生理信号采集设备和结合了该设备的能力监测设备

技术领域

本发明涉及生理信号采集设备，更具体地涉及胸部佩戴的生理 信号采集设备。本发明还涉及包括生理信号采集器和用于处理所采集 的生理信号的信号处理装置的能力监测设备。更具体地，本发明还涉 及但不限于胸部佩戴的游泳监测器。

背景技术

生理信号采集器有助于在体育运动中、体检中或日常生活中采 集人体的生理数据。普遍被采集用于处理和分析的典型生理信号包括 ECG、心率、血压、血氧含量、体温。所采集的信号通常被处理和转 换为提供关于人体的健康状态、身体素质或体能的信息。

胸带是公知的一种适于人体胸部佩戴的生理信号采集器，用于 在体育运动或活动中采集生理信号。胸带通常采集的生理信号包括例 如心率、ECG脉冲、皮肤电导率、红外线吸收或者可从人体皮肤测量 到的其他电信号或光电信号。

典型的胸带通常包括以间隔开的方式安装在柔性塑料胸带上的 多个电极或传感器，以从人体采集用于差分信号处理的电或光形式的 弱生理信号。每个电极典型地包括信号接收盘，该信号接收盘具有表 面积足够大的信号接收表面，以便采集足够强的信号用于信号处理装 置（比如心率信号处理器）的处理。

柔性塑料带通常为预装配的带环，其包括长度调节或松紧调节 装置以便当用于在电极与用户皮肤之间提供电接触的期间将带子收 紧在人的身体（通常为胸部）上。带子通常由软塑料制成以提供用于 身体佩戴的柔软性以及电极之间的电绝缘性。松紧调节装置典型地包 括一段软塑料带部分，其绕在带扣或带钩装置上。

然而，这种胸带型生理数据采集器不舒服，并且难以佩戴和调 节。而且，值得留意的是公知的胸带在湿应用方面效果不够好，例如 游泳或水上运动。

因此，提供改进的胸带以减轻传统胸带的不足之处是有益的。

发明内容

根据本发明，提供了一种生理信号采集电极，包括具有皮肤接 触部分的信号采集盘、信号输出盘和将所述信号采集盘与所述信号输 出盘互连的细长桥接部分，其中所述信号采集盘、信号输出部分和所 述桥接部分由柔性的导电弹性材料整体模制而成；所述生理信号采集 电极的特征在于：所述桥接部分的宽度小于所述皮肤接触部分的宽 度。

在信号输出到信号输出盘之前，窄桥接部分操作来将由皮肤接 触部分采集的采集生理信号集中。细长的桥接部分减小了皮肤覆盖面 积以使佩戴者更舒适以及在桥接部分拉伸时为电极提供更好的弹性。 与该窄桥接部分耦接的信号采集盘使得电极更柔韧，因此特别适合于 例如从人的胸廓采集人体ECG信号。

为了减小桥接部分的伪信号接收，可以采用柔性的弹性防水绝 缘材料（比如橡胶、硅橡胶或软塑料）覆盖桥接部分。绝缘材料优选 地过压成型（over-moulded）在电极上以便更好地屏蔽伪信号。

皮肤接触部分可以从信号采集盘升高并且可以被绝缘材料包 围。绝缘材料的表面优选地与皮肤接触部分的表面齐平，从而造成连 续的齐平的表面以使得在保持良好限定的信号采集面积的同时佩戴 更为舒适。

信号输出盘可以包括信号输出端子以输出用于外部处理的所采 集的生理信号。

在皮肤接触部分与信号输出端子之间测量的所述电极的有效电 阻小于1kΩ，优选地小于500Ω，并且更优选地小于400Ω。已经发现 这样低的电阻对于水中或水下应用是有利的。因此，可以将电极构造 为用于采集游泳时的ECG信号的ECG信号采集器。

皮肤接触表面可以是柔性的和细长的，并且具有处于7.5cm² 至20cm²之间的有效皮肤接触表面。

皮肤接触部分可以为1.5cm至2.5cm宽以及5cm至8cm长。

窄桥接部分可以为6cm至10cm长并且为皮肤接触部分的宽度的 大约一半或小于一半。

柔性的导电弹性材料可以从碳化橡胶、碳化织物、镀镍铜聚酯、 银尼龙网、银棉竹纤维或诸如金属化织物之类的其他导电织物中选 择。

根据本发明的另一方面，提供了一种ECG信号采集带，包括分 别安装在绝缘带的第一和第二自由纵向末端处的第一和第二ECG信 号采集电极，其中每个信号采集电极包括信号输出端子和具有适于从 用户皮肤采集ECG信号的皮肤接触表面的信号采集盘，所述ECG信号 采集带的特征在于：所述ECG信号采集电极是本发明的电极。

根据本发明的又一方面，提供了一种ECG信号采集带，包括分 别安装在绝缘带的第一和第二自由纵向末端处的第一和第二ECG信 号采集电极，其中每个信号采集电极包括信号输出端子和具有适于从 用户皮肤采集ECG信号的皮肤接触表面的信号采集盘，所述ECG信号 采集带的特征在于：在所述带的所述第一和第二纵向末端处分别提供 第一和第二机械紧固组件，以用于将纵向的带转换成带环以便佩戴在 用户的身体上，并且所述第一和第二机械紧固组件被布置为在所述带 环被佩戴在所述用户的身体上并且所述紧固组件接合时使得所述带 将第一和第二电极的皮肤接触表面绷紧来紧挨用户的皮肤，从而进行 电接触和采集生理信号。

这样的布置有利于在前面佩戴所述带，因为用户能够将紧固组 件在胸前进行接合。

信号输出端子包括导电的机械紧固组件的机械配合部分，其适 于与对应方的机械紧固组件的互补机械配合部分接合。也作为导电机 械紧固组件的机械部分的信号输出端子意味着增加了用户的便利，因 为用户仅需作出单个连接步骤就能同时实现电连接和机械连接。

信号采集带的第一和第二机械紧固组件可以适于与便携式ECG 信号处理装置进行机械接合，并且在与便携式ECG信号处理装置接合 时形成完整的带环，并且其中所述带被布置为使得电极采集的ECG 信号经由机械紧固组件传送到便携式ECG信号处理装置。便携式ECG 信号处理装置有助于ECG信号处理，并且用作将所述带转换为带环的 锁定桥接。

信号输出端子还可以是卡扣紧固组件的导电配合部分。这有利 于卡扣紧固以使得更方便地进行电连接和机械连接。

绝缘带可以是弹性的并且其长度可以调节。绝缘带可以由比如 人造橡胶聚酰胺之类的透气和/或可透水的弹性织物或者比如尼龙 聚酯之类的游泳衣织物制成。可以在绝缘带的在使用中与用 户皮肤接触的部分上形成防滑纹理。

每个电极的桥接部分可以嵌入绝缘带内。每个电极的信号采集 盘可以结合在绝缘带上。

机械紧固组件可以被布置为将纵向的松紧带转换成松紧带环。 机械紧固组件的导电组件可以形成信号输出端子的一部分和/或反之 亦然。

游泳运动检测器和ECG信号处理装置可以被形成为模块并且可 以被容纳在共同的外壳内，并且所述ECG信号处理装置具有第一和第 二信号输入端子。ECG信号处理装置可以被布置为经由带的信号输出 端子从带获得ECG信号。

游泳运动检测器可以包括被布置来采集游泳运动数据的3轴加 速度计。

电极的皮肤接触部分与相应输出端子之间的有效信号路径电阻 可以小于接触所述电极的皮肤与相应输出端子之间的游泳水信号路 径的电阻。

该监测器适于用在海水、加氯水或其他离子水中，并且每个电 极的有效信号路径电阻在800欧姆以下，优选地在500欧姆以下。

ECG处理装置的第一和第二端子的每一个可以被形成为机械紧 固组件的配合部分，并且带的输出端子的每一个被形成为对应方的机 械紧固组件的互补配合部分。

生理信号处理模块可以与信号采集带连接以在它们机械地接合 时形成完整的带环。

该带环是缚身带，比如胸带、头带、臂带、腿带等。

附图说明

下面将参照附图并以示例方式说明本发明的实施例，在附图中：

图1是示出本发明第一实施例的胸带的透视图，

图2和图3分别示出图1的胸带的主视图和后视图，

图4示出当与ECG处理设备扣在一起时的图1至图3的带子，

图4A示出当ECG处理设备部分地从胸带拆下时的图4的带子，

图5是示出图1的胸带在使用中的示意图，

图5A是示出结合了ECG信号处理器的图1的胸带的放大示图，

图6是覆盖有绝缘体的ECG电极的第一实施例的平面图，

图6A和图6B分别是单独的电极的平面视图和侧视图，

图6C是示出与输出端子连接的图6的电极的示意性侧视图，

图7示出ECG电极的第二实施例，和

图7A示出图7的电极的截面图。

具体实施方式

图1至图5A的带子是对本发明的生理信号采集带的示例实施例 进行图示的胸部佩戴的ECG信号采集带设备（俗称为“胸带”）。胸 带100包括安装在弹性带180上的第一ECG信号采集电极120和第二 ECG信号采集电极140。弹性带由透气绝缘材料制成，比如包括聚酰 胺和人造橡胶的混合物的织物。信号采集电极120和140中的每一个 包括信号采集盘和信号输出部分。每个信号采集盘包括被布置为在使 用中与皮肤接触并从用户采集ECG信号的柔性信号采集表面。

作为柔性信号采集盘的一个示例的碳化橡胶盘被用来从用户的 胸部采集ECG信号。将柔性信号采集盘布置为使得在使用期间当将弹 性带收紧在用户的身体上以使皮肤与信号采集盘之间的接触电阻最 小化时，该柔性信号采集盘被弹性带的张力（更具体地是束身张力） 绷紧和压在用户皮肤上。柔性采集表面被布置为将所采集的ECG信号 传送到信号输出部分，该信号输出部分端接到位于该带子的纵向末端 处的导电紧固组件。两个ECG信号采集电极的导电紧固组件位于带子 的相对立的纵向末端处，并且被布置为当将紧固组件分别固定到相应 的或对应方紧固组件上时将纵向的带子转换成带环。每个导电紧固组 件包括机械配合部分，其适于与兼容紧固件的另一兼容机械配合部分 进行对应方接合。适当的紧固件的示例包括卡扣配合紧固件或磁性 扣。

信号采集电极的每一个都安装在绝缘织物带上，使得信号输出 部分位于或接近于带子的自由纵向末端，从而两个信号输出部分在胸 带转换成胸带环之前位于两个极端或自由纵向末端。在该状况下，两 个信号采集盘位于处在带子自由纵向末端处的两个导电紧固件的中 间。为了提供良好的机械紧固和良好的电接触，通过刚性导电紧固件 将信号采集电极的信号输出部分钉牢在胸带上，该导电紧固件还用作 信号输出端子以从胸带传递ECG信号以用于进一步处理。

为了能够有效地从用户胸部采集ECG信号，将两个ECG信号采 集电极的信号采集盘布置在带子上，使得当各紧固组件机械地与各自 的对应方或相应的紧固装置连接以形成张紧的带环并且适当地佩戴 和安置在用户的胸部上时，信号采集表面将会分别附接到用户胸廓的 左部分和右部分。为适应该应用，在适当地佩戴上胸带环时，两个信 号采集表面之间的距离等于或大约等于胸骨的胸廓左边和右边部分 之间的距离。为了在使用中提供两个信号采集表面之间的恰当间隔， 将信号采集电极的信号采集盘经由桥接部分连接到其相应的信号输 出部分，该桥接部分适于提供信号采集表面与信号输出部分之间的空 间间隔。为了良好的信号连续性，以碳化橡胶（作为柔性和传导性物 质的一个示例）整体地模制信号采集盘、桥接部分和输出部分。将会 注意到，模制的柔性电极基本上是平面的以便佩戴舒适。胸带还包括 带长度调节机构，用于调节胸带的有效长度或可用长度以适合不同胸 围的用户。

下面将更详细地描述示例胸带的构造。弹性带包括细长的第一 和第二织物层条，它们彼此粘合在一起以形成双层的带子。每个织物 层由绝缘的弹性织物制成，比如聚酰胺和人造橡胶的混合物。首选水 分可渗透的透气性织物用于舒适佩戴。平面电极被夹在或嵌入在两个 织物层之间，同时使得信号采集表面和信号输出部分暴露以用于外部 电接触。未暴露的平面电极区域也粘合到弹性带上以便于耐用。将粘 接剂施加到暴露的信号采集表面的外周以进一步将信号采集盘粘接 到带子以提供光滑边缘。作为可选的特征，采用机织防滑纹理来形成 弹性带的背面，其为适于与用户皮肤接触的表面。作为另一选择，两 个带层的材料成分可以是不同的。例如，纹理层可以由37%的人造橡 胶制成，而非纹理层可以包括少于20%的人造橡胶。

在如图4、图4A和图5所示的胸带的示例使用中，示出了当与 移动ECG信号处理器200相结合地使用的胸带。ECG信号处理器包括 刚性外壳和一对信号输入端子。每个信号输入端子是具有刚性机械配 合部分的紧固组件，该刚性机械配合部分被构成为与胸带的相应紧固 组件接合。因此，在该应用构造中的两个信号采集表面之间的距离包 括移动ECG信号处理器上的两个紧固组件之间的纵向间隔。ECG信号 处理器包括用于捕获并处理所检测到的ECG信号的装置，以及用于将 相关数据传送到外部装置以便进一步处理或存储的可选特征。

参照图6至图6C，示出了信号采集电极300的一个实施例，其 包括柔性接触盘310、信号输出部分320和将柔性接触盘与信号输出 部分互连的桥接部分330。信号采集电极由碳化橡胶整体模制而成并 且基本上是平面的和细长的。从图6B和图6C中更好地看出，柔性接 触部分310突出于桥接部分上方以形成升高的信号采集表面。除了信 号采集表面和信号输出部分以外，整个电极都被绝缘体（例如模制的 橡胶套340）覆盖。橡胶套340可选地包括孔以提高渗透性。机械紧 固组件（例如卡扣紧固组件）被形成为穿过信号输出部分，以形成信 号输出端子350。

图7和图7A的电极400也包括柔性接触盘410、信号输出部分 420和桥接部分430，并且由柔性和有弹性的导电物质整体模制而成。 图6和图7的电极的桥接部分比信号采集表面的宽度窄。这种有弹性 的材料的窄桥接部分提供了额外的弹性以增加胸带强度。另外，窄桥 接部分还消除了额外的透气孔的需要。

作为替代，电极的桥接部分可以具有与信号采集表面相同的或 相当的宽度，并且可以可选地将孔形成在信号采集表面的外部以提高 透气性。

不考虑具体的电极设计，信号采集盘的每一个都被构成为使得 分布的信号采集表面的有效面积能够采集适当的ECG信号以用于有 目的的处理。这里有效面积指的是通过织物带暴露的表面，并且其通 常具有大约1.5至2.5cm的宽度，以及通常具有大约5至8cm的长度。 在信号采集盘与信号输出部分之间测量的电极的电阻通常在1kΩ以 下，以适合于良好的信号处理和操作。

在用于游泳应用的胸带的示例使用中，电极电阻通常在1000Ω 以下，优选地在700Ω以下，并且更优选地在500Ω以下甚至400Ω 以下。注意，这样的低电阻提供了有用的解决方案以使得在海水和加 氯水中都能够实现ECG信号采集。当用作游泳胸带时，桥接部分被模 制在电极上方的模制束套绝缘，而仅暴露信号采集表面和信号输出部 分。当在高导电介质（比如海水或加氯水）中使用胸带时，绝缘的桥 接部分降低了信号泄露或干扰。

尽管上面已经参照实施例描述了本发明，然而应当理解描述这 些实施例仅仅用于说明本发明，并不意在限制本发明的范围。例如， 尽管已经示出游泳监测带作为一个示例，然而本发明的带子还可以用 于跑步或其他活动而不丧失一般性。

附图标记表