CN105125207A - 一种移动式心电监测终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动式心电监测终端，包括：心电信号采集模块，用于采集人体心电信号并进行调理，然后将转换为数字信号的心电信号进行预处理和外部传输；与所述心电信号采集模块连接的移动设备，用于接收预处理的心电信号并进行降噪处理，用于发送和储存心电数据，以及通过交互方式呈现心电监测和心电数据，其中所述交互方式包括直接数据显示、图形化显示、声音反馈和振动反馈中的一种或多种。本发明的心电监测终端具有低功耗、小体积、低成本、可扩展性强等优点，而且操作简单，方便地将个人的心电健康监测融入日常生活，对防治和诊断心血管疾病有显著积极的意义。

Description

一种移动式心电监测终端

技术领域

本发明涉及一种心电监测终端，尤其涉及一种移动式心电监测终端，适用于医疗诊断、家庭监护、日常健康监测等领域。

背景技术

随着生活节奏的逐步加快，人们的生活压力越来越大，生活压力的增加，极易引起心血管类疾病的发生。而对心血管类疾病的诊断，测量并观察心电图是最为有效和直观的方法。准确地提取心电信号并进行精确的分析和研究，能有效地辅助医生对心血管类疾病的分析和诊断。传统的心电信号监测仪器的体积比较大且价格昂贵，不利于病人随身携带和进行长时间的监测，成本的高昂也加重了病人的负担。传统的心电仪之所以存在这些缺点，主要是因为它是一体化的专用设备。这样一来，存在低功耗、小体积、低成本、可扩展的心电监测终端的需求。

发明内容

为了解决上述难题，本发明提供一种低功耗、小体积、低成本、可扩展的移动式心电监测终端。

本发明采用的技术方案为一种移动式心电监测终端，包括：心电信号采集模块，用于采集人体心电信号并进行调理，然后将转换为数字信号的心电信号进行预处理和外部传输；与所述心电信号采集模块连接的移动设备，用于接收预处理的心电信号并进行降噪处理，用于发送和储存心电数据，以及通过交互方式呈现心电监测和心电数据，其中所述交互方式包括直接数据显示、图形化显示、声音反馈和振动反馈中的一种或多种。

作为本发明方案的进一步改进，所述心电信号采集模块包括：采集电极，用于设置在人体的检测部位以采集人体心电信号；心电信号调理单元，用于放大采集的心电信号和抵消共模干扰；心电信号预处理单元，用于控制电信号调理单元，对采集的模拟心电信号实现数字化，对数字化心电信号进行编码和传输；无线收发单元，用于心电信号采集模块与移动设备进行无线通信；电源管理单元，用于为心电信号调理单元、心电信号预处理单元和无线收发单元提供可靠供电。

优选地，所述心电信号调理单元包括腿部驱动电路，其中所述腿部驱动电路通过检测一组采集电极的共模信号，创建负反馈回路，把共模信号加载在人体上，从而降低和消除共模干扰信号。

优选地，所述无线收发单元包括：蓝牙通信模块、WiFi通信模块、近场通信模块、Zigbee通信模块、射频通信模块或ANT低功耗通信模块。

作为本发明方案的进一步改进，所述心电信号采集模块包括：数模混合处理芯片，用于实现对采集的心电信号的调理；主控芯片，用于触发心电信号的采集、调理、预处理和传输工作。

作为本发明方案的进一步改进，所述主控芯片包括采集流程管理模块，其中所述采集流程管理模块被配置为监控传输接口是否收到移动设备的命令，如果收到命令则根据不同的命令来触发外部中断和数模混合处理芯片的工作，否则继续等待命令。

作为本发明方案的进一步改进，所述移动设备包括配置有预设截止频率的数字滤波器，其中所述数字滤波器包括：用于消除心电测量过程中由基线漂移引起的干扰的高通滤波器，该高通滤波器采用Z平面简单零极点法来设计；用于抑制测量环境中的工频干扰的带阻滤波器，该带阻滤波器基于有限脉冲响应（FIR）滤波方法来设计；用于抑制高频干扰的低通滤波器，该带阻滤波器基于无限脉冲响应（IIR）滤波方法或FIR方法来设计。

作为本发明方案的进一步改进，所述移动设备包括心电特征提取模块、心电数据分析模块和心电数据存储模块，其中：所述心电特征提取模块被配置为执行如下步骤，在给定的时间段内采集一组心电电压值，获得心电电压的最大值、最小值和平均值，设置心电电压的阈值等于心电电压的最大值减去平均值之差再除以二或者等于心电电压的平均值减去最小值之差再除以二，当测量的当前心电电压值达到阈值则保存跳变沿位置，根据跳变沿位置计算心率值，如果计算的心率值合理则记录该心率值，否则丢弃；所述心电数据分析模块用于将由所述心电特征提取模块计算得到的心率值与预设的心率值范围进行比较，然后根据判断结果反馈心率情况；所述心电数据存储模块用于缓存心电特征提取和分析过程中的心电数据以及通过图片和文本的方式保存心电数据结果作为本发明方案的进一步改进，所述移动设备包括心电图形化显示模块，所述心电图形化显示模块被适配为根据所述移动设备的显示屏分辨率和方向而调整显示内容。作为本发明方案的进一步改进，所述移动设备包括智能移动设备和/或嵌入式系统设备。优选地，所述移动设备包括智能手机、平板电脑、掌上电脑、可穿戴设备或其他运行嵌入式系统的移动设备。所述移动设备进一步通过相关通信协议对数据进行封装打包，再将数据传输至远程服务器端。

根据本发明的移动式心电监测终端，将传统的心电仪的系统结构改善为两部分，其中，一部分为信号采集单元，另一部分为信号处理及显示单元。信号采集单元和信号处理及显示单元通过无线传输技术来进行通信，实现数据的传输；信号处理及显示单元采用人们平时都会随身携带的智能终端（智能手机、平板电脑或智能手表）来实现。用智能终端来进行信号的处理及显示有两个好处，一来可以极大地降低心电仪的成本、减少体积和降低功耗，二来智能终端对数据的处理能力很强、可扩展性非常好。

根据本发明的移动式心电监测终端实现了：在心电信号采集阶段采用可靠的电极和使用数模混合处理芯片进行调理，最大限度的减少信号的失真；内置的腿部驱动放大器电路可以有效的抑制工频干扰；心电信号预处理单元和主控芯片根据需求，灵活地通过无线通信模块把数据发到智能终端；利用智能终端接收到心电数据之后，用数字滤波器把心电数据中的基线漂移、工频干扰及肌电干扰等各种干扰滤除，提高了心电监测结果真的准确性；然后基于低功耗的阈值算法对心电信号波进行检测，得到心率值；最后把完整的心电图和心率值等信息显示到智能终端上，方便用户读取；还可以把心电波形以图片或数据的格式进行保存，以便日后的分析和诊断。本发明操作简单，可扩展性好，方便地将个人的心电健康监测融入日常生活，对防治和诊断心血管疾病有显著积极的意义。

附图说明

图1所示为根据本发明实施例的移动式心电监测终端的结构框图；

图2所示为根据本发明实施例的心电采集模块的工作流程图；

图3A所示为未经滤波处理的含有工频干扰的心电波形图；

图3B所示为滤除工频干扰后的心电波形图；

图4所示为根据本发明实施例的心电波检测及心率计算流程图；

图5所示为根据本发明实施例的移动设备界面设计示例图。

具体实施方式

下面结合附图并通过多个示例性实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。

图1所示为根据本发明实施例的移动式心电监测终端的结构框图。根据本发明的移动式心电监测终端将传统的心电仪的系统结构改善为两部分，其中，一部分为心电信号采集模块，另一部分为信号处理及显示设备。心电信号采集模块和信号处理及显示设备通过无线传输技术来进行通信，实现数据的传输。优选地，信号处理及显示设备采用人们平时都会随身携带的智能终端（比如、智能手机、平板电脑、智能手表等）。在另一个实施例中，可以用嵌入式系统的移动设备代替所述智能终端，再通过利用相关的通信网络和协议（WiFi、蜂窝移动）对数据进行封装打包，再将数据传输至远程服务器端。根据本发明的移动式心电监测终端可以提供多种交互方式来呈现心电监测和心电数据，这些交互方式包括直接数据显示、图形化显示、声音反馈和振动反馈中的一种或多种。具体地，移动设备可以在屏幕上显示心电监测图形和心率值，当实时监测结果反应心率不正常时，移动设备可以发出报警音或者启动振动来提醒用户。

在一个实施例中，所述心电信号采集模块包括：采集电极、心电信号调理单元、心电信号预处理单元、无线收发单元和电源管理单元。

由于心电信号很微弱，同时干扰也很多，所以信号的采集对信号的准确还原有至关重要的作用。针对心电信号的特点，一般用体表电极来采集心电信号，体表电极又分为以下的几种：1）金属板电极：用于测量心电图、脑电图和肌电图；2）吸附电极：心电测量时，常用作胸部电极；3）浮式电极：接触稳定，能减少运动伪差；4）干电极：不使用导电膏，避免了对皮肤的腐蚀和刺激。为了兼顾用户使用方便及心电信号的准确性，本发明优选采用医用浮式体表电极来采集心电信号，采集心电信号的部位可以是双手或胸部。

心电信号调理单元可以采用现有的数模混合处理芯片来实施，例如采用美国德州仪器公司的ADC系列芯片，其集成可编程增益仪表放大器、导联断线检测模数转换器（ADC）、通信接口等。优选地，心电信号调理单元可以利用腿部驱动电路来消除来自电源或者其他的共模干扰信号。腿部驱动电路设置在右腿上，也称为右腿驱动电路，其通过检测一组电极的共模信号，创建一个负反馈回路，把共模信号加载在人体上，从而降低共模信号。右腿驱动电路本质上是一个共模电压并联负反馈电路，为人体和放大器的公共端提供了一个低阻抗的通路，起到快速放电，有效衰减人体所带共模电压的作用。

心电信号的预处理单元需要实现对心电信号调理单元的控制、对模拟心电信号进行采集实现数字化、对数字化心电信号进行编码等功能。综合而言。该预处理单元就是实现控制及一定量的运算，选择一款可编程的主控芯片就可以完全满足设计要求，例如可以选取低功耗的单片机。

无线收发单元用于实现智能终端和心电信号采集模块之间的命令和心电数据信号传输，适用的无线传输方式可以有蓝牙、WiFi、近场通信、Zigbee（紫蜂通信）、射频通信或ANT低功耗通信等。优选地，在这些短距离无线通讯方式中，采用几乎所有智能设备标准的蓝牙通信方案。在一个优选的实施例中，可以配置无线收发单元，将所有的数据打包再发送会使发送和接收更加的便利。优选地，为了保证降低发送和接收的误码率，还可以对传输的数据和文件加入CRC校验。

电源管理单元用于为心电信号调理单元、心电信号预处理单元和无线收发单元提供可靠供电。考虑到芯片具有模拟电源引脚和数字电源引脚。为了减少干扰，模拟和数字电源需要分开供电；同时模拟地和数字地也要分开，且需要单点连接。为了更好的减少数字电路对模拟信号的干扰，在本实施例中采用磁珠对模拟地和数字地进行隔离。电源管理单元还包括电池和充电电路，优选地采用聚合物锂离子电池及其专用的充电芯片，以保证供电可靠和更长的续航时间。

参照图2，主控芯片包括采集流程管理模块，以运行以下流程步骤：初始化步骤，对传输接口和数据转换器进行初始化，然后对数模混合处理芯片进行初始化；命令监控步骤，监控传输接口是否收到命令，如果是则执行下一步骤，否则继续等待命令；开始命令判断步骤，判断是否收到开始命令，如果是则启动数模混合处理芯片并且使能外部中断，否则执行下一步骤；停止命令判断步骤，判断是否收到停止命令，如果是则关闭外部中断并且关闭数模混合处理芯片然后返回命令监控步骤，否则直接返回命令监控步骤。

经过心电信号采集模块放大并转换后的数据传输到移动设备后，可以利用移动设备的强大处理器进行数字滤波、数据分析、监测显示、结果保存等操作。

所述移动设备包括配置有预设截止频率的数字滤波器。首先需要消除基线漂移造成的干扰。基线漂移主要是由于在测量过程中，人体的呼吸、电极与人体发生位移导致阻抗变化等因数造成。这种干扰的频率一般比较低，一般在0.7Hz以下。因此，在一个优选的实施例中采用高通滤波的方法，其截止频率可以选用0.2至0.4Hz中的值。然后需要工频干扰。此处，高通滤波器的设计，采用的是Z平面简单零极点法。Z平面简单零极点法对应的数字滤波器的传递函数为：

若滤波器是一阶滤波器，则可进一步简化为：

进一步推导得到差分方程为：

在本实施例中取滤波器的3dB截止频率为0.3Hz，对心电信号的采样频率为250Hz，然后代入上式可以计算得到差分方程的系数a，进而设计得到所需的高通滤波器来消除基线偏移的干扰。

工频干扰来自于市电，市电电压的频率为50Hz或60Hz，它会以电磁波的方式向外辐射；测量心电信号时，人体的分布电容和电极引线会感应到这些电磁波，从而造成工频干扰。在一个优选的实施例中，采用带阻滤波器来抑制工频干扰。该带阻滤波器基于有限脉冲响应（FIR）滤波器来设计。FIR滤波器的系统函数和差分方程分别为：

；

。

具体地，可以在公知的FDATool工具中设定采样频率为250Hz，陷波频率范围为49.5Hz～50.5Hz，陷波衰减为80dB，-3dB的频率范围为45Hz～55Hz，即可获得所需的带阻滤波器来消除工频干扰。图3A所示为未经滤波处理的含有工频干扰的心电波形图，而图3B所示为滤除工频干扰后的心电波形图，可见，工频干扰得到有效的消除。

此外，还需要配置低通滤波器来消除心电信号中夹杂的肌电干扰等高频干扰。低通滤波器可以基于FIR或无限脉冲响应（IIR）滤波器来实现。FIR虽然比较稳定，但要达到比较好的效果，则需要很高的阶数，而且相位延迟也比较大。优选地采用IIR的低通滤波器。IIR滤波器的系统函数和差分方程分别为：

；

。

同样具体地，可以在公知的FDATool工具中设定最高频率为90Hz，阻带的最低频率为100Hz，阻带衰减为60dB，滤波器类型选择切比雪夫II型，即可获得所需的低通滤波器。

在一个实施例中，所述移动设备还包括心电特征提取模块、心电数据分析模块和心电数据存储模块。一个完整的心电信号包含P波、Q波、R波、S波和T波。针对不同的波，分别有不同的识别方法。在这些波中，最为突出的是R波，R波的幅度最大，也最容易被检测到。常用的心率值，一般都是通过对R波的检测后计算得到。考虑到需要实时数据处理、显示和低功耗的要求，选用阈值法来提取心电特征。阈值法是在时域上对心电信号进行逐点的检测；首先要通过对一段时间的心电信号进行检测得到阈值的大小，后续就以这个阈值为标准，大于这个阈值且斜率超过一定值的，就认为是R波，记录此时的R波的位置。为了更加准确的检测到R波，阈值的大小是动态更新的。在一个具体的实施例中，取3000毫秒作为一个阈值区间，找出区间内的心电电压最大值（Vmax）、最小值（Vmin）和平均值（Vaver）。取|Vmax-Vaver|和|Vaver-Vmin|的绝对值的最大者作为比较区间，从而计算出阈值Vth，公式如下：

R波检测及心率值计算流程图如图4所示。心电数据分析模块可以用于分析心律。心律指的是心脏跳动的节奏。健康的人的心跳是非常有规律的，心脏每分钟跳动50-120次之间。但是当心脏发生病变是就会产生心律失常的现象。当心电数据分析模块检测到实时计算的心律超出正常范围值时，可以发出反馈信号，进而警报。在另一个实施例中，心电数据分析模块将由所述心电特征提取模块计算得到的心率值与预设的心率值范围进行比较，然后根据判断结果，为实时心率值关联判断结果（比如心率正常、行动过缓、行动过速、停搏等标签），反馈心率情况。可以根据用户的实际身体条件和临床记录，由专业医疗人员手动地或者通过远程医疗服务器对心电数据分析模块进行调整，以适用各种医护定制。

在另一个实施例中，所述移动设备包括心电图形化显示模块，在移动设备的应用程序中提供显示界面，用于显示心电曲线图、心电监测数据和命令按钮等，如图5所示。所述心电图形化显示模块还被适配为根据所述移动设备的显示屏分辨率和方向而调整显示内容，比如横屏、心电曲线坐标轴调整等。

在另一个实施例中，所述移动设备可以实施为嵌入式系统设备，比如Linux、WindowsEmbedded、RT-Thread等实时操作系统设备。可以将本地所采集到的心电数据通过无线的方式传送到远程服务器端进行分析与诊断。它先通过串口实时接收数据存储模块所保存的心电数据，然后由另一接口控制通信模块，利用相关通信协议对数据进行封装打包，再将数据传输至远程服务器端。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种移动式心电监测终端，包括：

心电信号采集模块，用于采集人体心电信号并进行调理，然后将转换为数字信号的心电信号进行预处理和外部传输；

与所述心电信号采集模块连接的移动设备，用于接收预处理的心电信号并进行降噪处理，用于发送和储存心电数据，以及通过交互方式呈现心电监测和心电数据，其中所述交互方式包括直接数据显示、图形化显示、声音反馈和振动反馈中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的移动式心电监测终端，所述心电信号采集模块包括：

采集电极，用于设置在人体的检测部位以采集人体心电信号；

心电信号调理单元，用于放大采集的心电信号和抵消共模干扰；

心电信号预处理单元，用于控制电信号调理单元，对采集的模拟心电信号实现数字化，对数字化心电信号进行编码和传输；

无线收发单元，用于心电信号采集模块与移动设备进行无线通信；

电源管理单元，用于为心电信号调理单元、心电信号预处理单元和无线收发单元提供可靠供电。

3.根据权利要求2所述的移动式心电监测终端，所述心电信号调理单元包括腿部驱动电路，其中所述腿部驱动电路通过检测一组采集电极的共模信号，创建负反馈回路，把共模信号加载在人体上，从而降低和消除共模干扰信号。

4.根据权利要求2所述的移动式心电监测终端，所述无线收发单元包括：蓝牙通信模块、WiFi通信模块、近场通信模块、Zigbee通信模块、射频通信模块或ANT低功耗通信模块。

5.根据权利要求1或2所述的移动式心电监测终端，所述心电信号采集模块包括：

数模混合处理芯片，用于实现对采集的心电信号的调理；

主控芯片，用于触发心电信号的采集、调理、预处理和传输工作。

6.根据权利要求5所述的移动式心电监测终端，所述主控芯片包括采集流程管理模块，其中所述采集流程管理模块被配置为监控传输接口是否收到移动设备的命令，如果收到命令则根据不同的命令来触发外部中断和数模混合处理芯片的工作，否则继续等待命令。

7.根据权利要求1所述的移动式心电监测终端，所述移动设备包括配置有预设截止频率的数字滤波器，其中所述数字滤波器包括：

用于消除心电测量过程中由基线漂移引起的干扰的高通滤波器，该高通滤波器采用Z平面简单零极点法来设计；

用于抑制测量环境中的工频干扰的带阻滤波器，该带阻滤波器基于有限脉冲响应（FIR）滤波方法来设计；

用于抑制高频干扰的低通滤波器，该带阻滤波器基于无限脉冲响应（IIR）滤波方法或FIR方法来设计。

8.根据权利要求1所述的移动式心电监测终端，所述移动设备包括心电特征提取模块、心电数据分析模块和心电数据存储模块，其中：

所述心电特征提取模块被配置为执行如下步骤，

在给定的时间段内采集一组心电电压值，获得心电电压的最大值、最小值和平均值，

设置心电电压的阈值等于心电电压的最大值减去平均值之差再除以二或者等于心电电压的平均值减去最小值之差再除以二，

当测量的当前心电电压值达到阈值则保存跳变沿位置，

根据跳变沿位置计算心率值，如果计算的心率值合理则记录该心率值，否则丢弃；

所述心电数据分析模块用于将由所述心电特征提取模块计算得到的心率值与预设的心率值范围进行比较，然后根据判断结果反馈心率情况；

所述心电数据存储模块用于缓存心电特征提取和分析过程中的心电数据以及通过图片和文本的方式保存心电数据结果。

9.根据权利要求1所述的移动式心电监测终端，所述移动设备包括心电图形化显示模块，所述心电图形化显示模块被适配为根据所述移动设备的显示屏分辨率和方向而调整显示内容。

10.根据权利要求1所述的移动式心电监测终端，所述移动设备包括智能移动设备和/或嵌入式系统设备，所述移动设备进一步通过相关通信协议对数据进行封装打包，再将数据传输至远程服务器端。