CN109381177A - 心音心电同步测量探头、装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种心音心电同步测量探头，包括N个用于获取心电信号的心电电极，用于获取心音信号的声音传感器；其中N为大于等于3的自然数；声音传感器和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面；各心电电极设置在声音传感器的外围，各心电电极和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面。在声音传感器下方设置有用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器。通过心音心电同步测量探头的设计，简化了心音心电同步测量装置和方法，避免电子听诊器移动过程中心音心电信号同步困难的问题，也无需外接心电电缆；使得获取标准导联心电信号的过程更迅速，能快速和心音信号进行同步。

Description

心音心电同步测量探头、装置和方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及心音心电同步测量探头、装置和方法。

背景技术

现代临床手术、重症监护、急诊和门诊应用中，听诊器是常用的医疗器械。传统的听诊器听诊心音往往难以捕捉到人体内部脏器发出的一些微弱但却非常重要的心音分量，可能致使医生无法及时做出准确的诊断，诊断依据更多依赖于医师的经验以及听诊技术作为基础，所以传统听诊器的准确性和重复性等存在很大的不足。

现有技术中的数字化电子听诊器，克服传统听诊器的一些不足，可以将采集到的心音信号转到时域上进行分析和疾病诊断。现有技术中的电子听诊器收集的心音信号包括第一心音信号和第二心音信号，如图2中下方的心音信号波形所示。当听诊器放置在不同部位听诊的时候，电子听诊器收集到的第一心音信号和第二心音信号的声音幅度差异不大，通常很难判断出第一心音信号和第二心音信号所对应的心脏活动。使得电子听诊器的使用和普及受到了限制。

心电图能够反映心脏的电活动过程，它对心律失常、传导障碍、心肌梗塞等心脏疾病具有重要参考价值。由于心电和心音信号都是发生在心脏收缩和舒张的这段过程，所以两种信号在时域上有着对应的关系，它们的对应关系如图2所示。通常第一心音信号和第二心音信号分别对应于标准二导联获得的心电信号波形时序。因此借助正向的心电信号或标准导联的心电信号和心音信号的同步关系，若能准确识别QRS波的心电信号，就能准确确定第一心音信号的位置，从而能准确识别出第一心音信号和第二心音信号。现有技术中有些能测量心电信号的电子听诊器，通常用于采集获取心电信号的心电电极只有1至2个，因此获取的心电信号在电子听诊器的移动过程中会有波形形态的变化和漂移，不能再用于心音信号的时序同步。

现有技术中有些能测量心电信号的电子听诊器，为了实现标准心电信号的获取，则设置了外接的心电电缆，要将心电电极贴在病人的身体上，并通过心电导联线将电极和电子听诊器连接，设备使用复杂，效率低效，不能快速同时获得心电和心音信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述技术方案的不足，而提出了一种可快速进行心音心电同步测量的探头、装置和方法，免除了心电电极片和电子听诊器之间的导联线，也避免了电子听诊器在位置移动过程中的心音和心电信号不能同步的问题，能获得同步性很好的心音和心电信号。本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是一种心音心电同步测量探头，包括N个用于获取心电信号的心电电极，用于获取心音信号的声音传感器；其中N为大于等于3的自然数；声音传感器和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面；各心电电极设置在声音传感器的外围，各心电电极和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面。

所述的心音心电同步测量探头，还包括用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部。

所述姿态传感器为三轴加速度传感。

心电电极数量为12个，该12个心电电极以声音传感器为中心，等间距地均匀分布在声音传感器的外围。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案还可以是一种基于上述心音心电同步测量探头的心音心电同步测量装置，包括用于采集心音心电信号的心音心电同步测量探头、用于心音心电信号模拟放大的模拟放大电路、用于将采集到的心音心电信号进行模数转换的模数转换电路、以及用于心音心电同步测量装置控制的主控制电路；心音心电同步测量探头和模拟放大电路电连接，模拟放大电路和模数转换电路电连接，模数转换电路和主控制电路电连接，主控制电路和心音心电同步测量探头电连接；主控制电路用于心音心电同步测量探头中各心电电极的开关控制。

所述的心音心电同步测量装置，还包括用于心电心音信号无线传输的无线传输电路和用于心音信号输出的功放输出电路；无线传输电路和主控制电路电连接，功放输出电路和主控制电路电连接。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案还可以是一种基于上述心音心电同步测量装置的心音心电同步测量方法，包括以下步骤：步骤A10：心音心电同步测量探头中的各心电电极获取心电信号，传送至主控制电路；步骤A20：主控制电路根据步骤A10获得的多个心电信号，进行各心电信号的差分运算，根据差分运算结果，选择获得标准导联心电信号；步骤A30：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案还可以是一种基于上述心音心电同步测量装置的心音心电同步测量方法，包括以下步骤：步骤B10：在心音心电同步测量探头中设置用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部；步骤B20：心音心电同步测量探头中的姿态传感器获取心音心电同步测量探头的姿态信息，传送至主控制电路；步骤B30：主控制电路根据步骤B20获得的姿态信息，选择3个心电电极获得的心电信号计算获得标准导联心电信号；步骤B40：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案还可以是一种基于上述心音心电同步测量装置的心音心电同步测量方法，包括以下步骤：步骤C10：在心音心电同步测量探头中设置用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部；姿态传感器为三轴加速度传感器；步骤C20：姿态传感器即三轴加速度传感器采样获取三轴方向的加速度值，传送至主控制电路；步骤C30：主控制电路根据步骤C20获得三轴方向的加速度值，计算心音心电同步测量探头相对人体测量接触面的偏置角度；步骤C40：主控制电路根据计算获得心音心电同步测量探头的偏置角度查找预存在主控制电路中的偏置角度和心电电极对应表，查表获得3个用于心电信号采集的心电电极；步骤C50：根据查表获取心电电极后，从各相应心电电极获取的电信号计算获得标准导联心电信号；步骤C60：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

上述的心音心电同步测量方法，在步骤C10中包括以下步骤：步骤C11：在声音传感器的外围，以声音传感器为中心，以的圆心角均匀设置12个心电电极，分别记为A~L电极；初始化状态下，A~L电极对应在以声音传感器为中心，其圆心角为、、、、、、、、、、、；在步骤C30中包括以下步骤：步骤C31：计算姿态传感器相对原始位置的偏转角度，如果，令，其中n为整数；在步骤C40中包括以下步骤：步骤C41：根据步骤C31偏转角度，先选定用于标准导联心电信号计算的LA电极，该LA电极相对A电极的圆心角记为，；步骤C42：根据LA电极确定RA电极，RA电极和LA电极是相对面，两电极相对夹角为180度；若LA电极相对中心轴线方向的偏置角度为，则LA电极相对中心轴线方向的偏置角度为，由于归一化所有电极位置圆心角在360度以内，所以当时，；当时，；由确认RA电极；；步骤C43：根据RA电极确认RL电极，选取RA电极右边第一个电极作为参考，所以，通过确定RL电极。

同现有技术相比较，本发明的有益效果是：1.通过心音心电同步测量的探头设计，简化了心音心电同步测量装置和方法，避免的电子听诊器移动过程中心音心电信号无法同步的问题，也无需外接心电电缆；2.通过设置姿态传感器，使得获取标准导联心电信号的过程更迅速，从而能在算法上快速和心音信号进行同步运算。

附图说明

图1是心音心电同步测量探头的结构示意图；

图2是心音信号和标准导联心电信号的同步时序示意图之一，图中的心电信号为标准导联心电信号；

图3是三轴加速度传感器在水平贴合测量界面时候的三轴方向示意图；

图4至6是三轴加速度传感器在测量状态下贴合测量界面时候的三轴方向示意；

图7是心音心电同步测量装置的系统示意框图；

图8是心音心电同步测量方法的一个优选实施例的流程示意图；

图9是心音心电同步测量装置的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合各附图对本发明的实施方式做进一步详述。

如图1所示一种心音心电同步测量探头的实施例中，包括N个用于获取心电信号的心电电极，用于获取心音信号的声音传感器；其中N为大于等于3的自然数；声音传感器用于和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面；各心电电极设置在声音传感器的外围，各心电电极用于和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面。

如图1所示一种心音心电同步测量探头的实施例中，还包括用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部。所述姿态传感器为三轴加速度传感器。

如图1所示一种心音心电同步测量探头的实施例中，心电电极数量为12个，该12个心电电极以声音传感器为中心，等间距地均匀分布在声音传感器的外围。

如图1所示的一种心音心电同步测量探头实施例中，主要包含三个部分。一个是位于最中间的标号为2的姿态传感器，一个是位于姿态传感器上面的标号为3的压电薄膜声音传感器，一个是标号为1的金属心电电极。声音传感器可以是压电薄膜传感器，压电薄膜传感器嵌在心音心电同步测量探头的中间位置，通过压电薄膜传感器表面的橡胶层便可以对心音信号进行采集，心脏的震动引起橡胶层的震动，从而实现声音的传递，将声音信号转化为电信号。压电薄膜声音传感器设置在心音心电同步测量探头的中央，图1中标号为3的部件只体现出了声音传感器上的橡胶层。

在压电薄膜传感器的周围，镶嵌十二片导电的心电电极片，实现对探测部位心电信号实时采集。十二个心电电极片可以是导电金属片，也可以是其他材质的心电电极片。姿态传感器设置在心音心电同步测量探头的底部，用于定位心音心电同步测量探头相对测量贴合面的位置，结合姿态算法选择能够测量心电信号最明显的三块电极作为测量心电的电极。上述心音心电同步测量探头是构成心音心电同步测量装置的关键部件。

如图1所示，共有12个心电电极，标号分别为A~L，该12个心电电极均匀环绕在压电薄膜声音传感器的周围，镶嵌在心音心电同步测量探头主体绝缘结构中，各金属电极片彼此间的圆心夹角是30度；A-L 12片电极片均匀分布于360度的圆形表面，以垂直方向为0度的做为起始，A~L电极对应圆心角度为0度-270度。

心电电极在测量时贴合在待测人体面的测量面上，在心音心电同步测量探头放置在听诊部位时，通过选取其中的三片金属电极，获取心电信号，并以该三个电极获取的信号计算得到标准导联心电信号作为心音信号的同步参考信号。

如图1所示，金属电极片的高度和压电薄膜声音传感器的橡胶层高度一致，即其上表面是在同一平面上，保证在测量时候，所有电极片和压电薄膜声音传感器的橡胶层能都和测量表面的接触良好。心音心电同步测量探头主体可以焊接在电路板上，在测量时，直接拿起心音心电同步测量探头，将心音心电同步测量探头对着心脏听诊部位便可。结合姿态传感器定位出心音心电同步测量探头相对测量面的角度，选通测量心电信号特征最明显的三个心电金属电极。

心音心电同步测量探头主体没有设置电极片的位置是由电绝缘性质的材料构成，保证在测量心电信号的时候不会对电极产生干扰和影响。位于声音传感器的底部是一个很微小的姿态传感器，此传感器的作用是，在实际测量过程中不用刻意调整机械装置的方向，本发明通过姿态传感器准确定位装置的角度，通过合理的算法准确找到构成测量心电信号特征最为明显的三片金属电极。

如图7所示一种心音心电同步测量装置的实施例中，包括用于采集心音心电信号的心音心电同步测量探头、用于心音心电信号模拟放大的模拟放大电路、用于将采集到的心音心电信号进行模数转换的模数转换电路、用于心音心电同步测量探头中各心电电极开关控制的主控制电路；心音心电同步测量探头和模拟放大电路电连接，模拟放大电路和模数转换电路电连接，模数转换电路和主控制电路电连接，主控制电路和心音心电同步测量探头电连接。

如图7所示一种心音心电同步测量装置的实施例中，还包括用于心电心音信号无线传输的无线传输电路和用于心音信号输出的功放输出电路；无线传输电路和主控制电路电连接，功放输出电路和主控制电路电连接。

如图7所示一种心音心电同步测量装置的实施例中，包括心音心电同步测量探头、心音、心电放大组件、数字化及主控制组件构成，心音和心电放大组件和数字化及主控制组件是构成一体化心音和心电同步检测装置的必要部件。

在进行测量的时候，心音心电同步测量探头静置于听诊位置时，首先需要根据心音心电同步测量探头相对重力方向的角度，开启需要的心电电极开关，提取心电信号幅度最明显的心电电极上的心电信号。

姿态传感器的角度换算变成为了关键。根据图4至6的三轴加速度传感器在水平贴合测量界面时候的三轴方向示意图进行说明。图4是在水平贴合测量界面时候的三轴方向示意图；三轴加速度传感器X、Y、Z三轴的加速度范围在-g和g之间。如果装置水平静置，X、Y方向的重力分量为0g，而Z轴方向的重力分量为g。

如果三轴加速度传感器的三轴与水平方向有一些夹角，其三轴方向示意如图4至6所示，图中示出了重力加速度在各轴分量；基于图4至6中的夹角示意可知，，，；g在各轴上的分量为：，,；由和、和、和的关系可得到：，，。

其中图4至6中各虚线所代表的该方向上的重力分量大小为：，，。根据勾股定理和反三角函数公式计算得到各轴上的角度弧值分别为：

;

;

；

将角度弧度值、、转换为角度值，这里的、、是通过弧度转角度公式：得到：

；

；

；

其中公式中的、、是三个轴上的加速度，而、、分别是三轴相对其原始位置的角度。

初始化状态下A~L电极对应在装置中的角度为、、、、、、、、、、、。那么可以看出B~L电极与A电极之间的关系为：，其中m为正整数。

假设在装置没有偏转的情况下对心音测量时，装置Z轴的重力加速度是为g，那Z轴和重力加速度方向的夹角为0，即A电极处于和人的身体正直平行位置，那么此时可以选取偏转的B电极和与B电极相差的H电极构成一个跨心脏的差分心电信号，实现最优化的心电信号拾取点。装置会根据Z轴的角度变化，随时对心电电极进行切换，由于装置旋转角度不会一直是这样的整数，本发明采用的是在特定的角度范围内根据预先制定好的表格进行查表，实现对心电电极的切换。

在一个具体实施例中，其表格如表1所示，在表1中的对应关系是，当偏转角度时，选择A电极用作LA电极、G电极用作RA电极，F电极为RL电极。相应的范围，对应三个不同的心电电极片。

表1

这里心电电极选取的原则是：

①计算姿态传感器相对原始位置的偏转角度，如果，令，其中n为整数；

②先选定用于标准导联心电信号计算的LA电极，该LA电极相对A电极的圆心角记为，；

③根据LA电极确定RA电极，RA电极和LA电极是相对面，所以，由确认RA电极；

④根据RA电极确认RL电极，选取的是RA电极右边第一个电极作为参考，所以，通过确定RL电极。

一种附图中未显示的心音心电同步测量方法的实施例中，包括以下步骤：步骤A10：心音心电同步测量探头中的各心电电极获取心电信号，传送至主控制电路；步骤A20：主控制电路根据步骤A10获得的多个心电信号，进行各心电信号的差分运算，根据差分运算结果，选择获得标准导联心电信号；步骤A30：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。本专利中的，标准导联心电信号是指正向心电信号，或标准二导联信号，其QRS波是正向的，这样的标准导联心电信号和心音信号的同步关系明确，用于心音信号的同步，确保心音信号的时序准确性。

一种附图中未显示的心音心电同步测量方法实施例中，包括以下步骤：步骤B10：在心音心电同步测量探头中设置用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部；步骤B20：心音心电同步测量探头中的姿态传感器获取心音心电同步测量探头的姿态信息，传送至主控制电路；步骤B30：主控制电路根据步骤B20获得的姿态信息，选择3个心电电极获得的心电信号计算获得标准导联心电信号；步骤B40：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

如图8所示，一种心音心电同步测量方法的实施例中，包括以下步骤：步骤C10：在心音心电同步测量探头中设置用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部；姿态传感器的三轴加速度传感；步骤C20：姿态传感器的三轴加速度传感采样获取三轴方向的加速度值，传送至主控制电路；步骤C30：主控制电路根据步骤C20获得三轴方向的加速度值，计算心音心电同步测量装置相对人体测量接触面的偏置角度；步骤C40：主控制电路根据计算获得的偏置角度查找预存在主控制电路中的偏置角度和心电电极对应表，查表获得3个用于信号采集的心电电极；步骤C50：根据查表获取心电电极后，从各相应心电电极获取的电信号计算获得标准导联心电信号；步骤C60：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

如图8所示的一种心音心电同步测量方法的实施例中，在查表确定需要的电极后开通电极模拟开关，该模拟开关是设置的主控制电路中的软件开关，也可以是设置在主控制电路中的硬件开关。

如图9所示一种心音心电同步测量装置的工作流程示意图中，可见在心音心电同步测量装置工作时，通过软件同时进行心音和心电信号的同步采样，在采用的同时，实施检测装置或探头旋转的角度，并根据该角度调整选通开关控制不同心电电极的信号进入主控制电路进行标准导联心电信号的运算和获取。

本发明设计的数字化听诊器，在采集心音的同时，通过听诊头即心音心电同步测量探头上的复数个心电电极对心电信号进行同步采集。不仅能够克服传统听诊器的不足基础，还可以使心电的时序信息为心音的自动分析和定位提供重要参考价值。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种心音心电同步测量探头，其特征在于：

包括N个用于获取心电信号的心电电极，用于获取心音信号的声音传感器；其中N为大于等于3的自然数；

声音传感器和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面；各心电电极设置在声音传感器的外围，各心电电极和人体接触的面设置在心音心电同步测量探头的上表面。

2.根据权利要求1所述的心音心电同步测量探头，其特征在于：

还包括用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；

姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部。

3.根据权利要求2所述的心音心电同步测量探头，其特征在于：

所述姿态传感器为三轴加速度传感。

4.根据权利要求1所述的心音心电同步测量探头，其特征在于：

心电电极数量为12个，该12个心电电极以声音传感器为中心，等间距地均匀分布在声音传感器的外围。

5.一种基于权利要求1所述心音心电同步测量探头的心音心电同步测量装置，其特征在于：

包括用于采集心音心电信号的心音心电同步测量探头、用于心音心电信号模拟放大的模拟放大电路、用于将采集到的心音心电信号进行模数转换的模数转换电路、以及用于心音心电同步测量装置控制的主控制电路；

心音心电同步测量探头和模拟放大电路电连接，模拟放大电路和模数转换电路电连接，模数转换电路和主控制电路电连接，主控制电路和心音心电同步测量探头电连接；

主控制电路用于心音心电同步测量探头中各心电电极的开关控制。

6.根据权利要求5所述的心音心电同步测量装置，其特征在于：

还包括用于心电心音信号无线传输的无线传输电路和用于心音信号输出的功放输出电路；无线传输电路和主控制电路电连接，功放输出电路和主控制电路电连接。

7.一种基于权利要求5所述心音心电同步测量装置的心音心电同步测量方法，包括以下步骤：

步骤A10：心音心电同步测量探头中的各心电电极获取心电信号，传送至主控制电路；

步骤A20：主控制电路根据步骤A10获得的多个心电信号，进行各心电信号的差分运算，根据差分运算结果，选择获得标准导联心电信号；

步骤A30：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

8.一种基于权利要求5所述心音心电同步测量装置的心音心电同步测量方法，包括以下步骤：

步骤B10：在心音心电同步测量探头中设置用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部；

步骤B20：心音心电同步测量探头中的姿态传感器获取心音心电同步测量探头的姿态信息，传送至主控制电路；

步骤B30：主控制电路根据步骤B20获得的姿态信息，选择3个心电电极获得的心电信号计算获得标准导联心电信号；

步骤B40：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

9.一种基于权利要求5所述心音心电同步测量装置的心音心电同步测量方法，包括以下步骤：

步骤C10：在心音心电同步测量探头中设置用于获取心音心电同步测量探头姿态的姿态传感器；姿态传感器设置在声音传感器下方的心音心电同步测量探头内部；姿态传感器为三轴加速度传感器；

步骤C20：姿态传感器即三轴加速度传感器采样获取三轴方向的加速度值，传送至主控制电路；

步骤C30：主控制电路根据步骤C20获得三轴方向的加速度值，计算心音心电同步测量探头相对人体测量接触面的偏置角度；

步骤C40：主控制电路根据计算获得心音心电同步测量探头的偏置角度查找预存在主控制电路中的偏置角度和心电电极对应表，查表获得3个用于心电信号采集的心电电极；

步骤C50：根据查表获取心电电极后，从各相应心电电极获取的电信号计算获得标准导联心电信号；

步骤C60：主控制电路根据获得的标准导联心电信号输出心音心电同步信号。

10.根据权利要求9所述的心音心电同步测量方法，其特征在于：

在步骤C10中包括以下步骤：

步骤C11：在声音传感器的外围，以声音传感器为中心，以的圆心角均匀设置12个心电电极，分别记为A~L电极；初始化状态下，A~L电极对应在以声音传感器为中心，其圆心角为、、、、、、、、、、、；

在步骤C30中包括以下步骤：

步骤C31：计算姿态传感器相对原始位置的偏转角度，如果，令，其中n为整数；

在步骤C40中包括以下步骤：

步骤C41：根据步骤C31偏转角度，先选定用于标准导联心电信号计算的LA电极，该LA电极相对A电极的圆心角记为，；

步骤C42：根据LA电极确定RA电极，RA电极和LA电极是相对面，两电极相对夹角为180度；若LA电极相对中心轴线方向的偏置角度为，则LA电极相对中心轴线方向的偏置角度为，由于归一化所有电极位置圆心角在360度以内，所以当时，；当时，；由确认RA电极；；

步骤C43：根据RA电极确认RL电极，选取RA电极右边第一个电极作为参考，所以，通过确定RL电极。