CN104586384B - 一种心电信号实时心率检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种心电信号实时心率检测方法及系统，方法包括步骤：S1、将接收到的模拟心电信号转化为数字心电信号；S2、对数字心电信号中的导联II信号进行预处理；S3、根据预处理后的导联II信号得到RR间隔；S4、根据RR间隔计算心率；S5、输出计算得到的心率。系统包括：用于接收模拟心电信号的输入装置；用于将模拟心电信号转换为数字心电信号的A/D转换器；用于对数字心电信号中的导联II信号进行预处理的预处理模块；用于根据预处理后的导联II信号获取RR间隔的R波检测模块；用于根据RR间隔计算心率的计算模块；用于输出心率的输出模块。实施本发明能克服现有技术心电信号心率检测中噪声的干扰，在较大精确度检测心率的同时满足实时性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，特别涉及一种心电信号实时心率检测方法及系统。
背景技术
心率是表明身体运动和机能的重要指标，也是心电信号所提供的最基本信息。目前对心率检测的方法大多采用检测心电信号中R波的位置，计算RR间隔，然后通过相应的公式计算得到心率，但由于采集过程中噪声的干扰以及一些疾病本身R波位置不明显，心率检测方法仍有待提高，一些复杂的算法虽然能比较精确的检测R波，但所需时间较长，实时性不好，影响其在临床上的使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术心电信号心率检测中噪声的干扰，以及不能满足检测过程实时性的要求，提供一种心电信号实时心率检测方法及系统，在较大精确度检测心率的同时满足实时性的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种心电信号实时心率检测方法，所述方法包括如下步骤：
S1、将接收到的模拟心电信号转化为数字心电信号；
S2、对所述数字心电信号中的导联II信号进行预处理；
S3、根据预处理后的导联II信号检测得到当前的RR间隔；
S4、根据所述检测得到的RR间隔计算心率；
S5、输出计算得到的心率；
所述步骤S2包括：
S21、对所述数字心电信号中的导联II信号先后进行低通滤波和高通滤波；
S22、对滤波处理后的导联II信号进行差分处理；
S23、对差分处理后的导联II信号进行平方处理；
S24、对平方处理后的导联II信号进行移动平均处理。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述步骤S3包括：
S31、对所述步骤S2中进行预处理后的导联II信号的参数进行初始化，所述参数包括所述步骤S2中进行预处理后的导联II信号的最大波峰值、信号峰值、噪声峰值、初始化RR间隔、处理信号的前一个峰值；
S32、获取所述预处理后的导联II信号的极大值点，并进一步根据所述极大值点确定所述预处理后的导联II信号的峰值，再将所述预处理后的导联II信号的峰值与第一阈值比较确定所述预处理后的导联II信号的R波斜率产生的峰值；所述第一阈值根据所述最大波峰值、信号峰值、噪声峰值确定；
S33、根据获取到的R波斜率产生的峰值确定当前的RR间隔并输出。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述步骤S32包括：
S321、确定所述预处理后的导联II信号的极大值点；
S322、若信号在所述极大值点后能够衰减到所述极大值的一半及以下，则确定该极大值为所述预处理后的导联II信号的一个峰值。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述步骤S33包括：
S331、判断所述预处理后的导联II信号的峰值是否大于第一阈值；
S332、若所述预处理后的导联II信号的峰值大于第一阈值，则所述预处理后的导联II信号的峰值为R波斜率产生的峰值，将所述预处理后的导联II信号的峰值位置减去前一次峰值位置得到当前的RR间隔并根据所述预处理后的导联II信号的峰值重新计算并更新所述信号峰值、第一阈值；
S333、若所述预处理后的导联II信号的峰值不大于第一阈值，但所述预处理后的导联II信号的峰值与前一次峰值位置的间隔大于初始化RR间隔的预定倍数，则更新所述步骤S331中的第一阈值为第二阈值，并跳转至所述步骤S32；所述第二阈值为所述步骤S331中第一阈值的一半；
S334、若所述预处理后的导联II信号的峰值不大于第一阈值，且所述预处理后的导联II信号的峰值与前一次峰值位置的间隔不大于初始化RR间隔的预定倍数，则所述预处理后的导联II信号的峰值为噪声峰值，根据所述噪声峰值重新计算并更新所述噪声峰值、第一阈值和第二阈值。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述心电信号实时心率检测系统包括：
用于接收模拟心电信号的输入装置；
与所述输入装置相连的，用于将所述模拟心电信号转换为数字心电信号的A/D转换器；
与所述A/D转换器相连的，用于对所述数字心电信号中的导联II信号进行预处理的预处理模块；
与所述预处理模块相连的，用于将预处理后的信号进行R波检测以获取当前的RR间隔的R波检测模块；
与所述R波检测模块相连的，用于根据检测得到的RR间隔计算心率的计算模块；
与所述计算模块相连的，用于输出计算得到的心率的输出模块；
所述预处理模块包括用于对所述导联II信号进行滤波处理的滤波模块、与所述滤波模块相连的用于对滤波后的导联II信号进行差分处理的差分模块、与所述差分模块相连的用于对差分后的导联II信号进行平方处理的平方模块、与所述平方模块相连的用于对平方后的导联II信号进行移动平均处理的移动平均模块；所述滤波器模块包括用于滤掉所述导联II信号中的低频分量的低通滤波器和与所述低通滤波器相连的用于滤掉所述导联II信号中的高频分量的高通滤波器。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述R波检测模块包括：与所述与处理模块相连的用于对预处理后的导联II信号的参数进行初始化的初始化模块，所述参数包括所述预处理后的导联II信号的最大波峰值、信号峰值、噪声峰值、初始化RR间隔、处理信号的前一个峰值；与所述初始化模块相连的用于获取所述预处理后的导联II信号R波斜率产生的峰值的峰值获取模块，所述峰值包括R波斜率产生的峰值和噪声峰值；与所述峰值获取模块相连的用于根据获取到的R波斜率产生的峰值输出当前的RR间隔的RR间隔获取模块。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述峰值获取模块包括用于确定所述预处理后的导联II信号的极大值的取极大值模块和与所述取极大值模块相连的用于在信号自动衰减到极大值的一半及以下，取该极大值为所述预处理后的导联II信号的峰值的取值模块。
本发明所述的心电信号实时心率检测方法，所述RR间隔获取模块包括与所述峰值获取模块相连的，用于判断所述峰值是否大于第一阈值的第一判断模块，所述第一阈值根据所述最大波峰值、信号峰值、噪声峰值确定；与所述第一判断模块相连的第一更新模块，用于在若所述峰值大于第一阈值时，将所述峰值位置减去前一次峰值位置得到当前的RR间隔并根据所述峰值重新计算并更新所述信号峰值、第一阈值；与所述第一判断模块相连的，用于在所述峰值不大于第一阈值时判断所述峰值与前一次峰值位置的间隔是否大于初始化RR间隔的预定倍数的第二判断模块；与所述第二判断模块、第一判断模块分别相连的第二更新模块，用于在所述峰值与前一次峰值位置的间隔不大于初始化RR间隔的预定倍数时根据所述噪声峰值重新计算并更新所述噪声峰值、第一阈值；与所述第二判断模块、第一判断模块分别相连的第三更新模块，用于在所述峰值与前一次峰值位置的间隔大于初始化RR间隔的预定倍数时将第一判断模块中的阈值更新为第二阈值，所述第二阈值为所述第一阈值的一半；所述第二更新模块还与所述峰值获取模块相连，用于在阈值更新后重新进入到所述峰值获取模块。
因此，本发明可以获得以下的有益效果：对信号进行预处理，采用滤波的方法去除噪声，突出QRS综合波信息，减少了R波检测时其它信息的干扰；采用回溯的方法寻找R波，避免了由于R波的漏检而带来的计算错误；同时由于通过RR间隔计算心率，每次得到一个R波信息便更新心率，在满足较大精确度检测心率的同时实现了心率的实时检测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一个实施例的心电信号实时心率检测系统的总体结构示意图；
图2是本发明一个实施例的心电信号实时心率检测系统的预处理模块的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的心电信号实时心率检测系统的R波检测模块的结构示意图；
图4是本发明一个实施例的峰值获取说明图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一个实施例的心电信号实时心率检测系统的总体结构示意图。如图1所示，输入装置1接收模拟心电信号并将该模拟心电信号传送至与输入装置1相连的A/D转换器2，A/D转换器2将模拟心电信号转换为数字心电信号。由于只需要检测R波，因此选取数字心电信号的导联II信号作为之后需要进行处理的信号。导联II信号经过与A/D转换器2相连的预处理模块3进行预处理，再经过与预处理模块3相连的R波检测模块4检测计算得到当前的RR间隔，再通过与R波检测模块相连的计算模块5根据公式“心率＝60/RR间隔(单位ms)”计算得到心率，最后由与计算模块相连的输出模块6将心率结果输出显示。
图2是本发明一个实施例的预处理模块的结构示意图。如图2所示，导联II信号首先经过一个滤波模块31，滤波模块31包含一个低通滤波器331和一个与低通滤波器相连的高通滤波器332，由于QRS综合波的频率一般是在5-15HZ范围，通过滤波模块31使得导联II信号的能量集中在5-12HZ范围，以减少噪声的干扰。差分模块32与滤波模块31相连，用于将经过滤波处理后的导联II信号进行差分处理，差分处理采用常用的二阶差分的形式。导联II信号经过差分处理后传入与差分模块32相连的平方模块33，平方模块33对差分后的导联II信号进行平方处理。导联II信号经过平方处理后传入与平方模块33相连的移动平均模块34，移动平均模块34对传入进来的信号采用窗口平均的方法，即对窗口内的数据做平均，窗口的宽度采用300ms的样本宽度。导联II信号经过移动平均处理后将传入图1所示的R波检测模块4，此时系统对导联II信号的预处理过程结束。通过对导联II信号进行预处理，能够有效突出QRS综合波的信息，减少R波检测时其它信息的干扰。
图3是本发明一个实施例的R波检测模块的结构示意图。如图3所示，R波检测模块4包括与预处理模块3相连的用于对预处理后的导联II信号的参数进行初始化的初始化模块41、与所述初始化模块41相连的用于获取预处理后的导联II信号峰值(该峰值包括R波斜率产生的峰值和噪声峰值)的峰值获取模块42、与峰值获取模块42相连的用于根据获取到的R波斜率产生的峰值输出当前的RR间隔的RR间隔获取模块43。其中，初始化模块41中需要初始化的系统参数包括：最大波峰值、信号峰值、噪声峰值、第一阈值、第二阈值、初始化RR间隔、处理信号的前一个峰值。具体的计算过程如表1所示：
表1需要初始化的系统参数
参数初始化过程一般需要4秒左右的时间，也可以根据需要合理安排初始化时间，但至少要将一个RR间隔计算出来。初始化完成后，对经过预处理的导联II信号做继续处理，此时预处理后的导联II信号进入峰值获取模块42。峰值获取模块42包括用于确定预处理后的导联II信号的极大值的取极大值模块421和与取极大值模块421相连的用于在信号自动衰减到极大值的一半，取该极大值为预处理后的导联II信号的峰值的取值模块422。获取到的峰值包括R波斜率产生的峰值(即信号峰值)和噪声峰值。图4是本发明一个实施例的峰值获取说明图。在峰值确定的过程中，采用如下标准来定义峰值点：如果在确定一个极值点后，信号衰减到极大值的一半，则该极大值是峰值点，否则不是。如图4所示，A点和C点后信号均衰减至极大值的一半，则表示A点和C点是峰值点，其中A是噪声A是噪声峰值，C是信号峰值。而对于B点来说，虽然是极大值点，但衰减到D点后(还未衰减到B点值的一半)，信号便开始增长，因而B的极大值信息将被C点覆盖，也即是B不是峰值点。
获取预处理后的导联II信号的峰值之后，系统将进入到RR间隔获取模块43。如图3所示，RR间隔获取模块43包括与所述峰值获取模块42相连的第一判断模块431，与第一判断模块相连的第一更新模块432，与第一判断模块431相连的第二判断模块433，与第一判断模块431、第二判断模块433相连的第二更新模块434，与第二判断模块433、第一判断模块431分别相连的第三更新模块435；其中，第二更新模块434还与峰值获取模块42相连接。
在RR间隔获取模块43中，峰值获取模块42获取到的峰值首先进入第一判断模块431，第一判断模块431用于判断获取到的峰值是否大于第一阈值TH1，第一判断模块431首次进行判定的阈值TH1由初始化模块41计算得到。若判断得到的结果为获取的峰值大于第一阈值TH1，则此峰值为R波斜率产生的峰值，系统进入到第一更新模块432。由于整个系统的延时相同，此时不再需要通过延时去确定R波的位置再去确定RR间隔，而是在第一更新模块432中通过此时获取到R波斜率产生的峰值的位置减去之前峰值的位置PO得到RR间隔。得到RR间隔后，第一更新模块432将此时获取到的R波斜率产生的峰值作为信号的峰值SPKI并按照表1所示的公式重新计算SPKI、第一阈值TH1和第二阈值TH2，并将此次获取到的峰值位置作为PO，在下次系统重新获取RR间隔时，就用重新获取的信号峰值的位置减去位置PO计算得到新的RR间隔。第一更新模块432与本实施例的心电信号实时心率检测系统的计算模块5相连，计算模块5根据上述计算得到的当前的RR间隔计算实时心率。心率计算公式为：心率＝60/RR间隔(单位ms)。每次进来一个RR间隔，就开始计算心率，然后更新心率值，保持该心率值直到下一个RR间隔的进入。
在第一判断模块431进行判断时，若判断得到的结果为所获取到的峰值不大于第一阈值TH1，则系统进入第二判断模块433。第二判断模块433用于判断获取的峰值与上一个峰值位置PO的间隔是否大于初始化RR间隔的预定倍数，本实施例中取1.6倍，如果判断得到的结果为大于1.6倍初始化RR间隔，则说明中间漏检了一个R波，系统将返回上一个波峰位置PO的后面200ms处，并通过第二更新模块434更改判断阈值，即将第一判断模块431中进行判断的第一阈值TH1更改第二阈值TH2，然后返回到峰值获取模块42重新获取峰值。如果第二判断模块433判断得到的结果为当前获取到的峰值位置和上一个峰值位置PO的间隔不大于1.6倍初始化RR间隔，说明检测到的峰值为噪声峰值NPKI，则此时第三更新模块435按照表1所示的公式重新计算NPKI、第一阈值TH1和第二阈值TH2，在下一次系统获取到峰值时将使用更新后的第一阈值进行判定。在本实施例的R波的信号峰值获取过程中，采用了回溯的方法，避免了由于R波漏检而带来的计算错误。同时由于通过RR间隔计算心率，每次得到一个R波信息便更新心率，实现了心率的实时检测。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种心电信号实时心率检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将接收到的模拟心电信号转化为数字心电信号；
S2、对所述数字心电信号中的导联II信号进行预处理；
S3、根据预处理后的导联II信号检测得到当前的RR间隔；
S4、根据所述检测得到的RR间隔计算心率；
S5、输出计算得到的心率；
所述步骤S2包括：
S21、对所述数字心电信号中的导联II信号先后进行低通滤波和高通滤波；
S22、对滤波处理后的导联II信号进行差分处理；
S23、对差分处理后的导联II信号进行平方处理；
S24、对平方处理后的导联II信号进行移动平均处理；
所述步骤S3包括：
S31、对所述步骤S2中进行预处理后的导联II信号的参数进行初始化，所述参数包括所述步骤S2中进行预处理后的导联II信号的最大波峰值、信号峰值、噪声峰值、初始化RR间隔、处理信号的前一个峰值；
S32、获取所述预处理后的导联II信号的极大值点，并进一步根据所述极大值点确定所述预处理后的导联II信号的峰值，再将所述预处理后的导联II信号的峰值与第一阈值比较确定所述预处理后的导联II信号的R波斜率产生的峰值；所述第一阈值根据所述最大波峰值、信号峰值、噪声峰值确定；
S33、根据获取到的R波斜率产生的峰值确定当前的RR间隔并输出。
2.如权利要求1所述的心电信号实时心率检测方法，其特征在于，所述步骤S32包括：
S321、确定所述预处理后的导联II信号的极大值点；
S322、若信号在所述极大值点后能够衰减到所述极大值的一半及以下，则确定该极大值为所述处理后的导联II信号的一个峰值。
3.如权利要求1所述的心电信号实时心率检测方法，其特征在于，所述步骤S33包括：
S331、判断所述预处理后的导联II信号的峰值是否大于第一阈值；
S332、若所述预处理后的导联II信号的峰值大于第一阈值，则所述预处理后的导联II信号的峰值为R波斜率产生的峰值，将所述预处理后的导联II信号的峰值位置减去前一次峰值位置得到当前的RR间隔并根据所述预处理后的导联II信号的峰值重新计算并更新所述信号峰值、第一阈值；
S333、若所述预处理后的导联II信号的峰值不大于第一阈值，但所述预处理后的导联II信号的峰值与前一次峰值位置的间隔大于初始化RR间隔的预定倍数，则更新所述步骤S331中的第一阈值为第二阈值，并跳转至所述步骤S32；所述第二阈值为所述步骤S331中第一阈值的一半；
S334、若所述预处理后的导联II信号的峰值不大于第一阈值，且所述预处理后的导联II信号的峰值与前一次峰值位置的间隔不大于初始化RR间隔的预定倍数，则所述预处理后的导联II信号的峰值为噪声峰值，根据所述噪声峰值重新计算并更新所述噪声峰值、第一阈值和第二阈值。
4.一种心电信号实时心率检测系统，其特征在于，所述心电信号实时心率检测系统包括：
用于接收模拟心电信号的输入装置(1)；
与所述输入装置(1)相连的，用于将所述模拟心电信号转换为数字心电信号的A/D转换器(2)；
与所述A/D转换器(2)相连的，用于对所述数字心电信号中的导联II信号进行预处理的预处理模块(3)；
与所述预处理模块(3)相连的，用于将预处理后的信号进行R波检测以获取当前的RR间隔的R波检测模块(4)；
与所述R波检测模块(4)相连的，用于根据检测得到的RR间隔计算心率的计算模块(5)；
与所述计算模块(5)相连的，用于输出计算得到的心率的输出模块(6)；
所述预处理模块(3)包括用于对所述导联II信号进行滤波处理的滤波模块(31)、与所述滤波模块(31)相连的用于对滤波后的导联II信号进行差分处理的差分模块(32)、与所述差分模块(32)相连的用于对差分后的导联II信号进行平方处理的平方模块(33)、与所述平方模块(33)相连的用于对平方后的导联II信号进行移动平均处理的移动平均模块(34)；所述滤波模块(31)包括用于滤掉所述导联II信号中的低频分量的低通滤波器(311)和与所述低通滤波器(311)相连的用于滤掉所述导联II信号中的高频分量的高通滤波器(312)；
所述R波检测模块(4)包括：与所述与处理模块(3)相连的用于对预处理后的导联II信号的参数进行初始化的初始化模块(41)，所述参数包括所述预处理后的导联II信号的最大波峰值、信号峰值、噪声峰值、初始化RR间隔、处理信号的前一个峰值；与所述初始化模块(41)相连的用于获取所述预处理后的导联II信号R波斜率产生的峰值的峰值获取模块(42)，所述峰值包括R波斜率产生的峰值和噪声峰值；与所述峰值获取模块(42)相连的用于根据获取到的R波斜率产生的峰值输出当前的RR间隔的RR间隔获取模块(43)。
5.如权利要求4所述的心电信号实时心率检测系统，其特征在于，所述峰值获取模块(42)包括用于确定所述预处理后的导联II信号的极大值的取极大值模块(421)和与所述取极大值模块相连的用于在信号自动衰减到极大值的一半及以下，取该极大值为所述预处理后的导联II信号的峰值的取值模块(422)。
6.如权利要求4所述的心电信号实时心率检测系统，其特征在于，所述RR间隔获取模块(43)包括与所述峰值获取模块(42)相连的，用于判断所述峰值是否大于第一阈值的第一判断模块(431)，所述第一阈值根据所述最大波峰值、信号峰值、噪声峰值确定；与所述第一判断模块相连的第一更新模块(432)，用于在若所述峰值大于第一阈值时，将所述峰值位置减去前一次峰值位置得到当前的RR间隔并根据所述峰值重新计算并更新所述信号峰值、第一阈值；与所述第一判断模块(431)相连的，用于在所述峰值不大于第一阈值时判断所述峰值与前一次峰值位置的间隔是否大于初始化RR间隔的预定倍数的第二判断模块(433)；与所述第二判断模块(433)、第一判断模块(431)分别相连的第二更新模块(434)，用于在所述峰值与前一次峰值位置的间隔不大于初始化RR间隔的预定倍数时根据所述噪声峰值重新计算并更新所述噪声峰值、第一阈值；与所述第二判断模块(433)、第一判断模块分别相连的第三更新模块(435)，用于在所述峰值与前一次峰值位置的间隔大于初始化RR间隔的预定倍数时将第一判断模块(431)中的阈值更新为第二阈值，所述第二阈值为所述第一阈值的一半；所述第二更新模块(434)还与所述峰值获取模块(42)相连，用于在阈值更新后重新进入到所述峰值获取模块(42)。
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