CN102894970B - 一种r波检测电路、方法以及除颤器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种R波检测电路、方法以及除颤器，该检测电路包括微分电路、过零比较电路、阈值控制器和峰值比较器，所述微分电路输出与过零比较电路输入连接，微分电路输出与阈值控制器输入连接，微分电路输出和阈值控制器输出与峰值比较器的两个输入端连接，峰值比较器一路输出和过零比较电路控制端连接；其中微分电路对输入心电信号进行微分处理；过零比较电路检测微分信号过零点；阈值控制器根据输入信号微分峰值的大小自动调整第一门限阈值；峰值比较器进行判断：微分电路输出如果大于阈值控制器设定的第一门限阈值时，启动过零比较电路检测过零点并输出。本发明还公开了检测方法和除颤器。

Description

一种R波检测电路、方法以及除颤器

技术领域

本发明涉及医疗电子技术领域，具体涉及一种R波检测电路、方法以及除颤器。

背景技术

除颤（又名电击复律）是利用电能来治疗快速异位心律失常，使之转复为窦性心律的一种有效方法。分同步电复律与非同步两种：同步电复律是指除颤器由R波的电信号激发放电，非同步电复律是指除颤器在心动周期的任何时间都可放电。

R波同步复律主要应用于房颤和室速等心率失常。如果除颤电击恰好落在T波的中部，由于此时正值心脏的易损期，外加的刺激很容易引起室颤。因此，电击复律应避免电击发生在T波的中部，最佳的放电时间是在R波的下降期或下降期的中部，这时整个心室肌纤维正处于绝对不应期，有利于心律的恢复、又可以避免电击不落在T波段。

基于以上原因，同步除颤时必须从病人身上取得心电信号，经检测出R波以后，再经过30ms延迟，然后才触发放电，这时除颤脉冲大约是在R波的下降期中部。

由于软件检测的延时较大，不适合除颤的R波同步检测，只能通过硬件检测实现，现有技术的硬件R波同步检测技术主要采用微分阈值法。

微分阈值法的基本思想是利用R波比较陡峭的特点进行检测：首先对心电信号进行微分，然后设置一个阈值，当心电信号斜率大于阈值时，则输出R波标记。通常该阈值与前面心电信号斜率的峰值大小关联，其检测电路框图如图1。

现有技术中，其阈值控制器采用MCU（微控制器）控制，自适应地控制比较电压的输出。为了实现正反向心电信号可检，在微分到比较器的链路上增加了全波整流电路。

进一步在此基础上可以作出细微的调整，采用一阶微分和二阶微分组合的方式检测。其阈值控制采用固定的方式，前端采用了自动增益控制电路，使得信号的幅度在合适的范围。

现有技术的不足之处在于：

其一、抗高频噪音干扰能力弱，微分电路对高频噪声很敏感，普通的滤波不能有效地解决问题。

其二、检测精度低，检测的R波触发点均是阈值与微分后信号幅值相等的点，如图1中，触发点为R1，实际的R波点在R2的位置，精度误差高达几十毫秒。

其三、对大P波和大T波的抗干扰能力低，P波和T波的频段与R波的频段很靠近，采用滤波方式抑制的效果不是很理想。

发明内容

本发明提供解决的技术问题是提高R波检测的精度。

本发明提供的技术方案如下：

本发明的一个目的是提供一种R波检测电路，包括微分电路、过零比较电路、阈值控制器和峰值比较器，所述微分电路输出与过零比较电路输入连接，微分电路输出与阈值控制器输入连接，微分电路输出和阈值控制器输出与峰值比较器的两个输入端连接，峰值比较器一路输出和过零比较电路控制端连接；其中微分电路对输入心电信号进行微分处理；过零比较电路检测微分信号过零点；阈值控制器根据输入信号微分峰值的大小自动调整第一门限阈值；峰值比较器进行判断：微分电路输出如果大于阈值控制器设定的第一门限阈值时，启动过零比较电路检测过零点并输出。

优选地，还包括门控电路，峰值比较器另一路输出和过零比较电路输出连接到门控电路输入，微分电路输出如果大于阈值控制器设定的第一门限阈值时，峰值比较器启动时间长度为t0的控制开关，并通过门控电路控制过零比较电路输出。

优选地，阈值控制器包括两级负反馈运放级联，在第二级运放正极接有RC并联放电电路。

优选地，还包括心电放大电路，所述心电放大电路位于微分电路之前，心电放大电路对输入的心电信号进行滤波、放大处理。

优选地，在微分电路之前还包括绝对值电路，所述绝对值电路对信号进行整形，正的信号正常通过，负的信号翻转。

优选地，在微分电路之前还包括一个顺序连接的差分电路和半波整流电路，差分电路的两个输入分别来自心电信号输入和阈值控制器的第二门限阈值输出，只有大于阈值控制器设定的第二门限阈值的信号，才能通过，小于第二门限阈值的信号被置零。

优选地，在心电放大电路之前还包括前置保护电路，用于限制输入信号幅度。

优选地，前置保护电路由氖泡构成的高压保护电路和由两个背对背的稳压管接成串联电路形式的中压保护电路共同构成。

本发明的另一个目的是提供一种R波检测方法，包括以下步骤：

首先对输入信号进行微分；

接着预设一个第一门限阈值，所述第一门限阈值根据输入信号微分峰值的大小自动调整；

如果输入信号经微分电路处理后大于第一门限阈值时，接着再对微分信号过零点进行判断并输出。

优选地，在所述对微分信号过零点进行判断并输出之前，还包括以下防止误检测过程：在微分后的输出大于预设的第一门限阈值时，且延时t0秒的时间内，微分信号过零点输出才有效，否则无效。

优选地，在对心电信号进行预处理和微分之间还包括对信号取绝对值，正的信号正常通过，负的信号翻转。

优选地，对信号进行微分之前还包括以下步骤：

预设一个第二门限阈值，所述第二门限阈值根据心电信号微分峰值的大小自动调整；

大于设定的第二门限阈值的输入信号允许通过，小于等于第二门限阈值的输入信号被置零。

本发明的另一个目的是提供一种除颤器，包括R波检测电路和电击电路，所述电击电路根据R波检测电路输出来触发电击。

上述技术方案可以看出，本发明实施例对通过过零检测输出，提高了R波检测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术R波检测电路示意图。

图2是本发明实施例R波检测电路示意图。

图3是本发明实施例绝对值电路示意图。

图4是本发明实施例阈值控制器示意图。

图5是本发明实施例差分及半波整流电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种R波检测电路、方法以及除颤，通过过零检测输出，提高R波检测的精度。通过峰值检测结合过零检测，有效地避免大P波和大T波的影响，使得通过心电信号基线切割，有效避免高频噪声影响。

以下结合附图分别进行详细说明。

为了解决检测精度低的问题，本发明的基本构思为：因为信号经过微分后，原来的波峰点正好落在微分后的过零点上。所以在微分后的过零点处输出R波标记，就可以提高检测的精度。同时为了解决大P波和大T波的影响，避免其它过零点被误检，本发明的基本构思为：因为大P波或大T波在幅度部分与R波有重叠，但是大P波和大T波的波形间期较宽，信号微分后从波峰到过零点的间期也比较宽，因此可以在峰值检测后增加一段延时t0，仅当在这段延时的时间t0内，过零检测输出R波位置，才触发输出R波标记，就可以有效地抑制大P波和大T波的影响。

如图2所示，一种R波检测电路，包括心电放大电路1、微分电路6、过零比较电路7、阈值控制器5、峰值比较器8和门控电路9，心电放大电路1与微分电路6输出、过零比较电路7输入顺序连接，微分电路6输出与阈值控制器5输入连接，微分电路6输出和阈值控制器5输出与峰值比较器8的两个输入端连接，峰值比较器8输出和过零比较电路7输出连接到门控电路9输入；其中心电放大电路1对输入的心电信号进行滤波、放大处理；微分电路6对输入心电信号进行微分处理；过零比较电路7检测微分信号过零点；阈值控制器5根据信号微分峰值的大小自动调整第一门限阈值大小和第二门限阈值大小，第一门限阈值大小为信号峰值的1/3--2/3，第二门限阈值大小为信号峰值的1/5--1/3；峰值比较器进行如下判断：微分电路6输出如果大于阈值控制器5设定的第一门限阈值时，启动过零比较电路7检测过零点并输出，进一步如果微分电路6输出如果大于阈值控制器5设定的第一门限阈值时，峰值比较器8通过RC电路产生t0延时，启动时间长度为t0的控制开关，并通过门控电路9控制过零比较电路7输出。其中t0优选12ms，门控电路9为与门。峰值比较器8和过零比较电路7产生最终的R波位置输出。微分后的信号幅度大于阈值控制器5设定的第一门限阈值时，并启动时间长度为t0的控制开关，即高电平信号。该开关控制有两个作用，一个作用为过零检测的启动开关，另一个作用是R波上升沿标记。开启过零检测后，在t0的时间内信号幅度过零时，过零检测电路输出R波位置标记。仅当R波上升沿标记和R波位置标记同时存在时，立即触发R波位置标记输出。

如图4为本发明阈值控制器实施例示意图。阈值控制器5是采用峰值保持器实现，峰值保持器由两级运放U3、U4构成，U3的输出和负极之间接有二极管D3，U3的输出通过二极管D4接到U4的正极，U3的负极和U4的负极之间接有电阻R6，U4输出通过R8、R9分压，U4的正极接有C1和R7构成的放电电路，处理后的心电信号从U3正端输入，峰值信号经过U3和D3构成的跟随器后，通过D4向C1充电，再经过由R6和U4构成的跟随器，经R8、R9分压后作为第一门限阈值输出，再经过分压作为第二门限阈值输出。C1和R7构成RC放电电路，保持的阈值会随着时间的增加而减小。阈值控制器5是采用峰值保持器实现的，它具有两个重要特性：一、如果输入的幅度比保持的阈值大，则更新阈值的大小；二、保持的阈值会随着时间的增加而减小。

在心电放大电路1和微分电路6之间还包括绝对值电路2，绝对值电路2对信号进行整形，正的信号正常通过，负的信号翻转。如图3所示是本发明实施例绝对值电路示意图。正信号到来时，D1截止，D2导通，U1和R1、R2构成一个反相器，U2与R3、R4、R5构成加法器，只要令R1=R2=R3=R4=2R5，输入信号和输出信号大小相等，极性相同。当负信号输入时，D1导通，D2截止，U1在电路中不起作用，U2和R3、R4构成的反相器，令R3=R4，输入信号和输出信号大小相等，极性相反。整体上相当于对输入信号取绝对值。绝对值电路2对信号进行整形，其特点为正的信号正常通过，负的信号翻转。将正负的心电信号统一为正的心电信号，简化后级检测电路。

在绝对值电路2和微分电路6之间还包括一个顺序连接的差分电路3和半波整流电路4，差分电路3的两个输入分别来自绝对值电路2和阈值控制器5的第二门限阈值输出，只有大于阈值控制器5设定的第二门限阈值的信号，才能通过，小于第二门限阈值的信号被置零。如图5所示，U5和R10、R11、R12、R13构成差分电路，当绝对值后的信号大于设定的阈值时，U5输出正信号，D5导通，U6构成跟随器。当绝对值后的信号小于设定的阈值时，U5输出负信号，D5截止，U6不起作用，信号被低阻抗的R14钳位在零。由差分电路和半波整流电路构成了一个门限的功能。它具有两个重要的特性：一、门限的阈值基准与阈值控制器的输出相关联，故而阈值的大小和心电输入信号的峰值相关联，从而能够根据心电信号的幅度自动调整阈值。二、只有大于第二门限阈值的心电输入信号，才能顺利通过，小于等于第二门限阈值被置零。通过心电信号基线切割，有效避免高频噪声影响。

在心电放大电路之前还包括前置保护电路（图中未示出），用于限制输入信号幅度。前置保护电路由氖泡构成的高压保护电路和由两个背对背的稳压管接成串联电路形式的中压保护电路共同构成。

本发明还公开了一种R波检方法，包括以下步骤：

首先对输入信号进行微分；

接着预设一个第一门限阈值，所述第一门限阈值根据输入信号微分峰值的大小自动调整；

如果输入信号经微分电路处理后大于第一门限阈值时，接着再对微分信号过零点进行判断并输出。

进一步，在所述对信号过零点进行判断并输出之前，还包括以下防止误检测过程：在微分后的输出大于预设的第一门限阈值时，且延时t0秒的时间内，过零点位置输出才有效，否则无效。

在对心电信号微分之前还包括对信号取绝对值，正的信号正常通过，负的信号翻转。

在对信号进行微分之前还包括以下步骤：

预设一个第二门限阈值，所述第二门限阈值根据心电信号微分峰值的大小自动调整；

大于设定的第二门限阈值的输入信号允许通过，小于等于第二门限阈值的输入信号被置零。

本发明还公开了一种除颤器，包括R波检测电路、电击电路，电击电路根据R波检测电路输出来触发电击。

用于上述R波检测的电路和办法，可以有效避免高频噪声微分阈值检测方法的影响，可以有效地避免大P波和大T波的影响，极大地提高检测精度，将R波位置的精度误差控制在±1毫秒。

以上对本发明实施例所提供的方案，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种R波检测电路，包括微分电路、阈值控制器和峰值比较器，微分电路输出与阈值控制器输入连接，微分电路输出和阈值控制器输出与峰值比较器的两个输入端连接，其中，微分电路对输入心电信号进行微分处理，阈值控制器根据输入信号微分峰值的大小自动调整第一门限阈值，其特征在于，还包括过零比较电路，所述微分电路输出与过零比较电路输入连接，峰值比较器一路输出和过零比较电路控制端连接；过零比较电路检测微分信号过零点；峰值比较器进行判断：微分电路输出如果大于阈值控制器设定的第一门限阈值时，启动过零比较电路检测过零点并输出。

2.根据权利要求1所述的R波检测电路，其特征在于，还包括门控电路，峰值比较器另一路输出和过零比较电路输出连接到门控电路输入，微分电路输出如果大于阈值控制器设定的第一门限阈值时，峰值比较器启动时间长度为t0的控制开关，并通过门控电路控制过零比较电路输出。

3.根据权利要求1所述的R波检测电路，其特征在于，所述阈值控制器包括两级负反馈运放级联，在第二级运放正极接有RC并联放电电路。

4.根据权利要求1所述的R波检测电路，其特征在于，在微分电路之前还包括绝对值电路，所述绝对值电路对信号进行整形，正的信号正常通过，负的信号翻转。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的R波检测电路，其特征在于，在微分电路之前还包括一个顺序连接的差分电路和半波整流电路，差分电路的两个输入分别来自心电信号输入和阈值控制器的第二门限阈值输出，只有大于阈值控制器设定的第二门限阈值的信号，才能通过，小于等于第二门限阈值的信号被置零。

6.一种R波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先对输入信号进行微分；

接着预设一个第一门限阈值，所述第一门限阈值根据输入信号微分峰值的大小自动调整；

如果输入信号经微分电路处理后大于第一门限阈值时，接着再对微分信号过零点进行判断并输出。

7.根据权利要求6所述的R波检测方法，其特征在于，在所述对微分信号过零点进行判断并输出之前，还包括以下防止误检测过程：在微分后的输出大于预设的第一门限阈值时，且延时t0秒的时间内，微分信号过零点输出才有效，否则无效。

8.根据权利要求6或7所述的R波检测方法，其特征在于，在对心电信号微分之前还包括对信号取绝对值，正的信号正常通过，负的信号翻转。

9.根据权利要求6或7所述的R波检测方法，其特征在于，在所述对信号进行微分之前还包括以下步骤：

预设一个第二门限阈值，所述第二门限阈值根据心电信号微分峰值的大小自动调整；

大于设定的第二门限阈值的输入信号允许通过，小于等于第二门限阈值的输入信号被置零。

10.一种除颤器，其特征在于，包括权利要求1至5任意一项所述的R波检测电路和电击电路，所述电击电路根据R波检测电路输出来触发电击。

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