專利名稱：基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，涉及一種新型的基于基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測 設(shè)備。
背景技術(shù)：
從1903年恩特霍文(W. Einthoven)第一次記錄下人體的心電圖(ECG)至今一個多 世紀，心電圖作為心臟功能評價和心血管疾病診斷的基本手段，由于其方便快捷、收費低 廉己經(jīng)得到廣泛使用。心電信號處理分析手段也已取得了長足進步。由對常見心電圖的自 動分析，發(fā)展到體表多導心電圖的描記，及由其逆向求解心肌動作電位激發(fā)波前，以及心 電圖中微電勢的分析，如晚電位、高頻電位等。近幾十年來心跳節(jié)律變異(HRV)信號， 成為心電圖信號處理中又一前沿研究熱點。
然而在實際應(yīng)用中，存在以下問題ECG波形幅度易受干擾；特定波形起始截止點檢 測存在誤差。同時，分析參數(shù)眾多且缺少統(tǒng)一標準和范圍。目前檢索到的同類設(shè)備和醫(yī)生 所用的主要還是基本的參數(shù)如心率，和目測典型波形形態(tài)的異常來輔助診斷。心電圖定量 分析參數(shù)用于臨床診斷的功能和自動化診斷的功能沒有能夠得到完全發(fā)揮。因此挖掘與生 理、病理狀態(tài)密切相關(guān)的特異性參數(shù)，并將其應(yīng)用于臨床心臟功能評價和疾病輔助診斷設(shè) 備中具有重要的實踐意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，包括ECG信號采集模塊、信號前端處 理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主處理器、數(shù)據(jù)存儲單元和顯示模塊；ECG信號釆集模塊釆集的 信號經(jīng)信號前端處理模塊處理后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后傳入主處理器；主處理器分別和數(shù)
據(jù)存儲單元、顯示模塊連接;.主處理器完成特征提取和分類診斷。
所述信號前端處理模塊包括一級放大電路、二級放大濾波電路、工頻陷波電路；心電
信號經(jīng)一級放大、二級放大后，再經(jīng)工頻陷波得到1±0. IV的ECG信號；所述一級放大
電路是10倍放大的儀表放大器；二級放大濾波電路是運放芯片構(gòu)成的100倍放大濾波電
路；工頻陷波電路是50Hz陷波器。
4ECG信號采集模塊采用模擬V5導聯(lián)，即正極在左胸第4肋間腋中線處，負極置于胸 骨上緣的導聯(lián)方式。主處理器通過PIO 口完成數(shù)據(jù)采集。所述一級放大電路還連接有右腿 共模負反饋電路(即右腿驅(qū)動電路)進行進一步共模干擾抑制。
所述顯示模塊是液晶顯示模塊。本裝置還包括無線收發(fā)模塊；所述液晶顯示模塊通過 PIO口與主處理器接口；所述無線收發(fā)模塊與主處理器之間通過SPI接口通信；主處理器 對無線收發(fā)芯片進行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳送；無線傳輸?shù)墓ぷ鞣譃橛脩舳俗赃^程和數(shù)據(jù) 傳輸過程。
本設(shè)備還設(shè)有數(shù)據(jù)存儲功能所述數(shù)據(jù)存儲單元與主處理器通過SPI接口通信；數(shù)據(jù) 存儲單元采用通用的快閃記憶存儲卡，如SD卡。
SPI接口是串行外圍接口； PIO是并行傳輸接口。
主處理器根據(jù)心跳節(jié)律變異模式，完成特征提取和分類診斷。歩驟是，從采集的心電
圖ECG信號提取R波峰位置，得到節(jié)律間期信號；再提取節(jié)律變異模式，統(tǒng)計其分布規(guī)
律，并通過指標定量描述其分布規(guī)律；然后根據(jù)變異模式分布，建立多維空間模型，對未 知數(shù)據(jù)進行分類。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明是基于嵌入式技術(shù)的便攜式心電圖檢測系統(tǒng)，體積小，功耗低，便于隨身攜帶， 長期記錄心電圖信號。采用通用的快閃記憶存儲卡存儲心電圖數(shù)據(jù)，體積小、重量輕、容 量大、成本低。另外，系統(tǒng)還具備無線數(shù)據(jù)傳輸功能。采用心臟節(jié)律信號作為對象，不易 受噪聲和測量精度的影響。所基于的特征參數(shù)心臟節(jié)律變異的模式分布與生理狀態(tài)、病理 狀態(tài)密切相關(guān)，具有明確的物理意義，以及簡單的描述形式，對特定狀態(tài)具有特異性分布， 使用短時數(shù)據(jù)就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)果，適合臨床使用。算法簡單，便于基于單片機、ARM 等微控制器系統(tǒng)實現(xiàn)。


圖l為設(shè)備工作原理結(jié)構(gòu)框圖2為設(shè)備硬件的結(jié)構(gòu)框圖3為前端模擬放大模塊框圖
圖4為分類系統(tǒng)原理圖
圖5為主處理器中的程序流程圖具體實施方案
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
本設(shè)備工作原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中包括心電圖獲取模塊(主要完成心電圖 采集)、存儲與顯示、無線傳輸；心跳節(jié)律信號、節(jié)律變異模式分布特征提??；定義指標 以定量描述模式分布特征；構(gòu)建多維空間模型進行分類、輸出結(jié)果。 其具體實施方案如下-
1. 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架見圖2。從人體用導聯(lián)電極獲取心電信號，檢測前端對其進行 放大和濾波處理，得到一定頻率范圍和幅值的信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，變換后的數(shù)字 信號通過特定接口送至主處理器。本例中采用嵌入式技術(shù)的ARM處理器，完成心電波形 顯示、數(shù)據(jù)保存、無線傳輸以及數(shù)據(jù)分析和報警。由于通用的ARM處理器都可以用于本 設(shè)備，在此對主處理器就不作進一步限制了。
2. ECG信號獲取采用模擬V5導聯(lián)(即正極在左胸第4肋間腋中線處，負極置于胸骨 上緣的導聯(lián)方式)，同時用右腿驅(qū)動抑制50Hz工頻干擾。 一級放大(IO倍)采用高精度、 低功耗儀表放大器，普通運放芯片構(gòu)成二級放大(100倍)、工頻陷波(50Hz)，得到幅度為 1V左右的ECG信號，如圖3。由于所述導聯(lián)、放大電路、工頻陷波器和右腿共模負反饋 電路(即右腿驅(qū)動電路)以及它們的連接方式在現(xiàn)有技術(shù)中都很常見，在此就不作進一步 限制了。
3. 無線收發(fā)模塊采用收發(fā)一體芯片作為主芯片，本例中選用PTR8000。該芯片的功能 有，多頻點多頻段，可用于多點的無線傳輸；低電壓供電，GFSK調(diào)制，可跳頻，并帶有 載波檢測、地址匹配、數(shù)據(jù)就緒輸出。內(nèi)置通信協(xié)議和CRC校驗。主處理器可通過特定 接口 (如SPI接口)對無線收發(fā)芯片進行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳送。為了實現(xiàn)點對多點的數(shù)據(jù) 傳輸，即一個服務(wù)端對數(shù)個用戶端的工作方式，并且滿足嵌入式系統(tǒng)的響應(yīng)和空間要求， 無線傳輸?shù)墓ぷ鞣譃橛脩舳俗赃^程和數(shù)據(jù)傳輸過程。 一個通用的控制通道，用于服務(wù) 端給用戶端發(fā)送命令和請求應(yīng)答，以及用戶端向服務(wù)端發(fā)送請求；多個數(shù)據(jù)通道，每個用 戶對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)通道，用于向服務(wù)端傳送數(shù)據(jù)。
4. 數(shù)據(jù)存儲采用通用的快閃記憶存儲卡(如SD卡)。尺寸小，重量輕，記憶容量大， 數(shù)據(jù)傳輸速度快，具備數(shù)據(jù)資料的保護功能，支持熱插拔，具有極大的移動靈活性以及很 好的安全性。
5. 主處理器通過特定接口 (如PIO口)采集、顯示，對獲得心電圖ECG進行節(jié)律提 取。檢測連續(xù)采集的心電圖相鄰R波的間隔獲得心跳節(jié)律信號i^(/)，表示第/次和第/+1次心跳之間的時間間隔。其過程如下
①取搜索窗寬約1.5個周期個周期左右，對釆樣的心電數(shù)據(jù)找出斜率最大值；②該斜
率最大值記為MaxSlopeGate;以MaxSlopeGate的位置為起點，向后尋找一定窗范圍(約 一個QRS波寬左右)內(nèi)幅度最大值，其對應(yīng)的位置為R波的初步位置；③計算該R波位 置和前次R波位置的RR間期值，若該間期小于RR間期門限最小值MinRRInternal或大于 RR間期門限最大值MaxRRInternal，則認為尋找的R波存在多檢或漏檢，剔除該位置，調(diào) 整搜索窗寬，若為漏檢，則縮小搜索窗寬，若為多檢，則增大搜索窗寬，再次搜索，直到 找到的R波位置的間期符合要求，或未發(fā)現(xiàn)新位置轉(zhuǎn)入④；④以尋找到的當前R波位置作 為基準向后推移半個QRS波寬左右，取下一個窗寬(約1.5個周期左右)數(shù)據(jù)，返回步驟 ①，尋找下一個R波位置。
(所述門限值是根據(jù)正常人第/次和第/+1次心跳之間的時間間隔的范圍而定，例如， 對于正常人可取門限值MinRRInternaK300ms， MaxRRInternal=2000ms)
6.提取節(jié)律變異模式。本發(fā)明提出使用三種符號代表心率變異的方向信息，具體符號 序列的構(gòu)造方法如下當i / W〉i i^+7, xW記為0;當7^(7;=/ / (7十/人x「仏記為1;當 i i^tKi i^+7) ， x0記為2; / = l，2,3,..,iV —1 。設(shè)定字長寬度為m，構(gòu)造向量序列
= [x(/),x(/ + 1),..，x(/ + (w — 1))],/ = 1,2,..，iV — w 。定義指標定量描述模式分布特征，統(tǒng)計 每種模式出現(xiàn)的概率p ，對所有可能組合形式的分布幾率求信息熵 卿m) = -1>, log2 A。
以二維fe間模型說明分類思想如下，如圖4:
在二維空間有兩個類別已知的向量,a2)和向量0互化》2)，以及待判類別的向量 Of(c,，c。 。Of與07、(9亙之間的夾角分別為《和/ 。若"</ ，則認為Of更加靠近OZ， 也就是在性質(zhì)上Of與OZ相近。若其中，向量OZ、 O亙分別代表了A、 B兩類向量的重 心位置，則可以斷定C點屬于A類；反之，則屬于B類。
cos" = ~j 「 cos ;g = 7 r
+. ^c!2 + c, 》2 + 622. ^c'2 + d
其中a,A，c, (i=l， 2)分別為A、 B、 C各點的平面坐標值。
C點判別如下當《</ 時， cosa-cos->0， C點屬于A類；當">^ 時， cosa-cos">0， C點屬于B類。
主處理器還可以將年齡因素作為單獨特征輸入；將受檢對象年齡作為標準選取不同的分類集。
例如圖5所示的主處理器的工作過程心電圖獲取，R波峰提取以獲得心跳節(jié)律信號， 提取節(jié)律變異模式，構(gòu)建多維空間模型。讀取年齡信息，50歲以下，計算與年輕健康組(例
如o:i"表示)和疾病組(例如O亙表示)間的夾角余弦COS，落入COS最大的組；50歲以 上，計算與年老健康組和疾病組間的夾角余弦COS，落入COS最大的組。
本設(shè)備最后在屏幕上顯示分類診斷結(jié)果。正常則顯示正常；心動過速，心動過緩、期 前收縮、漏搏等輕微病情，提醒患者休息或服藥或向醫(yī)生咨詢；心衰、危險性心律失常、
室顫、停搏，警告超過30s心電仍無變化則立刻發(fā)送存儲心電請求急救。此期間病人可以
根據(jù)自身感覺狀態(tài)，按動警告鍵發(fā)出幫助請求。
8
權(quán)利要求
1、一種基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，包括ECG信號采集模塊、信號前端處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主處理器、數(shù)據(jù)存儲單元和顯示模塊，其特征是ECG信號采集模塊采集的心電信號連接信號前端處理模塊，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后傳入主處理器，主處理器分別和數(shù)據(jù)存儲單元、顯示模塊連接；主處理器從采集的心電圖ECG信號提取R波峰位置，得到節(jié)律間期信號；主處理器完成特征提取和分類診斷提取節(jié)律變異模式，統(tǒng)計其分布規(guī)律，并通過指標定量描述其分布規(guī)律；然后根據(jù)變異模式分布，建立空間模型，對未知數(shù)據(jù)進行分類。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是所述信號 前端處理模塊包括一級放大電路、二級放大濾波電路、工頻陷波電路；所述ECG信號采 集模塊采集的信號經(jīng)一級放大電路和二級放大濾波電路后，再經(jīng)工頻陷波電路后得到1± 0. IV的ECG信號；所述一級放大電路是10倍放大的儀表放大器；二級放大濾波電路是運放芯片構(gòu)成的100倍放大濾波電路；工頻陷波電路是50Hz陷波器；所述一級放大電路還連接有右腿共模負反饋電路即右腿驅(qū)動電路進行進一步共模干擾抑制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是還包括無 線收發(fā)模塊；所述無線收發(fā)模塊與主處理器之間通過SPI接口通信，主處理器對無線收發(fā) 芯片進行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳送，無線傳輸?shù)墓ぷ鞣譃橛脩舳俗赃^程和數(shù)據(jù)傳輸過程。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是所述顯示 模塊是液品顯示模塊，所述液晶顯示模塊通過PIO 口與主處理器接口通信。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是所述ECG 信號采集采用模擬V5導聯(lián)，即正極在左胸第4肋間腋中線處，負極置于胸骨上緣的導聯(lián) 方式；主處理器通過PIO 口與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，即主處理器通過PIO 口完成數(shù)據(jù)采集。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是所述數(shù)據(jù) 存儲單元與主處理器通過SPI接口通信，數(shù)據(jù)存儲單元采用通用的快閃記憶存儲卡，實現(xiàn) 數(shù)據(jù)存儲功能。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是主處理器 從采集的心電圖ECG信號提取R波峰位置得到節(jié)律間期信號的方法是-① 取搜索窗寬，對采樣的心電數(shù)據(jù)找出斜率最大值；② 該斜率最大值記為MaxSlopeGate;以MaxSlopeGate的位置為起點，向后尋找一定 窗范圍內(nèi)幅度最大值，其對應(yīng)的位置為R波的初步位置；③ 計算該R波位置和前次R波位置的RR間期值，若該間期小于RR間期門限最小值 MinRRInternal或大于RR間期門限最大值MaxRRIntemal，則認為尋找的R波存在多檢或 漏檢，剔除該位置，調(diào)整搜索窗寬，若為漏檢，則縮小搜索窗寬，若為多檢，則增大搜索 窗寬，再次搜索，直到找到的R波位置的間期符合要求，或未發(fā)現(xiàn)新位置轉(zhuǎn)入④；④ 以尋找到的當前R波位置作為基準向后推移半個QRS波寬左右，取下一個窗寬數(shù) 據(jù)，返回步驟①，尋找下一個R波位置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是所述主處 理器提取節(jié)律變異模式，統(tǒng)計其分布規(guī)律，并通過指標定量描述其分布規(guī)律，歩驟包括-符號序列構(gòu)造記為2;; !' = 1,2,3，..,W-1;設(shè)定字長寬度為w,構(gòu)造向量序列 邵)=["(/)，x(/ + 1)""x(/ + (m -1))]，/ = 1，2,.., TV - w ,-定義指標定量描述模式分布特征統(tǒng)計每種模式出現(xiàn)的概率/7，對所有可能組合形式的分布幾率求信息熵<formula>formula see original document page 3</formula>
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是主處理器根據(jù)變異模式分布，建立多維空間模型，對未知數(shù)據(jù)進行分類，方法如下設(shè)在二維空間有兩個類別已知的向量， )、向量C^(6, ，62 )和待判類別的向量(9f(Cl,c2); Of與Ci 、 (9亙之間的夾角分別為a和y5;向量OZ、 0亙分別代表了A、B兩類向量的重心位置；若"<^，則認為OC更加靠近OZ，即在性質(zhì)上Of與OZ相近， 則可以斷定C點屬于A類；反之，則C點屬于B類。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，其特征是主處理器 還將年齡因素作為單獨特征輸入，將受檢對象年齡作為標準選取不同的分類集。
全文摘要
一種基于節(jié)律模式的便攜式心電診斷監(jiān)測設(shè)備，包括ECG信號采集模塊、信號前端處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主處理器、數(shù)據(jù)存儲單元和顯示模塊。ECG信號采集模塊采集的心電信號連接信號前端處理模塊，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后傳入主處理器，主處理器分別和數(shù)據(jù)存儲單元、顯示模塊連接；主處理器從采集的心電圖ECG信號提取R波峰位置，得到節(jié)律間期信號；主處理器完成特征提取和分類診斷提取節(jié)律變異模式，統(tǒng)計其分布規(guī)律，并通過指標定量描述其分布規(guī)律；然后根據(jù)變異模式分布，建立空間模型，對未知數(shù)據(jù)進行分類。本設(shè)備解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，采用心臟節(jié)律信號作為對象，不易受噪聲和測量精度的影響；使用短時數(shù)據(jù)就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)果，適合臨床使用。
文檔編號A61B5/0402GK101449971SQ200810242889
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者侯鳳貞, 卞春華, 吳旭輝, 寧新寶, 范愛華, 范虎偉, 馬千里 申請人:南京大學