CN101066208A - 利用声卡采集心电信号的心电仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用声卡采集心电信号的心电仪，包括屏幕显示模块、数据存储模块及报警模块；其特征在于，该系统还包括心电信号预处理单元、声卡数据采集模块、WAV数据转换模块，其中：心电信号预处理单元中，包括手触电极、心电信号放大器、声卡的Line In接口和电源；手触电极接收到的心电信号，送至心电信号放大器，所述心电放大器的输出信号送至声卡的Line In接口；声卡数据采集模块，利用数据缓冲区，对所接收到的心电信号数据进行缓存；WAV数据转换模块，用于音频信号与心电信号的数据转换处理。本发明直接利用计算机系统的音频信号线和声卡，以及在外围设备(例如键盘)设置手触电极，不受专用心电图机设备限制，使用方便，并且有良好的可替代性。

Description

利用声卡采集心电信号的心电仪

技术领域

本发明涉及电子医疗仪器领域，特别是涉及一种在电脑操作平台上，利用声卡通过音频信号输入端口采集心电信号，以实现心电仪的数据自动处理系统和方法。

背景技术

现有技术中的心电监测，一般都需要使用专门设备心电仪，才能获得心电信号。目前，心电仪在其硬件上，基本是由一个内部电源、一个将AC220V转换为直流的电源变换器、一个LCD显示屏、控制操作键，以及人体接触电极和导联线，还包括与光电心电图仪的心电信号连接线，与计算机USB接口相连的1条数据通讯线、4个电极夹、6个电极球等其他配件构成。

由于上述的心电仪设备必须借助专用的电极和导联线，才可采集到所需要的心电信号，因此，利用现有的心电仪设备，并不能直接利用电脑系统及其周边设备，来直接组成心电仪数据自动处理系统。

本发明克服了上述缺陷，直接利用电脑系统中的声卡采集心电信号，简化了现有心电仪的处理方式，对现有的心电仪进行数据存储，并将心电仪实现方法进行了改进。

发明内容

本发明正是为了解决上述现有技术所存在的缺陷，提供一种利用声卡采集心电信号的心电仪：通过将人体双手接触电极产生的心电信号，送至标准心电信号放大器，之后将放大1000倍后的心电信号用音频线与电脑系统的声卡Line In接口相连，结合软件控制，以实现心电仪手触键盘式心电仪由信号数据采集、处理和显示等功能，从而提高了心电仪在数据处理方面的功能。

本发明提出了一种利用声卡采集心电信号的心电仪或直接采集现有心电图机的新电信号，包括屏幕显示模块，提供信号处理的屏幕显示功能；数据存储模块，提供数据存储功能；以及报警模块，通过短信、邮件或者其他各种电子通讯方式，提供测量信号的异常报警功能；其特征在于，该系统还包括心电信号预处理单元、声卡数据采集模块、WAV数据转换模块，其中：

心电信号预处理单元中，包括手触电极、心电信号放大器、声卡的Line In接口，电源；手触电极接收到的心电信号，送至心电信号放大器，所述心电放大器的输出信号送至声卡的Line In接口；

声卡数据采集模块，利用一个数据缓冲区，对所接收到的心电信号数据进行缓存；

WAV数据转换模块，用于音频信号与心电信号的数据转换处理。

所述声卡数据采集模块包括以下步骤：

打开计算机系统的指定声音设备；

选择wave格式的声音数据存储结构；

为音频输入数据设置一个声音数据缓冲区；

将该缓冲区加入接收队列；以及

从音频设备开始进行声音数据输入。

所述WAVE数据转换模块包括以下步骤：

打开指定音频数据文件；

读取心电图的参数设置，包括采样频率、采样精度、放大倍数；

根据上述参数设置创建心电图文件；

将上述参数写入心电图文件中的相关设置信息中；

将音频数据流当前位置移动至数据存储的起始位置；

根据音频采样频率与心电图采样频率的比例，计算出写入心电图的数据间隔；

判断是否将音频流中数据写入心电图数据流中；

如果要写入，则记录写入音频流中从上一数据到当前数据之间的绝对值为最大数据的数据；以及

否则将其中的较大值再存储到临时变量当中，防止因为采集频率的减少而使得信号失真。

所述电源由USB的电源或键盘接口的电源，再加入光隔离器件提供DC5V电源。

所述接触电极被设置于计算机系统的键盘上，采用双手接触。

所述液晶显示模块在采集数据变化比较大的两个显示位置之间采用插点显示。

所述心电信号采样频率为每秒钟采集8000个采样点。

所述采样数据设置至少12秒钟的采集数据缓冲区。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用声卡来采集心电信号，可以直接借用计算机系统的音频信号线和声卡，以及利用计算机系统的外围设备(例如键盘)设置产生心电信号的手触电极，能够不受心电图机这种专用设备的限制，达到非常方便地使用，并且，直接利用了计算机系统中的现有设备，实现心电信号数据处理，以及提供有效的数据显示及报警功能，对现有心电图机的存储性能进行了提高和完善，并且提出了设备的良好的可替代性。

附图说明

图1为本发明的利用声卡采集心电信号的心电仪的系统结构示意图；

图2为本发明的利用声卡采集心电信号的心电仪的声卡采集模块流程图；

图3为本发明的利用声卡采集心电信号的心电仪的WAV数据转换模块流程图；

图4为现有技术中的心电仪的触摸电极位置示意图；

图5为本发明实施例双手触键盘式心电仪的心电信号预处理单元的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体实例，来进一步阐述本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明的利用声卡采集心电信号的心电仪的系统结构示意图。与现有技术不同的是，本发明的心电信号通过计算机系统中声卡设备来完成采集，该系统包括：心电信号预处理单元10、声卡数据采集模块20、WAV数据转换模块30、屏幕显示模块40、数据存储模块50、报警模块60以及数字滤波模块70；其中，心电信号预处理单元10是本发明的关键，该单元的工作过程是：使用者的心电信号通过手触电极或者导联线101的接收后，送至心电信号放大器102，该放大器的输出信号送至声卡的LineIn接口，完成了本发明的心电信号预处理过程。其中，心电信号的供电由键盘接口与计算机系统的键盘共用电源，或者由USB接口从计算机系统供电。其中：

声卡数据采集模块，利用一个数据缓冲区，对所接收到的心电信号数据进行缓存；

WAV数据转换模块，用于实现音频信号与心电信号的数据转换处理；

其他，作为一个完整的心电仪系统，还包括屏幕显示模块，提供信号处理的屏幕显示功能；数据存储模块，提供数据存储功能；以及报警模块，可以通过短信、邮件或者其他各种电子通讯方式，提供测量信号的异常报警功能。

如图2所示，为本发明的声卡采集模块流程图。首先，打开计算机系统的指定声音设备，步骤201；选择wave格式的声音数据存储结构，步骤202；为音频输入数据设置一个声音数据缓冲区，步骤203；将该缓冲区加入接收队列，步骤204；从音频设备开始进行声音数据输入，步骤205；判断数据缓冲区是否已满，步骤206；如果缓冲区已满，则进一步判断当前是否要结束当前的声音数据采集操作，步骤207；如果结束当前的对当前声音数据采集操作，则表明该缓冲区已经使用完毕，需释放该缓冲区内存单元，步骤208；关闭计算器系统的声音设备，步骤209；如果缓冲区未满，则对声音数据进行保存处理，步骤210；是否要保存数据，步骤211；若需保存，则保存当前的声音数据，步骤210；若不需要保存，则清空缓冲区数据，步骤213；并返回步骤206，及依序循环执行流程中的操作。

如图3所示，为本发明的WAVE数据转换模块流程图。首先，打开指定音频数据文件，步骤301；读取相关信息(如使用者的相关个人数据记录)，步骤302；读取心电图的参数设置，如采样频率、采样精度、放大倍数等，步骤303；根据上述参数设置创建心电图文件，步骤305；检测参数设置是否正确，步骤306；如果参数设置不正确，则转至步骤302，重新执行读取等操作；如果参数设置正确，则将其写入心电图文件中的相关设置信息中，步骤307；此时，还可写入使用者信息，步骤308；将音频数据泵当前位置移动至数据存储的起始位置，步骤309；根据音频采样频率与心电图采样频率的比例，计算出写入心电图的数据间隔，步骤310；判断是否将音频流中数据写入心电图数据流中，步骤311；如果要写入，则记录写入音频流中从上一数据到当前数据之间的绝对值为最大数据的数据，步骤312；否则中的较大值再存储到临时变量当中，防止因为采集频率的减少而使得信号失真，步骤313；判断心电图数据的CRC校验结果是否正确，步骤314；如果正确，则存储心电图文件，步骤314；如果不正确，则返回步骤306，重新执行该流程。

下面通过具体实施例，来进一步说明本发明的上述技术方案。在该实例中，将双手接触电极安装在电脑系统的键盘上，以代替已有的心电仪上设置双手接触电极的心电仪数据处理系统及方法。本发明的心电信号预处理单元，其心电信号既可能是来自于普通的心电仪的导联电极，也可能来自于双手接触电极，并且，这种双手接触电极在本发明中被设置与计算机系统中的一些相关设备中，最佳的实施方案是设置于键盘上。

然后双手触键盘式心电仪在其硬件上需要借助其他的专用设备，基本是由USB的电源或键盘接口的电源，再加入光隔离器件提供给标准心电放大器DC5V电源；键盘上两个或三个人体双手触电极，或根据需要配备的外接导联线；与标准心电放大器信号输入端相连；标准心电放大器连线与计算机Line In接口相连。以及可根据使用要求，为双手触键盘式心电仪配备的导联线，导联线上连接2个电极夹，1个电极球等其他配件。

如图4所示，为心电仪上的接触电极的位置示意图。其中，双手接触电极为R、Y这两个电极。

如图5所示，为本实施例的双手触键盘式心电仪在现有计算机系统的键盘中设置的双手接触电极及其电路连接示意图。双手接触电极R、Y分别设置于键盘表面的适合位置，并且这两个电极R、Y通过使用者双手接触而产生的电信号，分别送到心电信号放大器102的-、+输入端，如上所述，心电信号放大器102的电源是由USB的电源或键盘接口的电源，再加入光隔离器件提供DC5V电源。心电信号放大器102的输出送至声卡信号输入Line In接口103，通过音频线5和音频插头6输出到声卡的声卡数据采集模块20。

由于声卡line In端口可接受两个通道的信号，上述仅使用了其中的一个通道，仅能检测I或II的肢体导联心电图信号；也可以在上述方案的基础上，增加一个标准心电信号放大器，导联线上连接4个电极夹。将第二路心电放大信号传送到声卡line In端口的第二个通道，利用该第二通道，可同时监测I、II，由于在心动周期任一时刻存在II-I＝III的关系，而且，aVF＝II-1/2I；aVR＝-1/2(I+II)；aVL＝I-1/2II；因此，可同时获得双极肢体导联I、II、III和加压单极肢体导联aVR、aVF、aVL等6路心电图信号的监测结果。

本发明的实施例的操作还包括：

一、双手触键盘式心电仪的数据采集后的显示

根据医学上的要求及双手触键盘式心电仪的仪器设计要求，每秒钟采集8000个采样点，图像显示的速度为12.5mm/S、25mm/S、50mm/S、100mm/S，幅度为5mm/mV、10mm/mV、20mm/mV、40mm/mV。而每秒数据采集的点数和数值是一定的，所以需要一定的算法来满足双手触键盘式心电仪的功能要求。

1、为了以后程序理解起来方便，先声明几个常量和变量。

(PASCAL)const

aArrayTSS：array[1..4]of string＝(’12.5mm/Sec’，’25mm/Sec’，’50mm/Sec’，’100mm/Sec’)；(显示速度字符数组)

aArrayTSI：array[1..4]of Single＝(12.5，25，50，100)；(显示速度大小数组)

aArrayVSS：array[1..4]of string＝(’5mm/mV’，’10mm/mV’，’20mm/mV’，’40mm/mV’)；(显示幅度字符数组)

aArrayVSI：array[1..4]of Single＝(5，10，20，40)；(显示幅度大小数组)

SampleHZ：Integer＝1000；//采样的频率

xppsi：每个采样点的点的象素数量

xppmm：X方向上每个毫米所点的象素数量，在原则上X和Y方向上的每毫米所占的象素数量是一样的。如果需要的话还可以加上yppmm，即Y方向上的每毫米所占的象素数量。

tscale：所指定的每秒钟所走的速度mm/Sec

vscale：所指定的每个毫伏电压所要显示幅度mm/mV

2、计算每个采样点的点的象素数量。xppsi＝xppmm*tscale/SampleHZ；

3、为了保证采集的数据能够根据需要的显示幅度来显示，必须将采集完的数据转换成相应的原始电压值，然后乘上当前显示的vsacle值，即可以得到当前采集点的显示幅度。采集的电压值*xppmm*tscale即得到当前采集点的显示幅度的象素值。

4、画点的时候，首先要知道当前采样点是第多少个采样点，将此采样点乘以xppsi，即可得到此采样点所占的显示象素位置的值。然后跟上一个显示象素位置进行比较，

1)如果跟上一个采样点在同一个显示位置上(象素数)的话，即不用把该点显示出来，但是一定要记住该象素显示上的离基线比较远的值(不会丢失心电图的特征值，不致于图形失真)，

2)如果大于上一个采样点的显示位置(象素)的话，把该点跟一个点进行连线，即画出显示的波形。

5、为了能够保存采集的数据，需要设置至少2秒钟的采集数据缓冲区，以便在数据存储时用到的前2秒的数据，完成数据处理。

6、相对完整的显示的源程序

本发明中的双手触键盘式心电仪，可以设置2-3个电极用于心电图导联监测。常用的心电图导联及监测导联的电极使用关系，如表1所示：

表1

电极	电流计正极	电流计负极
			标准导联：I(L2)	左上肢	右上肢
标准导联：II(L2)	左下肢	右上肢
			标准导联：III(L2)	左下肢	左上肢

二、双手触键盘式心电仪的心率计算

1、关于心率的计算方法，大致可以理解为：

1)根据数据采集的数据，filter＝(t0＝v[0])+4*t1+6*t2+4*t3+t4-t5-4*t6-6*t7-4*t8-t9；可以去掉采集数据中的一些杂波，并且算出近几个采样点的变化趋势来，即采集数据的斜率来，根据得出来的斜率和判断R波斜率的阙值，确定R波的位置，然后根据R波的数量进行心率的计算。其实一个R波就是一次心跳。

2、为了保证心率的正确性和防止由于干扰产生的误差，应该每检测到5个R波进行一次心率的计算；

3、相对完整的检测R波的算法。

三、双手触键盘式心电仪的数据存储

1、存储有四种可能，即存储30秒、40秒、50秒、60秒。

2、在点击存储时应该存储当前时刻前12秒和随后18秒的心电数据。

四、双手触键盘式心电仪的数据回放

1、回放时的显示速度有25mm/Sec，50mm/Sec和100mm/Sec三种速度。

2、回放时的显示幅度还是跟采集时的一样，有四种显示幅度。

五、双手触键盘式心电仪对所记录的触发事件进行处理的步骤，进一步包括三种不同的处理方式：

第一种处理方式：

把记录的时间经过D/A转换后，将模拟信号发回双手触键盘式心电仪；及

输出该模拟信号；

第二种处理方式：

读取存储的心电事件及数据，进行更加详细的分析及显示；及

输出心电图及分析报告；

第三种处理方式：

将数据传输到网络；及

远程输出心电图及分析报告。

Claims (8)

1.一种利用声卡采集心电信号的心电仪，包括屏幕显示模块，提供信号处理的屏幕显示功能；数据存储模块，提供数据存储功能；以及报警模块，通过短信、邮件或者其他各种电子通讯方式，提供测量信号的异常报警功能；其特征在于，该系统还包括心电信号预处理单元、声卡数据采集模块、WAV数据转换模块，其中：

心电信号预处理单元中，包括手触电极、心电信号放大器、声卡的Line In接口和电源；手触电极接收到的心电信号，送至心电信号放大器，所述心电放大器的输出信号送至声卡的Line In接口；

声卡数据采集模块，利用数据缓冲区，对所接收到的心电信号数据进行缓存；

WAV数据转换模块，用于音频信号与心电信号的数据转换处理。

2.如权利要求1所述的利用声卡采集心电信号的心电仪，其特征在于，所述声卡数据采集模块包括以下处理步骤：

打开计算机系统的指定声音设备；

选择wave格式的声音数据存储结构；

为音频输入信号设置一个声音数据缓冲区；

将该缓冲区加入接收队列；以及

从音频设备开始进行人体生理数据输入。

3.如权利要求1所述的利用声卡采集心电信号的心电仪，其特征在于，所述WAVE数据转换模块包括以下处理步骤：

打开指定音频数据文件；

读取心电图的参数设置，包括采样频率、采样精度、放大倍数；

根据上述参数设置创建心电图文件；

将上述参数写入心电图文件中的相关设置信息中；

将音频数据流当前位置移动至数据存储的起始位置；

根据音频采样频率与心电图采样频率的比例，计算出写入心电图的数据间隔；

判断是否将音频数据流中数据写入心电图数据流中；

如果要写入，则记录写入音频数据流中从上一数据到当前数据之间的绝对值为最大数据的数据；以及

否则将其中的较大值再存储到临时变量当中，防止因为采集频率的减少而使得信号失真。

4.如权利要求1所述的利用声卡采集心电信号的心电仪，其特征在于，所述电源由USB的电源或键盘接口的电源再加入光隔离器件组成，为心电信号放大器提供DC5V电源。

5.如权利要求1所述的利用声卡采集心电信号的心电仪，其特征在于，所述手触电极被设置于计算机系统的键盘上，采用双手接触。

6.如权利要求1所述的利用声卡采集心电信号的心电仪，其特征在于，所述液晶显示模块在采集数据变化比较大的两个显示位置之间采用插点显示。

7.如权利要求3所述的双手触键盘式心电仪数据处理方法，其特征在于，所述采样频率为每秒钟采集8000个采样点。

8.如权利要求2所述的双手触键盘式心电仪数据处理方法，其特征在于，所述采样数据的缓冲区大小至少为可存储2秒钟的心电数据。

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