CN104688219A

CN104688219A - 一种心电信号预测方法与系统

Info

Publication number: CN104688219A
Application number: CN201310648273.2A
Authority: CN
Inventors: 聂金柱
Original assignee: Lepu Medical Technology Beijing Co Ltd
Current assignee: Lepu Medical Technology Beijing Co Ltd
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明提供一种心电信号预测方法与系统，包括：对心电图信号进行实时采集；对采集到的心电图信号进行处理，并预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻；根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作。本发明能够对心电信号预测进行实时采集处理，并根据所预估的下一次心电图信号中的R波出现的时刻来控制主动脉球囊的充放气操作。本发明能够通过对心电信号的实时检测，来实现主动脉内球囊反博方法中对主动脉球囊充放气的实时控制，减少电气延迟、检测延迟和气路延迟所产生的影响。

Description

一种心电信号预测方法与系统

技术领域

本发明涉及介入治疗领域，尤其涉及一种心电信号预测方法与系统。

背景技术

主动脉内球囊反搏（Intra-Aortic Balloon Pump，IABP）是机械性辅助循环方法之一，通过物理作用，提高主动脉内舒张压，增加冠状动脉供血和改善心肌功能。这种方法已广泛应用于心功能不全等危重病患者的抢救和治疗。

主动脉内球囊反搏是由固定在导管的圆柱形主动脉球囊构成，将主动脉球囊安放在胸主动脉部位。导管近端位于左锁骨下动脉末梢，远端位于肾动脉。当心脏舒张时主动脉球囊充气，心脏收缩时主动脉球囊放气，由此产生双重血液动力学效应：心脏舒张主动脉球囊充气使血流向前，提高舒张压和冠脉的灌注；主动脉球囊在心脏收缩之前放气降低收缩压（心脏后负荷）从而改善了左室射血。通过控制台可以在每一心动周期内将主动脉球囊充放气一次（1：1模式），也可以每二个心动周期内将主动脉球囊充放气一次（1：2模式），每三个心动周期内充放气一次（1：3模式）。控制台可以根据进入主动脉球囊的气体量的多少来调整主动脉球囊的大小。

但是，在现有技术中，上述过程一般都是在体外实现，缺乏对人体体征的实时监控和实时反馈，无法实现对主动脉球囊充放气的实时控制。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明提供种心电信号预测方法与系统，以解决现有技术中无法对主动脉球囊充放气进行实时控制的技术问题。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种心电信号预测方法，包括：

对心电图信号进行实时采集；

对采集到的心电图信号进行处理，并预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻；

根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作。

进一步地，

在所述对心电图信号进行实时采集之后，且在所述对采集到的心电图信号进行处理之前还包括：对采集到的心电图信号进行滤波放大，并进行模数转换；

所述对采集到的心电图信号进行处理包括：通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测；

所述预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻包括：通过历史心电图信号估计得出系统的运行状态，利用卡尔曼滤波预测算法结合实时采集的心电图信号，预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻。

进一步地，所述通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测还包括：

根据小波基函数的特性和所述心电图信号的特征，确定小波基函数的类型和提升小波分解层数。

进一步地，所述根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作包括：

在下一次R波峰值出现的时刻对主动脉球囊充气，在下一次T波峰值出现的时刻对主动脉球囊放气；

对心电图信号和主动脉球囊充放气的气压进行实时监测；对突发的心脏变化进行手动停止。

进一步地，所述方法还包括：通过设置采集或触发的方式对充放气气路进行初始设置。

另一方面，本发明还提供一种心电信号预测系统，包括：顺序相连的心电采集前端、数字信号处理器和气路控制系统，其中：

心电采集前端，用于对心电图信号进行实时采集；

数字信号处理器，用于对采集到的心电图信号进行处理，并预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻；

气路控制系统，包括主动脉球囊，用于根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作。

进一步地，

所述心电采集前端包括：12导联心电采集板；

所述系统还包括：信号处理单元，连接在所述心电采集前端和所述数字信号处理器之间，用于对采集到的心电图信号进行滤波放大，并进行模数转换；

所述数字信号处理器包括：小波变换单元，用于通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测；预估单元，用于通过历史心电图信号估计得出系统的运行状态，利用卡尔曼滤波预测算法结合实时采集的心电图信号，预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻。

进一步地，

所述数字信号处理器为：C6000系列数字信号处理器；

和/或，所述小波变换单元包括：参数确定模块，用于根据小波基函数的特性和所述心电图信号的特征，确定小波基函数的类型和提升小波分解层数。

进一步地，所述气路控制系统包括：

充气单元，用于在下一次R波峰值出现的时刻对主动脉球囊充气；

放气单元，用于在下一次T波峰值出现的时刻对主动脉球囊放气；

监测单元，用于对心电图信号和主动脉球囊充放气的气压进行实时监测；

急停单元，用于对突发的心脏变化进行手动停止。

进一步地，所述系统还包括：

上位机显示控制设备，与所述数字信号处理器相连，用于实时观测心电图信号和主动脉球囊充放气的气压波形的变换，通过设置采集或触发的方式对充放气气路进行初始设置。

（三）有益效果

可见，在本发明提出的心电信号预测方法与系统中，能够对心电信号预测进行实时采集处理，并根据所预估的下一次心电图信号中的R波出现的时刻来控制主动脉球囊的充放气操作。本发明能够通过对心电信号的实时检测，来实现主动脉内球囊反博方法中对主动脉球囊充放气的实时控制，减少电气延迟、检测延迟和气路延迟所产生的影响。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1是本发明实施例心电信号预测方法的基本流程示意图；

图2是本发明实施例心电信号预测系统的基本结构示意图；

图3是本发明一个优选实施例心电信号预测系统的结构示意图；

图4是本发明实施例心电信号预测系统的操作流程示意图；

图5是本发明实施例心电信号预测方法中卡尔曼滤波算法的框图；

图6是本发明实施例心电信号预测方法预测结果波形示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例首先提供一种心电信号预测方法，参见图1，包括：

步骤101：对心电图信号进行实时采集。

步骤102：对采集到的心电图信号进行处理，并预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻。

步骤103：根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作。

可见，在本发明实施例提出的心电信号预测方法中，能够对心电信号预测进行实时采集处理，并根据所预估的下一次心电图信号中的R波出现的时刻来控制主动脉球囊的充放气操作。本发明实施例能够通过对心电信号的实时检测，来实现主动脉内球囊反博方法中对主动脉球囊充放气的实时控制，减少电气延迟、检测延迟和气路延迟所产生的影响。

在本发明的一个实施例中，优选地，在对心电图（ECG，electrocardiogram）信号进行实时采集之后，且在对采集到的心电图信号进行处理之前还可以包括：对采集到的心电图信号的肌电、呼吸、工频等干扰进行滤波，并利用增益控制设置对心电图信号进行可调节的放大，保证信号的信噪比。然后，还可以对心电图信号进行模数转换，转变为适合传输的数字信号。

在本发明的另一个实施例中，优选地，对采集到的心电图信号进行处理可以包括：通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测。

在本发明的一个实施例中，优选地，预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻可以包括：利用从历史到现在的递推准确估计出系统的运行状态，用状态方程来描述状态的转移过程，再结合这一时刻实时采集的心电图信号，利用卡尔曼滤波预测算法来预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻。

在本发明的另一个实施例中，需要选择合适的小波基并确定提升小波分解层数。优选地，可以根据小波基函数的特性和所述心电图信号的特征，来确定小波基函数的类型和分解层数。

在本发明的一个实施例中，优选地，根据下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作可以包括：在下一次R波峰值出现的时刻对主动脉球囊充气，在下一次T波峰值出现的时刻对主动脉球囊放气。

在本发明的另一个实施例中，在对主动脉球囊进行充放气的过程中，优选地，可以对充放气的气压和心电图信号进行实时监测，以保证不影响正常的心脏活动。并且，还可以对突发性的心脏变化进行手动停止，以保证不危害病人的生命安全。

在本发明的另一个实施例中，优选地，还可以实时观测心电图信号、气压波形的变换，通过设置采集或触发的方式对充放气气路进行初始设置。

本发明实施例还提出一种心电信号预测系统，参见图2，包括：

心电采集前端1，用于对心电图信号进行实时采集；

数字信号处理器2，用于对采集到的心电图信号进行处理，并预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻；

气路控制系统3，包括主动脉球囊4，用于根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作。

在本发明的一个实施例中，优选地，心电采集前端可以包括：12导联心电采集板，能够确保心电采集前端的强抗干扰性，保证心电图信号的质量，有利于后期信号处理。

在本发明的另一个实施例中，优选地，系统还可以包括：信号处理单元5，如图3，连接在心电采集前端1和数字信号处理器2之间。信号处理单元5用于对采集到的心电图信号进行滤波放大，并进行模数转换。

在本发明的一个实施例中，优选地，数字信号处理器2可以包括：小波变换单元，用于通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测。

在本发明的另一个实施例中，优选地，数字信号处理器2还可以包括：预估单元，用于通过历史心电图信号估计得出系统的运行状态，利用卡尔曼滤波预测算法结合实时采集的心电图信号，预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻。

在本发明的一个实施例中，优选地，数字信号处理器（DSP，DigitalSignalProcessing）2可以为：C6000系列数字信号处理器，满足运算能力强、大量的数据处理和丰富的外设及大量的片内内存，以满足对有创血压的小波变换和运算控制。

在本发明的另一个实施例中，需要选择合适的小波基并确定提升小波分解层数。优选地，小波变换单元可以包括：参数确定模块，用于根据小波基函数的特性和所述心电图信号的特征，确定小波基函数的类型和提升小波分解层数。

在本发明的另一个实施例中，优选地，气路控制系统3可以包括比例阀、电磁阀、储气罐、主动脉球囊、导管等，主要实现调节气路的气压和对主动脉球囊进行充放气的操作。气路设置需要快速反应，延迟时间不能太长。主动脉球囊的大小通过根据人体的身高来选择，充气压力有压力传感器实时监测。气路控制系统3可以包括：充气单元，用于在下一次R波峰值出现的时刻对主动脉球囊充气；放气单元，用于在下一次T波峰值出现的时刻对主动脉球囊放气；监测单元，用于对心电图信号和主动脉球囊充放气的气压，通过压力传感器进行实时监测；急停单元，用于对突发的心脏变化进行手动停止。

在本发明的另一个实施例中，优选地，系统还可以包括：上位机显示控制设备6，与数字信号处理器2相连，用于实时观测心电图信号和主动脉球囊充放气的气压波形的变换，通过设置采集或触发的方式对充放气气路进行初始设置。

下面以详细说明本发明实施例的实施步骤为例，来具体介绍心电信号预测系统的具体操作过程：

步骤401：连接人体和心电采集前端1。

本步骤中，将心电采集前端1中的12导联心电采集板与人体相连接。12导联心电采集板电极片需要和人体接触良好，必要时可以在电极片位置涂抹酒精。电极片安放在人体指定位置，测量时人体要平躺安静。

步骤402：连接心电采集前端1和数字信号处理器2、数字信号处理器2和气路控制系统3、气路控制系统3和上位机显示控制设备6。

在气路控制系统3中，还在导管末端连接有主动脉球囊4，以验证充放气效果。

步骤403：接通电源，对心电图信号进行实时采集。

步骤404：对采集到的心电图信号进行处理。

本步骤中，利用信号处理单元对心电图信号进行滤波放大，并进行模数转换。

步骤405：运行数字信号处理器2对处理后的心电图信号进行小波变换检测。

数字信号处理器2可以实现心电图信号的采样记录、上位机显示控制设备6的通信、小波变换检测和R波预测、气路控制系统3的通信等功能。

其中，数字信号处理器2采用目前速度相对较高的C6000系列数字信号处理器，并利用其良好的接口设置，方便进行心电图信号的检测和处理编程，并能把信号上传到上位机显示控制设备6显示。上位机显示控制设备6可以实时观测心电图信号、主动脉球囊充放气的气压波形的变换，并可以通过设置采集或触发方式对气路进行一些初始的设置。

数字信号处理器2包括小波变换单元，可以通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测。小波变换单元还包括预估单元，用于通过历史心电图信号估计得出系统的运行状态，利用卡尔曼滤波预测算法结合实时采集的心电图信号，预估下一次心电图信号中的R波出现的时刻。并将所预估的时刻发送给气路控制系统3。

现设线性时变系统的离散状态防城和观测方程为：

X(k)=F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)

Y(k)=H(k)·X(k)+N(k)

其中，X(k)和Y(k)分别是k时刻的状态矢量和观测矢量

F(k,k-1)为状态转移矩阵，U(k)为k时刻动态噪声，T(k,k-1)为系统控制矩阵，H(k)为k时刻观测矩阵，N(k)为k时刻观测噪声

其中，卡尔曼滤波的心电信号的R波预测方法的实现步骤为：

预估计X(k)^=F(k,k-1)·X(k-1)

（1）计算预估计协方差矩阵

C(k)^=F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)'+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)'

Q(k)=U(k)×U(k)'

（2）计算卡尔曼增益矩阵

K(k)=C(k)^×H(k)'×[H(k)×C(k)^×H(k)'+R(k)]^(-1)

R(k)=N(k)×N(k)'

（3）更新估计

X(k)～=X(k)^+K(k)×[Y(k)-H(k)×X(k)^]

（4）计算更新后估计协防差矩阵

C(k)～=[I-K(k)×H(k)]×C(k)^×[I-K(k)×H(k)]'+K(k)×R(k)×K(k)'

（5）X(k+1)=X(k)～

C(k+1)=C(k)～

重复以上步骤（1）至（5）。

图5为卡尔曼滤波的程序设计框图，通过对状态方程和量测方程的实时更新，实现对心电信号的实时检测和预测。检测和预测的结果如图6所示。由图中可见，本方法能够准确指示出R波的位置信息。

步骤406：根据下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作。

本步骤中，气路控制系统3首先对气路进行检漏，然后根据接收到的下一次心电图信号中的R波出现的时刻，来控制主动脉球囊的充放气操作。其中，利用充气单元在下一次R波峰值出现的时刻对主动脉球囊充气，利用放气单元在下一次T波峰值出现的时刻对主动脉球囊放气。

气路控制系统3还可以通过监测单元对心电图信号和主动脉球囊充放气的气压进行实时监测。

至此，则完成了本发明实施例中心电信号预测的全过程。

可见，本发明实施例具有如下有益效果：

在本发明实施例提出的心电信号预测方法与系统中，能够对心电信号预测进行实时采集处理，并根据所预估的下一次心电图信号中的R波出现的时刻来控制主动脉球囊的充放气操作。本发明实施例能够通过对心电信号的实时检测，来实现主动脉内球囊反博方法中对主动脉球囊充放气的实时控制，减少电气延迟、检测延迟和气路延迟所产生的影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种心电信号预测方法，其特征在于，包括：

对心电图信号进行实时采集；

2.根据权利要求1所述的心电信号预测方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的心电信号预测方法，其特征在于，所述通过小波变换，进行实时QRS波和心律检测还包括：

4.根据权利要求1所述的心电信号预测方法，其特征在于，所述根据所述下一次心电图信号中的R波出现的时刻，控制主动脉球囊的充放气操作包括：

5.根据权利要求1至4中任一项所述的心电信号预测方法，其特征在于，所述方法还包括：通过设置采集或触发的方式对充放气气路进行初始设置。

6.一种心电信号预测系统，其特征在于，包括：顺序相连的心电采集前端、数字信号处理器和气路控制系统，其中：

心电采集前端，用于对心电图信号进行实时采集；

7.根据权利要求6所述的心电信号预测系统，其特征在于：

所述心电采集前端包括：12导联心电采集板；

8.根据权利要求7所述的心电信号预测系统，其特征在于：

所述数字信号处理器为：C6000系列数字信号处理器；

9.根据权利要求6所述的心电信号预测系统，其特征在于，所述气路控制系统包括：

急停单元，用于对突发的心脏变化进行手动停止。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的心电信号预测系统，其特征在于，所述系统还包括：