CN108836308A - 一种去除可穿戴心电运动干扰的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种去除可穿戴心电运动干扰的装置。该装置包括两组可穿戴电极、心电信号采集模块、参考运动信号采集模块和自适应噪声抑制模块，其中，一组可穿戴电极与心电信号采集模块相连，另一组可穿戴电极与参考运动信号采集模块相连，心电信号采集模块和参考运动信号采集模块分别与自适应噪声抑制模块相连。本发明的装置具有设计简单，易实现，低成本等显著优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种可穿戴心电运动干扰的去除装置，更确切地说是采用自适应噪声抑制的方法去除可穿戴心电运动干扰的装置。
背景技术
随着微处理器和MEMS传感技术的发展，可穿戴技术被广泛应用于日常心电监测领域，用于探测偶发的心律不齐或者监测心脏用药或术后恢复情况。在可穿戴心电监测应用中，心电数据采集存在多种噪声干扰，包括：基线漂移、工频干扰、肌电干扰和运动干扰等。这些噪声干扰严重影响心电波形的诊断，尤其是ST波段的识别和QRS波形的识别。其中，运动干扰来源包括身体与电极表面的局部摩擦、身体与电极位置的相对运动。由于运动干扰的幅值大小与心电信号的幅值大小相当甚至更大，并且其频谱范围和心电信号的频谱带宽重合，因此运动干扰严重影响了可穿戴心电监测数据的质量。
抑制运动干扰，可以从可穿戴传感设备的电极和算法角度进行设计。电极设计角度主要集中在皮肤，衣服和电极的良好接触，如采用紧身的绷带等。从数据处理算法角度，软件处理运动降噪方法包括：设计并优化大量的滤波器、小波变换方法、自适应滤波和盲信号分离方法等。其中，自适应噪声抑制方法的运算量相对更小，对处理器要求低，能够满足可穿戴心电监测实时分析的要求。
为了提高自适应噪声抑制方法的降噪效果，从外部传感器获取和运动干扰相干的数据作为参考信号是普遍采用的方法。外部传感器采集参考信号种类很多，在以往的研究当中，参考信号的选取主要采用：加速度信号、电极/皮肤阻抗信号、皮肤形变信号等。不同的参考信号对应采用不同的传感器硬件设备，上述参考信号采集方案均需要额外增加可穿戴设备的硬件成本，同时增加了设备设计的难度。为了保证参考信号与运动心电信号的相干性，同时提高可穿戴设备的舒适度、降低设备设计难度，参考信号传感器的选取显得尤为重要。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提出一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，该装置采用心电电极作为参考传感器，运算量少的LMS或RMS自适应算法作为数据处理算法，具有设计简单，易实现，低成本等显著优势。
本发明采用的技术方案为：
一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，包括两组可穿戴电极、心电信号采集模块、参考运动信号采集模块和自适应噪声抑制模块，其中，一组可穿戴电极与心电信号采集模块相连，另一组可穿戴电极与参考运动信号采集模块相连，所述心电信号采集模块和参考运动信号采集模块分别与自适应噪声抑制模块相连。
进一步地，所述可穿戴电极采用电极组，包括两个以上的电极。
进一步地，两组可穿戴电极的尺寸和材料均相同。
进一步地，两组可穿戴电极之间设有隔离材料。
进一步地，与心电信号采集模块相连可穿戴电极设置在靠近人体一侧，与参考运动信号采集模块相连的可穿戴电极设置在远离人体一侧。
进一步地，所述运动心电信号采集模块和参考运动信号采集模块均包括依次相连的采集前端电路、信号放大电路、AD转换电路和数据滤波电路。
进一步地，所述数据滤波电路采用工频陷波处理、高频滤波处理或低频滤波处理的数字滤波。
进一步地，所述运动心电信号采集模块和参考运动信号采集模块的采集前端电路的配置相同。
进一步地，所述自适应噪声抑制模块采用LMS或RLS自适应算法
本发明提出了一种新式的参考运动信号采集装置，采用心电电极作为参考传感器，相比现有技术未引入新的传感器，简化了电路和系统设计，可穿戴更方便，舒适度更高。同时，本发明采用运算量少的LMS或RMS自适应算法作为数据处理算法，更适于可穿戴系统的实现。
附图说明
图1为本发明去除可穿戴心电运动干扰装置的示意图；
图2为本发明实施例中可穿戴电极的结构示意图，(a)俯视图，(b)侧视图；
图3为本发明实施例中运动心电信号&参考运动信号采集模块示意图；
图4为本发明实施例中LMS自适应噪声控制原理图；
图5为本发明实施例中自适应降噪前后心电信号对比图，(a)为输入的心电数字信号，(b)为输入的运动参考数字信号，(c)为去除干扰后的心电信号。
具体实施方式
图1为本发明去除可穿戴心电运动干扰装置的示意图，包括两组可穿戴电极、心电信号采集模块、参考运动信号采集模块和自适应噪声抑制模块四个部分，其中一组可穿戴电极与心电信号采集模块相连，另一组可穿戴电极与参考运动信号采集模块相连，心电信号采集模块和参考运动信号采集模块与自适应噪声抑制模块相连。自适应噪声抑制模块采用LMS或RLS自适应算法去除心电信号中的运动干扰；自适应噪声抑制模块的输入为上述心电信号采集模块和参考运动信号采集模块处理后的数字信号，输出为降噪处理后的心电信号。
图2为可穿戴电极的结构示意图，电极1和2组成采集运动参考信号的电极组，且远离人体一侧；电极3和4组成采集心电信号的电极组，且靠近人体一侧。
电极1～4的尺寸一致，电极1～4均采用导电银纤维材料制作；电极1和电极3之间采用棉质、聚酯纤维等材料5进行隔离，电极2和电极4之间采用棉质、聚酯纤维等材料6进行隔离；电极1～4利用针织技术与绷带7进行固定。
图3为运动心电信号&参考运动信号采集模块示意图，电极1和2与参考运动信号采集模块8连接，电极3和4与心电信号采集模块9连接。参考运动信号采集模块8和心电信号采集模块9采用相同配置和功能的电路实现，具有信号放大、AD转换、数据滤波的功能，数据滤波可采用工频陷波处理、高频滤波处理或低频滤波处理等数字滤波方式；参考运动信号采集模块8和心电信号采集模块9处理后输出陷波处理后的运动参考数字信号10和心电数字信号11输入到自适应噪声控制模块。
图4为LMS算法自适应噪声控制原理图，主输入信号为心电数字信号11，参考输入信号为运动参考数字信号10，LMS自适应滤波器动态调整滤波器系数W，经过迭代运算使滤波系数W达到最优解，滤波器收敛，输出去除干扰的心电信号12。
图5为LMS算法自适应降噪前后心电信号对比图，利用心电电极组3、4采集的心电信号11和参考运动电极组1、2采集的运动参考信号10，经过LMS算法自适应噪声控制处理后得到去除运动干扰后的心电信号12可以明显地显示心电的波形特征，并降低了运动干扰的影响。
以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何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权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，包括两组可穿戴电极、心电信号采集模块、参考运动信号采集模块和自适应噪声抑制模块，其中，一组可穿戴电极与心电信号采集模块相连，另一组可穿戴电极与参考运动信号采集模块相连，所述心电信号采集模块和参考运动信号采集模块分别与自适应噪声抑制模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，所述可穿戴电极采用电极组，包括两个以上的电极。
3.根据权利要求1或2所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，两组可穿戴电极的尺寸和材料均相同。
4.根据权利要求1或2所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，两组可穿戴电极之间设有隔离材料。
5.根据权利要求1或2所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，与心电信号采集模块相连可穿戴电极设置在靠近人体一侧，与参考运动信号采集模块相连的可穿戴电极设置在远离人体一侧。
6.根据权利要求1所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，所述运动心电信号采集模块和参考运动信号采集模块均包括依次相连的采集前端电路、信号放大电路、AD转换电路和数据滤波电路。
7.根据权利要求6所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，所述数据滤波电路采用工频陷波处理、高频滤波处理或低频滤波处理的数字滤波。
8.根据权利要求6或7所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，所述运动心电信号采集模块和参考运动信号采集模块的采集前端电路的配置相同。
9.根据权利要求1所述的一种去除可穿戴心电运动干扰的装置，其特征在于，所述自适应噪声抑制模块采用LMS或RLS自适应算法。
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