CN104939820A - 一种起搏信号检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种起搏信号检测方法及装置。该起搏信号检测方法及装置通过信号质量判断、幅度阈值比较判断来确定是否包含有准起搏信号的导联心电信号；该检测方法及装置比较判断全面考虑了噪声的影响，利用起搏信号在不同导联信号幅度差别较大、斜率大、宽度窄的信号特征，基于该方法所进行的起搏信号检测结果准确，能够准确有效地分辨噪声、QRS波与起搏信号，有效提高弱起搏信号的检测能力，有效减少起搏信号的影响，提高QRS波检测与心率计算的准确性，能够方便的应用于多导联心电图的起搏信号检测处理，对心电信号的测量分析起到良好的改善效果。

Description

一种起搏信号检测方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种起搏信号检测方法及装置。

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信号能清楚地显示出来。常用的起搏信号宽度为0.4-0.5mS，在纸速为25mm/S的心电图上，起搏信号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，其振幅在各个导联上差别较大。起搏信号发生器按程控周期有规律地发放电脉冲，经导联线连接系统传至心肌组织，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。

如中国发明专利公开号(CN103239223A)公开了一种起搏信号检测方法、装置以及医疗设备。该起搏信号检测方法包括：获取步骤，用于获取待检心电信号；预处理步骤，用于对所述待检心电信号进行预处理，获得预处理心电信号；检测步骤，用于根据第一阈值以及所述预处理心电信号获取准起搏信号位置；以及确认步骤，用于根据所述准起搏信号位置与所述待检心电信号，确定起搏信号位置。该起搏信号检测方法通过同时对预处理心电信号和原始的待检心电信号中相对应的点进行检测判断是否为起搏信号位置，提高了检测准确度，但由于起搏信号宽度一般都比较窄，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，通过在心电图机或心电图软件界面设置开启起搏器检测后经过前端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。但是在没有开启起搏器检测时，起搏信号的检测只能从后端较低采样频率的心电信号中检测。目前常用的起搏信号检测算法，在某一导联上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后进行阈值比较，由于双极起搏时，刺激信号较低，在某些导联几乎看不到，该方法存在如下问题：1、固定导联检测起搏信号无法避免选择的导联正好是噪声较大的导联，容易将干扰信号当作起搏信号检测出来；2、固定对某一导联进行处理，可能在该导联上看不到起搏信号，造成起搏信号的漏检；3、阈值过高，对于幅度低、宽度窄的弱起搏信号，容易漏检，阈值过低，对于高尖QRS波信号容易误检成起搏信号。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种起搏信号检测方法及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一种起搏信号检测方法，包括以下步骤：

对采集到的各导联心电信号进行信号质量判断，判断各导联心电信号是否存在导联脱落、信号过载或跳变噪声；

选择无导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较；

将其幅度大于所述预设的自适应幅度阈值的导联心电信号确定为包含有准起搏信号的导联心电信号。

进一步，还包括以下步骤：

选择出导联心电信号中准起搏信号个数最多的导联心电信号并输出。

进一步，还包括以下步骤：

对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分得到绝对值面积值；

将绝对值面积值与预设的自适应绝对面积阈值进行比较，将其绝对值面积值小于所述预设的自适应绝对面积阈值的准起搏信号初步确定为起搏信号。

进一步，还包括以下步骤：

对初步确定的起搏信号进行起搏信号起止点检测；

根据起搏信号起止点计算起搏信号宽度，并与预设的起搏信号宽度阈值进行比较，将其起搏信号宽度小于所述预设的起搏信号宽度阈值的起搏信号确定为起搏信号。

进一步，在对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分之前，还包括：对准起搏信号个数最多的导联心电信号进行基线漂移的去除。

进一步，在选择无导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较之前，还包括：对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号进行预处理。

进一步，所述对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号进行预处理为：对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号进行边沿增强处理。

进一步，对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号通过高通滤波进行边沿增强处理。

更进一步，对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号通过两次高通滤波进行边沿增强处理。

一种起搏信号检测装置，包括有智能导联选择单元，所述智能导联选择单元包括有：

信号质量判断单元，用于对采集到的各导联心电信号进行信号质量判断，判断各导联心电信号是否存在噪声；

幅度阈值比较判断单元，用于选择无噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较，将其幅度大于所述预设的自适应幅度阈值的导联心电信号确定为包含有准起搏信号的导联心电信号。

进一步，所述智能导联选择单元还包括有导联选择单元，所述导联选择单元用于选择出各导联心电信号中准起搏信号个数最多的导联心电信号并输出；

进一步，该装置还包括有起搏信号检测单元，所述起搏信号检测单元包括有：

绝对值积分单元，用于对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分得到绝对值面积值；

积分阈值比较判断单元，用于将绝对值面积值与预设的自适应绝对面积阈值进行比较，将其绝对值面积值小于所述预设的自适应绝对面积阈值的准起搏信号初步确定为起搏信号。

进一步，所述起搏信号检测单元还包括有：

起搏信号起止点检测单元，用于对初步确定的起搏信号进行起搏信号起止点检测；

起搏信号宽度比较判断单元，用于根据起搏信号起止点计算起搏信号宽度，并与预设的起搏信号宽度阈值进行比较，将其起搏信号宽度小于所述预设的起搏信号宽度阈值的起搏信号确定为起搏信号。

更进一步，所述智能导联选择单元还包括有连接信号质量判断单元与幅度阈值比较判断单元的信号预处理单元，所述信号预处理单元用于对无噪声的各导联心电信号进行预处理；

该装置还包括有信号采集单元，所述信号采集单元包括有：

电极和导联线单元，用于获取人体生理信号；

信号处理单元，用于对获取到的人体生理信号处理成导联心电信号波形；

该装置还包括有信号输出单元，所述信号输出单元对确定的起搏信号进行输出。

本发明提供的一种起搏信号检测方法及装置，全面考虑了噪声的影响，利用起搏信号在不同导联信号幅度差别较大、斜率大、宽度窄的信号特征，该方法通过对采集到的各导联心电信号进行信号质量判断来判断各导联心电信号是否存在导联脱落、信号过载或跳变噪声，检测有导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联信号将不用于起搏信号的检测，可以有效避免因噪声影响而导致的噪声信号被误检为起搏信号，再选择无导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较，将其幅度大于所述预设的自适应幅度阈值的导联心电信号确定为包含有准起搏信号的导联心电信号，使得该准起搏信号检测结果准确，能够准确有效地分辨噪声、QRS波与起搏信号，有效提高弱起搏信号的检测能力，有效减少起搏信号的影响，提高QRS波检测与心率计算的准确性，能够方便的应用于多导联心电图的起搏信号检测处理，对心电信号的测量分析起到良好的改善效果。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明一种起搏信号检测方法一种实施例的流程图；

图2为本发明一种起搏信号检测方法另一种实施例的流程图；

图3为本发明一种起搏信号检测装置一种实施例的原理框图；

图4为本发明一种起搏信号检测装置另一种实施例的原理框图；

图5为本发明一种起搏信号检测装置中信号采集单元得到的某一导联的波形；

图6为本发明一种起搏信号检测装置中信号预处理单元得到的波形；

图7为本发明一种起搏信号检测装置中幅度阈值比较判断单元得到的波形；

图8为本发明一种起搏信号检测装置中绝对值积分单元得到的波形；

图9为本发明一种起搏信号检测装置中面积阈值比较判断单元得到的波形；

图10为本发明一种起搏信号检测装置中起搏信号宽度阈值比较后起搏信号检测效果图。

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。

请参阅图1-10，本发明一种起搏信号检测方法，包括以下步骤：

信号质量判断（S1），对输入的原始心电信号的噪声情况进行检测，如果检测到输入的导联信号有导联脱落、信号过载或跳变等噪声，则认为该导联的数据不适用于起搏信号的检测；反之，则可用于起搏信号的检测。噪声，特别是一些如导联脱落、信号过载或跳变等噪声，对起搏信号的检测有较强的干扰，亦是目前起搏信号检测的难点之一。通过信号质量判断，检测有导联脱落、信号过载或跳变等噪声的导联信号将不用于起搏信号的检测，可以有效避免因噪声影响而导致的噪声信号被误检为起搏信号。

信号预处理（S2），与S1相连，对步骤S1中没有噪声的导联信号进行预处理。

在起搏信号的检测过程中，心电信号各成分（如P波，QRS波，T波）本身就是噪声。为了锐化起搏信号，抑制低频成分（包括心电信号各成分、基线干扰等），预处理通过对信号进行边沿增强处理，使起搏信号尖锐化，抑制低频成分，以便初步确定起搏信号位置。预处理不仅限于滤波器处理，还可以使用其他高通滤波器，或通过低通滤波器、带通滤波器组合实现等。因起搏信号斜率大、宽度窄的信号特征，这里优选为，通过两次高通滤波器对原始心电数据进行锐化起搏信号、抑制低频噪声。

首先对信号进行高通滤波器处理，保留信号中的高频成份（包括起搏信号，高频噪声等），使起搏信号尖锐化，并抑制其他低频成分。高通滤波器的实现如下：

                  (1)

式中，表示当前时刻输入信号；表示上一时刻输入信号；表示下一时刻输入信号；表示系统输出。

其传递函数为：

                             (2)

式中，表示一阶超前；表示一阶延迟；由系统采样频率和滤波器3dB截止频率决定。

为了进一步锐化起搏信号，以便确定起搏信号位置，将y(n)再做一次高通滤波器处理，得

                                 (3)

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

其传递函数及频率特性分别为

                               (4)

式中，表示一阶延迟；由系统采样频率和滤波器3dB截止频率决定。

为了便于后续阈值的处理，我们通过绝对值操作使处理后的信号幅值为正值，输出信号如图6所示。

幅度阈值比较判断（S3），对步骤S2输出的预处理后的信号的幅度与预设的自适应幅度阈值比较，大于阈值的信号确定为准起搏信号，小于阈值的则不是准起搏信号，如图7所示。自适应幅度阈值根据步骤S2预处理后信号的幅值平均值而定，此处，如果不使用自适应幅度阈值，而使用固定幅度阈值会存在以下问题：幅度阈值过高，强度较低的起搏信号易被漏检；幅度阈值过低，易把毛刺干扰误检为起搏信号；自适应幅度阈值可以根据信号强度进行调整，避免过高或过低，自适应幅度阈值表达式如下：

Thred1 =a*meanAmp                            (5)

式中a表示一个常数，根据实验而得，meanAmp表示步骤S2预处理后信号的幅值平均值，Thred1表示自适应幅度阈值。输出为确定的准起搏信号位置，即准起搏信号的峰值位置。

导联选择（S4），对心电信号的每一个导联分别进行步骤S1，S2，S3的处理，选择所有导联信号中根据步骤S3确定的准起搏信号个数最多的导联信号并输出用于后续起搏信号的进一步检测，此时输出的导联信号基本达到了起搏信号检测的效果。通过导联选择后用于起搏信号检测的导联信号受噪声影响较小，且利于起搏信号的识别。

随着起搏器技术的不断发展，以双极起搏信号为例，起搏信号幅度越来越小。起搏信号的幅度在各个导联上差别较大，幅度较小的起搏信号甚至在某些导联上肉眼无法识别，因此，每一个导联的幅值执行步骤S3以此来对准起搏信号个数进行初步统计，选择准起搏信号个数最多的导联用于最终起搏信号检测的导联，最大化的提高起搏信号的检测率。与固定导联数据分析相比，避免了因单个导联上起搏信号幅度较低产生的漏检；与多导联联合检测相比，检测运算量相对较小，能够快速识别起搏信号。

经过步骤S4选择的导联，包含较多的准起搏信号，但是此时的准起搏信号中仍然存在一些其他高频成份，以下需要对此时信号的准起搏信号做进一步的检测确认。

在步骤S3确定的准起搏信号基础上检测起搏信号，包括：

绝对值面积积分（S5），步骤S2预处理过程能较好的抑制低频噪声，突出高频成分（包括起搏信号、高频噪声、高尖的QRS波等），但是仅仅通过幅度阈值比较检测起搏信号可能将频率较高、较强烈的噪声也误判为起搏信号。通过步骤S2输出的信号可以发现只在起搏信号、高频噪声、高尖QRS波处有较高幅度，而噪声的范围较起搏信号明显较大，通过起搏信号区域面积可以鉴别噪声与起搏信号。因此，进行步骤S5，即对此时的信号进行绝对值面积积分检测处理之前，先对经步骤S4选择的导联信号进行基线漂移的去除，得到信号(X)。对此时的信号(X)计算绝对值面积。面积计算是信号(X)在初步确定的起搏信号位置前预定时长内（即窗口宽度N）各点绝对值之和，如公式6所示，根据上述对区域面积窗口的确定原则，面积的计算按下式进行：

                                    (6)

式中i表示起搏信号序号，n表示序号，N表示宽口宽度，Pc(n)是起搏信号峰值位置（即步骤S3初步确定的起搏信号位置），Xi(n)为步骤S4选择的导联的原始信号去除了基线漂移后的信号的绝对值，A(i)表示起搏信号i的绝对值面积。

面积阈值比较判断（S6），用于将步骤S5中的绝对面积积分输出A(i)与自适应绝对面积阈值进行比较。自适应绝对面积阈值根据初步确定的起搏信号的峰值而定：

Thred2 =b*peak                                  (7)

式中b表示一个常数，根据实验而得，peak表示初步确定的起搏信号的峰值，Thred2表示自适应的面积阈值。

确定的起搏信号积分值小于阈值则初步确定为起搏信号，反之认为是噪声干扰所致，不是起搏信号。最终将符合规定的起搏信号的峰值位置输出。

具体参见图2，本发明一种起搏信号检测方法的另一种实施例，还包括以下步骤：

起搏信号起止点检测（S7），根据步骤S6中检测到的起搏信号峰值位置进行起止点定位，输出各起搏信号的起止点位置。步骤S6有效避免了高频的干扰信号被误检为起搏信号，但是对于高尖的QRS波仍无法很好的筛除。针对高尖QRS波亦被误检为起搏信号，利用起搏信号有效宽度较窄，通过定位起搏信号宽度，并通过后续步骤S8减少起搏信号的误检，特别是高尖QRS波被误检为起搏信号。

起搏信号宽度比较判断（S8），根据步骤S7中输出的起搏信号起止点，计算起搏信号的宽度，并与预设的宽度阈值进行比较。正常人的QRS波宽度为40-120ms，起搏信号的宽度一般小于40ms，据此特点设置阈值。阈值根据起搏信号在步骤S2中的幅值与相应的阈值比较。计算的起搏信号宽度小于预设的宽度阈值视为真正的起搏信号，反之则认为是干扰或高尖的QRS波，不是起搏信号。该步骤输出真正的起搏信号的起点位置、峰值位置、止点位置。相较于成人心电信号，儿童信号更易出现高尖QRS波，使用常规的起搏信号检测对于成人信号的起搏信号检测有着良好的效果，但是对于儿童信号则容易出现QRS波误检起搏信号，准确性较差；通过起搏信号宽度阈值比较，可以有效避免高尖QRS波的误检，尤其是儿童信号中高尖QRS波的误检。其检测效果图如图10所示，图A是原始信号，图B是经过预处理后幅度阈值初步确定的起搏信号，图C是经过绝对值面积积分阈值比较后确定的起搏信号，图D是通过起搏信号起止点检测后进行宽度阈值比较后确定的真正的起搏信号，有效避免了高尖QRS波被误检为起搏信号。

如图3所示，本发明的一种起搏信号检测装置，包括智能导联选择单元（20）及起搏信号检测模块（30）。

所述智能导联选择单元（20）包括有：

信号质量判断单元（21），用于对采集到的各导联心电信号进行信号质量判断，判断各导联心电信号是否存在导联脱落、信号过载或跳变噪声；

信号预处理单元（22），用于对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号进行预处理；

幅度阈值比较判断单元（23），用于对预处理后各导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较，若大于，则将该导联心电信号确定为包含有准起搏信号的导联心电信号；

导联选择单元（24），用于选择出各导联心电信号中准起搏信号个数最多的导联心电信号并输出；

所述起搏信号检测单元（30）包括有：

绝对值积分单元（31），用于对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分；

积分阈值比较判断单元（32），用于将准起搏信号进行绝对值面积积分后得到的积分值与预设的自适应绝对面积阈值进行比较，若小于，则将该准起搏信号初步确定为起搏信号。

具体参见图4，本发明一种起搏信号检测装置的另一个实施例，所述起搏信号检测单元还包括有：

起搏信号起止点检测单元（33），用于对初步确定的起搏信号进行起搏信号起止点检测；

起搏信号宽度比较判断单元（34），用于根据起搏信号起止点计算起搏信号宽度，并与预设的起搏信号宽度阈值进行比较，若小于，则将该起搏信号最终确定为起搏信号。

该装置还包括有信号采集单元（10）；所述信号采集单元（10）包括有：

电极和导联线单元（11），用于获取人体生理信号，电极一般为肢体夹、吸球、电极片等，它与人体紧密接触听过导联线以获取人体生理信号，并将人体生理信号传输给信号处理单元（12）后输出波形；

信号处理单元（12），用于对获取到的人体生理信号处理成导联心电信号波形。

该装置还包括有信号输出单元（40）；所述信号输出单元（40）对最终确定的起搏信号进行输出，输出信号采集单元（10）采集的生理信号，及该信号经过智能导联选择单元（20）和起搏信号检测单元（30）后起搏信号的个数、位置、起止点，有效提高后续P/QRS/T波检测的准确性。

本发明的起搏信号检测装置及方法的原理是：利用信号噪声信息，起搏信号在不同导联信号幅度差别较大的特点选择用于起搏信号检测导联数据，再根据起搏信号斜率大、宽度窄的信号特征，通过高通滤波器锐化起搏信号、抑制低频噪声，绝对值面积积分消除肌电干扰造成的起搏信号误检，起搏信号宽度限制避免高尖QRS波误检为起搏信号，最终达到提高幅度低、宽度窄的弱起搏信号的检测能力，同时减少起搏信号的误检。

本发明的起搏信号检测装置及方法与固定导联数据分析相比，避免了因单个导联上起搏信号幅度较低产生的漏检；与多导联联合检测相比，检测运算量相对较小，能够快速识别起搏信号。

本发明的起搏信号检测装置及方法主要用于起搏信号的精确检测，特别是根据起搏信号的宽度有效避免的高尖QRS波被误检为起搏信号的情况，提高QRS波检测与心率计算的准确性，能够方便的应用于多导联心电图的起搏信号检测处理，对心电信号的测量分析起到良好的改善效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种起搏信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

对采集到的各导联心电信号进行信号质量判断，判断各导联心电信号是否存在导联脱落、信号过载或跳变噪声；

选择无导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较；

将其幅度大于所述预设的自适应幅度阈值的导联心电信号确定为包含有准起搏信号的导联心电信号。

2.根据权利要求1所述的一种起搏信号检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

选择出导联心电信号中准起搏信号个数最多的导联心电信号并输出。

3.根据权利要求2所述的一种起搏信号检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分得到绝对值面积值；

将绝对值面积值与预设的自适应绝对面积阈值进行比较，将其绝对值面积值小于所述预设的自适应绝对面积阈值的准起搏信号初步确定为起搏信号。

4.根据权利要求3所述的一种起搏信号检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对初步确定的起搏信号进行起搏信号起止点检测；

根据起搏信号起止点计算起搏信号宽度，并与预设的起搏信号宽度阈值进行比较，将其起搏信号宽度小于所述预设的起搏信号宽度阈值的起搏信号确定为起搏信号。

5.根据权利要求3或4所述的一种起搏信号检测方法，其特征在于，在对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分之前，还包括：对准起搏信号个数最多的导联心电信号进行基线漂移的去除。

6.根据权利要求1所述的一种起搏信号检测方法，其特征在于，在选择无导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较之前，还包括：对无导联脱落、信号过载或跳变噪声的各导联心电信号通过两次高通滤波进行边沿增强预处理。

7.一种起搏信号检测装置，其特征在于，包括有智能导联选择单元，所述智能导联选择单元包括有：

信号质量判断单元，用于对采集到的各导联心电信号进行信号质量判断，判断各导联心电信号是否存在导联脱落、信号过载或跳变噪声；

幅度阈值比较判断单元，用于选择无导联脱落、信号过载或跳变噪声的导联心电信号的幅度与预设的自适应幅度阈值进行比较，将其幅度大于所述预设的自适应幅度阈值的导联心电信号确定为包含有准起搏信号的导联心电信号。

8.根据权利要求7所述的一种起搏信号检测装置，其特征在于，所述智能导联选择单元还包括有导联选择单元，所述导联选择单元用于选择出各导联心电信号中准起搏信号个数最多的导联心电信号并输出。

9.根据权利要求8所述的一种起搏信号检测装置，其特征在于，该装置还包括有起搏信号检测单元，所述起搏信号检测单元包括有：

绝对值积分单元，用于对准起搏信号个数最多的导联心电信号中的准起搏信号进行绝对值面积积分得到绝对值面积值；

积分阈值比较判断单元，用于将绝对值面积值与预设的自适应绝对面积阈值进行比较，将其绝对值面积值小于所述预设的自适应绝对面积阈值的准起搏信号初步确定为起搏信号。

10.根据权利要求9所述的一种起搏信号检测装置，其特征在于，所述起搏信号检测单元还包括有：

起搏信号起止点检测单元，用于对初步确定的起搏信号进行起搏信号起止点检测；

起搏信号宽度比较判断单元，用于根据起搏信号起止点计算起搏信号宽度，并与预设的起搏信号宽度阈值进行比较，将其起搏信号宽度小于所述预设的起搏信号宽度阈值的起搏信号确定为起搏信号。