CN105852846B - 测试心脏运动功能的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种测试心脏运动功能的设备、系统和方法。提出了心应变能力系列指标，定量描述了心率随运动变化而进行自适应变化的能力和应变速度，描述了人体代谢过程中心脏的整个动态过程。公开了使用穿戴式智能感知技术，实时测量心应变能力系列指标的设备，心脏运动试验(CET)。与心肺运动试验(CPX)及其测量的最大吸氧量等参数相比，心应变能力系列指标临床意义清晰、正常参考值明确；CET使用简单、方便、随时随地，大大降低了试验风险。对于心肺疾病预防和康复的推广具有重要意义和应用前景。

Description

测试心脏运动功能的设备、系统和方法
技术领域
本申请属于医学检测技术领域，特别是涉及一种穿戴式数字心肺功能运动试验设备、系统和方法。
背景技术
心血管病是人类第一大杀手。欧美有20％的人群患有心血管病，中国有2.9亿心血管病患者。心血管病的预防、诊断和康复都离不开心血管系统功能的评估。心肺循环系统的功能就是保证人体各种活动的正常进行。运动需要心肺循环系统中脏器的密切协调工作始能完成。心肺运动试验(Cardiopulmonary Exercise Testing CPX)是将心肺在运动中的功能进行评价的科学工具。心肺运动试验是通过监测机体在运动状态下的摄氧量(VO2)、二氧化碳排出量(VCO2)、心率(HR)、分钟通气量(VE)等来评价心肺等脏器对运动的反应。它具有无创、定量的特点，对于心肺疾病的诊断和预后具有重要价值。另一方面，心肺循环系统的生理机制和CPX测量方法和原理比较复杂，不太容易被临床医生和护士理解。由于训练不够，不少医务人员，不管是心血管科或肺科，都有对CPX及其测量值理解不够和片面的现象。
但是，CPX的测量参数虽然定量，却要求被测者达到运动极限。由于病人往往达不到运动极限，或操作者判断运动极限不准确，使得测量结果失去其应有的功效。
心电图运动试验，亦称心电图运动负荷试验，是通过一定量的运动增加心脏负荷，观察心电图变化，对已知或怀疑患有心血管疾病，尤其是冠状动脉粥样硬化性心脏病(冠心病)进行临床评估的方法。这种方法的分析内容包括运动能力、临床症状、血流动力学和心电图改变的分析。这些分析都是由医生进行定性分析和判断，不提供定量指标。
“6分钟步行试验”是一种简易的心肺动态功能试验方法。2002年和2005年由ACC/AHA颁布的慢性心衰诊断和治疗指南中均明确将6分钟步行试验作为心功能评定的一项指标。目前，世界通行的方法是，在平坦的地面划一100英尺直线，两端各置一座椅，受试者沿直线尽可能快速行走，直到6分钟停止，测量步行距离。步行距离越长提示运动耐量越大，心功能越好。6分钟步行试验虽然简单，但是全手工操作，需要场地，测量参数单一，且很大程度上取决于个人意愿。
由于上述现有技术中存在不同缺点，心脏康复急需新一代评估技术。
发明内容
为了解决现有心肺运动试验技术中的设备太复杂以及被测者必须达到极限运动状态的问题，本发明的目的是实时测量被测者在平地行走或在跑步机上运动状态下的运动信号和心电信号，从而计算出被测者的运动参数、心电参数、以及心应变能力系列指标。
在本发明的一个方面，提供了一种测试心脏运动功能的系统，包括：至少一个穿戴部件，由被测者穿戴，并且包括：心电感知模块，用于感知被测者的心电信号，以及运动感知模块，用于感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号；手持电子设备，通过有线或无线通信方式，从所述至少一个穿戴部件获得被测者的心电信号和运动信号，处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程；工作站，与所述手持电子设备采用无线或有线通讯连接，用于从所述手持电子设备接收数据，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标。
优选地，所述手持电子设备被配置为实时处理下述三个阶段的心电信号和运动信号：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上。
优选地，所述心应变能力系列指标包括静止心率、心应变极限、心应变率、以及运动心率恢复。
优选地，心应变率通过下式来测量：
CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)
其中HRstage和METstage分别表示被测者在测试中某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示被测者在静止时的心率。
优选地，心应变极限通过下式来测量：
CL＝(HRmax-HRrest)/(HRPredM-HRrest)
其中HRmax和HRrest分别表示最大心率和静止心率，HRPredM为最大心率预测值。
优选地，运动心率恢复定义为峰值运动心率与运动停止后1分钟心率的差，表示运动停止后心率恢复到静止心率的速度。
优选地，所述手持电子设备包括人机交互模块，以语音或图像提醒被测者运动或停止、加速或减速，实时显示被测者的信息、运动模式、ECG信号，并且所述人机交互模块带有紧急按钮，供被测者感到不适时使用。
优选地，所述心电感知模块佩戴在被测者胸前，包括至少一个导联，所述运动感知模块测量被测者运动过程中的运动加速度和姿态角。
优选地，所述运动感知模块包括设置在被测者躯干上的运动传感单元和设置在被测者两条腿上的运动传感单元。
在本发明的另一方面，提出了一种测试心脏运动功能的系统，包括：至少一个穿戴部件，由被测者穿戴，并且包括心电感知模块，用于感知被测者的心电信号；跑步机，包括：运动感知模块，用于感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号，以及电子设备，通过有线或无线通信方式，从所述至少一个穿戴部件获得被测者的心电信号，从运动感知模块获得被测者的运动信号，处理心电信号和运动信号，以控制心脏运动试验过程；工作站，与所述电子设备采用无线或有线通讯连接，用于从所述电子设备接收数据，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标。
优选地，所述运动感知模块包括设置在跑步机上的速度传感器和坡度传感器。
优选地，所述心应变能力系列指标包括心率运动反应能力、心脏变时指数、以及运动心率恢复。
在本发明的再一方面，提出了一种测试心脏运动功能的设备，包括：运动感知模块，用于感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号，其中被测者佩戴至少一个穿戴部件，所述至少一个穿戴部件包括心电感知模块，用于感知被测者的心电信号；以及电子设备，通过有线或无线通信方式，从所述至少一个穿戴部件获得被测者的心电信号，从运动感知模块获得被测者的运动信号，处理心电信号和运动信号，以控制心脏运动试验过程；其中，根据所述电子设备的数据，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标。
在本发明的又一方面，提出了一种电子设备，包括：通信模块，通过有线或无线通信方式，从由被测者佩戴的至少一个穿戴部件获得所述被测者的心电信号以及所述被测者的无负荷或有负荷的运动信号；信号处理模块，处理所述通信模块得到的下述三个阶段的心电信号和运动信号：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上心电信号和运动信号；以及控制模块，控制心脏运动试验过程。
在本发明的又一方面，提出了一种测试心脏运动功能的方法，包括步骤：通过由被测者穿戴的至少一个穿戴部件感知被测者的心电信号，以及感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号；处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程，所述心脏运动试验过程包括下述三个阶段：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上；在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标。
上述实施例的方案能够反应心血管动态功能，比CPX更容易应用。
附图说明
为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1是描述本发明实施例的测试心脏运动功能的设备和系统的结构示意图；
图2是描述本发明实施例的步行方式测试心脏运动功能的设备的结构示意图；
图3是描述本发明实施例的平方式测试心脏运动功能的设备的结构示意图；
图4是本发明实施例的测试心脏运动功能的系统中的手持电子设备的结构示意图；
图5是本发明实施例的测试心脏运动功能的系统中的工作站的结构示意图；
图6是描述在本发明实施例中加速度传感器位于胸部时的加速度数据信号样本；
图7是描述根据本发明实施例的测试心脏运动功能的方法的流程图；以及
图8是描述将根据本发明实施例的测试方法应用于训练、监测和评估过程的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
根据本发明的一些实施例，数字心脏运动试验设备和系统包括穿戴部件、手持电子设备和工作站。穿戴部件检测被测者静止和运动时的心电图信号和运动信号，送到手持电子设备。手持电子设备接收来自穿戴部件的心电和运动信号，进行处理和分析，检测心电信号的QRS结构和心电异常，分析运动速度和强度。手持电子设备控制和提醒整个运动试验的进程，警示可能的异常，语音提醒运动注意事项。手持电子设备还将信号和分析结果送到工作站。工作站实时显示信号和分析结果，进一步分析和处理心电和运动信号，计算心率运动反应指数等参数，生成试验报告。
例如，心脏运动试验设备和系统可以有两种设备形式。一种是水平地面步行运动形式，称“数字心脏步行试验”。穿戴部件佩戴在胸前，采集一导联或多导联心电图，和人体运动信号，并将采集到的信号以蓝牙或其它无线通信方式发送到手持电子设备。手持电子设备是类似智能手机或平板电脑的计算设备，它接收和处理心电和运动信号，以语音和交互屏幕与被测者交互；控制运动试验流程，提醒运动方式和速度，警示心电异常；计算和显示心电图、心率、步频、步长、距离和以代谢当量表示的运动强度；并把信号和计算结果以无线方式送到工作站。
另一种是借助跑步机的运动方式，称“数字心脏平板运动试验”。穿戴部件采集一导联或多导联心电图，以有线或无线方式送到手持电子设备。手持电子设备例如可以是跑步机控制台。它也以语音和交互屏幕与被测者交互；控制运动试验流程，提醒运动方式和速度，警示心电异常；计算和显示心电图、心率、步频、距离和以代谢当量表示的运动强度；并把信号和计算结果以有线或无线方式送到工作站。与水平面步行运动方式不一样的是，跑步机上的运动形式不仅是水平面步行，还包括坡度走和跑。速度和运动强度信息主要来自跑步机控制器。
数字心脏步行运动试验设备可以随时随地，数字心脏平板运动试验设备可以集中管理，它们各有优点。由于他们共同的优点是智能、定量、使用方便，将为普及心脏功能动态试验，推广心脏病的预防和康复提供技术和设备支持。
如图1本发明数字心脏运动试验设备和系统的结构框图所示，本发明的实施例涉及一种基于人体智能感知技术的穿戴式实时测量、监测和分析系统。整个数字心脏运动试验设备和系统由穿戴部件100、手持电子设备200和工作站300组成。穿戴部件100佩戴在被测者胸前，检测被测者的心电信号和运动信号。手持电子设备200是一具有通信功能的计算部件。它接收来自穿戴部件100的心电和运动信号，与被测者交互，控制运动试验流程，向工作站300上传测试数据和处理结果。工作站300接收手持电子设备200的数据，与医护人员交互，生成试验报告，向数据库存储整个心脏运动试验的完整的测试数据、分析结果和结论，向医院信息系统上传试验数据和报告。本发明数字心脏运动试验设备和系统采集的是被测者运动情景下的心电和运动数据，提供的是被测者的心电参数、运动参数和心率运动反应指数。
图2是本发明数字心脏运动试验设备的水平步行运动形式的实施例示意图。该设备也称“数字心脏步行试验”(Digital Cardiac Walking Test)。
心电感知模块110是一标准的心电信号采集单元，由1到12导联电极、心电信号放大器、模数转换器、控制器和通信电路组成。这里，为了在运动状态下获得良好的心电信号质量，采用适应运动状态的电极，电极与皮肤接触紧密，采用专门的信号滤波方法去除运动噪声。人体运动感知模块120由佩戴在胸前的运动传感器，或由分别佩戴在胸前和两个大腿上的三个运动传感器，组成。心电感知模块110和人体运动感知模块120将心电和运动信号上传到手持电子设备200。这里，手持电子设备200是类似智能手机和平板电脑的计算和通信单元。它处理心电和运动信号，与被测者交互，接收和上传数据到工作站300。工作站300实时显示接收到的信号，进一步分析、显示、报告心电信号、运动信号和心率运动反应指标，与医护人员交互，将测量数据和报告上传到医院信息系统。
如图3是本发明数字心脏运动试验设备的在跑步机上运动的实施例示意图。该设备也称“数字心脏平板运动试验”(Digital Cardiac Tradmill Test)如图所示：
与图2中“数字心脏步行试验”实施例基本一样，不同部分在于：首先，跑步机运动感知模块121是跑步机的速度和坡度传感器，由这两个参数计算以代谢当量表示的运动强度。其次，这里的电子设备200’是跑步机控制台，通常由平板电脑担任。由于人在跑步机上的运动是由跑步机的运动模式决定的，整个运动试验的流程控制是通过电子设备200’中的跑步机模式控制211来完成的。最后，电子设备200’与工作站的连接往往采用有线方式。
穿戴部件100中有两大类传感器，一类是心电感知模块110，另一类是人体运动感知模块110，和/或跑步机运动感知模块121。
心电感知模块110测量被测者的心电信号。根据要求不同，我们要感知的心电信号可以是1到12导联不等。1导联主要用于检测心率和与心率相关的心电异常。标准3导联或以上可以实时检测因运动所激发的心肌缺血相关的心电事件，如ST端上抬或下压。由贴在胸前各标准心电位置的心电电极感应到的电位差输入模块中的差分放大电路，再经过模数转换变成数字信号，通过通信电路(如蓝牙)送往电子设备200’。现在，这些都可以用标准的高度集成的芯片实现了。例如：心电电极可使用市场上买到的心电贴片，心电信号放大滤波模块可以用TLC2264芯片来实现。
人体运动感知模块120实时采集被测者的运动数据，上传到电子设备200’。具体来说，测量被测者的步行过程中的运动加速度和姿态角。常用的穿戴式运动传感器有微型加速度传感器、陀螺仪和磁传感器等。人体运动感知模块120采用微型数字加速度传感器芯片或数字加速度传感器、数字陀螺仪、数字磁传感器的集成芯片，如InvenSense(注册商标)的MPU-9150。有两种运动传感器放置方案，最简单的方法是将单个运动传感器芯片至于胸部或人体躯干的固定部位，采集躯干的姿态和运动信号。加速度和陀螺仪信号会因为运动时的各种因素出现很多干扰和误差，为了进一步提高步态分析和步长的测量精度，第二种方案是在躯干和两个大腿上各放一个运动传感器单元。此时，我们可以较为精确地计算步态和位移。
跑步机运动感知模块121主要由跑步机的速度和坡度传感器组成，将测量数据上传到电子设备200’。根据速度和坡度，可以算得代谢当量值。
电子设备200’包括下述模块：试验程序控制210、跑步机模式控制211、语音和文字提示212、人机交互模块250、心电信号处理220、运动信号处理230、通信模块240。手持电子设备200通过通信模块240从工作站获得被测者的ID和个人信息，送往试验程序控制210；试验程序控制210产生试验程序，分别送往跑步机模式控制211、语音和文字提示212和人机交互模块250。试验开始后，手持电子设备200接收来自穿戴部件100送来的心电信号和运动信号，分别由心电信号处理220和运动信号处理230进行处理，处理结果一方面送往试验程序控制210，另一方面上传至工作站300。下面分别叙述各模块功能。
试验程序控制210是手持电子设备的中心控制。它接收来自工作站300的被测者的ID和个人信息，生成本次试验的运动试验模式。例如，对于数字心脏步行试验，可以选择下述模式：让被测者静止一分钟或以上，直到心率平静；开始步行，先以正常速度，并逐步加速，在没有不适感觉的情况下尽可能加速到最大速度，步行6分钟后停止；停止步行后静止休息一分钟。整个试验模式记录8分钟心电和运动数据，即步行前的静止1分钟，步行6分钟和停止后的静止1分钟。选择好试验模式开始试验后，向语音和文字提示212和人机交互界面250发送指令，让被测者按照指令，开始试验。
又如，对于数字心脏平板运动试验，试验程序控制210根据被测者的个人信息，选择合适的运动模式，如常规运动负荷试验Bruce、Naughton和ACIP方案，向跑步机模式控制211、语音和文字提示212、人机交互界面250发送指令，按照该模式开始试验。同样，为了获得静止心率和运动心率恢复值，整个试验包括运动前1分钟静止和运动停止后1分钟静止。
心电信号处理220接收从心电感知模块110来的心电图信号，进行三种信号处理：去除运动干扰、检测QRS结构并计算心率、检测心电异常事件。心电信号处理的算法见：Huabin Zheng,Jiankang Wu,A Real-Time QRS Detector Based on Discrete WaveletTransform and Cubic Spline,Interpolational Journal of Telemedicine and e-Health,Vol.14,ISS.8,2008,pp.809-815。
心电处理结果一方面送往试验程序控制210，心电信号和心率送到人机交互250实时显示。如有心电异常，则试验程序控制210根据预先设置好的预案，通过语音和文字提示212发出预警，严重时通过跑步机模式控制211或语音和文字提示212降低速度、甚至停止运动试验。
运动信号处理230接收从人体运动感知模块120或跑步机运动感知模块121来的运动传感器信号，处理结果送往通信模块240和试验程序控制210。
如果运动传感器采用单个加速度传感器，置于胸部时的加速度数据信号样本如图6所示。每一步，竖直方向加速度会有两个较大的波峰：第一个波峰代表“足跟触地瞬间”，此时人体受到一个较大的向上的力，如图中的十字和方块表示，这时前进方向加速度为零；第二个波峰表示另一个脚的“脚尖离地瞬间”，体重完全落于着地脚，着地脚处于蹬地状态，因此会产生一个较大的向上的力，如图中菱形和五星点所示。
因此，可以得出某一脚的基本步态参数：
(1)双支撑相所占比例＝(菱形点–十字点)/步态周期
(2)单支撑相所占比例＝(方块点–菱形点)/步态周期
(3)站立相所占比例＝(方块点–十字点)/步态周期
(4)摆动相所占比例＝1–站立相所占比例
根据加速度信号的周期性，可以准确地求得步频。
步长为一个步态周期内的位移，对此时胸前加速度计所测得的前向加速度分量进行一次积分得速度，二次积分得位移。为了去除佩戴时的偏差所导致的误差，在被测者戴上穿戴部件时，要求被测者站立，进行5秒钟的初始化校正。
如果采用三个运动传感器单元分别放置于躯干、大腿，可以精确地估算出两腿的摆动角，由腿长计算出步长。具体算法见：XiaoliMeng,Zhiqiang Zhang,Jian-Kang Wu,Wai-Choong Wong,Hierarchical Information Fusion for Global DisplacementEstimation in Microsensor Motion Capture,IEEE Trans.Biomed.Engineering,60(7):2052-2063,2013.
运动强度用代谢当量(Metabolic Equivalent)来表示，定义为运动时的代谢率与安静时的代谢率的比值。ACSM(American College of Sports Medicine)设计了用于计算走路、跑步、固定自行车、台阶的总氧气消耗量(Gross VO2)的代谢当量公式(2006)。根据步态时空参数，计算出运动速度，并进而计算代谢当量：
总氧气消耗量Gross VO2＝3.5+0.1×(速度)+1.8×(速度)×(坡度百分比)，平路上坡度百分比为0％。
总代谢当量(Gross METs)＝总氧气消耗量Gross VO2÷3.5毫升/公斤/分钟
净代谢当量(Net METs)＝总代谢当量(Gross METs)－1MET(安静时代谢当量)
通信模块240接收来自心电信号处理220、运动信号处理230的心电信号和运动信号以及它们的处理结果，接收来自试验程序控制210的状态信息，送往工作站300。另一方面，通信模块240接收来自工作站300的关于被测者的信息以及医嘱，送往试验程序控制210。
通信模块240与工作站300的通信方式，在数字心脏步行试验时采用wifi无线通信，在数字心脏平板运动试验时采用wifi或有线网络通信。
人机交互模块250与试验程序控制210连接，接收其数据或指令。人机交互模块250提供人机交互界面，在被测者确定准备好可以开始时，点击开始图案，开始试验。
在试验过程中，人机交互模块250接收试验程序控制210来的心电和运动信号、以及它们的处理结果，实时显示心电信号、心率、异常标记，同步显示运动状态、步频、步长和距离。
人机交互模块250根据进程，以语音提醒被测者运动或停止、加速或减速，以及发出异常警示。
人机交互模块250也提供紧急按钮，供被测者感到严重不适时使用。
工作站300有三大任务：一是接收并显示来自电子设备200’来的信号和处理结果；二是进一步分析和处理这些数据和处理结果，生成被测者的心电、运动、心率运动反应的评估参数和报告；三是为医护人员提供交互和信息处理功能。
工作站300包括显示、交互和控制310、心电和运动信号分析320、报告生成、数据存储340、紧急情况处理330等模块。
显示、交互和控制310接收和显示心电和运动信号分析320来的心电和运动信号和处理结果；接收和显示报告生成、数据存储340来的试验报告，接收和执行医护人员的指令，提供被测者/康复训练使用者数据管理、运动试验平板管理、评估和训练管理、实时监测等程序。
心电和运动信号分析320接收来自手持电子设备来的心电和运动信号，以及它们的处理结果，送往显示、交互和控制310显示，送往报告生成、数据存储340生成报告，将异常送往紧急情况处理330。此外，其主要功能是进一步分析数据，推导下述心率运动反应指标。
评估心肺动态功能，可以以心率运动的自适应变化为主线。近年来，国际上对心率运动反应能力缺失(Chronotropic Imcompetence)开展了广泛和深入的研究，大量的临床研究表明，心率运动反应能力缺失是心血管事件和死亡率的独立且明确的指标。专家们认为，心率运动反应能力在临床上远没有得到应有的重视，这可能由于定义和量化心率运动反应能力缺失方面，概念比较模糊，没有统一的定义。本发明的实施例中定义下面的心率运动反应能力指标，并提出相应的测量和计算方法：
静止心率(Resting Heart Rate：RHR)：身体处于静止状态下、心情处于平静状态下的心率，正常值范围60-80BPM。
心应变极限Chronotropic Limit CL：定义为Heart Rate Reserve(HRR)，即心脏为应对运动所能达到的最大动态范围。这不仅取决于心脏本身的活动能力，也有赖于自主神经调控能力。
CL＝HRR＝(HRmax-HRrest)/(HRPredM-HRrest)
其中HRmax和HRrest分别表示最大心率和静止心率，HRPredM为最大心率预测值，国际上通用220-age来预测，最近修正为健康男性208-(0.7x Age)、女性206-(0.88x Age)、冠心病人164-(0.72x Age)。在心肺运动试验中，要求被试者加大运动量，达到有氧运动向无氧运动状态的转换，也即：无氧阈≥1.1时，称达到了运动极限；此时的心率即为峰值心率HRmax，进而由上式计算出CL值。此时的CL正常值在0.8-1.3之间。
如前所述，在我国，由于风险的考虑、也由于文化和认知的原因，很少有病人在CPX中达到无氧阈，因此也得不出原来意义上的CL值。在步行试验中，因为步行这种运动形式的限制，试验中达到的HRmax是最大步行努力所达到的最大心率。这要比CPX中达到极限运动时的CL要小，通常>0.3就算正常了。例：对一个60岁的男性，在心肺步行试验中测得的最大心率为110，其静止心率为76。据上式：
CL＝(110–76)/(208-(0.7x 60)-76)＝0.38
心肺步行试验中的CL的值，广泛用于预测心血管事件、死亡事件、或用于疾病预后的阈值，国际上已经有相当多的临床研究。
心应变率(Chronotropic Rate：CR)为心率对运动当量的变化率，或为单位运动当量变化所引起心率的变化，是心脏对运动的应变速度：
CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)
其中HRstage和METstage分别表示试验的某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示被测者的静止心率。对健康人，如上式的这种变化率接近线性，单位代谢当量心率增加值是10BPM左右。
运动心率恢复(Heartrate Recovery after Exercise：HRE)已经被证明为一种非常有力的预后指标。在6分钟步行试验中，它比步行距离更为重要。运动心率恢复(HRE)定义为峰值运动心率与运动停止后1分钟心率的差。这是心血管病的危险指数，它与死亡率紧密相关。HRE≤12是定义异常的参考值。Kopecky等对6546个平均年龄在49岁的无心血管病史的人群历经10年的心率运动试验跟踪研究，在死亡的285人中，运动心率恢复值小于12是独立的全死因(all-cause mortality)指标。
这样，定义了心应变能力系列指标(Chronotropic Competence Indices CCI)。包括4个指标：静止心率Rest Heart Rate(RHR)、心应变极限Chronotropic Limit(CL)、心应变率Chronotropic Rate(CR)、运动心率恢复Heartrate Recovery after Exercise(HRE)。
在测量和计算上述指数时，应该附上测量的关键参数，包括：步行试验中的：HRPredM、HRMax、METPeak；HRStage METStage。对于同一个病人，达到同样最大心率时的以代谢当量表示的运动强度的变化，也表示其运动能力的变化。
报告生成、数据存储340接收来自心电和运动信号分析320的信号和处理结果，生成报告。
每次心脏运动试验，不管是步行试验，还是跑步机运动试验，设备都会实时记录运动试验前1分钟静止状态下心电数据、运动试验开始后若干分钟心电和运动数据、运动试验停止后1分钟的心电数据。运动试验中，在安全的前提下，被测者被鼓励尽力加快运动速度。通过实际测量的心电数据，获得静止心率(HRrest)、任一时刻的运动心率(HRstage)、以及运动中最大运动心率(HRmax)。
将上述运动-心率参数总结起来，形成试验报告中的如下内容：
Figure BDA0000972281460000141
以及如下表的典型的步态参数：
部位 单支撑相 摆动相 站立相 步长
左 39.96％ 39.29％ 60.71％ 41.6cm
右 39.29％ 39.96％ 60.04％ 45.6cm
报告生成、数据存储340根据用户人员指令，将被测者数据存入数据库，并上传到医院信息系统。
紧急情况处理330接收来自心电和运动信号分析320来的异常信号，提出紧急处理方案，经医护人员确认后，向手持电子设备200或电子设备200’发出处理指令。
至此，叙述了一个数字心脏运动试验设备和系统。但是本领域的技术人员可以预见，本发明的上述设备和系统可以进一步推广为评估、康复、监测一体化系统。现以数字心脏平板运动试验为例加以叙述。数字步行运动试验此类似。医生工作站配有所有被测者/康复训练者的数据库，并提供数据管理、心电图运动试验平板管理、评估和训练管理、实时监测等程序。在一个工作站连接多个跑步机的情况下，根据本发明实施例的测试心脏运动功能的流程如下详细描述。
图7是描述根据本发明实施例的测试心脏运动功能的方法的流程图。如图7所示，在步骤S710，通过由被测者穿戴的至少一个穿戴部件感知被测者的心电信号，以及感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号。
例如，使用显示、交互和控制310，医生选中一个被测者和相应的跑步机，并选择运动试验评估；工作站向手持电子设备，即跑步机控制器，发送指令和被测者数据。然后，被测者穿上穿戴部件100，准备就绪。电子设备200’通过通信模块240接收到指令，试验程序控制210根据被测者数据选择运动模式和时长，送回工作站并得到医护人员确认后，启动评估程序，开始评估。
接下来，在步骤S720，处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程，所述心脏运动试验过程包括下述三个阶段：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上。
例如，在人机交互模块250的显示器上实时显示被测者信息、运动模式、ECG信号等。试验程序控制210通过通信模块240实时向工作站300上传运动模式和当前运动参数、ECG数据。人机交互模块250上带有紧急按钮，供被测者感到不适时使用。
在步骤S730，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标。
例如，医生通过工作站的显示、交互和控制310实时监测该被测者，根据实时信息，通过紧急情况处理330随时采取措施，发布命令。这样，根据试验方案完成运动试验之后，试验程序控制210通过人机交互模块250向被测者、通过显示、交互和控制310向医护人员发出通知。显示、交互和控制310通知报告生成、数据存储340生成试验报告，经医护人员确认后存储到数据库，上传到医院信息系统。
根据一些实施例，报告包括心电图判读参数，特别是ST形态；运动参数，和心率运动反应能力参数(心率运动反应能力、变时系数、心率恢复等)。
图8是描述将根据本发明实施例的测试方法应用于训练、监测和评估过程的示意图。
例如，在一个工作站连接多个跑步机的情况下，可以将本发明实施例的测试方法应用于被测者的心脏运动训练、监测和评估流程，如下详细描述。
在步骤S810，使用工作站的显示、交互和控制310，医生选中一个训练者和相应的跑步机，并选择运动康复训练；工作站向手持电子设备，即跑步机控制器，发送指令和被测者数据。
在步骤S820，训练者穿上穿戴部件100，准备就绪。电子设备200’通过通信模块240接收到指令，试验程序控制210根据被测者数据选择运动模式和训练时长，送回工作站并得到医护人员确认后，启动运动康复训练程序，开始训练。
在步骤S830，人机交互模块250的显示器上实时显示训练者信息、运动模式、ECG信号、等。试验程序控制210通过通信模块240实时向工作站300上传运动模式和当前运动参数、ECG数据；人机交互模块250上带有紧急按钮，供训练者感到不适时使用。
在步骤S840，医生通过工作站的显示、交互和控制310实时监测该训练者，根据实时信息，有必要时通过紧急情况处理330随时调节运动模式，或采取措施，发布命令。
在步骤S850，根据训练方案完成运动康复训练之后，试验程序控制210通过人机交互模块250向训练者、通过显示、交互和控制310向医护人员发出通知。显示、交互和控制310通知报告生成、数据存储340生成运动康复训练报告，经医护人员确认后存储到数据库，上传到医院信息系统。例如，运动康复训练报告包括心电图判读参数，特别是ST形态；运动参数，和心率运动反应能力参数(心率运动反应能力、变时系数、心率恢复等)。
上述实施例的心脏运动试验设备和系统，提供了一系列心电、运动和心率运动反应数字度量，全面反应了心血管动态功能，为心血管病的诊断、预防和康复提供依据。它的数字度量比CPX更容易应用。例如，“数字心脏步行试验”，采用穿戴式设备，没有特定的场地要求，容易掌握、容易使用，适合各种医院。“数字心脏平板运动试验”，便于管理，更适合医院和康复中心。
此外，“数字心脏运动试验设备和系统”简便、随时随地，大大简化了心肺功能运动试验的复杂性，可以在心血管病人诊断、预防、康复中发挥更大、更全面的作用。“数字心脏运动试验设备和系统”是数字化设备，可以随时随地通过网络，将数据报告给医生。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了测试心脏运动的设备和系统的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本发明的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种测试心脏运动功能的系统，包括：
至少一个穿戴部件，由被测者穿戴，并且包括：心电感知模块，用于感知所述被测者的心电信号，以及运动感知模块，用于感知所述被测者的无负荷或有负荷的运动信号；
手持电子设备，通过有线或无线通信方式，从所述至少一个穿戴部件获得所述被测者的心电信号和运动信号，处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程；
工作站，与所述手持电子设备采用无线或有线通讯连接，用于从所述手持电子设备接收数据，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标，
其中所述心应变能力系列指标包括静止心率、心应变极限、心应变率、以及运动心率恢复，其中所述心应变率是心脏对运动的应变速度，
其中，心应变率通过下式来测量：
CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)
其中HRstage和METstage分别表示被测者在测试中某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示被测者在静止时的心率，以及
其中所述心电感知模块佩戴在所述被测者胸前，包括至少一个导联，所述运动感知模块测量所述被测者运动过程中的运动加速度和姿态角。
2.根据权利要求1所述的测试心脏运动功能的系统，其中所述手持电子设备被配置为实时处理下述三个阶段的心电信号和运动信号：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上。
3.根据权利要求1所述的测试心脏运动功能的系统，其中心应变极限通过下式来测量：
CL＝(HRmax-HRrest)/(HRPredM-HRrest)
其中HRmax和HRrest分别表示最大心率和静止心率，HRPredM为最大心率预测值。
4.根据权利要求1所述的测试心脏运动功能的系统，其中运动心率恢复定义为峰值运动心率与运动停止后1分钟心率的差，表示运动停止后心率恢复到静止心率的速度。
5.根据权利要求1所述的测试心脏运动功能的系统，其中所述手持电子设备包括人机交互模块，以语音或图像提醒被测者运动或停止、加速或减速，实时显示被测者的信息、运动模式、ECG信号，并且所述人机交互模块带有紧急按钮，供所述被测者感到不适时使用。
6.根据权利要求1所述的测试心脏运动功能的系统，所述运动感知模块包括设置在所述被测者的躯干上的运动传感单元和设置在所述被测者两条腿上的运动传感单元。
7.一种测试心脏运动功能的系统，包括：
至少一个穿戴部件，由被测者穿戴，并且包括心电感知模块，用于感知所述被测者的心电信号；
跑步机，包括：运动感知模块，用于感知所述被测者的无负荷或有负荷的运动信号，以及电子设备，通过有线或无线通信方式，从所述至少一个穿戴部件获得所述被测者的心电信号，从所述运动感知模块获得所述被测者的运动信号，处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程；
工作站，与所述电子设备采用无线或有线通讯连接，用于从所述电子设备接收数据，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标，
其中所述心应变能力系列指标包括静止心率、心应变极限、心应变率、以及运动心率恢复，其中所述心应变率是心脏对运动的应变速度，
其中，心应变率通过下式来测量：
CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)
其中HRstage和METstage分别表示所述被测者在测试中某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示所述被测者在静止时的心率。
8.根据权利要求7所述的测试心脏运动功能的系统，其中所述电子设备被配置为实时处理下述三个阶段的心电信号和运动信号：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上。
9.根据权利要求7所述的测试心脏运动功能的系统，其中所述运动感知模块包括设置在所述跑步机上的速度传感器和坡度传感器。
10.根据权利要求7所述的测试心脏运动功能的系统，其中，心应变极限通过下式来测量：
CL＝(HRmax-HRrest)/(HRPredM-HRrest)
其中HRmax和HRrest分别表示最大心率和静止心率，HRPredM为最大心率预测值。
11.根据权利要求7所述的测试心脏运动功能的系统，其中运动心率恢复定义为峰值运动心率与运动停止后1分钟心率的差，表示运动停止后心率恢复到静止心率的速度。
12.一种测试心脏运动功能的设备，包括：
运动感知模块，用于感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号，其中所述被测者佩戴至少一个穿戴部件，所述至少一个穿戴部件包括心电感知模块，用于感知所述被测者的心电信号；以及
电子设备，通过有线或无线通信方式，从所述至少一个穿戴部件获得被测者的心电信号，从所述运动感知模块获得所述被测者的运动信号，处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程；
其中，根据所述电子设备的数据，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标，
其中所述心应变能力系列指标包括静止心率、心应变极限、心应变率、以及运动心率恢复，其中所述心应变率是心脏对运动的应变速度，
其中，心应变率通过下式来测量：
CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)
其中HRstage和METstage分别表示所述被测者在测试中某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示所述被测者在静止时的心率。
13.一种电子设备，包括：
通信模块，通过有线或无线通信方式，从由被测者佩戴的至少一个穿戴部件获得所述被测者的心电信号以及所述被测者的无负荷或有负荷的运动信号；
信号处理模块，处理所述通信模块得到的下述三个阶段的心电信号和运动信号：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上心电信号和运动信号，在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标，其中所述心应变能力系列指标包括静止心率、心应变极限、心应变率、以及运动心率恢复，其中所述心应变率是心脏对运动的应变速度，其中，心应变率通过下式来测量：CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)，其中HRstage和METstage分别表示所述被测者在测试中某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示所述被测者在静止时的心率；以及
控制模块，控制心脏运动试验过程。
14.一种测试心脏运动功能的方法，包括步骤：
通过由被测者穿戴的至少一个穿戴部件感知被测者的心电信号，以及感知被测者的无负荷或有负荷的运动信号；
处理心电信号和运动信号，控制心脏运动试验过程，所述心脏运动试验过程包括下述三个阶段：运动试验前静止至少1分钟、运动试验开始后按某种模式运动6分钟或以上、运动停止后1分钟或以上；
在用户的监测下完成心脏运动试验过程，并生成试验报告，其中所述报告中至少包括：心电参数、运动参数和心应变能力系列指标，
其中所述心应变能力系列指标包括静止心率、心应变极限、心应变率、以及运动心率恢复，其中所述心应变率是心脏对运动的应变速度，
其中，心应变率通过下式来测量：
CR＝(HRstage-HRrest)/(METstage-1)
其中HRstage和METstage分别表示所述被测者在测试中某一时刻的心率和运动代谢当量，HRrest表示所述被测者在静止时的心率。
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