CN101627907B - 心电信号分析处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种心电信号分析处理装置及方法，所述的装置包括：一对放置在人体皮肤上的心电记录电极；一阻抗变换器，用于将高阻抗模拟信号转换成低阻抗模拟信号；一与阻抗变换器连接的放大器，用于将低阻抗模拟信号放大；一模数转换器，用于对放大后的模拟信号进行采样并转换成数字信号；一信号分析处理单元，用于对转换成数字信号的心电信号进行位置判断、提取和重构；以及一心电信号显示装置。本发明可以用于普通人群的心脏监测，也可以用于孕妇胎儿的心电监测，由于排除了具有相同频率成分的非心电信号干扰，准确性很高。
Description
技术领域
本发明涉及医用设备和方法，尤其涉及一种用于人体或孕妇的心电信号分析处理装置及方法。
背景技术
从人体皮肤表面记录心电信号的方法广泛用于临床心功能测量和监护领域，其幅值在毫伏至微伏范围，其主要频率在0.5-75Hz范围。由于心电信号的记录中往往混有其他信号成分，如肌肉电活动等，因此，需要将记录中的心电信号进行处理，将非心电信号部分减少或去除。目前，现有技术中各种心电图机和心电监护仪等心电信号记录设备普遍采用带通滤波方法来减少或去除记录中的非心电信号，即使用高通滤波器将较低的频率成分减少或去除、使用低通滤波器将较高的频率成分减少或去除。这种方法对于低于0.5Hz的胃电活动、以及高于100Hz的脉冲放电等不同于心电频率范围的非心电信号成分能有效减少或去除，但是对于频率成分在20-75Hz范围、与心电信号频率成分重叠的肌肉电活动信号来说则没有明显的减少效果。因此，目前各种心电图机和心电监护仪等心电信号记录设备均存在心电信号易被处于相同频率范围的其他电信号干扰，导致心电信号记录显示不清晰、P-QRS-T波群测量不准确等问题。
此外，随着生活水平的提高及优生优育知识的普及，人们越来越重视妊娠期的胎儿健康状态，对孕妇和胎儿的心电进行持续和有效的监测是临床上保证母体和胎儿平安渡过妊娠期的需要。临床证明胎儿窘迫是造成新生儿死亡和残疾的最主要的原因，而胎儿心电异常变化是“胎儿宫内窘迫症”的早期表现，因此，如能有效地监测到胎儿心电P-QRS-T波群的改变是保证优生优育的必要措施。目前能够直接记录胎儿心电信号的方法是通过子宫口将记录电极放置在胎儿头皮来获得胎儿心电信号，这种侵入式方法只能用于临产前宫口已开的胎儿监护，并且在产道口操作影响自然分娩过程。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出一种心电信号分析处理装置及方法。本发明可以用于普通人群的心脏监测，也可以用于孕妇胎儿的心电监测，由于排除了具有相同频率成分的非心电信号干扰，准确性很高。
本发明采取的技术方案是设计一种心电信号分析处理装置，包括：
一对放置在人体皮肤上的心电记录电极，用于获取心电信号；
一阻抗变换器，其输入端经高频阻尼器与所述心电记录电极的输出端耦接，用于将高阻抗模拟信号转换成低阻抗模拟信号；
一与阻抗变换器连接的放大器，用于将低阻抗模拟信号放大；
一模数转换器，用于对放大后的模拟信号进行采样并转换成数字信号；
一心电信号分析处理单元，用于对转换成数字信号的心电数据进行分析处理；
和一用于输出心电信号的输出装置；
其中，所述的心电信号分析处理单元包括：P-QRS-T波群判别模块和P-QRS-T波群提取模块，用于对人体心电信号进行判断、提取，然后发送至显示器显示。
在本发明的一个实施例中，所述的P-QRS-T波群判别模块包括：母体P-QRS-T波群判别模块和胎儿P-QRS-T波群判别模块；所述的P-QRS-T波群提取模块包括母体P-QRS-T波群提取模块和胎儿P-QRS-T波群提取模块，用于对母体和胎儿的心电信号进行分类处理。
所述的心电信号分析处理单元还包括心电信号重构模块，用于将提取后的P-QRS-T波群以与原始P-QRS-T波群时刻相同的方式重新构成连续的心电信号记录，以滤除其他干扰。重构P-QRS-T波群的延迟时间不大于提取记录时间之后10秒钟。
本发明还提出一种心电信号的分析处理方法，包括以下步骤：
a用一对心电记录电极从人体体表获取人体心电信号；
b通过阻抗变换器将获取的高阻抗模拟心电信号转换为低阻抗模拟信号；
c通过放大器将低阻抗模拟信号放大；
d通过模数转换器对模拟信号进行采样形成数字化数据；
e通过信号分析处理单元对心电记录数据进行分析和处理，所述的分析处理包括先对转换成数字信号的P-QRS-T波群进行位置判断，然后再对P-QRS-T波群进行提取；
f通过输出装置将提取的P-QRS-T波群进行输出。
本发明方法用于孕妇时，步骤a中的心电记录电极放置在孕妇腹部，步骤e中的分析处理包括对母体和胎儿心电信号进行分类处理，即首先对母体P-QRS-T波群进行判断、提取，然后再对剔除了母体心电信号的数据进行胎儿P-QRS-T波群判断、提取。
步骤e和f之间还可以包括对提取的心电信号进行重构的步骤，用于将提取后的P-QRS-T波群以与原始P-QRS-T波群时刻相同的方式重新构成连续的心电信号记录，以滤除其他干扰。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、具有较高的心电信号测量和显示的抗干扰能力和准确性，可将具有相同频率成分的非心电信号干扰滤除，避免了带通滤波方法所存在的无法去除相同频率成分的干扰的问题，使得心电P-QRS-T波群能清晰地显示，以便于准确地测量。
2、能实时地获得每一心电周期的胎儿心电P-QRS-T波群，反映胎儿心电的微小变化，可以为胎儿缺氧、脐绕颈、宫内窒息等病理状态提供实时的监测依据。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细的说明，其中：
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置用于孕妇胎儿实施例的结构示意图；
图3是本发明方法的流程图；
图4是本发明方法用于孕妇胎儿的流程图。
具体实施方法
如图1所示，本发明提出的心电信号分析处理装置包括：一对放置在人体皮肤上的心电记录电极110，用于获取人体心电信号；一个阻抗变换器120，其输入端经高频阻尼器与所述心电记录电极的输出端耦接，使输入阻抗提升至10兆欧姆以上，用于将高阻抗模拟信号转换成低阻抗模拟信号；一个放大器130，用于将经阻抗变换器转换的低阻抗模拟信号放大；一个模数转换器140，放大后的模拟信号被直接耦接至模数转换器，用于对模拟信号进行采样形成数字化数据；一个心电信号分析处理单元150，包括P-QRS-T波群判断模块和P-QRS-T波群提取模块，以及一个心电信号输出装置(图中未显示)，该输出装置可以是显示器、报警器或USB接口。工作时，心电信号分析处理单元150首先判别P-QRS-T波群位置，再对P-QRS-T波群进行提取。如有必要，还可以包括心电信号重构模块，将提取的心电P-QRS-T波群以与原始P-QRS-T波群时刻相同的方式重新构成滤除了其他信号的心电信号记录，将重构的心电信号记录以波形的方式连续地显示在显示器上。
阻抗变换器120、放大器130和模数转换器140可以采用单芯片器件ADS1255、ADS1256、ADS1278，也可以采用分立元件。
如图3所示，本发明工作时执行下列步骤：
a用一对心电记录电极放置在人体心脏皮肤体表上，获取人体心电信号；
b通过阻抗变换器将获取的高阻抗模拟心电信号转换为低阻抗模拟信号；
c通过放大器将低阻抗模拟信号放大；
d通过模数转换器对模拟信号进行采样形成数字化数据；
e通过信号分析处理单元对心电记录数据进行分析和处理，所述的分析处理包括先对转换成数字信号的P-QRS-T波群进行位置判断，然后再对P-QRS-T波群进行提取；
f将提取的P-QRS-T波群进行输出或显示。
图2是本发明用于孕妇胎儿的实施例。在该实施例中，心电信号分析处理单元包括：母体P-QRS-T波群判别模块、母体P-QRS-T波群提取模块，胎儿P-QRS-T波群判别模块、胎儿P-QRS-T波群提取模块、胎儿心电信号重构模块。工作时，心电记录电极放置在孕妇腹部，心电信号分析处理包括对母体和胎儿心电信号进行分类处理，即首先对母体P-QRS-T波群进行判断、提取，然后，再对剔除了母体心电信号的数据进行胎儿P-QRS-T波群判断、提取和重构。
本发明运用于孕妇胎儿监测时，工作流程如图4所示，心电记录电极放置在孕妇腹部，心电信号分析处理包括对母体和胎儿心电信号进行分类处理，即首先对母体P-QRS-T波群进行判断、提取，然后再对剔除了母体心电信号的剩余数据进行胎儿P-QRS-T波群判断、提取和重构。
本发明用于孕妇胎儿时，模数转换器140的精度为24位，相对应的放大器130的动态范围为110db。本发明的装置所用的数据速率不小于200样本/秒，以满足心电信号数字记录的需要。由于计算量巨大，心电信号分析处理单元150需要一百亿次浮点乘法/秒或以上能力的计算机来完成实时计算任务。
本发明中的P-QRS-T波群判别模块、母体P-QRS-T波群判别模块或胎儿P-QRS-T波群判别模块可以采用下列任何一种方法进行判别：
1.模板相似度峰值方法，将预设或习得的P-QRS-T波形作为模板，对所述时间延续的心电记录的每一个采样点数据及其邻近的不大于P-QRS-T时段的数据时段进行相似度计算，模板相似度P定义为P＝∑i NYi·Xi+t-N或者其函数，式中Y为预设模板，例如同一个母体或胎儿心电的P-QRS-T波形数据或者其函数；X为心电记录数据或者其函数，例如心电记录数据的微分值(Xt-Xt-1)；N为P-QRS-T波形数据时段长度，例如当数据速率为1000SPS并且P-QRS-T波形时间为0.2秒时N＝200；t为记录时刻并且用于上述计算时不小于N；并判断相似度计算值P的峰值，以峰值所在的时刻作为判断P-QRS-T波形的时间；并且得到P-QRS-T波形的位置的时间延迟不大于该位置记录时间之后10秒钟；
2.时段相似度峰值方法，对相隔至少一个P-QRS-T时段的同源记录与所述时间延续的心电记录的每一个采样点数据及其邻近的不大于P-QRS-T时段的数据时段进行相似度计算，时段相似度S定义为S＝∑i NXi+t-N·Xi+t-N-τ或者其函数，式中τ为相隔至少一个P-QRS-T时段的时间；并判断其相似度计算值S的峰值，以峰值所在的时刻作为判断P-QRS-T波形的时间；并且得到P-QRS-T波形的位置的时间延迟不大于该位置记录时间之后10秒钟；
3.自相关系数峰值方法，对所述时间延续的心电记录进行自相关系数计算，自相关系数ACR定义为ACR＝∑i NXi+t-N·Xi+t-N-τ或者其函数；并判断自相关系数计算值ACR在延迟时间大于一个QRS波形时间的峰值，以峰值所在的时刻作为判断P-QRS-T波形的时间；并且得到P-QRS-T波形的位置的时间延迟不大于该位置记录时间之后10秒钟；
4.相干函数分布函数概率判断方法，计算已知P-QRS-T波的相邻数据的相干函数并计算其分布函数。本发明中P-QRS-T波的相干函数定义为P-QRS-T波形数据或P-QRS-T波形函数数据之间的依赖性函数关系，即QRSk＝G(QRSj)，式中j和k分别为P-QRS-T波的两个时间，对于时段长度为N的QRS波形数据，G(j，k)达N(N-1)个，其值通过对已获得的P-QRS-T波形数据的计算来得到；由于P-QRS-T波形随时间不同而有波动，其相对应的G(j，k)也有一个分布，此分布可用分布函数来描述，也是通过对已获得P-QRS-T波形数据的分析而得到，并且定义相干函数的概率函数为：对于给定j和k的G(j，k)，在样本量足够大时，给定j和k相干函数值的分布函数与G(j，k)所有分布函数的积分之比；计算心电记录的每个P-QRS-T波的相干函数并得到其相对应的概率，以概率分布的最大值的出现时刻判断QRS波形的时间，并且得到P-QRS-T波形的位置的时间延迟不大于该位置记录时间之后10秒钟；
5.相干函数分布函数模糊判断方法，使用上述方法来计算P-QRS-T波的相干函数的分布函数，并进行此分布函数值的模糊判断，以模糊判断的极值出现时刻作为P-QRS-T波形的时间，并且得到P-QRS-T波形的位置的时间延迟不大于该位置记录时间之后10秒钟。
本发明中的P-QRS-T波群提取模块、母体P-QRS-T波群提取模块或胎儿P-QRS-T波群提取模块可以采取下列任何一种方法进行提取：
1.P-QRS-T锁时空间滤波方法，根据所述P-QRS-T波群判别模块对母体或胎儿心电记录的P-QRS-T波形的时间，对母体或胎儿心电记录的每一个P-QRS-T波群进行锁时，并对P-QRS-T波群时段的每一个数据进行锁时空间滤波，锁时空间滤波定义为Xi，j＝Fj(Xi，j)，式中Xi，j为数据时段长度为N的第j个QRS波形的第i个记录数据，Fi()为对QRS波形的第i个记录数据的滤波函数，可为以时频特性为基础的小波滤波或低通滤波，以此可有效去除随机噪声等与母体或胎儿心电信号无关的干扰，并且P-QRS-T锁时空间滤波的计算时间不大于其记录时间；
2.P-QRS-T锁时叠加平均方法，根据所述P-QRS-T波群判别模块得到的母体或胎儿心电记录的P-QRS-T波形的时间，对母体或胎儿心电记录P-QRS-T波群的数据组进行锁时和空间叠加平均运算，数据组包括至少5个，可达50个P-QRS-T波群，叠加平均对随机噪声水平降低的程度与P-QRS-T波群的个数的平方根成正比，以此可有效去除随机噪声等与母体或胎儿心电信号无关的干扰，同时保持这些P-QRS-T波群叠加平均后的波形特点，并且P-QRS-T锁时叠加平均的计算时间不大于其记录时间。
本发明中，对P-QRS-T波群的处理完全不同与现有技术中的滤波处理，而是采取对模数转换后的数字化信息进行P-QRS-T波群的位置判别、提取和重构，形成与原始P-QRS-T波群时刻相同的排除了其他干扰的心电信号记录，并以连续的P-QRS-T波群方式显示在显示器上，测量准确性高，抗干扰能力强，可将具有相同频率成分的非心电信号干扰排除，避免了带通滤波方法所存在的无法去除相同频率成分的干扰问题，为诊断提供了更准确地依据。此外，本发明提出的装置和方法可以方便地使用与孕妇胎儿的心电监测，为优生优育提供安全保障。
Claims (8)
1.一种心电信号分析处理装置，包括：
一对放置在人体皮肤上的心电记录电极，用于获取心电信号；
一阻抗变换器，其输入端经高频阻尼器与所述心电记录电极的输出端耦接，用于将高阻抗模拟信号转换成低阻抗模拟信号；
一与阻抗变换器连接的放大器，用于将低阻抗模拟信号放大；
一模数转换器，用于对放大后的模拟信号进行采样并转换成数字信号；
一心电信号分析处理单元，用于对转换成数字信号的心电数据进行分析处理；
和一用于输出心电信号的输出装置；
其特征在于，所述的心电信号分析处理单元包括：P-QRS-T波群判别模块和P-QRS-T波群提取模块，用于对人体心电信号进行判断、提取，然后将分析处理结果发送至输出装置；
所述的P-QRS-T波群判别模块包括：母体P-QRS-T波群判别模块、胎儿P-QRS-T波群判别模块；所述的P-QRS-T波群提取模块包括：母体P-QRS-T波群提取模块、胎儿P-QRS-T波群提取模块，用于对母体和胎儿的心电信号进行分类处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的心电信号分析处理单元还包括心电信号重构模块，用于将提取后的P-QRS-T波群以与原始P-QRS-T波群时刻相同的方式重新构成连续的心电信号记录，以滤除其他干扰，重构P-QRS-T波群的延迟时间不大于提取记录时间之后10秒钟。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的母体P-QRS-T波群判别模块和胎儿P-QRS-T波群判别模块可采用以下任何一种方法进行判断：模板相似度峰值方法、时段相似度峰值方法、自相关系数峰值方法、相干函数分布函数概率判断方法、或相干函数分布函数模糊判断方法。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的母体P-QRS-T波群提取模块和胎儿P-QRS-T波群提取模块可选择采用以下任何一种方法进行提取：P-QRS-T锁时空间滤波方法、或P-QRS-T锁时叠加平均方法。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的输出装置是显示器、报警器、或USB接口。
6.一种心电信号的分析处理方法，其特征在于包括以下步骤：
a用一对心电记录电极从人体体表获取人体心电信号；
b通过阻抗变换器将获取的高阻抗模拟心电信号转换为低阻抗模拟信号；
c通过放大器将低阻抗模拟信号放大；
d通过模数转换器对模拟信号进行采样形成数字化数据；
e通过信号分析处理单元对心电记录数据进行分析和处理，所述的分析处理包括对母体和胎儿心电信号进行分类处理，即首先对母体P-QRS-T波群进行判断、提取，然后再对剔除了母体心电信号的剩余数据进行胎儿P-QRS-T波群判断、提取；
f通过输出装置发送分析处理结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤e和f之间还包括对提取的心电信号进行重构的步骤，用于将提取后的P-QRS-T波群以与原始P-QRS-T波群时刻相同的方式重新构成连续的心电信号记录，以滤除其他干扰。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤a中的电极放置在孕妇的腹部皮肤上。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |