据的进一步处理与分析，包括对心电信号进行进一步的滤波与特征点标注，对表示人体胸腔表面的起伏形变的电压波形进行二次微分滤波计算，将表示人体胸腔表面的起伏形变的电压波形转换为表示人体胸腔表面起伏的加速度波形，从而获取心震信号，并对心震信号进行进一步的滤波与特征点标注，其中二次微分滤波的计算公式为：

9、vscg＝d2vx/dt2

10、式中vx为由心震信号前端处理单元中的信号提取电路提取出的表示人体胸腔表面的起伏形变的电压波形，vscg为经二次滤波计算得到的表示人体胸腔表面起伏的加速度波形，t表示时间。

11、所述具有高电导率及弹性的织物电极的电导率δ＞4s/m，弹性应变范围＞150％，织物电极由导电纤维制成；所述具有高灵敏度的应变传感织物的灵敏系数gf＞2000，应变传感织物由应变敏感材料制成；织物电极与应变传感织物还应具有耐磨、耐洗涤的特点。

12、系统的供电模块采用3.3v纽扣电池，由dc/dc电荷泵逆变器提供相应的负压。

13、还包括心电图与心震图联合采集智能服装，心电图与心震图联合采集智能服装采用弹性面料，能够紧贴于人体表面，基于柔性材料的心电信号传感单元与心震信号传感单元布置于人体左胸处，用于心电信号采集的织物电极与用于心震信号采集的应变传感织物分别缝制于心电信号与心震信号采集点位处的衣物内侧，实现心电信号传感单元、心震信号传感单元与人体表面的紧密贴合，信号前端处理模块与信号传输模块设置在同一块pcb板上，与供电模块封装于同一外壳内，固定于服装后腰处，信号传感模块、参考电极与信号前端处理模块通过防水导线连接。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

15、1、本发明一种基于柔性材料的心电图与心震图联合采集系统，能够同时采集人体表面同一点位的心电信号与心震信号，能够获取更加丰富的心脏生理信息，同时为人体心脏的电-机械偶联关系的分析提供依据，更有利于进行对心脏健康状况的评估；

16、2、相较于“一种便携式心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法”，本发明将心电电极与心震信号采集模块均设置于pcb板上的方式，本发明的信号传感模块中的心电信号传感单元与心震信号传感单元均采用柔性材料进行信号的采集，增强了传感单元与人体胸腔表面的贴合性，减轻了人体在信号测量时的异物感，保证了信号测量的舒适性，此外，基于柔性材料的心震图采集方式能够有效避免运动伪迹对于心震信号采集的影响，从而解决“一种便携式心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法”中使用加速度传感器进行心震信号采集的方式无法在动态状况下准确测量心震信号的问题，因此本发明更有利于心血管疾病患者在多场景下进行心脏健康状况的实时监测；

17、3、心电图和心震图的联合采集使用了智能服装结构，提升了心电信号与心震信号同步测量的便捷性，智能服装使用弹力面料，能够在与人体表面较好贴合的同时减少对人体的束缚，基于柔性材料的心电图与心震图联合采集方式避免了在实时心脏健康状况监测时由于采集装置长时间接触皮肤导致的对皮肤的伤害，提高了用户对于实时心脏健康监护的依从性。