CN118319319B - 一种无创心电血流动力学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的无创心电血流动力学系统，涉及医疗检测技术领域，包括：PC控制单元，所述PC控制单元接收上传数据并存储；心电图十二导联检测功能单元，所述心电图十二导联检测功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，并经滤波、可编程增益放大处理、程序配置处理后，再将处理后的检测数据发送至所述PC控制单元；无创血流功能单元，所述无创血流功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，经运算放大模拟比较后，把比较数据进行心功能的数据处理后，再对处理后的比较数据的数据信号经过隔离处理后发送至所述PC控制单元。本发明对心电图十二导联检测功能和无创血流功能结合，从而实现功能多样化及人性化。
Description
技术领域
本发明涉及医疗检测技术领域，特别是涉及一种无创心电血流动力学系统。
背景技术
生物电阻抗技术的研究至少可追溯到1939年，当时Nyboer设计建立了第一个胸腔阻抗模型，并采用直接式四电极法，测定心输出量以评价心脏功能，但是由于其测量误差较大，而未被普遍接受;直到1966年Kubicek 提出了较为成熟的与生理变化相符的 Kubicek计算公式，该技术才得到医学界的认可。之后又有Sramek等建立了更加精确的胸腔阻抗模型用于计算心输出量使得心输出量的计算愈加可靠，相应地，胸阻抗血流图也逐渐在临床和病理上得到了广泛应用。在20世纪80年代，胸阻抗血流图仪作为心功能的诊断设备曾在许多医院得到了普遍的使用，胸阻抗血流图仪的研制与应用也在那时达到了高潮。进入90年代后随着现代电子计算机的广泛应用与飞速发展用于检测人体心脏泵血功能的胸阻抗血流图技术的理论研究又一次成为国内外临床医学无创伤检测方法研究的一个热点。这就为研制微机化便携式胸阻抗血流图检测仪提供了可能，因为在监护的过程中，生理参数变化趋势往往比参数本身大小更为重要。同时胸阻抗血流图检测较其它心功能检测方法还具有无创、操作简单、易自动分析适合长时间检测等优势，这就为利用胸阻抗血流图检测法评价心功能进一步创造了条件。国外已针对基于胸阻抗血流图的诊断/监护设备开展了大量的研究，现己有多种该类商品化系统出现，且已进入中国市场;国内在该领域还较为落后，国产化的胸阻抗血流动力监测系统品种单一、价格较高，且尚未研制实用化的12导心电图结合胸阻抗血流动力监测系统多功能一体化，且尚未研制成功实用化的系统，严重限制了无创血流动力学检测/监测技术的应用、普及和推广。如何进一步提高心阻抗血流动力检测/监测的精度、可靠性、适用性，是国内外目前在该领域的研究焦点。为此，需要从硬件和软件两方面同时着手，而研制硬件、高性/价比的该类系统以推动其在国内的应用和普及，更加具有重要的现实意义。
目前市面上已有技术，比如心电图十二导联检测功能设备在诊断心血管疾病的重要指标之一，它对心脏基本功能及其病理研究方面，优点具有重要的诊断参考价值,能够为医师提供最直观的心电波形，在临床上可辅助医生做出准确的诊断，比如诊断心率失常、心肌缺血、心肌炎及心包炎等。缺点是在无创血流功能领域心电图十二导联检测功能设备就不是专项诊断需要借助无创血流功能设备来诊断，这样一来两款设备会增加摆放地方及价格昂贵，而不是集成式一体化，对医院护士及医生增加繁琐的操作及难度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无创心电血流动力学系统，用于解决现有技术中无创血流功能领域心电图十二导联检测功能设备就不是专项诊断需要借助无创血流功能设备来诊断，这样一来两款设备会增加摆放地方及价格昂贵，而不是集成式一体化，对医院护士及医生增加繁琐的操作及难度的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无创心电血流动力学系统，包括：PC控制单元，所述PC控制单元接收上传数据并存储；心电图十二导联检测功能单元，所述心电图十二导联检测功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，并经滤波、可编程增益放大处理、程序配置处理后，再将处理后的检测数据发送至所述PC控制单元；无创血流功能单元，所述无创血流功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，经运算放大模拟比较后，把比较数据进行心功能的数据处理后，再对处理后的比较数据的数据信号经过隔离处理后发送至所述PC控制单元；以及数据传输单元，所述数据传输单元控制将所述检测数据和所述比较数据无线传输至所述PC控制单元。
于本发明的一实施例中，所述PC控制单元包括：供电单元，所述供电单元通过电脑USB供电到所述心电图十二导联检测功能单元和所述无创血流功能单元；以及PC端数据接收单元，所述PC端数据接收单元接收所述心电图十二导联检测功能单元和所述无创血流功能单元发出的所述检测数据和所述比较数据。
于本发明的一实施例中，所述心电图十二导联检测功能单元包括：第一供电转换模块，所述第一供电转换模块与所述供电单元相连接，以将所述供电单元的电压降压处理；十二导联采集模块，所述十二导联采集模块控制采集人体微弱信号，并进行滤波处理；编程运放模块，所述编程运放模块将所述滤波处理后的数据通过可编程运放放大电路增益处理；以及程序配置模块，所述程序配置模块控制对增益处理后的数据进行程序配置处理，再转至所述数据传输单元发送给所述PC端数据接收单元。
于本发明的一实施例中，所述第一供电转换模块包括：USB接口、电源供电的接口、隔离芯片和降压DC芯片，所述USB接口的输入端与所述供电单元的输出端相连接，所述USB接口的输出端连接至所述电源供电的接口的输入端，所述电源供电的接口的输出端连接至所述隔离芯片的输入端，所述隔离芯片的输出端连接至所述降压DC芯片的输入端，所述降压DC芯片的两个输出端分别连接至所述编程运放模块和所述程序配置模块。
于本发明的一实施例中，所述十二导联采集模块包括：十二导联线和DB15接口，所述十二导联线采集人体微弱信号至所述DB15接口，经过低通滤波电路滤出干扰后，再将数据输入到所述编程运放模块。
于本发明的一实施例中，所述编程运放模块包括模拟前端芯和SPI接口，所述程序配置模块包括心电主芯片和CH340串口芯片，滤波后的数据经过所述模拟前端芯后，通过SPI接口通信到所述心电主芯片，所述心电主芯片完成程序配置处理后，通过主芯片串口功能发送输出给所述CH340串口芯片转至所述PC端数据接收单元；所述模拟前端芯包括：MUX（复用器），所述MUX对应有多个的输入通道和输出通道，独立连接至内部生成的信号，以进行测试、温度和导联断开检测，且允许任何输入电极被编程为患者参考驱动器；PGA（可编程增益放大器），若干个所述PGA连接在所述MUX的输出端；ADC（模数转换器），若干个所述ADC的输入端与所述PGA的输出端相连接；Control（控制器），所述Control的输入端与若干个所述ADC的输出端相连接；SPI接口、四通用GPIO引脚、START引脚，所述SPI接口、所述四通用GPIO引脚、所述START引脚连接在所述Control的输出端；内部振荡器，所述内部振荡器与所述Control相连接，以产生预设频率的时钟信号；RLD（多功能右腿动），所述RLD的输入端与所述PGA的输出端相连接，所述RLD的输出端与所述MUX的输入端相连接，所述RLD允许选择任何电极组合的平均值来生成患者驱动信号；威尔逊中心终端（WCT）模块，所述威尔逊中心终端（WCT）模块连接在所述MUX的输入端上，以生成标准十二导联ECG 的WCT点。
于本发明的一实施例中，所述威尔逊中心终端（WCT）模块包括：集成放大器，三个所述集成放大器控制生成标准十二导联 ECG 所需的所述WCT 和GCT（戈德伯格中心终端）。
于本发明的一实施例中，所述无创血流功能单元包括：第二供电转换模块，所述第二供电转换模块与所述供电单元相连接，以将所述供电单元的电压升压处理；八导联采集模块，所述八导联采集模块控制采集人体微弱信号；运放放大模块，所述运放放大模块的输入端与所述八导联采集模块相连接，以对所述八导联采集模块采集的信号数据进行数据的模拟比较；ADC采集模块，所述ADC采集模块将模拟比较的数据进行转换处理；以及数据处理模块，所述数据处理模块接收所述ADC采集模块的转换处理数据，再进行数据处理，并通过所述数据传输单元发送给所述PC端数据接收单元。
于本发明的一实施例中，所述第二供电转换模块包括隔离升压电源接口、隔离电源接口、升压转换接口和降压转换接口；所述八导联采集模块包括八导联线和DB8接口；所述运放放大模块为运放放大电路；所述ADC采集模块为ADC采集芯片；所述数据处理模块包括心功能主芯片、心功能数据存储芯片、数据发送接收芯片、光耦隔离电路和CH340串口芯片。
于本发明的一实施例中，所述数据传输单元为蓝牙模块。
如上所述，本发明的一种无创心电血流动力学系统，具有以下有益效果：通过基于ADS1298的导心电图采集终端以精简的方式完成了12导心电信号的采集、存储，能准确获取反应心电特征及其变化规律的心电信号，并可通过蓝牙传输到PC上以图形方式显示和分析，为实现家庭化社区化的医疗远程断进行了研究。同时，由于采用了高集成度的ADS1298前端信号采集模块，与专统的分列式元件采集电路相比，在体积、功耗、性能、系统稳定性上都有着明显的优势，非常适合用于便携式心电设备的开发。具有良好的应用前景。通过对人体胸腔的生物电阻抗及其变化进行无创性测量，可以得到包括心输出量等多种连续变化的生理参数。再经过对所得参数作特定的处理，在提高准确性的同时，减少个体差异，就能够较为准确地计算出被测对象的血流动力学活动并获得相关的生理参数并可对尚未表现出临床症状的某些疾病做出前瞻性预报。胸阻抗测量法有利于相关疾病的普查预防和早期治疗，具有十分重要的现实意义，对胸阻抗血流图信号的无创伤性、非介入式的测量方式，设计并实现了基于USB3.0接口及蓝牙模块数据的胸阻抗血流图数据采集系统一其功能是拾取放大采集阻抗血流图信号并通过USB3.0接口及蓝牙模块数据送入计算机。该系统与相关的胸心阻抗血流动力监测软件相配合，便可构成高性/价比的便携式无创血流动力监测系统一-既可用于门诊病人诊断、住院病人监护，又可用于居家动态监护，同时，本发明的USB3.0接口及蓝牙模块数据生理信号采集技术亦可应用于其他生理信息的获取、预处理和高速传输。因此，本发明接触该领域的发展前沿，具有重要的理论意义和研究价值。综上，本发明实现了将心电图十二导联检测功能技术与无创血流功能技术二合一，心电图十二导联检测功能技术蓝牙传输，以及无创血流功能技术蓝牙传输。
附图说明
图1为本发明动力学系统的架构图。
图2为本发明心电图十二导联检测功能与无创血流功能技术功能总体流程图。
图3为本发明模拟前端芯片简化电路原理图。
图4为本发明模拟前端芯片功能方框图。
图5显示为本发明心电图十二导联检测功能单元的架构图。
图6显示为本发明无创血流功能单元的架构图。
图7为本发明较佳实施例一中的无创血流功能技术PCB原理图。
图8为本发明较佳实施例二中的无创血流功能技术PCB原理图。
图9为本发明较佳实施例三中的无创血流功能技术PCB原理图.
图10为本发明较佳实施例四中的无创血流功能技术PCB原理图。
图11为本发明较佳实施例五中的无创血流功能技术PCB原理图。
图12为本发明较佳实施例六中的无创血流功能技术PCB原理图。
图13为本发明较佳实施例七中的无创血流功能技术PCB生产工艺图。
图14为本发明较佳实施例八中的无创血流功能技术PCB生产工艺流程图。
图15为本发明较佳实施例九中的心电图十二导联检测功能技术与无创血流功能技术结合实现功能多样化的实验测试数据图。
图16为本发明较佳实施例十中的参考标准 YY 1139-2013的表图。
图17为本发明较佳实施例十一中的胸导联位置示意图。
图18为本发明较佳实施例十二中的胸部的TEB电极位置的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
请参阅图1至图14。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1，本发明提供一种无创心电血流动力学系统，包括：PC控制单元，所述PC控制单元接收上传数据并存储；心电图十二导联检测功能单元，所述心电图十二导联检测功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，并经滤波、可编程增益放大处理、程序配置处理后，再将处理后的检测数据发送至所述PC控制单元；无创血流功能单元，所述无创血流功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，经运算放大模拟比较后，把比较数据进行心功能的数据处理后，再对处理后的比较数据的数据信号经过隔离处理后发送至所述PC控制单元；以及数据传输单元，所述数据传输单元控制将所述检测数据和所述比较数据无线传输至所述PC控制单元。通过上述方式可以实现十二导心电图结合胸阻抗血流动力监测系统多功能一体化，并且可以通过无线技术例如蓝牙功能对PC端的数据传输。
通过上述内容不难发现，在无创心电血流动力学系统中，通过PC控制单元可以实现接收心电图十二导联检测功能单元、无创血流功能单元的处理数据。并且在接收时，通过数据传输单元以无线形式传输至PC控制单元。通过心电图十二导联检测功能单元以实现在PC控制单元降压供电的情况下，采集人体微弱信号，进行可编程放大处理进行增益后，再进行程序配置处理，发送至PC控制单元进行存储。同样地，无创血流功能单元PC控制单元供电采集人体微弱信号，经运算放大模拟比较后，把比较数据进行心功能的数据处理后，再对处理后的比较数据的数据信号经过隔离处理后发送至PC控制单元。
如图2所示，所述PC控制单元包括：供电单元，所述供电单元通过电脑USB供电到所述心电图十二导联检测功能单元和所述无创血流功能单元；以及PC端数据接收单元，所述PC端数据接收单元接收所述心电图十二导联检测功能单元和所述无创血流功能单元发出的所述检测数据和所述比较数据。
在本发明一实施例中，PC控制单元进行接收传输数据时，通过供电单元以实现对心电图十二导联检测功能单元的降压供电和对无创血流功能单元的升压供电。并且通过PC端数据接收单元能够实现对检测数据和比较数据的无线采集。
如图5所示，所述心电图十二导联检测功能单元包括：第一供电转换模块，所述第一供电转换模块与所述供电单元相连接，以将所述供电单元的电压降压处理；十二导联采集模块，所述十二导联采集模块控制采集人体微弱信号，并进行滤波处理；编程运放模块，所述编程运放模块将所述滤波处理后的数据通过可编程运放放大电路增益处理；以及程序配置模块，所述程序配置模块控制对增益处理后的数据进行程序配置处理，再转至所述数据传输单元发送给所述PC端数据接收单元。
在本发明一实施例中，心电图十二导联检测功能单元中，通过第一供电转换模块以实现对供电单元的电压降压，并通过十二导联采集模块采集人体微弱信号，并进行滤波处理。再通过编程运放模块通过可编程运放放大电路增益处理。并且再利用程序配置模块对增益处理后的数据进行程序配置处理后再传输至PC端数据接收单元进行存储。
值得注意的是，通过基于ADS1298的导心电图采集终端以精简的方式完成了12导心电信号的采集、存储，能准确获取反应心电特征及其变化规律的心电信号，并可通过蓝牙传输到PC上以图形方式显示和分析，为实现家庭化社区化的医疗远程断进行了研究。同时，由于采用了高集成度的ADS1298前端信号采集模块，与传统的分列式元件采集电路相比，在体积、功耗、性能、系统稳定性上都有着明显的优势，非常适合用于便携式心电设备的开发。具有良好的应用前景。
具体地，所述第一供电转换模块包括：USB接口、电源供电的接口、隔离芯片和降压DC芯片，所述USB接口的输入端与所述供电单元的输出端相连接，所述USB接口的输出端连接至所述电源供电的接口的输入端，所述电源供电的接口的输出端连接至所述隔离芯片的输入端，所述隔离芯片的输出端连接至所述降压DC芯片的输入端，所述降压DC芯片的两个输出端分别连接至所述编程运放模块和所述程序配置模块。
所述十二导联采集模块包括：十二导联线和DB15接口，所述十二导联线采集人体微弱信号至所述DB15接口，经过低通滤波电路滤出干扰后，再将数据输入到所述编程运放模块。
请参阅图5给出的一较佳实施例中，心电图十二导联检测功能使用时，通过电脑USB供电到电源模块，在进行隔离电源芯片处理转换3.3V电源，输送到各芯片模块供电，然后在12导联线部分采集人体微弱信号到DB15接口，经过低通滤波电路滤出干扰，在到ADS1298模拟前端芯，因为ADS1298模拟前端芯片内部集成可编程运放放大电路及增益，在通过SPI接口通信到主芯片，主芯片经过程序配置处理后，通过主芯片串口功能发送数据给CH340串口芯片转USB或者蓝牙模块把数据发送到PC端。
进一步地，所述编程运放模块包括模拟前端芯和SPI接口，所述程序配置模块包括心电主芯片和CH340串口芯片，滤波后的数据经过所述模拟前端芯后，通过SPI接口通信到所述心电主芯片，所述心电主芯片完成程序配置处理后，通过主芯片串口功能发送输出给所述CH340串口芯片转至所述PC端数据接收单元；所述模拟前端芯包括：MUX（复用器），所述MUX对应有多个的输入通道和输出通道，独立连接至内部生成的信号，以进行测试、温度和导联断开检测，且允许任何输入电极被编程为患者参考驱动器；PGA（可编程增益放大器），若干个所述PGA连接在所述MUX的输出端；ADC（模数转换器），若干个所述ADC的输入端与所述PGA的输出端相连接；Control（控制器），所述Control的输入端与若干个所述ADC的输出端相连接；SPI接口、四通用GPIO引脚、START引脚，所述SPI接口、所述四通用GPIO引脚、所述START引脚连接在所述Control的输出端；内部振荡器，所述内部振荡器与所述Control相连接，以产生预设频率的时钟信号；RLD（多功能右腿动），所述RLD的输入端与所述PGA的输出端相连接，所述RLD的输出端与所述MUX的输入端相连接，所述RLD允许选择任何电极组合的平均值来生成患者驱动信号；威尔逊中心终端（WCT）模块，所述威尔逊中心终端（WCT）模块连接在所述MUX的输入端上，以生成标准十二导联ECG 的WCT点。
在本发明一实施例中，经过低通滤波电路滤出干扰后的数据到ADS1298模拟前端芯，因为ADS1298模拟前端芯片内部集成可编程运放放大电路及增益详细请看图3及图4，在通过SPI接口通信到主芯片，主芯片经过程序配置处理后，通过主芯片串口功能发送数据给CH340串口芯片转USB或者蓝牙模块把数据发送到PC端。
优选地，所述威尔逊中心终端（WCT）模块包括：集成放大器，三个所述集成放大器控制生成标准十二导联 ECG 所需的所述WCT 和GCT（戈德伯格中心终端）。
请参阅图3给出的一较佳实施例中，该模拟前端芯片即ADS1298R芯片为多通道同步采样24 位Δ-Σ模数转换器(ADC)系列，内置有可编程增益放大器 (PGA)、内部基准以及板载振荡器。ADS1298R包含医疗心电图(ECG)和脑电图(EEG) 应用中通常所需的全部功能中，该值必须保持在最低水平。凭借高集成度和出色性能，ADS1298R 能够以大幅缩小的尺寸、显著降低的功耗和整体成本开发可扩展的医疗仪器系统。ADS1298的每个通道都有一个灵活的输入复用器(mux)，此复用器能够独立连接至内部生成的信号以进行测试、温度、和导联断开检测。此外，可选择输入通道的任一配置生成右腿驱动 (RLD) 输出信号。ADS1298R 工作数据速率高达32kSPS，因此可实现软件起搏检测。可通过上拉/下拉电阻或激励电流阱/电流源在器件内部实现导联断开检测。3个集成放大器用于生成标准 12 导联ECG 所需的威尔逊中心终端 (WCT) 和戈德伯格中心终端(GCT)。ADS1298R 版本包含全集成呼吸阻抗测量功能。可在高通道数系统中采用菊花链配置串联多个 ADS1298R 器件。
请参阅图4给出的一较佳实施例中，ADS1298为具有集成式可编程增益放大器(PGA) 的低功耗、多通道、同时采样、24 位 - 模数转换器(ADC)。这些器件包含各种 ECG专用功能，使其非常适用于可扩展心电图(ECG)、脑电图(EEG) 和肌电图(EMG)应用。通过关闭ECG专用电路，这些器件还可用于高性能、多通道数据采集系统。ADS1298R具有高度可编程的多路复用器(mux)，用于实现温度、电源、输入短路和 RLD 测量。此外，多路复用器允许任何输入电极被编程为患者参考驱动器。可以从以下七种设置中选择 PGA 增益:1、2、3、4、6、8 或12。器件中的 ADC 提供 250SPS 至 32KSPS 的数据速率。使用与 SPI 兼容的接口与器件进行通信。该器件提供四通用GPIO引脚。可使用START引脚同步多个器件。将内部基准编程为 2.4V 或 4V。内部振荡器会产生2.048MHZ的时钟。多功能右腿动(RLD)模块允许选择任何电极组合的平均值来生成患者驱动信号。可通过使用上拉或下拉电阳器或者电流源或电流阱来完成导联脱落检测。还提供内部交流导联脱落检测功能。这些器件支持硬件起搏信号检测和软件起搏信号检测。可使用威尔逊中心终端了(WCT)块来生成标准12导联ECG 的WCT点。此外，ADS1298R还为通道 1 的信号路中的内部呼吸调制器和解调器电路提供选项。
如图6所示，所述无创血流功能单元包括：第二供电转换模块，所述第二供电转换模块与所述供电单元相连接，以将所述供电单元的电压升压处理；八导联采集模块，所述八导联采集模块控制采集人体微弱信号；运放放大模块，所述运放放大模块的输入端与所述八导联采集模块相连接，以对所述八导联采集模块采集的信号数据进行数据的模拟比较；ADC采集模块，所述ADC采集模块将模拟比较的数据进行转换处理；以及数据处理模块，所述数据处理模块接收所述ADC采集模块的转换处理数据，再进行数据处理，并通过所述数据传输单元发送给所述PC端数据接收单元。
在本发明一实施例中，通过第二供电转换模块以实现将供电单元的电压进行升压处理，以对各功能单元进行供电。通过八导联采集模块采集人体微弱信号，经过运放放大模块数据的模拟比较，并经过ADC采集模块进行数据转换处理，通过数据处理模块进行数据处理，并通过数据传输单元发送给PC端数据接收单元进行数据存储。
值得注意的是，胸阻抗血流图(Impedance Cardiography，ICG)检测是人体阻抗测量技术在心血管血流动力学方面的一个典型应用。由于人体中血液的导电率远高于胸腔中其他组织的导电率，所以在心脏搏动时，血液有节律地射入主动脉，使主动脉的容积随之变化，从而造成了胸腔阻抗的变化，如果在胸腔的两端加上一个恒流电源，则这种变化就可以转化成电压的变化。本发明通过对人体胸腔的生物电阻抗及其变化进行无创性测量，可以得到包括心输出量等多种连续变化的生理参数。再经过对所得参数作特定的处理，在提高准确性的同时，减少个体差异，就能够较为准确地计算出被测对象的血流动力学活动并获得相关的生理参数并可对尚未表现出临床症状的某些疾病做出前瞻性预报。胸阻抗测量法有利于相关疾病的普查预防和早期治疗，具有十分重要的现实意义，对胸阻抗血流图信号的无创伤性、非介入式的测量方式，设计并实现了基于USB3.0接口及蓝牙模块数据的胸阻抗血流图数据采集系统一其功能是拾取放大采集阻抗血流图信号并通过USB3.0接口及蓝牙模块数据送入计算机。该系统与相关的胸心阻抗血流动力监测软件相配合，便可构成高性/价比的便携式无创血流动力监测系统一-既可用于门诊病人诊断、住院病人监护，又可用于居家动态监护，同时，本发明的USB3.0接口及蓝牙模块数据生理信号采集技术亦可应用于其他生理信息的获取、预处理和高速传输。因此，本发明接触该领域的发展前沿，具有重要的理论意义和研究价值。
进一步地，所述第二供电转换模块包括隔离升压电源接口、隔离电源接口、升压转换接口和降压转换接口；所述八导联采集模块包括八导联线和DB8接口；所述运放放大模块为运放放大电路；所述ADC采集模块为ADC采集芯片；所述数据处理模块包括心功能主芯片、心功能数据存储芯片、数据发送接收芯片、光耦隔离电路和CH340串口芯片。
请参阅图6给出的一较佳实施例中，通过电脑USB供电到电源模块，在进行隔离电源升压到dc.15v在经过dc.8v及dc.5v，在输送到各芯片模块供电，然后在8导联采集人体微弱信号到DB8接口，经过运算放大器进行模拟比较，在把数据给到ADC芯片采集在输出到心功能主芯片进行数据处理，利用心功能主芯片串口功能把数据经过发送接收芯片转换给光耦隔路电路发送数据给CH340串口芯片转USB发送到PC端（考虑到人体安全和抗于扰的因素要对信号进行有效的隔离，光电耦合器构成的隔离电路结构简单,且隔离效果好），或者新增加功能蓝牙模块把数据发送到PC端。
具体地，所述数据传输单元为蓝牙模块。
请参阅图7至图9给出的一较佳实施例中，此部分为无创血流功能技术PCB原理图。具体地，图9中序号4的电路和序号5的电路是隔离升压芯片，然后经过序号9的电路和序号10的电路降压芯片进行各芯片供电，到图7是无创血流功能技术数据处理及发送数据部分功能，无创血流功能技术核心数据处理芯片序号11的电路对图8采集人体数据运放放大器数据序号13的电路进行频率的发送及数据的采集，然后ADC采集芯片即序号14的电路对图8运算放大器数据即序号13的电路进行模拟采集转换给核心数据处理芯片进行数据处理，到序号15的电路是并行存储芯片（数据缓存作用），在经过数据收发切换芯片即序号16的电路经过隔离芯片即序号17的电路把数据以十六进制发送出去。
请参阅图10至图12给出的一较佳实施例中，此部分为心电图十二导联检测功能PCB原理图。图11里面序号3是电源接口，经过序号4的隔离电源通过序号5的两个降压DC芯片给各模块供电，然后在12导联线部分采集序号7的人体微弱信号到DB15接口，经过低通滤波电路滤出干扰，再到ADS1298模拟前端芯即序号8，因为ADS1298模拟前端芯片内部集成可编程运放放大电路及增益详细请看图3及图4，在通过SPI接口通信到主芯片，主芯片经过程序配置处理后，通过主芯片串口功能发送数据给CH340串口芯片转USB或者蓝牙模块即序号10把数据发送到PC端。
请参阅图13给出的一较佳实施例中，工艺信息中包含有板材类型、产品类型、板子层数、板子厚度、板子宽度、板子长度、确认生产稿、阻焊颜色、字符颜色、是否为半孔板、半孔边数量、金属包边、阻焊覆盖、焊盘喷镀、线路测试、是否需要SMT贴片、运输方式、金手指斜边、需要发票、外层铜厚、内层铜厚、沉金厚度、毛重、替换文件、是否需要收据和送货单和宣传单、运费、需要阻抗、阻抗管孔、层压顺序等。
请参阅图14给出的一较佳实施例中，生产工艺流程包括1 MI；2 内层；3 内层AOI；4 层压；5 钻树脂塞孔；6 沉铜；7 镀孔干膜；8 图电镀孔；9 过孔塞树脂/铜浆；10 二次钻孔；11 导电胶；12 线路；13 图电；14 AOI；15 阻焊；16 字符；17 沉金；18 AVI检验；19 测试；20 锣边、VCUT；21 QC；22 发货。
值得注意的是，工作条件包括有1、环境温度：10℃~45℃；2、相对温度：≦95%；3、大气压力：860hPa~1060hPa；3、供电电源：（1）USB供电，（2）电池供电 （3）设备供电。
请参阅图15给出的一较佳实施例中，通过心电图十二导联检测功能技术与无创血流功能技术功能结合，可以实现互不干扰各自信号，正常采集人体数据。
本发明还给出了心电图十二导联检测功能技术的一较佳实施例。具体包括：1、 心电信号（也叫ECG信号）的幅值一般在0.05mV~4mV之间，要求分辨力至少为0.1mV，其频率在0.05~100Hz之间，主要的频率成份集中在5~20Hz之间。2、一般的示波器垂直刻度最小为10mV/div，分辨力约为0.4mV。其次，把探头接在左右手，在示波器上只会观察到50/60Hz的工频干扰。所以，示波器并不适合测量心电信号。3、制作心电图仪，可以使用多级放大，再配合低精度的ADC来达到采样的要求。但是这种方案元器件太多，不利于产品的小型化。4、12导联心电图指同步描记12导联心电信息，能够客观表达各波段和间期，其对测定早搏、心动过速、预激综合征、旁道等成功率明显高于3导或6导心电图。5、由于心电信号比较微弱，仅为毫伏级，信号采集过程中极易受到各种干扰的影响，因此，对心电图仪的抗干扰能力提出了较高的要求以。为了能获得清晰而良好的心电波形记录，识别心电图的形态，心电图采集前端的设计应满足以下参数要求：1）高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，放大器的输入阻抗应大于 2.5M欧。2)高共模抑制比 CMRR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰。所以心电图仪一般采用差动式放大电路，以减少共模干扰。这种电路对于同相(又称共模信号，例如周围的电磁场所产生的干扰信号)有抑制作用，对异相信号(又称差模信号，需采集的心电信号就是差模信号)放大作用。共模制比(CMRR)，指心电图机的差信号 (心电信号)放大倍数 Ad 与共模信号(千扰和噪声)放大倍数 Ac之比，表示抗扰能力的大小。一般要求共模抑制比应在 80dB 以上，最好高于100dB。3)低噪声、低漂移。主要作用是对信号的影响小，提高系统信噪比，使拾取微弱信号的能力强，以及能够使输出稳定。4)宽频响:人体心电形并不是单一频率的，而是可以分解成不同频率、不同比例的正弦波成分，也就是说心电信号含有丰富的高次谐波。若心电图机对不同频率的信号有相同的增益，则描记出来的波形就不会失真。但是放大器对不同频率的信号的放大能力并不一定完全一样的。频率响应越宽越好，心电图机的放大器的频响范围一般要求在0.05~150Hz(-3dB)。5)电安全要符合例如GB10793-89《心电图机和使用安全要求》等的相关要求。
通过上述的12导联心电图的ADS1298模拟前端芯片设计，在节省了大量的模拟外围电路的同时，大大降低了电路的功耗和提高了测量的精确性。具体地，模拟电源和数字电源独立供电，模拟地和数字地通过0R电阻隔离，可以大大减少ECG前端采集的干扰，也可以采用USB供电。模拟电源用干电池或锂电池供电，信噪比非常高，ADS1298输入短路噪声均值约为250uV，输入引起噪声约为4uVpp。选用STM32单片机，可以利用ST官方提供的驱动库，大大提高了开发效率。使用CH340串口芯片做USB转TTL串口，让STM32主芯片和PC机通信，成本低，又能达到通信速率的要求。使用蓝牙模块和PC机通信，成本低，又能达到通信速率的要求。使用ADS1298的集成方案，大大缩小的产品的体积，让产品更便携。使用隔离器件把数字电源的干扰隔离开。
在心电图十二导联检测功能技术利用时，还需要注意的是，1、导联必须连接正确，否则波形有异常。2、增加右腿驱动，可以抵消人体的共模干扰，否则难以观察到心电信号。3、芯片虚焊，可能导致采集到的数据异常。4、先采集ADS1298内部的测试信号，如果没问题，再去采集外部的心电信号。5、ADS1298采集到的数据，是以二进制补码的形式存储，需要转成原码，再计算电压值。6、去耦电容，建议使用NPO或C0G材质的电容，可以减少干扰，提高系统的稳定性。7、ADS1298的SPI接口，CPOL=0，CPHA=1，编写单片机代码时，需要特别注意。8、配置好ADS1298，在24号引脚才会出现2.4V的参考电压，否则不出现。9、ADS1298的通道悬空时，采集到的电压为Vref，因为其差分输入的正端有上拉电阻，而负端有下拉电阻。10、右腿驱动，可以使用内部的参考源。11、ADS1298虚焊或外部晶振虚焊时，测到37号引脚CLK，电压为2.3V，正常工作时，电压为VDD的一半（即1.6V），这里的VDD为3.3V。12、ADS1298的START、RESET操作，可以通过SPI读写寄存器来完成，也可以通过拉引脚电平来完成（其作用没有区别），这里START是拉引脚电平，而RESET是读写寄存器。13、ADS1298复位时间为2^18次方*clk周期，这里为50us。14、静坐也是可以测到心电图，但是可能会出现少量噪声，建议平躺着测。15、建议先在皮肤上涂一些酒精再接导联，被测的人体要放松，手脚不能用力或者移动，否则有可能测不出心电图，或者测出来幅度特别小。
请参阅图16给出的一较佳实施例中，8通道的ADS1298实现12导联时，具体地，标准I是可以通过计算得到的。由图可知，II-III=(F-R)-(F-L)=L-R=I。而aVR,aVL,aVF均可以由I、II、III计算得到。aVR = -0.5 * ( I + II )； aVL = I - 0.5 * II；aVF = II - 0.5 *I。也就是说只要用一片ADS1298采样v1~v6，（I、II、III的其中任意两路），这8路，可以满足12导联的要求。而12导联只有10根信号线，分别是v1~v6，左手、右手、左腿、右腿。其中，导联的美标包括：RL,LL,RA,LA,V1,V2,V3,V4,V5,V6。导联的欧标包括：RF, F, R,L,C1,C2,C3,C4,C5,C6。
请参阅图17给出的一较佳实施例中，对于胸导联位置中，①在胸骨右缘第四肋间。②在胸骨左缘第四肋间。③在为2~4的中点。④在左锁骨中线与第五肋间交点。⑤为4水平与左腋前线交点。⑥为4水平与左腋中线交点。其中，肢体导联与皮肤的连接。
本发明还给出了无创血流功能技术的一较佳实施例。具体包括：在TEB无创血流功能技术中，病人的胸腔被用作阻抗传感器，8个电极被用作阻抗传感器。 (4个电极对，乳头与乳头之间的距离为5厘米[2"]），与每个TEB的应用一起使用，为该传感器提供电连接。由于胸部可以用一个截断的椭圆锥体来近似表示（见图1），所有8个电极应沿正面平面放置，即沿胸腔椭圆的长轴放置{正面平面是一个假想的平面，将身体的前部和后部分开}：红色和白色搭扣电极（见病人电缆导线的颜色编码）是TEB和ECG信号感应电极。这些电极必须正确放置，以保证TEB数据的准确性，并且作为一项规则，总是先放置在病人的皮肤上： 白斑对，放在换能器/胸腔的一端，即颈部根部的线与额部平面的交点处。红色搭扣对放在换能器/胸腔的另一端，即在每个腋中线的膈肌水平（可触及剑突水平，即胸骨尖水平）。黑色和绿色的搭接电极位于每个相应的传感电极的上方和下方（请注意病人电缆上相应导线的5厘米[2"]交错端点）。这些电极是TEB测量电流的源和汇，必须满足TEB对皮肤-电极阻抗的特殊要求。每个传感电极和测量电流电极之间的间距是至关重要的，必须保持在5厘米[2"]。为了保证电极的电气性能和关键间距，直径为5厘米的TEB固体凝胶电极。
请参阅图18给出的一较佳实施例中，感应电极（白色和红色一对）应始终先放在病人身上。电极的优先放置方法如下：（1）白电极：位于颈部两侧的额头平面与颈根线的交点（颈根平面向下倾斜，向胸骨方向倾斜），如图14所示。 由于颈部的物理直径比其他胸腔尺寸要小，白缝电极的精确180o 相互位置并不关键。这些电极可以相当随意地放在颈部周围，以避免颈部或锁骨下区域的障碍物（绷带、导管入口等）。然而，这些电极必须沿着颈部根部的线路放置。（2）"红电极"：位于每个腋中线的剑突水平，如图14所示。如果红缝电极的位置与预定的手术区域有干扰，这些电极可以沿剑突水平移动，但是，这些电极必须在剑突椭圆内始终保持180o 的距离。（3) 黑导联接口的一对位于每个白导联接口的上方（颅内），距离5厘米（2英寸）。（4) 绿导联接口位于每个红导联接口下方（尾部），距离5厘米（2英寸）。
值得注意的是，1：在放置电极之前，必须用酒精或类似的溶液对皮肤区域进行准备，以去除皮肤油，并确保电极的良好粘附性和适当的电性能。2：当TEB 用于监测手术病人时，所有可能暴露在消毒/灭菌溶液中的电极必须被包扎，以防止溶液渗入电极区域，从而影响电极的电性能和/或其粘附性。注意：在电烧过程中，要断开病人电缆的连接。3：在每次心跳期间正确检测心电图QRS复合物，并由此产生BEEP信号，是TEB正常功能的关键条件。TEB的电路自动选择最大的QRS复合物幅度，在白电极和红电极的四个矢量组合中的任何一个之间检测。内部选择结构将正极性分配给相对于其他选定的电极的左侧和/或尾部（较低）的电极。 正确检测QRS复合物的适当幅度和极性是由BEEP信号确认的，与显示的心电图信号上的QRS复合物的出现相一致。对于有电传导障碍或其他电传导异常的病人，可能会导致QRS复合体的异常/极性颠倒（显示的QRS指向下方，因此没有BEEP信号），病人的电缆感应导线（仅白色和红色导线）必须颠倒。所需的反转是将病人电缆头上相同颜色的导联进行调换（左白换右白，左红换右红）或调换感应对（白对换红对）。4：对于QRS复合体过宽的患者（如左束支传导阻滞），QRS检测算法可能无法检测到QRS复合体，系统将无法对血流数据进行量化。
综上所述，本发明基于ADS1298的导心电图采集终端以精简的方式完成了12导心电信号的采集、存储，能准确获取反应心电特征及其变化规律的心电信号，并可通过蓝牙传输到PC上以图形方式显示和分析，为实现家庭化社区化的医疗远程断进行了研究。同时，由于采用了高集成度的ADS1298前端信号采集模块，与专统的分列式元件采集电路相比，在体积、功耗、性能、系统稳定性上都有着明显的优势，非常适合用于便携式心电设备的开发。具有良好的应用前景。通过对人体胸腔的生物电阻抗及其变化进行无创性测量，可以得到包括心输出量等多种连续变化的生理参数。再经过对所得参数作特定的处理，在提高准确性的同时，减少个体差异，就能够较为准确地计算出被测对象的血流动力学活动并获得相关的生理参数并可对尚未表现出临床症状的某些疾病做出前瞻性预报。胸阻抗测量法有利于相关疾病的普查预防和早期治疗，具有十分重要的现实意义，对胸阻抗血流图信号的无创伤性、非介入式的测量方式，设计并实现了基于USB3.0接口及蓝牙模块数据的胸阻抗血流图数据采集系统一其功能是拾取放大采集阻抗血流图信号并通过USB3.0接口及蓝牙模块数据送入计算机。该系统与相关的胸心阻抗血流动力监测软件相配合，便可构成高性/价比的便携式无创血流动力监测系统一-既可用于门诊病人诊断、住院病人监护，又可用于居家动态监护，同时，本发明的USB3.0接口及蓝牙模块数据生理信号采集技术亦可应用于其他生理信息的获取、预处理和高速传输。因此，本发明接触该领域的发展前沿，具有重要的理论意义和研究价值。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种无创心电血流动力学系统，其特征在于，包括：
PC控制单元，所述PC控制单元接收上传数据并存储；
心电图十二导联检测功能单元，所述心电图十二导联检测功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，并经滤波、可编程增益放大处理、程序配置处理后，再将处理后的检测数据发送至所述PC控制单元；
无创血流功能单元，所述无创血流功能单元通过所述PC控制单元供电采集人体微弱信号，经运算放大模拟比较后，把比较数据进行心功能的数据处理后，再对处理后的比较数据的数据信号经过隔离处理后发送至所述PC控制单元；以及
数据传输单元，所述数据传输单元控制将所述检测数据和所述比较数据无线传输至所述PC控制单元；
所述PC控制单元包括：
供电单元，所述供电单元通过电脑USB供电到所述心电图十二导联检测功能单元和所述无创血流功能单元；以及
PC端数据接收单元，所述PC端数据接收单元接收所述心电图十二导联检测功能单元和所述无创血流功能单元发出的所述检测数据和所述比较数据；
所述心电图十二导联检测功能单元包括：
第一供电转换模块，所述第一供电转换模块与所述供电单元相连接，以将所述供电单元的电压降压处理；
十二导联采集模块，所述十二导联采集模块控制采集人体微弱信号，并进行滤波处理；
编程运放模块，所述编程运放模块将所述滤波处理后的数据通过可编程运放放大电路增益处理；以及
程序配置模块，所述程序配置模块控制对增益处理后的数据进行程序配置处理，再转至所述数据传输单元发送给所述PC端数据接收单元；
所述第一供电转换模块包括：USB接口、电源供电的接口、隔离芯片和降压DC芯片，所述USB接口的输入端与所述供电单元的输出端相连接，所述USB接口的输出端连接至所述电源供电的接口的输入端，所述电源供电的接口的输出端连接至所述隔离芯片的输入端，所述隔离芯片的输出端连接至所述降压DC芯片的输入端，所述降压DC芯片的两个输出端分别连接至所述编程运放模块和所述程序配置模块；
所述编程运放模块包括模拟前端芯和SPI接口，所述程序配置模块包括心电主芯片和CH340串口芯片，滤波后的数据经过所述模拟前端芯后，通过SPI接口通信到所述心电主芯片，所述心电主芯片完成程序配置处理后，通过主芯片串口功能发送输出给所述CH340串口芯片转至所述PC端数据接收单元。
2.根据权利要求1所述的无创心电血流动力学系统，其特征在于：所述十二导联采集模块包括：十二导联线和DB15接口，所述十二导联线采集人体微弱信号至所述DB15接口，经过低通滤波电路滤出干扰后，再将数据输入到所述编程运放模块。
3.根据权利要求1所述的无创心电血流动力学系统，其特征在于：
所述模拟前端芯包括：
MUX（复用器），所述MUX对应有多个的输入通道和输出通道，独立连接至内部生成的信号，以进行测试、温度和导联断开检测，且允许任何输入电极被编程为患者参考驱动器；
PGA（可编程增益放大器），若干个所述PGA连接在所述MUX的输出端；
ADC（模数转换器），若干个所述ADC的输入端与所述PGA的输出端相连接；
Control（控制器），所述Control的输入端与若干个所述ADC的输出端相连接；
SPI接口、四通用GPIO引脚、START引脚，所述SPI接口、所述四通用GPIO引脚、所述START引脚连接在所述Control的输出端；
内部振荡器，所述内部振荡器与所述Control相连接，以产生预设频率的时钟信号；
RLD（多功能右腿动），所述RLD的输入端与所述PGA的输出端相连接，所述RLD的输出端与所述MUX的输入端相连接，所述RLD允许选择任何电极组合的平均值来生成患者驱动信号；
威尔逊中心终端（WCT）模块，所述威尔逊中心终端（WCT）模块连接在所述MUX的输入端上，以生成标准十二导联ECG 的WCT点。
4.根据权利要求3所述的无创心电血流动力学系统，其特征在于：所述威尔逊中心终端（WCT）模块包括：集成放大器，三个所述集成放大器控制生成标准十二导联 ECG 所需的所述WCT 和GCT（戈德伯格中心终端）。
5.根据权利要求1所述的无创心电血流动力学系统，其特征在于：所述无创血流功能单元包括：
第二供电转换模块，所述第二供电转换模块与所述供电单元相连接，以将所述供电单元的电压升压处理；
八导联采集模块，所述八导联采集模块控制采集人体微弱信号；
运放放大模块，所述运放放大模块的输入端与所述八导联采集模块相连接，以对所述八导联采集模块采集的信号数据进行数据的模拟比较；
ADC采集模块，所述ADC采集模块将模拟比较的数据进行转换处理；以及
数据处理模块，所述数据处理模块接收所述ADC采集模块的转换处理数据，再进行数据处理，并通过所述数据传输单元发送给所述PC端数据接收单元。
6.根据权利要求5所述的无创心电血流动力学系统，其特征在于：所述第二供电转换模块包括隔离升压电源接口、隔离电源接口、升压转换接口和降压转换接口；所述八导联采集模块包括八导联线和DB8接口；所述运放放大模块为运放放大电路；所述ADC采集模块为ADC采集芯片；所述数据处理模块包括心功能主芯片、心功能数据存储芯片、数据发送接收芯片、光耦隔离电路和CH340串口芯片。
7.根据权利要求1-6任一所述的无创心电血流动力学系统，其特征在于：所述数据传输单元为蓝牙模块。
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