CN102488512A - 一种心电监护自动报警系统及其报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及心电监护技术领域，一种心电监护自动报警系统，包括服务终端，所述服务终端设有数据处理与窗口划分单元和心率链报警单元，以及分别与所述数据处理与窗口划分单元、心率链报警单元连接的人体姿态判断单元、运动程度判断单元和心电处理单元。本发明还提供这种报警系统的报警方法。本发明参考运动状态，结合心率及人体姿态因素，调整心率报警的门限值，提高心电监护报警准确性，减少误报警次数，提高医生响应效率，节省医疗机构开支和用户使用成本。

Description

一种心电监护自动报警系统及其报警方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域的心电监护技术，尤其是指一种基于运动状态下能自动报警的心电监护系统。

背景技术

远程监护技术在最近几年得到了快速发展，心电图监护、血氧、老年人行动监护等应用越来越多。在这些应用中，运行在终端或者远程服务中心的自动辅助分析报警软件至关重要，它是减少医生工作量、提高响应速度和准确度、减少用户和国家开支的关键。

心电图自动分析方法研究的文献和专利，大多数是集中在电极片、导连线、信号采集、传递、处理、提高信号质量、各种波形检测算法、疾病分类算法中。心电图监护报警方案通常是根据心电图信号的质量来进行报警（专利公开号：CN1843292A），然而心电图的质量会受非病态的其他情况的干扰，比如说剧烈运动，针对这些情况，专利公开号CN1187338A 采用问答式方式以确定是否需要报警，然而此方案有失方便性，而且对于语言障碍，或者判断能力欠缺者不适用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出利用三维加速度信息自动调整心电监护报警门限，从而提高心电监护系统在各种运动状态下的报警准确度。

这种心电监护自动报警系统，包括服务终端，所述服务终端设有数据处理与窗口划分单元和心率链报警单元，以及分别与所述数据处理与窗口划分单元、心率链报警单元连接的人体姿态判断单元、运动程度判断单元和心电处理单元。

其中，所述心率链报警单元设有若干种报警门限值，每种报警门限值设置若干个调整等级，根据人体姿态判断单元和运动程度判断单元的信息选择上调或下调报警门限值等级。这种技术方案可根据当前人体姿态和运动程度修正报警门限，从而提高报警准确度。

本发明还包括心电采集器，所述心电采集器包括微处理器，及分别与所述微处理器连接的通信模块、初始状态设置模块、三维加速度探测器和心电模块；所述微处理器通过通信模块与所述服务终端连接。其中，三维加速度探测器（120）的采集频率为61Hz；量程为±8g。

所述数据处理与窗口划分单元包括：

低通滤波器，用于对接收的三维加速度数据进行滤波处理后按特定时间段划分为若干个独立窗口；

方差值计算模块，用于对低通滤波器处理的独立窗口数据进行平均值和均方差值计算，将计算结果分别向所述人体姿态判断单元和心电处理单元发送；

标准差计算模块，用于对低通滤波器处理的独立窗口数据进行标准差计算，并将计算结果向所述运动程度判断单元发送。其中，优选低通滤波器的截止频率为10Hz；特定时间段为1秒，以秒为单位，把滤波处理后的数据划分成一个一个独立窗口。

数据处理与窗口划分单元将三维加速度值按不同的计算方法获得不同的所需信息，有利于对佩戴者的当前状态全面分析，提供判断的准确性。

所述心电处理单元包括相互连接的心率获取模块及设有第一预设值的心电预处理模块；所述心电预处理模块在检测到有效心电信号数值以及所述均方差值小于第一预设值时启动心率获取模块。其中，优选第一预设值为4g，即4个重力加速度的大小。

所述人体姿态判断单元设有第二预设值，用于与所述平均值计算结果及所述初始状态值进行比较，判断人体姿态。

所述运动程度判断单元设有第三预设值，用于与所述标准差计算结果进行比较，判断人体的运动程度。

为了适用于佩戴者不同运动状态的心率情况，所述心率链报警单元设有若干等级的报警门限值，用于与心率获取模块的心率值比较。

本发明还提供一种心电监护自动报警系统的报警方法，包括以下步骤：

a.    设置心电监护初始状态值：

b.   心电采集器和服务终端建立连接，心电采集器向服务终端发送初始状态值、三维加速度值和心电信号数值；

c.   数据处理与窗口划分单元一方面对由低通滤波器处理后数据分别计算平均值和均方差值，并将所述均方差值向设有第一预设值的心电处理单元发送、将平均值向设有第二预设值的人体姿态判断单元发送；另一方面对由低通滤波器处理后、按特定时间段划分为若干个独立窗口的数据进行标准差计算，并将标准差计算结果向设有第三预设值的运动程度判断单元发送；

d.   若所述均方差值大于第一预设值，则所述心电信号预处理暂停对心电信号的处理；若所述均方差值小于等于第一预设值，则进行心电信号预处理，检测有效的心电信号并获取心率数据，向心率链报警单元发送；

e.    将所述平均值及所述初始状态值、第二预设值进行比较，判断人体当前姿态，将所得结果向心率链报警单元发送；

f.    将所述标准差值与所述第三预设值进行比较，判断人体所处的运动状态，将所得结果向心率链报警单元发送； 

g.   由所述心率链报警单元根据初始状态值、人体当前姿态及运动程度调整报警门限值，若获取的心率值高于调整后的报警门限值，则发出报警信号。

本发明的有益效果为：因为人体不同运动状态会改变心电图中一些特性，原心电监护算法不参考运动状态，必然会在运动状态改变时产生误报警。本发明旨在参考运动状态，结合心率及人体姿态因素，调整心率报警的门限值，提高心电监护报警准确性，减少误报警次数，提高医生响应效率，节省医疗机构开支和用户使用成本。

附图说明

图1a 本发明实施例心电采集器结构框图。

图1b本发明实施例服务终端结构框图。

图1c 本发明实施例心率链报警单元处理流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实施例作进一步说明。

本实施例提供一种心电监护自动报警系统，如图1a所示，包括心电采集器100和服务终端200，所述心电采集器100包括微处理器110，及分别与所述微处理器110连接的通信模块150、初始状态设置模块140、三维加速度探测器120和心电模块130；所述微处理器110通过通信模块150与所述服务终端200连接。其中，心电采集器的采样率为500Hz，三维加速度探测器120的型号为MMA7455，采集频率为61Hz；量程为±8g（g=9.8m/s）。

同时结合图1b所示，所述服务终端200设有数据处理与窗口划分单元210和心率链报警单元250，以及分别与所述数据处理与窗口划分单元210、心率链报警单元250连接的人体姿态判断单元220、运动程度判断单元230和心电处理单元240。

其中，所述数据处理与窗口划分单元210包括低通滤波器211、标准差计算模块213和方差值计算模块212，三者的功能作用如下：

低通滤波器211，用于对接收的三维加速度信号进行滤波处理并将处理后数据按特定时间段划分为若干个独立窗口。其中，低通滤波器211的截止频率为10Hz；所述的特定时间段为1秒。

标准差计算模块213，用于对低通滤波器211处理和划分后的独立窗口数据进行标准差计算，并将计算结果向所述运动程度判断单元230发送；

方差值计算模块212，用于对接收的三维加速度信号进行平均值计算和每个信号点均方差值计算，将计算结果分别向所述人体姿态判断单元220和心电处理单元240发送。

心电处理单元240包括相互连接的心率获取模块242及设有第一预设值的心电预处理模块241，所述心电预处理模块在检测到均方差值小于第一预设值及有效心电信号时启动心率获取模块242。其中，第一预设值为4g（g=9.8m/s），可使用现有的心率算法来提取心率。

人体姿态判断单元220设有第二预设值，用于与所述平均值计算结果及所述初始状态值进行比较，判断人体姿态。人体当时姿态的重力加速度方向与初始状态各个方向之间的角度，则是当前心电采集器100的状态。第二预设值则为当前重力加速度方向与初始状态值x、y、z轴三个方向的临界夹角度数。当前重力加速度与初始状态三维加速度值相比角度差大于相应的临界角度，判断人体为平躺、侧躺或后躺等姿态。

相似地，运动程度判断单元230设有第三预设值，用于与所述标准差计算结果进行比较，判断人体的运动程度。第三预设值可根据佩戴者的需要设置多个阈值，将运动状态进一步分级细化，标准差值分别与这些阈值一一进行比较，判断数值处于哪一个区间，从而判断运动程度。如将运动状态分为轻微运动、中等运动、剧烈运动三种程度，则需要对第三预设值中设置两个阈值；本实施例设置第三预设值为th1，th2，将运动状态分为轻微运动、中等运动和剧烈运动三种程度，当标准差值小于等于th1时，认为是轻微运动状态；当标准差值大于th2判断为剧烈运动状态，中间为中等运动。

心率链报警单元250设有若干种报警门限值，每种报警门限值分为若干个等级，根据人体姿态判断单元220和运动程度判断单元230的信息选择对应的报警门限等级。

下面将对本实施例的心电监护自动报警系统的报警方法作说明：

这种心电监护自动报警系统的报警方法，包括以下步骤：

启动心电采集器100，设置心电监护初始状态值。佩戴者站立，调整心电采集盒，使心电采集器100显示三维加速度探测方向的关系与实际佩戴关系一致，得到人体站立时垂直向g0，左右方向l0，前后方向b0三个方向数值，即(g0,l0,b0)，三维加速度探测器120检测并向微处理器110发送三维加速度信号；另一方面设置适合佩戴者的心率门限值，心电模块130采集佩戴者心电信号向微处理器110发送，此时建立心电采集器100与服务终端200连接，微处理器110处理为相应数值后，由通信模块150向服务终端200发送。

心电采集器100的通信模块150将初始状态值、三维加速度值和心电信号数值分别发送给服务终端200的人体姿态判断单元220、数据处理与窗口划分单元210和心电处理单元240。

数据处理与划分窗口单元210让三维加速度值s[n]先通过低通滤波器211，进行频率10Hz以上的滤波处理值fs[n]，以秒为单位，把滤波后的数值划分为一个一个独立窗口数值w[n]，每个独立窗口包括61个信号点，再将这些独立窗口数据发送给方差值计算模块212和标准差计算模块213。

方差值计算模块212对该窗口数据进行平均值的计算：

ax = average(w[n].x) ；

ay = average(w[n].y) ；

az = average(w[n].z) ；

然后计算每信号点的均方差v=sqrt((x-ax)^2+(y-ay)^2+(z-az)^2)，并将该计算结果向设有第一预设值的心电处理单元240发送，与第一预设值进行比较。心电处理单元240中设有心电预处理模块241，可以检查心电信号是否正常、有效。若发现信号导联脱落、噪声太大等无效数据，或是均方差值大于第一预设值4g，则说明佩戴者运动过剧烈，有可能影响心电信号的准确性，心电处理单元240暂停工作1s；若心电预处理模块241检测到均方差值小于第一预设值且为有效数据，则启动心率获取模块242，接收和处理心电信号并向心率链报警单元250发送。

另方差值计算模块212还把每个独立窗口的三维加速度平均值向设有第二预设值的人体姿态判断单元220发送。

人体姿态判断单元220接收到初始状态值、和三维加速度的平均值（ax、ay，az），与第二预设值进行比较。本实施例设置第二预设值在三个方向的临界角度均为45度，当当前采集状态的重力方向上的平均值ag与初始状态的Z轴方向的夹角小于45度，则判断人体为正常姿态；若夹角大于45度，则判断人体为躺卧姿态，再根据重力方向的平均值ag与初始状态X、Y方向的夹角，判断人体为侧躺、后躺还是前趴等，将判断结果向心率链报警单元250发送。

在计算平均值的同时，数据处理与窗口划分单元210通过标准差计算模块213对独立窗口的数据进行整体的标准差计算，并将标准差计算结果向设有第三预设值的运动程度判断单元230发送。

本实施例的第三预设值设有一个阈值th1，th2，将标准差值与所述第三预设值进行比较，若标准差值大于阈值th2，则判断人体的运动程度为剧烈，若标准差小于th1，则判断为人体在轻微运动，其他为中等运动。最后将所得结果向心率链报警单元250发送； 

结合图1c所示，本实施例的心率链报警单元250设有多种报警门限值，分别为正常心率门限值、心动过速门限值、心动过缓门限值、极端过速门限值和极端过缓门限值。每种报警门限值设有两个调整等级。心率链报警单元250将接收到的人体姿态判断结果、运动程度判断结果及心率数值汇总，结合初始状态值、对设定的报警门限值作相应调整。

本实施例中给出五种情况下对报警门限值的等级调整，调整后的报警门限值可分为五种情况：分别为提高心动过速和极端过速报警门限值一个等级A、提高心动过速和极端过速报警门限值二个等级B、报警门限值不变C、提高心动过速和极端过速报警门限值一个等级D、降低心动过速和极端过缓报警门限值一个等级E五种，将当前心率数据与报警门限值比较，若心率数据高于调整后的报警门限值，则心率链报警单元250将发出报警信号；反之，心率数据小于等于调整后的报警门限值，心率链报警单元250将重新进行数据处理。例如，如图1c所示，当心率链报警单元250接收到人体姿态判断单元220判断人体姿态结果为躺卧，则进入一步判断流程；得到运动程度判断单元230的判断结果为非轻微运动，再进入一步判断，若判断为剧烈运动，则调整报警门限值为D情况，即提高心动过速和极端过速报警门限值一个等级。此时将心电处理单元240发送的心率数据与调整后的门限值作比较，若心率数据比提高后的报警门限值还高，则说明人体当前心率不正常，处于报警范围，心率链报警单元250马上发出报警信号。若判断人体处于非躺卧状态、非轻微运动和剧烈运动状态，即对应的为提高心动过速和极端过速门限一个等级A等级的情况，可认为人体处于中等运动状态的情况，同样，心率数值高于调整后的报警门限值时，心率链报警单元250才报警。若心率链报警单元250综合判断人体处于躺卧、轻微运动的状态，即对应的是降低心动过缓和极端过缓报警门限值一个等级E等级的情况，此时心率数值在低于调整后的报警门限值范围，心率链报警单元250才发出报警信号。若比较后，当前心率数值与调整后的报警门限值相比，处于非报警范围，则处理流程重新回到起点，进行新一轮的处理流程。这种报警方法根据姿态和运动程度修正报警门限值，从而提高报警准确度。

本发明心电监护自动报警系统及其报警方法，有效减少静卧下心动过缓和极端过缓下的误报警：由于人体静卧时心率必然下降，本方法能够发现患者处于睡眠状态，能够自动降低报警门限，减少误报警。有效减少行走、慢跑下的误报警：由于这种情况下患者心率必然会上升，本方法能够发现患者是否处于这种情况下，并提高心动过速和极端心动过速下的门限值，减少误报警。

Claims (11)

1.一种心电监护自动报警系统，包括服务终端（200），其特征在于，所述服务终端（200）设有数据处理与窗口划分单元（210）和心率链报警单元（250），以及分别与所述数据处理与窗口划分单元（210）、心率链报警单元（250）连接的人体姿态判断单元（220）、运动程度判断单元（230）和心电处理单元（240）。

2.根据权利要求1所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述心率链报警单元（250）设有若干种报警门限值，每种报警门限值设置若干个调整等级，根据人体姿态判断单元（220）和运动程度判断单元（230）的信息选择上调或下调报警门限值等级。

3.根据权利要求2所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，还包括心电采集器（100），所述心电采集器（100）包括微处理器（110），及分别与所述微处理器（110）连接的通信模块（150）、初始状态设置模块（140）、三维加速度探测器（120）和心电模块（130）；所述微处理器（110）通过通信模块（150）与所述服务终端（200）连接。

4.根据权利要求3所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述数据处理与窗口划分单元（210）包括：

低通滤波器（211），用于对接收的三维加速度数据进行滤波处理后按特定时间段划分为若干个独立窗口；

方差值计算模块（212），用于对低通滤波器（211）处理的独立窗口数据进行平均值和均方差值计算，将计算结果分别向所述人体姿态判断单元（220）和心电处理单元（240）发送；

标准差计算模块（213），用于对低通滤波器（211）处理的独立窗口数据进行标准差计算，并将计算结果向所述运动程度判断单元（230）发送。

5.根据权利要求2所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述心电处理单元（240）包括相互连接的心率获取模块（242）及设有第一预设值的心电预处理模块（241）；所述心电预处理模块在检测到有效心电信号数值以及所述均方差值小于第一预设值时启动心率获取模块（242）。

6.根据权利要求2所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述人体姿态判断单元（220）设有第二预设值，用于与所述平均值计算结果及所述初始状态值进行比较，判断人体姿态。

7.根据权利要求2所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述运动程度判断单元（230）设有第三预设值，用于与所述标准差计算结果进行比较，判断人体的运动程度。

8.根据权利要求3所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述三维加速度探测器（120）的采集频率为61Hz；量程为±8g。

9.根据权利要求4所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述低通滤波器（211）的截止频率为10Hz；所述的特定时间段为1秒。

10.根据权利要求5所述的心电监护自动报警系统，其特征在于，所述的第一预设值为4g。

11.根据权利要求1-10任一项所述的一种心电监护自动报警系统的报警方法，其特征在于，包括以下步骤：

a．设置心电监护初始状态值；

b．心电采集器（100）和服务终端（200）建立连接，心电采集器（100）向服务终端（200）发送初始状态值、三维加速度值和心电信号数值；

c．数据处理与窗口划分单元（210）一方面对由低通滤波器（211）处理后数据分别计算平均值和均方差值，并将所述均方差值向设有第一预设值的心电处理单元（240）发送、将平均值向设有第二预设值的人体姿态判断单元（220）发送；另一方面对由低通滤波器（211）处理后、按特定时间段划分为若干个独立窗口的数据进行标准差计算，并将标准差计算结果向设有第三预设值的运动程度判断单元（230）发送；

d．若所述均方差值大于第一预设值，则所述心电信号预处理暂停对心电信号的处理；若所述均方差值小于等于第一预设值，则进行心电信号预处理，检测有效的心电信号并获取心率数据，向心率链报警单元（250）发送；

e．将所述平均值及所述初始状态值、第二预设值进行比较，判断人体当前姿态，将所得结果向心率链报警单元（250）发送；

f．将所述标准差值与所述第三预设值进行比较，判断人体所处的运动状态，将所得结果向心率链报警单元（250）发送； 

g．由所述心率链报警单元（250）根据初始状态值、人体当前姿态及运动程度调整报警门限值，若获取的心率值高于调整后的报警门限值，则发出报警信号。

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