CN105877741A - 一种便携式手握心电监护仪及qrs波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式手握心电监护仪及QRS波检测方法，便携式手握心电监护仪，包括手握结构；所述手握结构通过信号处理模块安装体与感应装置连接。本发明的心电监测仪简便性强，使用者的左手或右手握住手握心电传感器都是可行的，贴于胸前即可，对贴附位置没有特殊要求，传感器的灵敏性高，即使衣物较厚都能够产生相应心电波形，直接使用，不需要做任何提前准备；消除运动伪影，采用可弯曲式的感应电极，更加贴合衣服。本发明的方法运算量少，在单片机上就可以实现；实时性强，能够实时快速显示的心电信号的心率值；适应性好，能很好的去适应不同个体心电幅值不一的情况，能在移动式心电接触引起的信号波动情况下准确计算心率值。

Description

一种便携式手握心电监护仪及QRS波检测方法

技术领域

本发明涉及心电信号检测领域，特别是一种便携式手握心电监护仪及QRS波检测方法。

背景技术

生物电反映了人体各种生理状态的重要信息，对人体的各种生物电的检测、记录已经成为掌握人体器官健康与否的关键依据。心脏的活动促使在人体表面的电位分布不同，而产生了心电。心电图是检测心脏疾病的重要手段，在国内最致命的三种疾病是脑卒中、冠心病以及慢性阻塞性肺病，而心脏疾病占了两个。

传统的心电测量系统中，通常是采用粘有导电胶的Ag/AgCl一次性电极片或吸杯式的，这种的缺陷是必须跟人体表面皮肤直接接触，而且为了接触性良好与信号的稳定还需要在皮肤表面涂抹导电膏，占用的时间也较长。传统的心电监护仪还需要专业人士才能操作和观察。随着慢性心脏类疾病的扩散，传统的心电测量设备存在着诸多的不便，而便携式易操作的心电监护仪越来越受到人们的广泛关注。传统的动态心电仪虽然符合要求但是需要长时间的佩戴电极片，而且还是需要直接跟身体皮肤直接接触。而长时间电极与皮肤的接触会给局部皮肤造成大的刺激性，并且给使用者造成很大的不便，未受过医学专业训练的一般人也不能自己操作。

近年来，虽然非接触式心电监测技术发展速度飞快，而显现出的问题也很多，离取代传统的心电监测还很遥远。非接触式心电监测技术的核心是电容耦合原理如图1所示，感应电极20、衣物18、电极接触部分皮肤19构成一个耦合电容，当人体体表电位发生变化时，电极表面的电荷也随之发生运动，所以心电信号通过耦合电容间接输入到电路中。但耦合电容很容易受外界因素的干扰，比如运动伪影问题，当使用者身体与心电监护仪接触面发生相对运动时，耦合电容的电容值会发生变化，导致信号出现运动伪影。另外衣物上的静电电荷以及衣物电荷传导性也会对信号有影响，由于电荷的积累，静电电荷无法尽快释放会导致心电信号被噪声覆盖或削弱。衣物上以及感应电极上的静电电荷的影响会导致心电信号延迟，不能快速的在显示模块上显示出良好的心电波形。

现代家庭领域所需求的是智能化医疗仪器，即操作简单方便、智能化显示、等待时间短、非专业人员也可使用。便携式心电监测设备需要能快速对动态心电信号进行实时的检测诊断，即使未受过医学专业训练的一般人都能直接操作，直观的在显示屏上显示身体健康指标，以便能为用户或医生提供指导和医学咨询。另一方面快速实时显示准确的心率，心率检测算法是至关重要的。现有的小型移动设备运算能力有限，不能够使用一些复杂的运算量大的算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种便携式手握心电监护仪及QRS波检测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种便携式手握心电监护仪，包括手握结构；所述手握结构通过信号处理模块安装体与感应装置连接。

所述感应装置与安装体之间通过喷雾装置连接，且所述喷雾装置通过喷雾出口与所述感应装置连通。喷雾装置可以防止电容耦合中由于衣服的材质性、电荷传导性差，造成的电荷积累引起噪声从而对心电信号形成干扰。高湿度还有利于心电信号初始检测时能快速观察到稳定的心电波形，保持信号的低延迟。

本发明还提供了一种利用上述便携式手握心电监护仪检测QRS波的方法，该方法的步骤包括：

1)采集心电信号，利用信号处理模块安装座内的处理器滤除心电信号的噪声；

2)对采样到的心电信号x(n)，取该采样点前2s～4s的心电数据，得到心电数据集X(n)，求取X(n)中相邻时刻心电数据的正差分和负差分，得到正差分数组D(n)和负差分数组d(n)，去除正差分数组和负差分数组中的连续的2～3个最大值，得到D’(n)和d’(n)；

3)求取D’(n)中的最大值D_max、均值D_mean，以及d’(n)的最大值d_max、均值d_mean；根据下列公式算出阈值TH_D，TH_d；

TH_D＝2/3D_max+1/3D_mea；

TH_d＝2/3d_max+1/3d_mea；

4)对心电信号x(n)进行相邻两点心电数据的差分判断，若连续N_d个差分值都比-TH_d小，则这些差分值对应的采样点为RS波段的采样点；再检测RS波段采样点前的90～120ms内采样点对应的心电数据的正差分值大小，若连续N_d个正差分值都比TH_D大，则这些采样点即为QR波段的采样点，即锁定QRS波群，QRS波群中的最大值则为R波峰峰值点；其中：N_d＝80f/1000*1/2；f为采样频率；

5)在R波峰峰值点200ms后，重复上述步骤4)，继续检测下一个R波峰峰值点；

6)在步骤3)算出阈值TH_D，TH_d的3-4分钟后，重新选取算出阈值TH_D，TH_d的3-4分钟后的2s～4s的心电信号，并返回步骤2)，继续进行检测。

利用数字带通滤波器和数字带阻滤波器去除心电信号噪声，且所述数字带通滤波器的频率范围是0.05HZ-100HZ。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的心电监测仪简便性强，使用者的左手或右手握住手握心电传感器都是可行的，贴于胸前即可，对贴附位置没有特殊要求，传感器的灵敏性高，即使衣物较厚都能够产生相应心电波形，可以直接使用，不需要做任何提前准备；消除运动伪影，采用可弯曲式的感应电极，可以更加贴合衣服。采用由导电织物包裹的导电性泡沫具备有柔软性，能够紧密的跟衣服接触移动少。手握装置的弹簧能够消除手抖动带来的相对移动，又能够让衣物与感应电极贴合的更加紧密，缓冲电路也有减小运动伪影的效果；能减少测量的等待时间，通常当心电仪启动，人体接触电极后都需要等待一段时间才会有显示清晰的心电波形，而且前面一段时间的心电信号由于电容耦合作用电极面的电荷释放缓慢造成延迟。这些都是因为人体与导电体构成的耦合电容是等效上的电容，会导致电荷的聚集而影响心电信号。通过增加喷雾和高吸水性的树脂加快电荷的释放，可在短时间内即可输出较好的心电波形；通过检测人体心脏不同部位的动态心电图，能够更加立体直观的观察心脏的活动状态。将各个部位的心电动态图存储后再一起观察可以构成人体体表电位图，更加动态直观。人体体表电位图相比于单一的心电图，得到的信息会更加全面，能直观的判断病人的心脏状况；本发明的方法运算量相对少，在单片机上就可以实现；实时性强，能够实时快速显示的心电信号的心率值；适应性好，动态QRS波检测方法能很好的去适应不同个体心电幅值不一的情况，能在移动式心电接触引起的信号波动情况下准确计算心率值。

附图说明

图1为非接触式心电监测技术的核心是电容耦合原理图；

图2为本发明心电监护仪结构示意图；

图3为本发明感应装置和喷雾装置结构示意图；

图4为本发明感应装置结构示意图；

图5为本发明缓冲电路与单端差动放大电路原理图；

图6为本发明带阻滤波器原理图；

图7为本发明电路结构框图；

图8为本发明方法流程图；

图9为本发明初步实验后的心电波形。

具体实施方式

如图2所示，本发明一实施例心电监护仪包括手握结构；所述手握结构通过信号处理模块安装体与感应装置5连接。手握结构包括金属手柄1；所述金属手柄1与伸缩式外壳2连接；所述伸缩式外壳2内固定有弹簧3；所述弹簧3一端与所述信号处理模块安装体4连接；所述弹簧3另一端折弯为挂钩状，且该挂钩状设在所述金属手柄1内。

如图3所示，感应装置与安装体之间通过喷雾装置连接，且所述喷雾装置通过喷雾出口与所述感应装置连通。喷雾装置包括超声波雾化器6；所述超声波雾化器6的外壳为铝外壳。喷雾装置外壳由轻薄铝结构构成，能够屏蔽外界的干扰。超声波喷雾装置可以做的特别的小型而又能够控制雾化速度。为空气源源不断的提供水汽，使空气保持较高的湿度。高湿度有利于防止电容耦合中由于衣服的材质性、电荷传导性差，造成的电荷积累引起噪声从而对心电信号形成干扰。高湿度还有利于心电信号初始检测时能快速观察到稳定的心电波形，保持信号的低延迟。感应电极周围通道口8是为了能让雾化水汽通过通道口向感应电极与衣服的接触面周围流通，并且也能通过铝网在感应电极内部流通保持整个空间的高湿度。

如图4所示，感应装置包括吸水层17；所述吸水层17的顶面和底面分别与顶层棉织物12、底层棉织物16接触；所述顶层棉织物12顶面与导电层11接触；所述底层(使用时靠近人体的一侧)棉织物16底面与导电体15接触；所述导电体15与人体接触。所述导电体15包括导电性聚合物泡沫和包裹在所述导电性聚合物泡沫上的导电织物；所述吸水层17上设有缓冲电路。所述吸水层17、顶层棉织物12、底层棉织物16、导电层11、导电体15构成的感应单元包裹在透气缓冲层14内。超声波雾化器6的喷雾出口通过金属网5与透气缓冲层14连通。

本发明中，吸水层为具备高吸水性的树脂。而树脂顶面和底面均附着一层棉织物分为顶层棉织物和底层棉织物，作用是为了结合树脂保持空气中的湿度。导电层是附着在上下层棉织物的外部，附着在顶层棉织物的是导电织物，而附着底层棉织物导电体是由导电织物包裹的导电性聚合物泡沫。由导电织物包裹的导电性聚合物泡沫是具备柔软度的，可以充分的压缩使人体与感应电极充分接触。而且感应电整体是可弯曲的，可以更加紧密贴合于身体，减小身体与感应电极的相对运动。为了增强缓冲能力在感应电极的最上层还有一层透气的海绵物(透气缓冲层)。

如图5，本发明的缓冲电路包括第一运算放大器；所述第一运算放大器正输入端与导电体15电连接；所述第一运算放大器正输入端、负输入端、输出端接第二运算放大器正输入端；所述第二运算放大器输出端接入所述第一运算放大器正输入端与导电体15之间，且与所述第二运算放大器正输入端连接；所述第一运算放大器输出端与所述导电层11电连接；所述第一运算放大器输出端与带通滤波器连接；所述带通滤波器输出端与单端差动放大器连接；所述单端差动放大器负输入端与所述金属手柄1电连接。

被导电织物包裹的导电性聚合物泡沫的导电体通过人体上电信号耦合到电路中，传导到缓冲放大器的同相端，底面的导电织布与缓冲放大器的输出端相连接，运放2是为了防止偏置电阻Rs1与耦合电容构成高通滤波器导致部分心电信号的缺失。而Cs1和Rs2可以去除输入信号的基线漂移，Cs2是防止电阻的寄生振荡。然后再经过运放3构成二阶带通滤波器输出。底层导电织物能构成屏蔽，可以有效的抑制感应电极周围的噪声。感应电极的最外表是一层薄的棉织物，可以防止由导电织物包裹的导电性聚合物泡沫与衣物接触摩擦导致电荷聚集影响心电信号。薄的棉织物电荷传导性高有利于减小不同衣物材质对感应电极的输出信号的影响以及一定程度上减小电荷聚集。通道是为超声波喷雾装置水雾的跟外界的导通口，又能增加内部的湿度。感应电极是可弯曲性的，而表面的由导电织物包裹的导电性聚合物泡沫又能挤压，可以紧密的与衣物接触。结果输出的心电波形会更加的稳定，如图9所示为初步实验后的心电波形。

本发明的金属手柄采用铜制成，铜制手柄需要与电路的地相连接，作为心电电位的参考点。可折叠式的塑料外壳(伸缩式外壳)是为了方便弹簧的受力压缩，带挂钩的螺旋弹簧是为了防止手的抖动从而使感应电极与人体发生相对位移或抖动造成影响，能够减小运动伪影。另一方面压缩弹簧又能够促进与衣物接触的紧密性，增强电容耦合。对心电信号影响最大的莫过于感应电极相对于身体的移动会造成耦合电容的变化，信号会产生大的波动和噪声干扰。特别是在非接触下动态实时的监测心电信号，小的抖动都可能会影响到身体皮肤与感应电极构成的耦合电容，对观察心电信号造成影响。

信号处理模块安装体4的外壳为铝外壳。利用单端差动放大电路是实现以手为参考点的心电电位的单端差动放大，同时又能够抑制共模噪声。选用的是IN121仪表放大器，它具备有高增益、低噪声、低功耗、高共模抑制比等优异特性，最大的可以放大到1000倍，本发明单端差动放大的放大倍数是10倍左右。

图6所示为双T型的带阻滤波器，能够大幅滤除心电信号中的50Hz工频干扰。心电信号噪声最大的干扰来源于50HZ工频波，工频波可能会把心电信号全部掩盖，所以一方面需要陷波器滤除工频波干扰，另一方面电路利用轻质铝外壳对外界进行隔离，可以起到很好的屏蔽作用。经过滤波后的心电信号经过主放大电路放大，将心电信号抬升到0到3.3V范围。自仪表放大电路后面，运算放大器都是采用TI公司的超低噪声、低偏置、零漂移的TLC2262运算放大器。最后再利用蓝牙模块将心电信号输出到显示模块中进行数字信号处理和图像显示。

嵌入式设备接收到数据后，将心电信号通过STM32微处理器进一步的数字滤波和数据处理，最后在带触摸的液晶屏上显示心电波形和心率。针对心率测量的局限性问题，提出了一种能够实时的测量、准确度高的、针对非接触式移动心电监测设备的改进型动态差分算法。可根据数字心电信号采样前后多点间的差分大小的不同能够精准的锁定心电信号QRS波群，差分的正负值代表了心电信号波形的处于上升或下降。先根据负差分阈值锁定RS波段而设定的负差分阈值的大小是动态的，再根据正差分阈值检测之前的100ms内点的正增值锁定QR波段，最后即可确定R波的峰峰值实时准确的计算心率。不管心电信号检测时不同时段不同用户的幅值大小不同、采样频率不同或由于非接触式心电信号容易受到波动都能够实时准确的测量出心率信号。

改进型动态差分算法的步骤：

1、对蓝牙接收到的心电信号进行数字滤波处理，设计数字带通滤波器以及数字带阻滤波器去除心电信号噪声。带通滤波器的频率范围是0.05HZ-100HZ，带阻滤波器是滤除工频干扰。

2、锁定QRS波群：步骤1中去噪后的心电信号x(n)，取心电信号x(n)取前2s—4s的数据X(n)，求取X(n)中相邻两点的增值数据正差分为D(n)和负差分为d(n)，并且去除掉D(n)和d(n)中的2—3个最大值。

$\left\{\begin{array}{cc}D\left(n\right)=X\left(n\right)-X(n-1)& X\left(n\right)>=X(n-1)\\ d\left(n\right)=X(n-1)-X\left(n\right)& X\left(n\right)<X(n-1)\end{array}\right.$

将处理后的D(n)和d(n)进一步处理，得到最大值Dmax、均值Dmean和最大值dmax、均值dmean。

初始的增值阈值为THD与THd，阈值可以表示为如下式子。

TH_D＝2/3D_max+1/3D_mean；

TH_d＝2/3d_max+1/3d_mean；

N_d＝80f/1000*1/2；f为采样频率；

提取到阈值后即可利用THd先锁定RS波，对2s之后的采样点进行相邻两点的增值判断，若点的差分大小连续N_d个值都比-THd小，则这些点为RS波段的采样点。之后检测采样点(RS波段的最后一点)前90—120ms内采样点的正增值(正差分)大小，若采样点的正差分大小连续N_d个值都比THD大，则为QR波段的采样点即可锁定QRS波群，最后可得到R波峰峰值点。随后对心电波形的采样点继续按阈值进行锁定，其中直接跳过临床生理医学原理的不应检测波段，即R波后的200ms内不需要检测，可以更加的快速计算检测。对于更新阈值，等3—4分后再对阈值进行取值，新的阈值跟前面步骤一样，采集前两秒的数据对其进行处理，一直循环下去。

在测量开始时，使用者按下开关然后手握住本发明手握心电传感器的手柄部分1，将感应电极5贴向胸前部位。手掌稍微用力即可压缩螺旋弹簧3，使身体和感应电极7贴合的更加紧密。而感应电极的顶部采用的是导电织物包裹的导电性聚合物泡沫15具备柔软性，更能抑制身体与感应电极的相对运动对心电信号造成的干扰，螺旋弹簧3也能够防止人手的抖动以及身体的挪动。该发明能很好的消除运动伪影对心电信号的干扰，又能够简便的检测心电信号，快速准确在显示屏显示波形和心率。隔着衣物无需与身体皮肤直接接触，所以非常适合医院快速监测心电波形心率参数，也特别适用于家庭心电监测。

Claims (10)

1.一种便携式手握心电监护仪，其特征在于，包括手握结构；所述手握结构通过信号处理模块安装体与感应装置连接。

2.根据权利要求1所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述感应装置与安装体之间通过喷雾装置连接，且所述喷雾装置通过喷雾出口与所述感应装置连通。

3.根据权利要求2所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述手握结构包括金属手柄(1)；所述金属手柄(1)与伸缩式外壳(2)连接；所述伸缩式外壳(2)内固定有弹簧(3)；所述弹簧(3)一端与所述信号处理模块安装体(4)连接；所述弹簧(3)另一端折弯为挂钩状，且该挂钩状设在所述金属手柄(1)内。

4.根据权利要求2所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述感应装置包括吸水层(17)；所述吸水层(17)的顶面和底面分别与顶层棉织物(12)、底层棉织物(16)接触；所述顶层棉织物(12)顶面与导电层(11)接触；所述底层棉织物(16)底面与导电体(15)接触。

5.根据权利要求4所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述导电体(15)包括导电性聚合物泡沫和包裹在所述导电性聚合物泡沫上的导电织物；所述吸水层(17)上设有缓冲电路。

6.根据权利要求5所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述缓冲电路包括第一运算放大器；所述第一运算放大器正输入端与导电体(15)电连接；所述第一运算放大器正输入端、负输入端、输出端接第二运算放大器正输入端；所述第二运算放大器输出端接入所述第一运算放大器正输入端与导电体(15)之间，且与所述第二运算放大器正输入端连接；所述第一运算放大器输出端与所述导电层(11)电连接；所述第一运算放大器输出端与带通滤波器连接；所述带通滤波器输出端与单端差动放大器正输入端连接；所述单端差动放大器负输入端与所述金属手柄(1)电连接。

7.根据权利要求6所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述吸水层(17)、底层棉织物(12)、顶层棉织物(16)、导电层(11)、导电体(15)构成的感应单元包裹在透气缓冲层(14)内。

8.根据权利要求7所述的便携式手握心电监护仪，其特征在于，所述喷雾装置包括超声波雾化器(6)；所述超声波雾化器(6)的外壳为铝外壳；所述超声波雾化器(6)的喷雾出口通过金属网(5)与所述透气缓冲层(14)连通。

9.一种权利要求1～8之一所述的便携式手握心电监护仪检测QRS波的方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

1)采集心电信号，利用信号处理模块安装座内的处理器滤除心电信号的噪声；

2)对采样到的心电信号x(n)，取该采样点前2s～4s的心电数据，得到心电数据集X(n)，求取X(n)中相邻时刻心电数据的正差分和负差分，得到正差分数组D(n)和负差分数组d(n)，去除正差分数组和负差分数组中的连续的2～3个最大值，得到D’(n)和d’(n)；

3)求取D’(n)中的最大值D_max、均值D_mean，以及d’(n)的最大值d_max、均值d_mean；根据下列公式算出阈值TH_D，TH_d；

TH_D＝2/3D_max+1/3D_mea；

TH_d＝2/3d_max+1/3d_mea；

4)对心电信号x(n)进行相邻两点心电数据的差分判断，若连续N_d个差分值都比-TH_d小，则这些差分值对应的采样点为RS波段的采样点；再检测RS波段采样点前的90～120ms内采样点对应的心电数据的正差分值大小，若连续N_d个正差分值都比TH_D大，则这些采样点即为QR波段的采样点，即锁定QRS波群，QRS波群中的最大值则为R波峰峰值点；其中：N_d＝80f/1000*1/2；f为采样频率；

5)在R波峰峰值点200ms后，重复上述步骤4)，继续检测下一个R波峰峰值点；

6)在步骤3)算出阈值TH_D，TH_d的3-4分钟后，重新选取算出阈值TH_D，TH_d的3-4分钟后的2s～4s的心电信号，并返回步骤2)，继续进行检测。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤1)中，利用数字带通滤波器和数字带阻滤波器去除心电信号噪声，且所述数字带通滤波器的频率范围是0.05HZ-100HZ。