心电信号转换器及其模拟-数字转换单元 【技术领域】
本发明是关于一种心电信号转换器及其数字-模拟转换单元，特别是关于一种用于心率变异性分析的心电信号转换器及其数字-模拟转换单元。
背景技术
交感和副交感神经属于自主神经系统，和人体每日运作息息相关。如果自主神经失调，可能会引起多种急性或慢性疾病，譬如心脏病和高血压等，严重者甚至引发猝死等急症。即使是一般健康的人，自主神经异常也常伴随着心悸、呼吸困难、肠胃道失常和失眠等问题。所以自主神经系统的保健不但是医学专业的重要课题，也是每一个人每天必须面对的切身问题。自主神经功能的好坏可以强烈影响一个人的生活品质，一些重症的早期征兆也可以由异常的自主神经功能窥知一二。若能提早得知个人或病患者的自主神经的问题，则可能减缓甚至避免不少人间悲剧。
近年不少新的自主神经功能诊断技术相继开发成功，由于计算机硬件和软件技术的成熟，目前已能通过人体休息时的心率的微小变动，又称为心率变异性(heart rate variability，HRV)，检测并确定心脏的自主神经功能。换言之，可在不干扰一个正常人作息的情况下，对其自主神经功能进行分析或诊断。心率变异性分析能由众多自主神经诊断方法中脱颖而出，因为它至少包含下列几项特征：(1)属非侵体性的诊断技术，受试者不须承受任何痛苦；(2)所需硬件成本低廉，故具有大规模推广的潜力；(3)经过许多动物和人体实验，已证实其可正确反应自主神经功能。所以近年来心率变异性分析技术受到推广，且相关的研究也不断的进行。
20世纪80年代初期，由于频谱分析技术的引进，使得心率变异性分析法能藉由心跳周期来量化自主神经功能。从而逐渐成为一个检测自主神经功能的最佳非侵体方法。通过频谱分析地协助，研究人员发现心率变异度中微小的波动可明确的分为两类，一般称为高频(high-frequency，HF)和低频(low-frequency，LF)成份。高频成份和动物的呼吸信号同步，所以又称为呼吸成份，其在人体约3秒一次。低频成份则来源不明，推测可能和血管运动或感压反射有关，其在人体约10秒一次。部份学者更进一步将该低频成份细分为极低频(very low frequency，VLF)和低频成份。目前已有许多生理学家与心脏科医师同意心率的高频成份或总变异性(total power，TP)能代表副交感神经功能，而低频成份和高频成份的比值(LF/HF)能反应交感神经的活性。除了作为自主神经功能指针外，还有研究发现心率变异性能反应多样身体信息。譬如脑压上升的病人其心率变异性会下降；若老年人的心率的低频成份降低达一个标准差，其面临死亡的机会是常人的1.7倍；脑死病人的心率低频变异性完全消失等。此外，换心病人如果发生排斥现象，心率变异性也会发生改变。在手术中，心率变异性能反应麻醉深度。
心率变异性分析是利用心电信号来判断每一心跳周期，故心电信号撷取的方便性和准确性对心率变异性分析的普及相当重要。先前的心电信号的撷取硬件相当昂贵且不便，让一般使用者裹足不前，严重限制其推广与发展。
台湾专利公告第363404号(美国专利号US 6,360,117是其相对应案)揭示申请人之前所研发的用于心率变异分析的心电信号转换器，其是利用一与个人计算机或笔记型计算机兼容的打印机输出入端口作为心电信号的传送接口，可大幅降低心率变异性分析装置的成本。然而上述专利所揭示的技术主要是以打印机输出/输入端口作为心电信号的传送接口，因此其应用层面稍嫌不足。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一用于心率变异性分析的心电信号转换器，以符合标准串行(RS232)接口的规格。因此，该心电信号转换器的输出信号仅需插接在具有RS232接口的一计算机，搭配适合的分析程序，即可进行心率变异性的分析。如此一来，无须昂贵的医疗专业计算机即可完成心率变异性的分析工作，因而得以大幅降低成本支出。
RS232是一个历史悠久且非常普遍的数字信号传输标准，即使在目前一些新型计算机上已逐渐被通用串行总线(Universal SerialBus，USB)所取代，但仍可通过USB-RS232转换接口使具有RS232接口的装置得以继续使用。所以RS232接口至今仍具有相当的实用性，故以RS232接口作为传输接口的产品仍可广泛使用。本发明选择RS232作为数字信号传输接口以进行心电信号的传输，因此即使搭配RS232的旧型计算机仍可加以应用。
本发明的心电信号转换器包含一心电信号检测器、一第一级电压放大器、至少一低通滤波器、至少一高通滤波器、一第二级电压放大器、一光隔离器及一标准串行端口(RS232输出/输入端口)。该心电信号检测器可为一电极，连接受测者以撷取一心电信号。该第一级及第二级电压放大器用于放大该心电信号的电压。该至少一低通滤波器是用于过滤该心电信号的高频噪声。该至少一高频滤波器是用于过滤该心电信号的低频噪声，且可隔离直流。该第二级电压放大器除了再次放大该心电信号的电压外，还可加入偏压以消除噪声及调整波形的基准点。该光隔离器是接收该第二级电压放大器所输出的信号，且其输出端与隔离端是呈完全隔开的状态。该模拟-数字转换单元，用于将该心电信号数字化。该RS232输出/输入端口连接该模拟-数字转换单元，用于将经该模拟-数字转换单元转换的心电信号传输至一计算机，以进行心率变异性分析。
上述的模拟-数字转换单元包含一时钟产生器、一时钟同步线路、一模拟-数字转换器、一芯片激活信号产生线路及一RS232-电压转换器。该时钟同步线路搭配该时钟产生器，用于将该时钟产生器所产生的时钟与该RS232输出/输入端口的时钟进行同步化。该模拟-数字转换器的数据输出为串行式，可将该心电信号数字化，以供计算机处理及分析用。该芯片激活信号产生线路是用于提供该模拟-数字转换器的激活信号。该电压转换器是用于进行该模拟-数字转换器及RS232输出/输入端口间的电压转换，以适合该模拟-数字转换器中的晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic，TTL)元件的电压需求。
该芯片激活信号包含一触发器，其可将RS232输出/输入端口的信号的起始位预设为该模拟-数字转换器的起始信号，且该时钟产生器在该起始信号起始的瞬间将被重置，使得该时钟产生器所产生的时钟与RS232输出/输入端口的时钟同步化。该模拟-数字转换器在数据传送完毕时将产生一结束信号，用以清除该起始信号。
【附图说明】
图1是本发明的心电信号转换器的功能方块图；
图2示出本发明的心电信号转换器的各放大器及各滤波器的局部电路图；
图3是本发明的心电信号转换器的模拟-数字转换单元的功能方块图；
图4示出本发明的心电信号转换器的模拟-数字转换单元的局部电路图；
图5示出本发明的心电信号转换器所得的心电图及其分析结果。
图中标号说明：
10心电信号转换器
11心电信号检测器
12第一级电压放大器
13第一级低通滤波器
14第一级高通滤波器
15第二级电压放大器，151运算放大器，152负反馈电阻
16第一参考电压产生器，161运算放大器
17电压-电流转换器，171运算放大器
18光隔离器
19电流-电压转换器
20第二级低通滤波器
21模拟-数字转换单元，211时钟同步线路，212时钟产生器，213模拟-数字转换器，214芯片激活信号产生线路，215第二参考电压产生器，216电压转换器，2111电容，2112，电阻2121，集成电路，2122、2141触发器，2123振荡器
22 RS232输出/输入端口
23直流-直流转换器
【具体实施方式】
图1是本发明的心电信号转换器10的功能方块图，其可撷取受测者的心电信号，以便进行心率变异性分析。该心电信号转换器10包含一心电信号检测器11、一第一级电压放大器12、一第一级低通滤波器13、一第一级高通滤波器14、一第二级电压放大器15、一第一参考电压产生器16、一电压-电流转换器17、一光隔离器18、一电流-电压转换器19、一第二级低通滤波器20、一模拟-数字转换单元21及一RS232输出/输入端口22。该心电信号检测器11可由电极构成，其可连接一受测者以检测该受测者的心电信号。由该心电信号检测器11所测得的心电信号经该第一级电压放大器12、第一级低通滤波器13及第一级高通滤波器14进行电压放大及低、高频滤波后，送至该第二级电压放大器15，并与由该第一参考电压产生器16送入的一参考电压进行比较而加入偏压，以消除噪声及调整波形的基准点。接着，信号经该电压-电流转换器17，将电压信号转换为用于驱动该光隔离器18的电流信号，而在该光隔离器18的输出端再以该电流-电压转换器19还原为电压信号。之后，信号经该第二级低通滤波器20过滤高频噪声，并经该模拟-数字转换单元21转换为数字信号后，传输至该RS232输出/输入端口22，藉以送出心电信号以供后续的心率变异性分析。
图1中除了模拟-数字转换单元21及RS232输出/输入端口22以外的各元件的详细电路如图2所示。该第一级放大器12可采用一仪表放大器，例如市售的AD620，其相当于由四个运算放大器构成的等效电路。该第一级放大器12的输入端接收该心电信号检测器11所检测的心电信号，而其输出信号经该第一低通滤波器13及第一高通滤波器14送入该第二级电压放大器15。该第二级电压放大器15是以一运算放大器151及一负反馈电阻152构成，其一输入端接收该第一高频滤波器14的输出信号，另一输入端则接收由该第一参考电压产生器16输出的一参考电压，以进行偏压调整。该第一参考电压产生器16及电压-电流转换器17均采用运算放大器161、171为主要构件。该电压-电流转换器17的输入端连接该第二电压放大器15的输出端，而输出端则连接该光隔离器18。实际上，该光隔离器18的输入及输出端呈完全隔开的状态。该电流-电压转换器19在此实施例为一电阻。信号经该第二级低通滤波器20再一次过滤高频噪声，并输出至该模拟-数字转换单元21。上述的各级电压放大器12、15及滤波器13、14、20所需的电源是通过一直流-直流转换器23提供。
图3是该模拟-数字转换单元21及RS232输出/输入端口22的功能方块图。该模拟-数字转换单元21包含一时钟同步线路211、一时钟产生器212、一模拟-数字转换器213、一芯片激活信号产生线路214、一第二参考电压产生器215、一电压转换器216。该时钟同步线路211是搭配该时钟产生器212，用于将该时钟产生器212所产生的时钟与该RS232输出/输入端口22的时钟进行同步化。该模拟-数字转换器213可将心电信号数字化，以供计算机处理及分析之用。该芯片激活信号产生线路214是用于提供该模拟-数字转换器213的激活信号。该电压转换器216是用于进行该模拟-数字转换器213及RS232输出/输入端口22间的电压转换。图4是该模拟-数字转换单元21及RS232输出/输入端口22的局部电路图。在RS232接口的电路设计中，如何将沟通双方硬件的时钟同步化是一项难题。就本实施例而言，必须将RS232输出/输入端口22所连接的硬件(如计算机)及心电信号的时钟同步化。一般的RS232接口的时钟是以1.8432MHz分频得来。在众多分频线路中，CMOS的40103或40102能进行8位的分频，功能强大且价廉。然而CMOS的标准工作频率无法调高至1.8432MHz，实为一大限制。为了克服频率上问题，本发明以1MHz为基础频率，并利用一个电容2111与两个电阻2112构成时钟同步线路211，并搭配该时钟产生器212，以克服时钟同步的问题。该时钟产生器212是由一振荡器2123、一40103集成电路2121及一7474触发器2122构成。该振荡器2123是提供1MHz的时钟，而该40103集成电路2121及该7474触发器2122是作为分频器，以产生对称时钟方波，提供该模拟-数字转换器213所需的时钟信号。利用计算机每次传输至该模拟-数字转换器213的串行位信号上升沿(rising edge)，即起始信号起始的瞬间，对该时钟产生器212中的40103集成电路2121与7474触发器2122进行重置(reset)，驱使该模拟-数字转换器213的时钟与该RS232输出/输入端口22的时钟同步。经实验测试，上述电路即使在38400bps的传输速率下仍能正确传输数据。
该芯片激活信号产生线路214主要是由一7474触发器2141组成。该模拟-数字转换器213是以国家半导体公司(NationalSemiconductor)的ADC 0838作为主体，其数据输出为串行式。首先，利用计算机传送经RS232输出/输入端口22的信号的起始位(start bit)预设(preset)该7474触发器2141，且该7474触发器2141的 Q管脚连接该模拟-数字转换器213的CS管脚。当该模拟-数字转换器213的CS管脚接受计算机传送的指令后，随即进行心电信号的模拟-数字转换。待转换完成后，该模拟-数字转换器213输出数据给计算机。当数据传送完毕时该模拟-数字转换器213的SARS管脚随即产生一个结束信号，并利用这个结束信号清除该7474触发器2141的设定，以结束该模拟-数字转换器213的CS管脚的信号。该第二参考电压产生器215用于对该模拟-数字转换器213进行偏压调整。该电压转换器216在本实施例中主要是由一MAX232芯片构成，其是进行该模拟-数字转换器213及RS232输出/输入端口22间的电压转换，以提供合适的电压给各元件。
基本的RS232接口的信号包括起始位、数据位(data bits)与停止位(stop bit)。然而，一般以模拟-数字转换器产生RS232传输信号时并不会自动产生停止位，因而造成使用上的问题。本发明的该模拟-数字转换器213的串行数据输出时将自动产生一个起始位，并以该模拟-数字转换器213的SARS管脚的结束信号重置其CS管脚的信号，即形成停止位。
图5显示该心电信号转换器10对一受测者进行五分钟测试所得的心电图，及进行心率变异性分析所得的结果。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求所涵盖。