CN104305990A - 一种微型偶发心率失常记录仪及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种微型偶发心率失常记录仪，其采用标准导联，得到标准的心电信号，并且这些信号经过处理后可直接用于诊断分析。其包括信号采集模块、信号存储模块、U盘模块、供电模块，信号采集模块包括第一金属电极、第二金属电极、心电放大电路、A/D转换器，信号存储模块包括单片机、USB接口芯片，U盘模块包括控制数据读写芯片、FLASH芯片，在第一、第二金属电极之间设有绝缘体，第一、第二金属电极和绝缘体作为该记录仪的外壳，第一、第二金属电极分别与人的左、右手接触，心率信号依次通过心电放大电路、A/D转换器、单片机、USB接口芯片、控制数据读写芯片、FLASH芯片，供电模块为心电放大电路、单片机、U盘模块供电。还提供了该记录仪的数据处理方法。

Description

一种微型偶发心率失常记录仪及其数据处理方法

技术领域

本发明涉及医疗器械的技术领域，尤其涉及一种微型偶发心率失常记录仪，以及该记录仪的数据处理方法。

背景技术

偶发和疑似偶发心律失常在临床中十分常见，必须及早诊断并正确干预治疗方能解决问题。但患者异常心电往往一闪而过，一次心电图检测很难捕捉到有效的诊断依据。目前主要的诊断及排除疑似的方法就是长期反复使用24小时心电图(Holter)进行监测捕捉偶发心律失常事件，但是此方法需要黏贴电极片并且长时间处于负荷状态，不适于对老年等特殊患者使用。若仅以临床症状就诊断心律失常事件存在并施以干预治疗，则明显存在医疗安全隐患，易发生事故。

目前市场上也有可随身携带的心率失常记录仪，但是其采用的是非标准导联，得到的心电图形也是不标准的波形，后期分析后用于诊断的不确定性大。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种微型偶发心率失常记录仪，其采用标准导联，得到标准的心电信号，并且这些信号经过处理后可直接用于诊断分析。

本发明的技术方案是：这种微型偶发心率失常记录仪，其包括信号采集模块、信号存储模块、U盘模块、供电模块，信号采集模块包括第一金属电极、第二金属电极、心电放大电路、A/D转换器，信号存储模块包括单片机、USB接口芯片，U盘模块包括控制数据读写芯片、FLASH芯片，在第一、第二金属电极之间设有绝缘体，第一、第二金属电极和绝缘体作为该记录仪的外壳，第一、第二金属电极分别与人的左、右手接触，心率信号依次通过心电放大电路、A/D转换器、单片机、USB接口芯片、控制数据读写芯片、FLASH芯片，供电模块为心电放大电路、单片机、U盘模块供电。

由于这种微型偶发心率失常记录仪采用的是第一、第二金属电极分别与人的左、右手接触的标准导联，是以两手间的电位差为所获取的体表心电，反映左手与右手的电位差，当左手的电位高于右手时，便描记出一个向上的波形，当右手的电位高于左手时，则描记出一个向下的波形，所以能够得到标准的心电信号，并且这些信号经过处理后可直接用于诊断分析。

还提供了该记录仪的数据处理方法，对从该记录仪获得的数据通过QRS波识别算法、R波识别算法、P波和T波识别算法进行处理。

附图说明

图1为根据本发明的微型偶发心率失常记录仪的电路方框图。

图2为根据本发明的标准导联的连接图。

图3为根据本发明的50Hz交流电干扰的等效模型电路。

图4为有效抑制图3的干扰的等效模型。

图5为根据本发明的微型偶发心率失常记录仪的供电模块的电路方框图。

图6为根据本发明的微型偶发心率失常记录仪的切换电路的电路方框图。

图7为根据本发明的微型偶发心率失常记录仪的实现电脑查询的电路方框图。

图8为根据本发明的微型偶发心率失常记录仪的整体结构示意图。

图9为根据本发明的微型偶发心率失常记录仪的右视图。

具体实施方式

如图1-2、8所示，这种微型偶发心率失常记录仪，其包括信号采集模块、信号存储模块、U盘模块、供电模块，信号采集模块包括第一金属电极1、第二金属电极3、心电放大电路、A/D转换器，信号存储模块包括单片机、USB接口芯片，U盘模块包括控制数据读写芯片、FLASH芯片，在第一、第二金属电极之间设有绝缘体2，第一、第二金属电极和绝缘体作为该记录仪的外壳，第一、第二金属电极分别与人的左、右手接触，心率信号依次通过心电放大电路、A/D转换器、单片机、USB接口芯片、控制数据读写芯片、FLASH芯片，供电模块为心电放大电路、单片机、U盘模块供电。

由于这种微型偶发心率失常记录仪采用的是第一、第二金属电极分别与人的左、右手接触的标准导联，是以两手间的电位差为所获取的体表心电，反映左手与右手的电位差，当左手的电位高于右手时，便描记出一个向上的波形，当右手的电位高于左手时，则描记出一个向下的波形，所以能够得到标准的心电信号，并且这些信号经过处理后可直接用于诊断分析。

优选地，如图3所示，所述心电放大电路对50Hz交流电的等效电路为：交流电电流依次流过左手接触电阻Ze1、心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd、右手接触电阻Ze2；如图4所示，在该等效电路中加入抗干扰电路，抗干扰电路包括串联的第一恒流源、第二恒流源，第一恒流源的正极连接在左手接触电阻Ze1、心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd之间，第二恒流源的负极连接在心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd、右手接触电阻Ze2之间。

50Hz交流电感应电流依次流过左手接触电阻Ze1、心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd、右手接触电阻Ze2，造成50Hz交流电由共模信号转换为差模信号从而形成干扰，在该等效电路中加入包括两恒流源的抗干扰电路后能够抑制50Hz交流电造成的干扰。本记录仪采用的是两电极式的心电采集方式，由于缺少右腿驱动电路的第三电极，所以容易引起50HZ交流电干扰。因此分析上述50HZ交流电干扰模型，设计高输入阻抗、高共模抑制比、高抗干扰能力电路是两电极式心电记录系统的关键电路部分。

50Hz交流电的干扰是影响微弱电生理信号检测的主要原因之一，它会使系统的信噪比下降，甚至会淹没微弱的有用心电信号。虽然在过去多年的研究中已经提出过多种检测电路和软件算法，但是所得检测结果并不十分满意。尤其是当检测环境处于干扰源距离被检测者很近的时候，一般的抗干扰措施是效果很差的。当处于强烈干扰条件下，放大器的输出已经达到或接近饱和状态，必须通过改进硬件电路以得到不失真的信号。

50Hz工频干扰引入的途径主要是①输入导联的磁场感应；②在导联输入阶段的分布感应电流Id1,Id2；③人体上的分布感应电流Id；④由于放大器有限的共模抑制比(CMRR)和共模输入阻抗的不平衡造成的共模电压影响。其等效模型电路可以表示为图3所示。

Ve为50Hz的交流电源，Cb、Cp是交流电与人体之间的等效感应电容，Ze1、Ze2是输入电极与人体皮肤之间的接触阻抗，Zg是放大器的参考电极与人体皮肤之间的接触阻抗，Zd是放大器的差模输入阻抗，Zc是放大器的共模输入阻抗，Ziso是放大器与大地之间的等效阻抗。期望获得的人体电生理信号将以差模信号的形式在Zd两端获得，而50Hz交流电干扰信号将以共模信号形式出现在Zd两端。Ca1、Ca2为交流电与导联线之间的等效感应电容。如果放大器不是隔离放大器，那么放大器的信号地将与大地连接在一起，Ziso将为完全导通的状态。

50Hz交流电通过与人体之间的等效感应电容Cb、Cp以及输入导联Ca1、Ca2在人体与放大器的信号地之间形成的分布感应电流(即Id1+Id2和Id)在Zg两端表现为共模电压Vcm。虽然放大器采用共模抑制比CMRR很高的器件，但由于放大器输入回路阻抗匹配失衡，其有效共模抑制比(effectiveCMRR)却很低。共模电压Vcm并没有如预期那样得到抑制，部分共模电压被转化成差模电压放大。

50Hz交流电通过交流电与导联线之间的等效感应电容Ca1、Ca2会有微弱电流流过导联线和Ze1、Ze2而形成干扰，一般在3米长的导联线上会形成6nA的电流。通过将导联线和电极加装适当的屏蔽层，并且将导联线铰接，可以将导联输入阶段的分布感应电流和磁场感应造成的干扰比较有效地抑制。所以干扰主要是由在人体上的分布感应电流Id造成的。

这里提出一种能够抑制50Hz交流干扰的生物电放大器的等效模型，其中Zc1,Zc2为放大器两输入端对应的共模阻抗，如图4所示。

为降低Vcm幅度，电路中采用共模电压Vcm控制恒流源的办法。共模电压Vcm在仪表放大器共模输入电阻Zc1和Zc2上产生电流分别为I1、I2，而共模电压Vcm控制恒流源在共模输入电阻Zc1和Zc2上产生电流分别为I1’、I2’。两者电流方向相反，从而在Vcm幅度一定的情况下减小了仪表放大器等效的共模输入阻抗，因此最终在仪表放大器上体现的共模电压远小于原来的Vcm。

优选地，如图5-6所示，所述供电模块包括供电电路、备用电路、切换电路，供电电路包括相连的电池和充电芯片，备用电路包括相连的备用电池和充电芯片，切换电路包括比较器和开关，比较器的两个输入端分别连接供电电路的充电芯片、基准电压，比较器的输出端连接到开关，供电电路和备用电路的充电芯片均连接开关。这样能够实现在电力缺失的情况下仍然稳定提供正常工作电压的电源系统，以保证记录系统存储电路能够在正常工作电压和足够系统运行时间下将数据存储完毕。在实际使用过程中，突然断电、电池电力不足或者上电后忘关电源等情况十分常见，往往造成记录系统不能正常工作，使记录系统数据完全丢失或数据文件损坏。根据前期试验数据，在出现突然断电或电池电力不足情况时，要求系统的供电电路能够稳定提供正常工作电压，且稳定提供正常工作电压的持续时间不小于50ms，以保证记录系统存储电路能够在正常工作电压和足够系统运行时间下将数据存储完毕。拟在系统中设计一个具有不间断供电功能(UPS)的电路，以实现在电力缺失的情况下仍然能够稳定提供正常工作电压的电源系统，以保证记录系统存储电路能够在正常工作电压和足够系统运行时间下将数据存储完毕。

优选地，所述信号存储模块还包括实时时钟芯片，其连接单片机。传统记录系统仅仅记录各种数据而不能够记录此事件发生的具体日期和时间，至多能够记录开始记录的相对时间。这对医生分析患者的病情发生规律、发病原因等因素十分不利，因此在本发明中设计了能够记录标准日期和时间的功能。在信号存储模块中再添加一块实时时钟芯片，专门用作时间的记录。

优选地，如图7所示，该记录仪还包括电子开关，其分别与信号存储模块、U盘模块连接，并且其还与电脑的USB端口连接。也就是该部分相当于图7中的查询模块。记录仪不使用现成的U盘，而是自选芯片来实现其储存数据的功能，将U盘集成到了整个系统内，使得整个系统集成化、小型化、便携化。该模块主要由控制芯片和Flash芯片构成，其中控制芯片是控制数据读写的主控芯片，是U盘的“大脑”，负责U盘模块中Flash芯片对数据的读写。Flash芯片是用于存储的芯片，能为该模块提供一个存储数据的空间，使数据在控制芯片的作用下最终写入Flash。

当记录仪外接一根USB线时医生可以很方便的通过PC机直接查看存储在U盘模块中的数据，从而对记录的心电信息进行分析与诊断。记录仪内置有一个电子开关，当检测到USB端口接入时，电子开关将U盘端与PC机端连接，同时断开U盘端与存储模块端的连接。将U盘端与PC机端连接是为了通过PC机直接查阅U盘中存储的人体心电数据，而断开U盘端与存储模块端的连接是为了避免在使用PC机查询数据时，存储模块又向U盘中写入新的数据导致系统出现冲突等问题。

优选地，如图9所示，所述外壳的侧壁具有凹槽，在凹槽上设有连接所述供电模块的总开关4。这样防止用户不小心碰到总开关，只有在使用时才会开启该记录仪。

还提供了该记录仪的数据处理方法，对从该记录仪获得的数据通过QRS波识别算法、R波识别算法、P波和T波识别算法进行处理。因为两电极测出的是缺损的人体心电信号，且又是非常微弱的生物医学信号，大约几毫伏，容易受到诸多外界噪声的干扰，比如人体皮肤移动、肌电伪迹、呼吸等干扰问题，因此从心电信号中有效消除肌电伪迹具有重要的临床意义。许多方法被用来提高对QRS波检测的精确度，其中小波变换是应用最为广泛的一种技术。本记录仪可以采用Mallat快速算法获取原始心电信号在不同尺度上的小波分量度上的小波分解量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种微型偶发心率失常记录仪，其特征在于：其包括信号采集模块、信号存储模块、U盘模块、供电模块，信号采集模块包括第一金属电极(1)、第二金属电极(3)、心电放大电路、A/D转换器，信号存储模块包括单片机、USB接口芯片，U盘模块包括控制数据读写芯片、FLASH芯片，在第一、第二金属电极之间设有绝缘体(2)，第一、第二金属电极和绝缘体作为该记录仪的外壳，第一、第二金属电极分别与人的左、右手接触，心率信号依次通过心电放大电路、A/D转换器、单片机、USB接口芯片、控制数据读写芯片、FLASH芯片，供电模块为心电放大电路、单片机、U盘模块供电。

2.根据权利要求1所述的微型偶发心率失常记录仪，其特征在于：所述心电放大电路对50Hz交流电的等效电路为：交流电电流依次流过左手接触电阻Ze1、心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd、右手接触电阻Ze2；在该等效电路中加入抗干扰电路，抗干扰电路包括串联的第一恒流源、第二恒流源，第一恒流源的正极连接在左手接触电阻Ze1、心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd之间，第二恒流源的负极连接在心电放大电路的放大器的差模输入阻抗Zd、右手接触电阻Ze2之间。

3.根据权利要求1所述的微型偶发心率失常记录仪，其特征在于：所述供电模块包括供电电路、备用电路、切换电路，供电电路包括相连的电池和充电芯片，备用电路包括相连的备用电池和充电芯片，切换电路包括比较器和开关，比较器的两个输入端分别连接供电电路的充电芯片、基准电压，比较器的输出端连接到开关，供电电路和备用电路的充电芯片均连接开关。

4.根据权利要求1所述的微型偶发心率失常记录仪，其特征在于：所述信号存储模块还包括实时时钟芯片，其连接单片机。

5.根据权利要求1所述的微型偶发心率失常记录仪，其特征在于：该记录仪还包括电子开关，其分别与信号存储模块、U盘模块连接，并且其还与电脑的USB端口连接。

6.根据权利要求1所述的微型偶发心率失常记录仪，其特征在于：所述外壳的侧壁具有凹槽，在凹槽上设有连接所述供电模块的总开关(4)。

7.一种根据权利要求1所述的微型偶发心率失常记录仪的数据处理方法，其特征在于：对从该记录仪获得的数据通过QRS波识别算法、R波识别算法、P波和T波识别算法进行处理。