CN106510689A - 一种穿戴式多生理参数采集装置 - Google Patents

一种穿戴式多生理参数采集装置 Download PDF

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李建清
朱靖达
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Abstract

本发明公开了一种穿戴式多生理参数采集装置，包括：利用相对固定的心电电极采集心电信号，并经过心电信号处理模块将数字信号输入微处理器；具有弹性的带状导电织物按环形内嵌在穿戴衣腹部内侧，呼吸引起的腹部的周长变化同时引起织物呼吸传感器的形变，导致其阻值变化，通过呼吸信号处理模块对传感器阻值变化的监测，进而实现对人体呼吸的实时监测；采用数字红外温度传感器能够对人体的体温进行实时采集，并通过三轴加速度传感器输出信号的变化程度实现异常动作的监测。本发明结构简单、更换维护方便、舒适性较好、可重复使用，能够实现使用者多项生理参数的连续监测与记录，并通过电极固定层大大提高了心电信号采集的稳定性。

Description

一种穿戴式多生理参数采集装置
技术领域
本发明涉及一种穿戴式多生理参数采集装置，属于智能穿戴设备领域。
背景技术
近年来，随着人们生活品质的提高和医疗卫生水平的改善，全球人口逐渐朝着老龄化发展。身体机能、免疫力的下降，导致老年人成为慢性疾病的高发人群，尤其是心血管疾病，冠心病等，而慢性疾病是导致老人死亡和残疾的主要原因，对于慢性疾病的预防和监控，需要社会医疗逐渐从以疾病治疗为中心向以预防为主、早诊断、早治疗的模式转变。生理参数监测系统也需要从医院的大型医疗护理设备，向能满足一般人群的家用小型便携式健康监护设备转变。随着嵌入式技术及物联网技术的飞速发展，特别是智能手机等移动终端的大众化，3G和4G网络的发展和普及，都为家庭式健康监护和远程医疗提供了关键的技术支持和设备基础。
心电信号作为心脏电活动在体表的综合表现，反映了心脏兴奋的电活动过程，对于心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。同时体温信号和呼吸信号也是长期诊断潜在慢性疾病的重要依据。当前我国的医疗体系中，患者只有在感觉有明显的心慌、胸闷等症状时，才去医院就诊，进行常规的身体检查诊断。但是这种传统的方法只能提供患者某一刻的身体状况信息，而不能长期监测其生理参数的变化趋势，进而从中获得具有指导疾病的预防和治疗的有用信息。
随着材料和纺织技术的进步，导电织物已经成为一个热门的研究领域，出现了各种基于智能织物和集成式传感器的穿戴式生理参数监测设备，主要有腕带、胸带、智能衣等。特别是对智能衣物而言，由于衣物是人们日常生活必备用品，不像腕带和胸带长时间佩戴会带来不便和不舒适的感觉，而且衣物贴身穿着，将其设计成传感器在信号采集上具有天然的优势。
而适用于家庭的穿戴式多生理参数采集装置可以实现对人体各种重要生理参数的实时监测及记录。包括心率和心电信号、呼吸信号、体表温度、人体姿态信号等，用户可以随时查看自己的身体状况，并通过存储的生理数据实现对健康情况的长期跟踪和分析，在日常生活中实现对慢性疾病的监测，同时防止突发性疾病因错过最佳治疗时机造成的死亡。
因此，结合导电织物，设计一个能在日常生活中对使用者的多项生理参数实现连续监测并记录的穿戴式多生理参数采集装置，对于家庭健康监护尤其是对老年人的护理具有重要意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种穿戴式多生理参数采集装置，具有结构简单、更换维护方便、舒适性较好等特点，能够实现使用者多项生理参数的连续监测与记录，并通过电极固定层提高心电信号采集的稳定性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种穿戴式多生理参数采集装置，包括穿戴衣、两个心电电极、织物呼吸传感器、信号处理节点以及织物导线；
其中，所述心电电极分别设置于左胸锁骨下和右胸锁骨下的穿戴衣内侧，且织物呼吸传感器由带状弹性导电织物绕腹部一周缝制在穿戴衣内侧而制成；信号处理节点设置于穿戴衣的胸口下方位置，且包括微处理器及其外围的体温测量模块、三轴加速度传感器、心电信号处理模块及呼吸信号处理模块；心电信号处理模块的两个信号输入端通过织物导线分别与两个心电电极相连，呼吸信号处理模块的两个信号输入端通过织物导线与织物呼吸传感器的两端相连；体温测量模块、三轴加速度传感器、心电信号处理模块及呼吸信号处理模块的信号输出端均与微处理器相连，且微处理器通过内置的蓝牙通信模块与移动端进行数据传输。
利用设置于左胸锁骨下和右胸锁骨下的心电电极采集心电信号，并经过心电信号处理模块的集成数字前端芯片进行放大滤波及模数转换，将数字信号输入微处理器，并通过内置的蓝牙通信模块上传到移动端；采用数字红外温度传感器能够对人体的体温进行实时采集，同时通过微处理器内置的蓝牙通信模块上传到移动端实现对体温的实时监测；具有弹性的带状导电织物按环形内嵌在穿戴衣腹部内侧，呼吸引起的腹部的周长变化同时也会引起带状弹性导电织物的形变，导致其阻值变化，通过呼吸信号处理模块对传感器阻值变化的监测，进而实现对人体呼吸的实时监测；三轴加速度传感器在人体正常活动时输出的信号比较稳定，而在异常动作(如摔倒)时，该传感器输出信号会发生剧烈变化，容易通过变化程度实现异常动作的监测。
普通的织物心电电极能够检测出被测对象的静态心电图，但是在被测对象运动情况下，仅有紧身衣固定的效果较差，运动时会导致电极在人体皮肤表面的相对位移，引入较大的基线漂移和运动噪声，在这样的信号中，很难提取出有用的信号。
因此，优选的，所述心电电极包括由穿戴衣外侧向皮肤方向设置的基底层、信号传输层、电极固定层、支撑层和传感层；其中，所述基底层为穿戴衣层，且信号传输层为织物导线；支撑层为记忆海绵，传感层由导电织物制成；电极固定层靠近皮肤的一面设置有凹槽，包裹有记忆海绵的导电织物设置于凹槽内；凹槽中心处设置有通孔，织物导线穿过通孔与导电织物相连，且电极固定层接触皮肤的一面具有黏性。通过电极固定层保证传感层与皮肤接触时能保持相对固定，减少电极的滑动，从而获得质量更好的心电信号。
进一步的，所述穿戴衣内侧设置有棉质隔离内衬层，带状弹性导电织物及织物导线均设置于穿戴衣与棉质隔离内衬层之间，且电极固定层固定于内衬层中，从而实现带状弹性导电织物及织物导线与腹部皮肤的隔离，防止导电织物与皮肤直接接触造成干扰，同时有效提高舒适性。由于整个织物呼吸传感器都由导电织物制成，柔软且富有弹性，穿戴舒适度，适合长期使用。
优选的，所述电极固定层、记忆海绵及凹槽均呈圆柱状，电极固定层采用GeckTeck材料，且记忆海绵的厚度不低于凹槽的深度。适当垫高的传感层与皮肤表面有更好的接触，通过与人体皮肤接触耦合，形成导电路径，将体表电荷传输到心电节点。GeckTeck是一种生物兼容、基于硅胶的材料，它使用和壁虎相同的物理特性，利用分子间的范德华力可以附着在几乎任何表面上，达成优异的摩擦粘附力。
本发明结合这种材料的吸附特性，设计出一种新的心电电极结构，提高织物电极采集到的心电信号的稳定性，减少基线漂移和噪声引入，从而提高心电信号的质量，便于后期的信号处理。
优选的，所述织物导线包括由内向外同心设置的导电织物传输线、绝缘防水尼龙层、导电织物屏蔽层以及棉布外层。采用绝缘防水尼龙层能够对内部的导电织物传输线进行绝缘防水保护，延长使用寿命；采用导电织物屏蔽层有效屏蔽三个电极信号之间的干扰以及外界的电磁干扰；采用棉布外层能够提高织物导线与人体接触时的舒适性。
优选的，所述导电织物及导电织物传输线均采用银渗固导电织物。采用银渗固导电织物这样的干性织物作为导电织物，比传统的Ag/AgCl湿性电极得到的信号中各心电特征波的波形清晰，工作可靠，可重复利用且舒适性较好。
优选的，所述穿戴衣的胸口下方位置设置有节点接口，且节点接口上设置有四个连接母头，其中两个连接母头通过织物导线分别与两个心电电极相连，另外两个连接母头通过织物导线与织物呼吸传感器的两端相连；
信号处理节点上设置有四个分别与四个连接母头相对应的连接公头，其中两个连接公头分别与心电信号处理模块的两个信号输入端相连，另外两个连接公头与呼吸信号处理模块的两个信号输入端相连；通过连接公头与连接母头的对接配合，实现信号处理节点与节点接口的暗扣对接及电路连通。这种连接方式可以方便从穿戴衣上取下信号处理节点，方便对穿戴衣的日常穿戴和清洗，同时保证了电路的连通性。
进一步的，所述信号处理节点上四个连接公头的中心位置设置有温度检测孔，且节点接口相应位置处设置有开孔；体温测量模块采用红外温度传感器，且穿过开孔安装于信号处理节点上温度检测孔处，从而保证了信号处理节点上集成的红外温度传感器可以直接测量到体表温度。
优选的，所述穿戴衣为弹性紧身衣。采用弹性紧身衣作为穿戴衣能够使心电电极的传感层始终贴合于人体皮肤表面，确保心电信号采集的可靠性和有效性；也能保证弹性织物呼吸始终贴合人体腹部表面，确保呼吸信号采集的灵敏性和可靠性。
有益效果：本发明提供的一种穿戴式多生理参数采集装置，相对于现有技术，具有以下优点：1、采用电极固定层保证了传感层与人体的相对固定，减少心电电极的滑动，大大提高了所采集心电信号的质量；3、采用结合导电织物设计的呼吸传感器，内嵌于穿戴衣中，柔软且富有弹性，能够实现对人体呼吸的舒适监测；4、能在日常生活中对使用者的多项生理参数实现连续监测并记录，可重复利用且舒适性较好。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中节点接口的结构示意图；
图3为本发明实施例中心电电极的结构示意图；
图4为本发明实施例中织物呼吸传感器的剖面示意图；
图5为本发明实施例中织物导线的剖面示意图；
图6为本发明实施例中信号处理节点的控制原理图；
图中包括：1、穿戴衣，2、织物呼吸传感器，3、织物导线，4、织物电极，5、信号处理节点，6、温度检测孔，7、节点接口，8、导电织物，9、记忆海绵，10、电极固定层，11、通孔，12、带状弹性导电织物，13、棉质隔离内衬层，14、棉布外层，15、导电织物屏蔽层，16、绝缘防水尼龙层，17、导电织物传输线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，包括穿戴衣1、两个心电电极4、织物呼吸传感器2、信号处理节点5以及织物导线3；
其中，所述心电电极4分别设置于左胸锁骨下和右胸锁骨下的穿戴衣1内侧，且织物呼吸传感器2由带状弹性导电织物12绕腹部一周缝制在穿戴衣1内侧而制成；信号处理节点5设置于穿戴衣1的胸口下方位置，且包括微处理器及其外围的体温测量模块、三轴加速度传感器、心电信号处理模块及呼吸信号处理模块；心电信号处理模块的两个信号输入端通过织物导线3分别与两个心电电极4相连，呼吸信号处理模块的两个信号输入端通过织物导线3与织物呼吸传感器2的两端相连；体温测量模块、三轴加速度传感器、心电信号处理模块及呼吸信号处理模块的信号输出端均与微处理器相连，且微处理器通过内置的蓝牙通信模块与移动端进行数据传输。
如图3所示，所述心电电极4包括由穿戴衣1外侧向皮肤方向设置的基底层、信号传输层、电极固定层10、支撑层和传感层；其中，所述基底层为穿戴衣1，且信号传输层为织物导线3；支撑层为直径为4cm～5cm、厚度为5mm～7mm的扁圆形记忆海绵9，传感层由导电织物8制成；电极固定层10靠近皮肤的一面设置有直径为4cm～5cm、深度为3mm～5mm的圆柱形凹槽，包裹有记忆海绵9的导电织物8设置于凹槽内；凹槽中心处设置有直径为6mm～10mm的通孔11，织物导线3穿过通孔11与导电织物8相连，且电极固定层10接触皮肤的一面具有黏性。
如图4所示，所述穿戴衣1内侧设置有棉质隔离内衬层13，带状弹性导电织物12及织物导线3均设置于穿戴衣1和棉质隔离内衬层13之间，从而实现带状弹性导电织物12及织物导线3与腹部皮肤的隔离，防止因接触造成的测量干扰，同时增强舒适度；电极固定层10为直径为6cm～7cm的扁平圆柱体，且固定于棉质隔离内衬层13中，从而达到将衣物与心电电极4相结合的目的。
本发明中，穿戴衣1采用弹性和透气性较好的舒适面料；电极固定层10采用生物兼容、基于硅胶的GeckTech材料，靠近皮肤的一面具有吸附性而不引起刺激性。
如图5所示，所述织物导线3包括由内向外同心设置的导电织物传输线17、绝缘防水尼龙层16、导电织物屏蔽层15以及棉布外层14；所述导电织物8及导电织物传输线17均采用银渗固导电织物。
如图2所示，所述穿戴衣1的胸口下方位置设置有节点接口7，且节点接口7上设置有四个连接母头，其中两个连接母头通过织物导线3分别与两个心电电极4相连，另外两个连接母头通过织物导线3与织物呼吸传感器2的两端相连；
信号处理节点5上设置有四个分别与四个连接母头相对应的连接公头，其中两个连接公头分别与心电信号处理模块的两个信号输入端相连，另外两个连接公头与呼吸信号处理模块的两个信号输入端相连；通过连接公头与连接母头的对接配合，实现信号处理节点5与节点接口7的暗扣对接及电路连通。
本实施例中，所述信号处理节点5上四个连接公头的中心位置设置有温度检测孔6，且节点接口7上相应位置处设置有开孔；体温测量模块采用红外温度传感器，且穿过开孔安装于信号处理节点5上温度检测孔6处。
本实施例中，所述穿戴衣1为弹性紧身衣，且信号处理节点5采用6cm×6cm的方形盒子；微处理器使用低功耗蓝牙BLE芯片NRF51822，其内置集成了蓝牙通信模块，同时微处理器内设置有数据缓存、数据处理及电源管理等模块；心电信号处理模块使用集成心电数字前端芯片BMD101对心电信号进行放大滤波和模数转化处理，并通过UART通信的方式将数字化的心电信号和心率值发送到微处理器；温度传感器采用红外温度传感器MLX90615，并通过温度检测孔6实现体温的非接触式测量；三轴加速度传感器采用数字式三轴加速度传感器MPU0605，能够实时采集使用者的运动加速度，从而实现姿态或跌倒检测；呼吸信号处理模块利用模拟电路实现对织物呼吸传感器2的阻值检测，通过NRF51822内置的模数转换器将信号转化成数字电压值，从而实现对人体呼吸的实时监测。
本发明的具体实施方式如下：
使用者穿上穿戴衣1后，通过电极固定层3将心电电极4吸附在人体检测部位的皮肤上，并在穿戴衣1的胸口下方处通过连接公头与连接母头的对接配合，实现信号处理节点5与节点接口7的暗扣对接及电路连通；
如图6所示，利用左胸锁骨下和右胸锁骨下的设置的心电电极按照标准I导联的方式采集心电信号，并经过心电信号处理模块的集成数字前端芯片进行放大滤波及模数转换，将数字信号输入微处理器，并通过内置的蓝牙通信模块上传到移动端；采用数字红外温度传感器能够对人体的体温进行实时采集，同时通过微处理器内置的蓝牙通信模块上传到移动端实现对体温的实时监测；具有弹性的带状导电织物按环形内嵌在穿戴衣腹部内侧，呼吸引起的腹部的周长变化同时也会引起带状弹性导电织物12的形变，导致其阻值变化，通过呼吸信号处理模块对传感器阻值变化的监测，进而实现对人体呼吸的实时监测；三轴加速度传感器在人体正常活动时输出的信号比较稳定，而在异常动作(如摔倒)时，该传感器输出信号会发生剧烈变化，容易通过变化程度实现异常动作的监测；
使用后从穿戴衣1上取下信号处理节点5，并通过一定角度取下心电电极4，从而可将穿戴衣1脱下清洗后重复使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，包括穿戴衣(1)、两个心电电极(4)、织物呼吸传感器(2)、信号处理节点(5)以及织物导线(3)；
其中，所述心电电极(4)分别设置于左胸锁骨下和右胸锁骨下的穿戴衣(1)内侧，且织物呼吸传感器(2)由带状弹性导电织物(12)绕腹部一周缝制在穿戴衣(1)内侧而构成；信号处理节点(5)设置于穿戴衣(1)的胸口下方位置，且包括微处理器及其外围的体温测量模块、三轴加速度传感器、心电信号处理模块及呼吸信号处理模块；心电信号处理模块的两个信号输入端通过织物导线(3)分别与两个心电电极(4)相连，呼吸信号处理模块的两个信号输入端通过织物导线(3)与织物呼吸传感器(2)的两端相连；体温测量模块、三轴加速度传感器、心电信号处理模块及呼吸信号处理模块的信号输出端均与微处理器相连，且微处理器通过内置的蓝牙通信模块与移动端进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述心电电极(4)包括由穿戴衣(1)外侧向皮肤方向设置的基底层、信号传输层、电极固定层(10)、支撑层和传感层；其中，所述基底层为穿戴衣(1)，且信号传输层为织物导线(3)；支撑层为记忆海绵(9)，传感层由导电织物(8)制成；电极固定层(10)靠近皮肤的一面设置有凹槽，包裹有记忆海绵(9)的导电织物(8)设置于凹槽内；凹槽中心处设置有通孔(11)，织物导线(3)穿过通孔(11)与导电织物(8)相连，且电极固定层(10)接触皮肤的一面具有黏性。
3.根据权利要求2所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述穿戴衣(1)内侧设置有棉质隔离内衬层(13)，带状弹性导电织物(12)及织物导线(3)均设置于穿戴衣(1)和棉质隔离内衬层(13)之间，且电极固定层(10)固定于棉质隔离内衬层(13)中。
4.根据权利要求2所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述电极固定层(10)、记忆海绵(9)及凹槽均呈圆柱状，电极固定层(10)采用GeckTeck材料，且记忆海绵(9)的厚度不低于凹槽的深度。
5.根据权利要求2所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述织物导线(3)包括由内向外同心设置的导电织物传输线(17)、绝缘防水尼龙层(16)、导电织物屏蔽层(15)以及棉布外层(14)。
6.根据权利要求5所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述导电织物(8)及导电织物传输线(17)均采用银渗固导电织物。
7.根据权利要求1所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述穿戴衣(1)的胸口下方位置设置有节点接口(7)，且节点接口(7)上设置有四个连接母头，其中两个连接母头通过织物导线(3)分别与两个心电电极(4)相连，另外两个连接母头通过织物导线(3)与织物呼吸传感器(2)的两端相连；
信号处理节点(5)上设置有四个分别与四个连接母头相对应的连接公头，其中两个连接公头分别与心电信号处理模块的两个信号输入端相连，另外两个连接公头与呼吸信号处理模块的两个信号输入端相连；通过连接公头与连接母头的对接配合，实现信号处理节点(5)与节点接口(7)的暗扣对接及电路连通。
8.根据权利要求1所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述信号处理节点(5)上四个连接公头的中心位置设置有温度检测孔(6)，且节点接口(7)上相应位置处设置有开孔；所述体温测量模块采用红外温度传感器，且穿过开孔安装于信号处理节点(5)上温度检测孔(6)处。
9.根据权利要求1所述的一种穿戴式多生理参数采集装置，其特征在于，所述穿戴衣(1)为弹性紧身衣。
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