CN103110415B - 起搏信号检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种起搏信号检测装置及方法。本发明的有益效果是本发明的起搏信号检测装置及方法利用起搏信号类似脉冲信号，理想情况下其频谱包含所有频率的特点，通过提取起搏信号在某一目标频率的幅度谱，再对该幅度谱进行适当变换以便后续的阈值检测，可以有效提高弱起搏信号检测能力和抗干扰能力。

Description

起搏信号检测装置及方法

技术领域

本发明涉及信号检测装置及方法，尤其涉及起搏信号检测装置及方法。

背景技术

起搏心电图是指植入人工心脏起搏器后记录的体表心电图。起搏心电图的记录与正常心电图记录要求大致相同，但要注意使心脏起搏脉冲信号能清楚地显示出来。常用的起搏脉冲宽度为0.4~0.5mS，在纸速为25mm/S的心电图上，起搏器脉冲是一个与心电图等电位线(基线)垂直的极短的线状电信号，或称线状波，也称钉样标志，命名为S信号，其振幅(电压)在各个导联上差别较大。起搏脉冲发生器按程控的周期有规律地发放电脉冲，刺激心脏搏动，因此刺激脉冲信号在体表心电图上的出现有一定的规律。

S信号是识别起搏心电图的重要依据。根据S信号出现的频率确定起搏频率，根据其刺激部位确定起搏心腔，根据S信号后有无应激的心房和/或心室波而判定是否为有效起搏。

由于起搏脉冲宽度一般都比较窄，心电信号的采样频率难以采集。目前业界普遍采用高采样频率的专门起搏信号通道采集，经过起搏信号检测算法确定是否存在起搏信号；若存在，则在心电信号的相应位置进行标志，心电采集通道与起搏采集通道关系如图1所示。目前常用的起搏信号检测算法，利用起搏信号斜率大的特点，对起搏信号直接进行差分处理；由于背景噪声的存在，该方法存在如下问题：1、对于幅度低、宽度窄的弱起搏信号，容易漏检；2、容易将干扰信号当作起搏脉冲信号检测出来。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种起搏信号检测装置。

本发明提供了一种起搏信号检测装置，包括信号采集单元和中央处理单元；

所述信号采集单元，用于接收生理信号、并将生理信号模拟量转换为数字量；

所述中央处理单元包括：

信号预处理单元，与所述信号采集单元相连、且用于对获取的信号进行数字高通滤波和数字低通滤波；

幅度计算单元，与所述信号预处理单元相连、且用于提取信号预处理单元的波形在目标频率处的幅度谱；

差分处理单元，与所述幅度计算单元相连、且用于对得到的幅度进行差分处理；

平方/绝对值单元，与所述差分处理单元相连，且用于对差分处理单元输出的信号进行平方或绝对值处理，从而将差分结果中的正向和负向脉冲波统一成正向波；

积分单元，与所述平方/绝对值单元相连，且用于对平方/绝对值单元输出的信号进行积分处理，从而将正向和负向脉冲的绝对值输出融合为一个整体；

阈值比较单元，与所述积分单元相连，且用于将积分单元输出的信号与预设定的阈值进行比较，将符合规定的原始起搏信号进行输出。

作为本发明的进一步改进，所述幅度计算单元利用滑动离散傅立叶变换技术提取信号预处理单元的波形在目标频率处的幅度谱。

作为本发明的进一步改进，所述积分单元采用平均滤波器实现积分处理。

作为本发明的进一步改进，在所述阈值比较单元中，若积分单元的积分输出值超过预设定的阈值，那么将对应采集的原始起搏信号进行输出。

作为本发明的进一步改进，所述信号采集单元包括：

前置低通滤波器，用于限制频带以外的高频噪声能量；

差分放大单元，与所述前置低通滤波器相连，且用于将所述前置低通滤波器传输的信号进行差分放大处理；

模数转换单元，与所述差分放大单元相连，且用于将所述差分放大单元传输的信号进行模拟量到数字量的转换；

所述模数转换单元输出端与所述信号预处理单元输入端相连。

作为本发明的进一步改进，该起搏信号检测装置还包括用于采集人体生理信号的生理信号采集单元，所述生理信号采集单元输出端与所述前置低通滤波器输入端相连。

作为本发明的进一步改进，所述生理信号采集单元包括电极和导联线单元。

本发明还提供了一种起搏信号检测方法，包括如下步骤：

A.信号采集，用于接收生理信号、并将生理信号模拟量转换为数字量；

B. 信号预处理，用于对获取的信号进行数字高通滤波和数字低通滤波；

C. 幅度计算，用于提取信号预处理步骤波形在目标频率处的幅度谱；

D. 差分处理，用于对得到的幅度进行差分处理；

E. 平方/绝对值处理，用于将差分处理步骤输出的信号进行平方或绝对值处理，从而将差分结果中的正向和负向脉冲波统一成正向波；

F. 积分处理，用于将平方/绝对值处理步骤中输出的信号进行积分处理，从而将正向和负向脉冲的绝对值输出融合为一个整体；

G. 阈值比较，用于将积分处理步骤中的积分输出结果与预设定的阈值进行比较，将符合规定的原始起搏信号进行输出。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤C中，利用滑动离散傅立叶变换技术提取信号预处理步骤波形在目标频率处的幅度谱。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤G中，积分处理步骤中的积分输出结果与预设定的阈值进行比较，积分输出值超过预设定的阈值，那么将对应采集的原始起搏信号进行输出；所述输出包括存储、打印或者标记。

本发明的有益效果是：本发明的起搏信号检测装置及方法利用起搏信号类似脉冲信号，理想情况下其频谱包含所有频率的特点，通过提取起搏信号在某一目标频率的幅度谱，再对该幅度谱进行适当变换以便后续的阈值检测，可以有效提高弱起搏信号检测能力和抗干扰能力。

附图说明

图1为高采样率起搏信号通道与心电通道之间的关系图。

图2是本发明的起搏信号检测装置原理框图。

图3是本发明的起搏信号检测方法流程图。

图4为本发明的信号采集单元得到的波形。

图5为本发明的信号预处理单元得到的波形。

图6为本发明的幅度计算单元得到的波形。

图7为本发明的差分处理单元得到的波形。

图8为本发明的平方/绝对值单元得到的波形。

图9为本发明的积分单元得到的波形。

图10为本发明的积分单元波形与阈值进行比较图。

图11为本发明原始信号与起搏信号标志。

具体实施方式

如图2所示，本发明公开了一种起搏信号检测装置，包括信号采集单元20和中央处理单元30。

所述信号采集单元20，用于接收生理信号、并将生理信号模拟量转换为数字量。

中央处理单元30包括：

信号预处理单元31，与所述信号采集单元20相连、且用于对获取的信号进行数字高通滤波和数字低通滤波；该信号预处理单元31能够抑制心电信号频带及50/60Hz工频干扰、基线漂移、肌电干扰，突出所需提取幅度频率(目标频率)的信号；如图5所示，信号预处理单元31得到的波形可以看出，除了起搏信号外，其他成分均被大幅衰减抑制；在高采样频率的起搏信号通道，为了减小运算量，我们采用如下传递函数分别实现数字高通滤波和数字低通滤波；

式中，表示一阶延迟；N表示该滤波处理所需点数，由系统采样频率和滤波器3dB截止频率决定。

式中，表示一阶延迟；N表示该滤波处理所需点数，由系统采样频率和滤波器3dB截止频率决定。

幅度计算单元32，与所述信号预处理单元31相连、且用于提取信号预处理单元31的波形在目标频率处的幅度谱；

差分处理单元33，与所述幅度计算单元32相连、且用于对得到的幅度进行差分处理；在实际使用时，为了防止复杂电磁环境下采集的原始信号中混入与目标频率同频的单正弦，我们对得到的幅度进行差分处理，即当前点的幅度与其上一点幅度进行差分处理。如果原始信号中混入与目标频率同频的单正弦，幅度计算单元32输出会叠加一个直流偏置；经过差分处理单元33处理即可消除该直流偏置，便于后续的阈值比较。差分处理的传递函数如下所示：

式中，表示一阶延迟。

图7为图6信号经差分处理单元33处理的结果，可以看出，差分输出的基线在0附近，差分处理单元33的差分方程如下：

式中，表示当前时刻输入信号；表示上一时刻输入信号；表示当前时刻输入信号与上一时刻输入信号之差，为系统输出。

平方/绝对值单元34，与所述差分处理单元33相连，且用于对差分处理单元33输出的信号进行平方或绝对值处理，从而将差分结果中的正向和负向脉冲波统一成正向波；图8是图7的绝对值处理结果。

积分单元35，与所述平方/绝对值单元34相连，且用于对平方/绝对值单元34输出的信号进行积分处理，从而将正向和负向脉冲的绝对值输出融合为一个整体，这样后续的阈值不至于将同一个起搏信号输出多次标志；

阈值比较单元36，与所述积分单元35相连，且用于将积分单元35输出的信号与预设定的阈值进行比较，将符合规定的原始起搏信号进行输出。

所述幅度计算单元32利用滑动离散傅立叶变换技术提取信号预处理单元31的波形在目标频率处的幅度谱。滑动离散傅立叶变换（SDFT）采用递推运算，充分考虑前一时刻与后一时刻信号的相似性，降低了计算量，同时可以有选择地计算所需要的频谱，使信号的谱分析更为高效。SDFT的传递函数如下所示：

式中，表示一阶延迟；N表示将单位圆所分的点数；m表示目标频率在单位圆N等份中所处的位置。

SDFT的差分方程如下：

式中，表示当前时刻输入信号；表示当前时刻N点之前的输入信号；为系统当前时刻输出，为系统上一时刻输出。

选择目标频率的基本原则是：该频点位于心电信号频带之外，同时最好避开50/60Hz工频干扰及其各次谐波，并且该频点与采样频率成比例关系。图6为图5信号的幅度谱，可以看出，起搏信号得到进一步增强，其他成分则进一步衰减。

在高采样频率的起搏信号通道，所述积分单元35采用平均滤波器实现积分处理。

平均滤波器的传递函数如下：

平均滤波器的差分方程如下：

式中，表示当前时刻输入信号；表示当前时刻N点之前的输入信号；为系统当前时刻输出，为系统上一时刻输出。

在所述阈值比较单元36中，若积分单元35的积分输出值超过预设定的阈值，那么将对应采集的原始起搏信号进行输出，该输出包括存储、打印、标记。

所述信号采集单元20包括：

前置低通滤波器21，用于限制频带以外的高频噪声能量，防止采样出现混叠失真；

差分放大单元22，与所述前置低通滤波器21相连，且用于将所述前置低通滤波器21传输的信号进行差分放大处理，滤除共模信号，并通过放大保证后续的模数转换精度；

模数转换单元23，与所述差分放大单元22相连，且用于将所述差分放大单元22传输的信号进行模拟量到数字量的转换。

所述模数转换单元23输出端与所述信号预处理单元31输入端相连，将人体生理信号等模拟信号量转换为数字信号量。

该起搏信号检测装置还包括用于采集人体生理信号的生理信号采集单元10，所述生理信号采集单元10输出端与所述前置低通滤波器21输入端相连。

所述生理信号采集单元10包括电极和导联线单元11，电极一般为肢体夹、胸导吸球、电极片等导体，它与人体紧密接触以获取人体生理信号，并将人体生理信号传输给信号采集单元20，如图4所示，为信号采集单元20得到的波形，该波形包含人体心电信号、起搏脉冲、导联脱落判断载波以及干扰。

该生理信号包含人体心电信号、起搏脉冲以及干扰，通过本发明最后实现将符合规定的原始起搏信号进行输出。本发明检测的是起搏信号，所以是对植入了心脏起搏器的人进行检测。

如图3所示，本发明还公开了一种起搏信号检测方法，包括如下步骤：

步骤S1，信号采集，用于接收生理信号、并将生理信号模拟量转换为数字量；

步骤S2，信号预处理，用于对获取的信号进行数字高通滤波和数字低通滤波；

步骤S3，幅度计算，用于提取信号预处理步骤波形在目标频率处的幅度谱；

步骤S4，差分处理，用于对得到的幅度进行差分处理；

步骤S5，平方/绝对值处理，用于将差分处理步骤输出的信号进行平方或绝对值处理，从而将差分结果中的正向和负向脉冲波统一成正向波；

步骤S6，积分处理，用于将平方/绝对值处理步骤中输出的信号进行积分处理，从而将正向和负向脉冲的绝对值输出融合为一个整体；

步骤S7，阈值比较，用于将积分处理步骤中的积分输出结果与预设定的阈值进行比较，将符合规定的原始起搏信号进行输出。

在所述步骤S3中，利用滑动离散傅立叶变换技术提取信号预处理步骤波形在目标频率处的幅度谱。

在所述步骤S7中，积分处理步骤中的积分输出结果与预设定的阈值进行比较，积分输出值超过预设定的阈值，那么将对应采集的原始起搏信号进行输出；所述输出包括存储、打印或者标记。

本发明的起搏信号检测装置及方法的原理是：在检测幅度低、宽度窄的弱起搏信号时，采用高采样频率的起搏信号采集通道，利用起搏信号类似脉冲信号，理想情况下其频谱包含所有频率的特点，对经过高低通预处理后的信号进行SDFT变换，提取某一目标频率的幅度谱，该频率位于心电信号频带之外，同时最好避开50/60Hz工频干扰及其各次谐波，并且该频率与起搏信号采集通道采样频率成比例关系；再对该幅度谱进行适当变换以便后续的阈值检测。通过提取幅度谱，可以有效突出弱起搏信号，同时抑制背景噪声。

本发明的起搏信号检测装置及方法利用起搏信号类似脉冲信号，理想情况下其频谱包含所有频率的特点，通过提取起搏信号在某一目标频率的幅度谱，再对该幅度谱进行适当变换以便后续的阈值检测，可以有效提高弱起搏信号检测能力和抗干扰能力。

提高幅度低、宽度窄的弱起搏信号的检测能力；在复杂电磁环境下的抗干扰能力较强；所用的处理模块运算量小，便于实时、快速检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种起搏信号检测装置，其特征在于，包括信号采集单元（20）和中央处理单元（30）；

所述信号采集单元（20），用于接收生理信号、并将生理信号模拟量转换为数字量；

所述中央处理单元（30）包括：

信号预处理单元（31），与所述信号采集单元（20）相连、且用于对获取的信号进行数字高通滤波和数字低通滤波；

幅度计算单元（32），与所述信号预处理单元（31）相连、且用于提取信号预处理单元（31）的波形在目标频率处的幅度谱，该频率位于心电信号频带之外；

差分处理单元（33），与所述幅度计算单元（32）相连、且用于对得到的幅度进行差分处理；

平方/绝对值单元（34），与所述差分处理单元（33）相连，且用于对差分处理单元（33）输出的信号进行平方或绝对值处理，从而将差分结果中的正向和负向脉冲波统一成正向波；

积分单元（35），与所述平方/绝对值单元（34）相连，且用于对平方/绝对值单元（34）输出的信号进行积分处理，从而将正向和负向脉冲的绝对值输出融合为一个整体；

阈值比较单元（36），与所述积分单元（35）相连，且用于将积分单元（35）输出的信号与预设定的阈值进行比较，将符合规定的原始起搏信号进行输出。

2.根据权利要求1所述的起搏信号检测装置，其特征在于：所述幅度计算单元（32）利用滑动离散傅立叶变换技术提取信号预处理单元（31）的波形在目标频率处的幅度谱。

3. 根据权利要求2所述的起搏信号检测装置，其特征在于：所述积分单元（35）采用平均滤波器实现积分处理。

4. 根据权利要求3所述的起搏信号检测装置，其特征在于：在所述阈值比较单元（36）中，若积分单元（35）的积分输出值超过预设定的阈值，那么将对应采集的原始起搏信号进行输出。

5. 根据权利要求1至4任一项所述的起搏信号检测装置，其特征在于，所述信号采集单元（20）包括：

前置低通滤波器（21），用于限制频带以外的高频噪声能量；

差分放大单元（22），与所述前置低通滤波器（21）相连，且用于将所述前置低通滤波器（21）传输的信号进行差分放大处理；

模数转换单元（23），与所述差分放大单元（22）相连，且用于将所述差分放大单元（22）传输的信号进行模拟量到数字量的转换；

所述模数转换单元（23）输出端与所述信号预处理单元（31）输入端相连。

6. 根据权利要求5所述的起搏信号检测装置，其特征在于：该起搏信号检测装置还包括用于采集人体生理信号的生理信号采集单元（10），所述生理信号采集单元（10）输出端与所述前置低通滤波器（21）输入端相连。

7. 根据权利要求6所述的起搏信号检测装置，其特征在于：所述生理信号采集单元（10）包括电极和导联线单元（11）。

8. 一种起搏信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.信号采集，用于接收生理信号、并将生理信号模拟量转换为数字量；

B. 信号预处理，用于对获取的信号进行数字高通滤波和数字低通滤波；

C. 幅度计算，用于提取信号预处理步骤波形在目标频率处的幅度谱，该频率位于心电信号频带之外；

D. 差分处理，用于对得到的幅度进行差分处理；

E. 平方/绝对值处理，用于将差分处理步骤输出的信号进行平方或绝对值处理，从而将差分结果中的正向和负向脉冲波统一成正向波；

F. 积分处理，用于将平方/绝对值处理步骤中输出的信号进行积分处理，从而将正向和负向脉冲的绝对值输出融合为一个整体；

G. 阈值比较，用于将积分处理步骤中的积分输出结果与预设定的阈值进行比较，将符合规定的原始起搏信号进行输出。

9. 根据权利要求8所述的起搏信号检测方法，其特征在于：在所述步骤C中，利用滑动离散傅立叶变换技术提取信号预处理步骤波形在目标频率处的幅度谱。

10. 根据权利要求9所述的起搏信号检测方法，其特征在于：在所述步骤G中，积分处理步骤中的积分输出结果与预设定的阈值进行比较，积分输出值超过预设定的阈值，那么将对应采集的原始起搏信号进行输出；所述输出包括存储、打印或者标记。