CN101032396A - 基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统 - Google Patents

Abstract

一种医疗器械技术领域的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，包括信号提取模块、心电信号数字处理模块、外部通信及存储模块；信号提取模块接受安装在系统的三个体表电极的心电信号，将接收到的模拟电信号作信号的放大、隔离、模拟滤波处理，处理后的心电信号作为心电信号数字处理模块的信息输入，心电信号数字处理模块对输入的信号进行模数转换、数字滤波、心率变异信号提取算法、非线性参数计算，阈值判断，而后心电数字信号处理模块将处理后的信号传送给外部通信及存储模块，外部通信及存储模块负责信号的显示、存储、通信。本发明的特点是，仪器成本低，轻便，可移植性强，不需要PC机就可以对结果进行分析和处理。

Description

基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的系统，具体是一种基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统。

背景技术

据世界卫生组织(WHO)统计显示，脑病患者急剧上升，已居各类疾病的前几位。在我国，每年新发完全性脑中风120-150万人，死亡者80-100万人，存活者中约75％致残，5年内复发率高达41％。由于心脏骤停，窒息等原因引起的脑损伤称为缺血性脑病(ischemic encephalopathy)。缺血缺氧5分钟即可造成神经元的死亡。尽管机体存在一系列的代偿调节机制(如脑底动脉环的存在可使局部缺血区域得到一定的补偿；缺血缺氧时脑血管扩张，全身其它血管收缩以进行血液重新分配等)，但这种调节机制有一定的限度，一旦超过此极限，即可造成神经损伤。已有研究表明心率变异(HRV信号)可作为急性脑缺血缺氧程度的指标。

目前市场上对于脑缺血缺氧的监护和判断最有可能实现并能用于临床的脑损伤诊断手段是CT、磁共振和脑血流图。但采集的不方便和仪器的昂贵，不可能成为一个家用预报预警的手段。在诊断众多脑疾病时脑电图并不能被临床医生有效、方便地利用。而对脑中风病人的预防医学研究一直是个空白。对于一些特别是早期和低度脑缺血缺氧的病人来说，CT、磁共振和脑血流图却不一定能够反映出来。市场上还有很多仪器用于心脏的监护和治疗，但是却没有方便的用于脑缺血缺氧的监护和判断的仪器。目前的很多监护和治疗仪器是关于心电的检测，测量和处理的，有的已经具备了很多功能，但是也有很多不足之处。

经对现有技术的文献检索发现，如：中国发明专利心血管疾病监护仪(专利公开号：CN1488315)提出了一种主要基于心电信号、同时考虑血压信号、血糖信号、血氧饱和度信号来对心血管疾病进行监护的方法。该发明通过外部多个传感器接收信号，微处理器管理信号存储、接收、发信，提供了一种能在家庭、社区医疗点和医院内部利用心电信号对心脏病患者进行实时监护的方法。但该发明却忽视了微处理器的高速处理功能，没有利用微处理器的高速处理功能分析心电信号，没有提出利用心电信号分析，用于脑缺血缺氧的监护，同时此发明的传感器很多，不利于患者心电信号的测量和携带的方便性。本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，基于心电的检测、通过数字信号处理器对心电信号进行处理和判断，适用于脑缺血缺氧状态的监护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，使其利用数字信号处理器快速处理的能力，将HRV信号的提取方法及对HRV信号的非线性分析嵌入到数字信号处理器中，在数字信号处理器芯片里面嵌入非线性方法计算的非线性特征量并显示出来，通过对特征量的判断，来预测脑缺血缺氧，从而起到了预报和预警的作用。

本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括：信号提取模块、心电信号数字处理模块、外部通信及存储模块。信号提取模块接受三个体表电极的心电信号，将接收到的模拟电信号作信号的放大、隔离、模拟滤波处理，处理后的心电信号作为心电信号数字处理模块的信息输入，心电信号数字处理模块对输入的信号进行模数转换、数字滤波、心率变异信号提取、非线性参数计算，阈值判断，而后心电数字信号处理模块将处理后的信号传送给外部通信及存储模块。外部通信及存储模块负责信号的显示、存储、通信功能。

所述信号提取模块包括五个子模块：传感器接口模块、信号初级放大模块、信号隔离模块、信号模拟滤波模块、信号二级放大模块；传感器接口模块与信号初级放大模块相连，传感器接口模块的三个体表电极与人体接触，传送人体心电信号给信号初级放大模块；信号初级放大模块与信号隔离模块连接，信号初级放大模块接受与人体接触的三个体表电极的心电信号，将心电信号放大以便心电信号顺利地通过信号隔离模块，信号隔离模块与信号模拟滤波模块相连，信号隔离模块负责人体电环境与外部电环境的隔离，信号经过信号隔离模块之后，滤去了直流分量，进入信号模拟滤波模块，信号模拟滤波模块将混杂在信号中的高频噪声、工频干扰滤除掉，尽可能地还原出真实信号。信号模拟滤波模块与信号二级放大模块相连，信号模拟滤波模块将滤波处理后的信号传递给信号二级放大模块，信号二级放大模块负责将信号进一步的放大。

所述心电信号数字处理模块，包括：信号A/D采样模块、数字滤波降噪模块、医用信号处理模块、外部接口管理模块；信号A/D采样模块对信号提取模块传递过来的模拟信号进行模数转换，将模拟信号通过至少1KHZ的采样率，转化成数字信号，信号A/D采样模块与数字滤波降噪模块相连，数字滤波降噪模块将通过信号A/D采样模块后的数字信号进行傅立叶变化和反变化，对信号进行数字滤波；数字滤波降噪模块与医用信号处理模块相连，医用信号处理模块将数字滤波后的信号用医用信号处理算法进行处理，用以预测脑缺血缺氧状态。外部接口管理模块与信号A/D采样模块相连，负责将信号A/D采样模块取得的原始心电数字信号通过外部通信及存储模块存储起来，同时外部接口管理模块也与医用信号处理模块相连，将医用信号处理模块处理的结果通过外部通信及存储模块显示、发送出去。

所述外部通信及存储模块包括：LCD显示模块，RAM数据存取模块，通讯接口模块；LCD显示模块、RAM数据存储模块、通讯接口模块分别与心电信号数字处理模块独立相连，LCD显示模块将心电信号数字处理模块信号处理结果通过LCD显示出来；RAM数字存储模块负责实时的心电原始信号的数据存储；通讯接口模块则通过蓝牙、USB等接口，负责与外部通信功能。

本发明的特点是，仪器成本低，轻便，可移植性强，不需要PC机就可以对结果进行分析和处理。通过从心电信号中提取心率变异信号，对心率变异信号进行相关的非线性处理，根据相关的非线性特征量判断脑是否处于缺血缺氧状态，可以起到预警作用。如果需要察看记录的心电信号，可以通过PC机将外接存储的数据调出来进行观察。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明信号提取模块中信号初级放大模块和信号二级放大模块使用的放大器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

现有研究认为，人体的心电信号受到交感神经和副交感神经的影响，在人的大脑处于缺血缺氧状态时，人体的心电信号会表现出相关的特征来。通过从心电信号中提取心率变异信号，对心率变异信号进行相关的非线性处理方法，可以得到相关的非线性特征量。这些非线性特征量对于脑是否处于缺血缺氧状态可以起到判断和预警作用。本发明设计将对脑缺血缺氧状态表现明显的李氏指数、去趋势分析等分线性算法植入硬件系统中，以实现高速的处理和判断。

如图1-2所示，本实施例包括以下组成部件：

1、信号提取模块。此模块由传感器接口模块、信号初级放大模块、信号隔离模块、信号模拟滤波模块、信号二级放大模块组成。

a)：传感器接口模块与信号初级放大模块相连，传感器接口模块有三个体表电极，三体表电极与人体相接触，将心电信号传送给信号初级放大模块。

b)：信号初级放大模块接受与人体接触的三个体表电极的心电信号。微弱的心电信号进入信号初级放大模块后，被放大到满足后面的信号隔离模块对输入信号的要求。一般信号初级放大模块将原始信号放大10-100倍左右。

c)：信号初级放大模块与信号隔离模块相连。心电信号在初级放大模块被放大到10-100倍左右后，接着进入信号隔离模块。同时信号初级放大模块与信号隔离模块的前半部分是人体地设置，由隔离电源供电。

d)：信号隔离模块与信号模拟滤波模块相连。信号隔离模块将整个系统与外接供电环境和人体电环境隔离，一般隔离电压达到5000V左右，信号隔离模块同时滤掉直流分量部分。信号隔离模块有高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低温漂的工作性能。

e)：信号模拟滤波模块与信号二级放大模块相连。心电信号通过信号隔离模块以后进入信号模拟滤波模块。信号模拟滤波电路模块将混杂在信号中的高频噪声、工频干扰滤除掉。信号模拟滤波模块通过模拟滤波器尽可能的还原出真实信号。

f)：信号二级放大模块与心电信号数字处理模块相连。二级放大模块接受心电信号数字处理模块的调控，具有自适应放大倍数功能，将心电信号进一步放大。

信号初级放大模块和信号二级放大模块都需要用到生物电放大器，而对于生物电放大器的选择好坏直接影响到后面信号是否检测得到。为此对于生物电放大器我们要求：1、高输入阻抗，2、高共模抑制比，3、低噪声、低漂移，4、足够大的放大倍数及低功耗。根据这些要求，为了实现信号初级放大模块和信号二级放大模块功能，由图2所示，我们选择了Burr-Brown公司的高精密低功耗仪用放大器INA128，该芯片就是为医疗器械领域量身定做的，特别是心电等生理信号检测与采集，可以极大地体现出它的优势。其主要电气性能为：

(1)高输入阻抗：差模10¹⁰||2 Ω//pF；共模10¹¹||9 Ω//pF；

(2)高共模抑制比：增益为10时，最小100dB；增益为100时，最小120dB；

(3)低噪声：不超过 $10\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}};$

(4)低漂移：温漂系数最大±0.5±20/G μV/℃，偏移电压最大±1±100/GμV；

(5)8管脚精简封装，小巧灵便。

2、心电信号数字处理模块。此模块通过接收从信号提取模块进入的模拟信号，通过模块内部的A/D转换功能，将模拟信号转换成数字信号并进行数字信号处理，并将结果通过与外部通信存储模块相连，把信号显示出来。该模块包含：信号A/D采样模块、数字滤波降噪模块、医用信号处理模块、外部接口管理模块四个小模块：

a)：信号A/D采样模块。模拟信号通过信号提取模块进入心电信号数字处理模块，首先第一步先进入信号A/D采样模块。信号A/D采样模块一般为集成在DSP数字信号处理器内部的10-bit的连续逼近式模数转换器ADC，其将外部输入的模拟信号转换为待处理的数字信号，避免了外接ADC器件的需要。一般要求该ADC在一个时刻可以对最多4路模拟输入的一个做采样，并用10-bit的数字形式表示。

b)：数字滤波降噪模块。模拟信号通过信号A/D采样模块变成数字信号以后，数字滤波降噪模块对数字信号进行处理，通过快速傅立叶变换和反变换算法对数字信号进行分析，将信号进行均匀和去高频毛刺处理。

c)：医用信号处理模块。平滑的信号进入医用算法处理模块，此模块有三个功能：

①心率变异信号提取功能，从平滑的信号中通过插值、选值算法，得出心率变异信号，用于计算非线性算子参数；

②非线性算子计算功能，通过读取心率变异信号参数，经李氏指数，去波动分析算法得到非线性算子参数；

③脑缺血缺氧监护预警功能，通过将非线性算子参数与正常的阈值比较，用于预测脑缺血缺氧状态。

d)：外部接口管理模块，此模块分别与信号A/D采样模块、医用信号处理模块独立相连，通过外部通信及存储模块，控制信号的存储，发送等状态。

3、外部通信及存储模块。外部通信及存储模块包含LCD显示模块，RAM数据存取模块，通讯接口模块三个小模块；RAM数据存储模块将通过心电信号数字处理模块以后的信息存储起来，以便日后查询，重新计算使用，同时为了患者方便，LCD显示模块，可以让患者实时的观测信号结果，了解自身的情况，通讯接口模块包含USB和蓝牙功能，可以满足整个系统与外部进行通信的要求。

a)：RAM数据存储模块，心电信号数字处理模块与RAM数据存储模块相连，将经过A/D采样模块的原始心电信号存入RAM之中，以便医生日后察看、评估；

b)：LCD显示模块与心电信号数字处理模块相连，心电信号数字处理模块将其医用信号处理模块的心率变异参数、非线性算子参数、预警值通过外部接口管理模块在LCD显示模块显示出来；

c)：通讯接口模块，通信接口模块含有USB和蓝牙接口功能，USB接口用于与外部PC机连接，外部PC机可以调出存储在RAM模块的信号，蓝牙接口则可以与网关等其它器件通过无线方式连接，向外发射预警信号。

Claims (8)

1.一种基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征在于包括：信号提取模块、心电信号数字处理模块、外部通信及存储模块；信号提取模块接受安装在系统的三个体表电极的心电信号，将接收到的模拟电信号作信号的放大、隔离、模拟滤波处理，处理后的心电信号作为心电信号数字处理模块的信息输入，心电信号数字处理模块对输入的信号进行模数转换、数字滤波、心率变异信号提取算法、非线性参数计算，阈值判断，而后心电数字信号处理模块将处理后的信号传送给外部通信及存储模块，外部通信及存储模块负责信号的显示、存储、通信。

2.根据权利要求1所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述信号提取模块包括五个子模块：传感器接口模块、信号初级放大模块、信号隔离模块、信号模拟滤波模块、信号二级放大模块；传感器接口模块与信号初级放大模块相连，传感器借口模块有三个体表电极，传送心电信号给信号初级放大模块，信号初级放大模块与信号隔离模块连接，信号初级放大模块接受与人体接触的三个体表电极的心电信号，将心电信号放大以便心电信号顺利地通过信号隔离模块，信号隔离模块与信号模拟滤波模块相连，信号隔离模块负责人体电环境与外部电环境的隔离，信号经过信号隔离模块之后，滤去了直流分量，进入信号模拟滤波模块，信号模拟滤波模块将混杂在信号中的高频噪声、工频干扰滤除掉，还原出真实信号，信号模拟滤波模块与信号二级放大模块相连，信号模拟滤波模块将滤波处理后的信号传递给信号二级放大模块，信号二级放大模块负责将信号进一步的放大。

3.根据权利要求2所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述信号二级放大模块，放大倍数属于程控可调的，受到后面心电信号数字处理模块的控制，根据后面心电信号数字处理模块对A/D转换的要求，改变放大倍数。

4.根据权利要求1所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述心电信号数字处理模块，包括：信号A/D采样模块、数字滤波降噪模块、医用信号处理模块、外部接口管理模块；信号A/D采样模块对信号提取模块传递过来的模拟信号进行模数转换，将模拟信号转化成数字信号，信号A/D采样模块与数字滤波降噪模块相连，数字滤波降噪模块将通过信号A/D采样模块后的数字信号进行傅立叶变化和反变化，对信号进行数字滤波；数字滤波降噪模块与医用信号处理模块相连，医用信号处理模块将数字滤波后的信号用医用信号处理算法进行处理，用以预测脑缺血缺氧状态；外部接口管理模块与信号A/D采样模块相连，负责将信号A/D采样模块取得的原始心电数字信号通过外部通信及存储模块存储起来，同时外部接口管理模块也与医用信号处理模块相连，将医用信号处理模块处理的结果通过外部通信及存储模块显示、发送出去。

5.根据权利要求4所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述医用信号处理模块，实现三项操作：①心率变异信号提取：从平滑的信号中通过插值、选值算法，得出心率变异信号参数，用于预测非线性算子参数；②非线性算子计算：通过读取心率变异信号参数，经李氏指数，去波动分析算法得到非线性算子参数；③脑缺血缺氧监护预警：通过将非线性算子参数与正常的阈值比较，用于预测脑缺血缺氧状态。

6.根据权利要求1所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述外部通信及存储模块包括：LCD显示模块、RAM数据存取模块、通讯接口模块；LCD显示模块、RAM数据存储模块、通讯接口模块分别与心电信号数字处理模块独立相连，LCD显示模块将心电信号数字处理模块信号处理结果通过LCD显示出来；RAM数字存储模块负责实时的心电原始信号的数据存储；通讯接口模块负责与外部通信功能。

7.根据权利要求6所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述LCD显示模块，与心电信号数字处理模块相连，心电信号数字处理模块将其内部的医用信号处理子模块的心率变异参数、非线性算子参数、预警值在LCD显示模块显示出来。

8.根据权利要求6所述的基于心率变异信号的脑缺血缺氧监护系统，其特征是，所述通讯接口模块，含有USB和蓝牙接口，USB接口用于与外部PC机连接，外部PC机通过USB接口调出存储在RAM数据存储模块的信号，蓝牙接口则通过无线方式连接外围设备，向外发射预警信号。

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