CN109984740A - 一种在体表ecg数据中定位心电特征的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在体表ECG数据中定位心电特征的设备和方法，能够准确识别出心电信号中的P波、R波、T波，其识别误差小且准确率高。该设备包括：信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、第二放大器组、差分运算器、以及信号采集控制单元；其中，信号采集控制单元用于设置信号预处理器中的预处理类型，设置信号预处理器输出信号的数量，设置差分信号滤波器组中的滤波类型，设置放大器组中的放大倍数；信号预处理器的信号输入端用于接收多路心电信号；信号采集控制单元用于设置心电信号的处理路径，基于不同处理路径的心电信号进行心电特征位置标记，并通过信号输出端输出已经设置心电特征位置标记的心电信号。

Description

一种在体表ECG数据中定位心电特征的设备和方法
技术领域
本发明涉及心电图数据处理技术领域，尤其涉及一种在体表ECG数据中定位心电特征的设备和方法。
背景技术
心电图(ECG或者EKG)是通过心电信号采集装置从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形。体表心电P波的频率范围集中在0～8Hz±3Hz，QRS波群频率范围集中在0～55Hz±19Hz，T波频率范围集中在0～11Hz±2Hz。P波、QRS波群、T波的幅度范围在10uV～5mV。
由于P波的信号幅度弱，并且频率范围与T波重叠，采用传统滤波或小波分解的方法，在对ECG数据中心电特征进行定位，特别是对P波进行定位时较为困难。
在现有的心电信号采集装置中，大多数依然采用常规导联(即体表12道)来采集心电信号。采用常规导联进行心电信号采集时，由于干扰信号的引入(电磁信号、肌电信号等)、人体体表心电P波幅度低、P波形态多样等原因，心电信号中P波的识别率较低，甚至无法定位识别。
目前还有一种方法是采用头胸导联来采集心电信号。采用头胸导联进行心电信号采集时，P波、QRS波群、T波的信号得到加强，但是由于P波频率范围与T波重叠会，容易出现P波位置误识别(如将QRS波群或T波识别为P波)的问题。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种在体表ECG数据中定位心电特征的设备和方法，能够准确识别出心电信号中的P波、R波、T波，其识别误差小且准确率高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种在体表ECG数据中定位心电特征的设备，其包括：信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、第二放大器组、差分运算器、以及信号采集控制单元；
其中，信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、差分运算器依次通过第一信号输入通道连接；且信号预处理器、第二放大器组、差分运算器依次通过第二信号输入通道连接；
差分运算器、信号预处理器、第二放大器组、第一放大器组分别通过第三信号输入通道、第四信号输入通道、第五信号输入通道、第六信号输入通道向信号采集控制单元发送信号；
信号采集控制单元与信号预处理器之间设置有第一控制信号输出通道以设置信号预处理器中的预处理类型；设置有第二控制信号输出通道以设置信号预处理器输出信号的数量；
信号采集控制单元与差分信号滤波器组之间设置有第三控制信号输出通道以设置差分信号滤波器组中的滤波类型；
信号采集控制单元与第一放大器组、第二放大器组之间设置有第四控制信号输出通道、第六控制信号输出通道以设置放大器组中的放大倍数；
信号预处理器的信号输入端用于接收多路心电信号；信号采集控制单元用于设置心电信号的处理路径，基于不同处理路径的心电信号进行心电特征位置标记，并通过信号输出端输出已经设置心电特征位置标记的心电信号。
一种在体表ECG数据中定位心电特征的方法，其包括：
心电信号通过信号输入端进入信号预处理器；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道选择信号预处理器中的陷波器对输入的心电信号进行处理，以滤除电源信号中的工频，获取模拟信号B；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号B通过第四信号输入通道发送给信号采集控制单元；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道选择信号预处理器中的低通滤波器对输入的心电信号进行处理，以滤除R波，获取模拟信号C；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号C通过第二信号输入通道发送给第二放大器组；信号采集控制单元通过第六控制信号输出通道选择第二放大器组的放大倍数，模拟信号C经过放大处理后，分别通过第五信号输入通道输入信号采集控制单元，通过第二信号输入通道输入差分运算器；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道选择信号预处理器中的高通滤波器对输入的心电信号进行处理，以滤除P波、T波，获取模拟信号D；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号D通过第一信号输入通道发送给差分信号滤波器组；信号采集控制单元通过第三控制信号输出通道设置差分信号滤波器组采用P波带阻滤波器和T波带阻滤波器对模拟信号D进行处理；信号采集控制单元通过第四控制信号输出通道选择第一放大器组的放大倍数，模拟信号D经过放大处理后，分别通过第六信号输入通道输入信号采集控制单元，通过第一信号输入通道输入差分运算器；
信号采集控制单元通过第五控制信号输出通道设置差分运算器进行差分信号减法运算，模拟信号D和模拟信号C经过差分信号减法运算后获取模拟信号A，通过第三信号输入通道输入信号采集控制单元；
信号采集控制单元通过AD转换器将模拟信号A、B、C、D转换为数字信号A、B、C、D；信号采集控制单元比较一定时间范围内数字信号C和数字信号D的幅度峰值差异，当幅度峰值差异大于阈值时，分别通过第四控制信号输出通道、第六控制信号输出通道调节第一放大器组、第二放大器组各自的放大倍数，以将数字信号C和数字信号D幅度峰值差异减小到阈值范围内；
当数字信号C和数字信号D幅度峰值差异在阈值范围内时，信号采集控制单元通过斜率和幅度峰值对数字信号A进行检测，在数字信号A中波峰位置设置波峰位置标记；通过斜率和幅度峰值对数字信号D进行检测，在数字信号D中波峰位置设置波峰位置标记；
信号采集控制单元根据数字信号D中的波峰位置，在数字信号B上与数字信号D中的波峰位置相同的位置设置R波位置标记；并通过信号输出端输出已设置R波位置标记的心电信号。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过对多路心电信号采用多种处理路径，对不同路径的信号进行不同的加强或者减弱处理，有效区分P波与T波，避免识别误差；基于不同处理路径的心电信号进行心电特征位置标记，能够有效滤除干扰信号，提高识别准确率。
附图说明
图1是根据本发明实施例的在体表ECG数据中定位心电特征的设备的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的常规导联信号采集获取的心电信号的波形示意图。
图3是根据本发明实施例的模拟信号D经过放大处理后的波形示意图。
图4是根据本发明实施例的头胸导联信号采集获取的心电信号的波形示意图。
图5是根据本发明实施例的模拟信号A的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明实施例的在体表ECG数据中定位心电特征的设备。该实施例的设备包括：信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、第二放大器组、差分运算器、以及信号采集控制单元。
其中，信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、差分运算器依次通过第一信号输入通道1连接；且信号预处理器、第二放大器组、差分运算器依次通过第二信号输入通道2连接；
差分运算器、信号预处理器、第二放大器组、第一放大器组分别通过第三信号输入通道3、第四信号输入通道4、第五信号输入通道5、第六信号输入通道6向信号采集控制单元发送信号；
信号采集控制单元与信号预处理器之间设置有第一控制信号输出通道7以设置信号预处理器中的预处理类型；设置有第二控制信号输出通道8以设置信号预处理器输出信号的数量；
信号采集控制单元与差分信号滤波器组之间设置有第三控制信号输出通道9以设置差分信号滤波器组中的滤波类型；
信号采集控制单元与第一放大器组、第二放大器组之间设置有第四控制信号输出通道10、第六控制信号输出通道12以设置放大器组中的放大倍数；
信号预处理器的信号输入端14用于接收多路心电信号；信号采集控制单元用于设置心电信号的处理路径，基于不同处理路径的心电信号进行心电特征位置标记，并通过信号输出端13输出已经设置心电特征位置标记的心电信号。
上述实施例中的通道，可以为器件之间通过物理连接建立的数据通道、数据接口、端子等，也可以是同一物理连接形式上用于信号/数据传输的编码、频率段、时隙等通道。
下文对根据本发明实施例的在体表ECG数据中定位心电特征的设备中各器件的具体组成进行详细说明：
信号预处理器，包括一个或多个低通滤波器，其在大于P波、QRS波群、或者T波频率时具有高阻抗；一个或多个高通滤波器，其在小于P波、QRS波群、或者T波频率时具有高阻抗；以及，一个或多个陷波器，其在电源信号工频(例如可以设置为50Hz)附近具有高阻抗；信号预处理器设置为根据控制信号选择低通滤波器、高通滤波器或者陷波器来对通过信号输入端14接收的多路心电信号中的一路进行处理，并根据控制信号将经过处理的信号输出到不同的通道中。
差分信号滤波器组，包括一个或多个P波带阻滤波器，其在P波频率范围内具有高阻抗；一个或多个QRS波群带阻滤波器，其在QRS波群频率范围内具有高阻抗；以及，一个或多个T波带阻滤波器，其在T波频率范围内具有高阻抗；差分信号滤波器组设置为根据控制信号选择滤波器对输入的信号进行处理。
差分运算器，设置为根据控制信号进行差分信号减法运算或者差分信号加法运算。
第一放大器组、第二放大器组，各包括一级或多级信号放大器，设置为根据控制信号确定放大倍数，以对输入的信号进行放大。
信号采集控制单元，包括一个或多个AD转换器以将模拟信号转换为数字信号，用于在数字信号中设置P波、R波、T波等心电特征的位置位置标记，并通过信号输出端13输出已设置心电特征位置标记的心电信号。
下文对根据本发明实施例的在体表ECG数据中定位心电特征的设备对信号的处理过程进行详细说明：
由常规导联信号采集装置或头胸导联信号采集装置输出的心电信号通过信号输入端14进入信号预处理器；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道7选择信号预处理器中的陷波器对输入的心电信号进行处理，以滤除电源信号中的工频，获取模拟信号B；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道8发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号B通过第四信号输入通道4发送给信号采集控制单元；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道7选择信号预处理器中的低通滤波器对输入的心电信号(例如，通过头胸导联信号采集获取的心电信号，如图4所示，相比于常规导联信号，P波、T波的信号得到加强、R波信号有稍许加强)进行处理，以滤除R波，获取模拟信号C；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道8发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号C通过第二信号输入通道2发送给第二放大器组；信号采集控制单元通过第六控制信号输出通道12选择第二放大器组的放大倍数(例如，10倍)，模拟信号C经过放大处理后，分别通过第五信号输入通道5输入信号采集控制单元，通过第二信号输入通道2输入差分运算器；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道7选择信号预处理器中的高通滤波器对输入的心电信号(例如，通过常规导联信号采集获取的心电信号，如图2所示，P波、T波的信号幅度都较小)进行处理，以滤除P波、T波，获取模拟信号D；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道8发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号D通过第一信号输入通道1发送给差分信号滤波器组；信号采集控制单元通过第三控制信号输出通道9设置差分信号滤波器组采用P波带阻滤波器和T波带阻滤波器对模拟信号D进行处理；信号采集控制单元通过第四控制信号输出通道10选择第一放大器组的放大倍数(例如，12倍)，模拟信号D经过放大处理后(波形如图3所示，P波、T波信号衰减大，R波信号衰减小)，分别通过第六信号输入通道6输入信号采集控制单元，通过第一信号输入通道1输入差分运算器；
信号采集控制单元通过第五控制信号输出通道11设置差分运算器进行差分信号减法运算，模拟信号D和模拟信号C经过差分信号减法运算后获取模拟信号A(其波形如图5所示，R波衰减较大，只留下P波和T波信号)，通过第三信号输入通道3输入信号采集控制单元；
信号采集控制单元通过AD转换器将模拟信号A、B、C、D转换为数字信号A、B、C、D；信号采集控制单元比较一定时间范围(例如，心动周期约0.8秒或其整数倍)内数字信号C和数字信号D的幅度峰值差异，当幅度峰值差异大于阈值(30％)时，分别通过第四控制信号输出通道10、第六控制信号输出通道12调节(例如，分别增大和减小，或者相反)第一放大器组、第二放大器组各自的放大倍数，以将数字信号C和数字信号D幅度峰值差异减小到阈值范围内(例如，0～30％)；
当数字信号C和数字信号D幅度峰值差异在阈值范围内时，信号采集控制单元通过斜率和幅度峰值对数字信号A进行检测，在数字信号A中波峰位置设置波峰位置标记；通过斜率和幅度峰值对数字信号D进行检测，在数字信号D中波峰位置设置波峰位置标记；
信号采集控制单元根据数字信号D中的波峰位置，在数字信号B上与数字信号D中的波峰位置相同的位置设置R波位置标记；
当在数字信号D上识别到波峰位置标记，并且在心室不应期的时间范围之内在数字信号A上识别到波峰位置标记时，则在数字信号B上与数字信号A中的波峰位置相同的位置设置T波位置标记；
当在数字信号D上识别到波峰位置标记，并且在心室不应期的时间范围之外在数字信号A上识别到波峰位置标记时，则在数字信号B上与数字信号A中的波峰位置相同的位置设置P波位置标记；
信号采集控制单元，在数字信号B上设置P波、R波、T波中的一者或者多者的位置标记后，并通过信号输出端13输出已设置心电特征位置标记的心电信号。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在体表ECG数据中定位心电特征的设备，其特征在于，所述设备包括：信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、第二放大器组、差分运算器、以及信号采集控制单元；
其中，信号预处理器、差分信号滤波器组、第一放大器组、差分运算器依次通过第一信号输入通道连接；且信号预处理器、第二放大器组、差分运算器依次通过第二信号输入通道连接；
差分运算器、信号预处理器、第二放大器组、第一放大器组分别通过第三信号输入通道、第四信号输入通道、第五信号输入通道、第六信号输入通道向信号采集控制单元发送信号；
信号采集控制单元与信号预处理器之间设置有第一控制信号输出通道以设置信号预处理器中的预处理类型；设置有第二控制信号输出通道以设置信号预处理器输出信号的数量；
信号采集控制单元与差分信号滤波器组之间设置有第三控制信号输出通道以设置差分信号滤波器组中的滤波类型；
信号采集控制单元与第一放大器组、第二放大器组之间设置有第四控制信号输出通道、第六控制信号输出通道以设置放大器组中的放大倍数；
信号预处理器的信号输入端用于接收多路心电信号；信号采集控制单元用于设置心电信号的处理路径，基于不同处理路径的心电信号进行心电特征位置标记，并通过信号输出端输出已经设置心电特征位置标记的心电信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述信号预处理器包括：一个或多个低通滤波器，其在大于P波、QRS波群、或者T波频率时具有高阻抗；一个或多个高通滤波器，其在小于P波、QRS波群、或者T波频率时具有高阻抗；以及，一个或多个陷波器，其在电源信号工频附近具有高阻抗；
所述信号预处理器设置为根据控制信号选择低通滤波器、高通滤波器或者陷波器来对通过信号输入端接收的多路心电信号中的一路进行处理，并根据控制信号将经过处理的信号输出到不同的通道中。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述差分信号滤波器组包括：一个或多个P波带阻滤波器，其在P波频率范围内具有高阻抗；一个或多个QRS波群带阻滤波器，其在QRS波群频率范围内具有高阻抗；以及，一个或多个T波带阻滤波器，其在T波频率范围内具有高阻抗；
所述差分信号滤波器组设置为根据控制信号选择滤波器对输入的信号进行处理。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述差分运算器，设置为根据控制信号进行差分信号减法运算或者差分信号加法运算。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一放大器组、第二放大器组，各包括一级或多级信号放大器，设置为根据控制信号确定放大倍数，以对输入的信号进行放大。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述信号采集控制单元包括：一个或多个AD转换器以将模拟信号转换为数字信号；
所述信号采集控制单元用于在数字信号中设置P波、R波、T波中的一者或多者的位置标记，并通过信号输出端输出已设置位置标记的心电信号。
7.一种在体表ECG数据中定位心电特征的方法，其特征在于，所述方法包括：
心电信号通过信号输入端进入信号预处理器；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道选择信号预处理器中的陷波器对输入的心电信号进行处理，以滤除电源信号中的工频，获取模拟信号B；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号B通过第四信号输入通道发送给信号采集控制单元；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道选择信号预处理器中的低通滤波器对输入的心电信号进行处理，以滤除R波，获取模拟信号C；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号C通过第二信号输入通道发送给第二放大器组；信号采集控制单元通过第六控制信号输出通道选择第二放大器组的放大倍数，模拟信号C经过放大处理后，分别通过第五信号输入通道输入信号采集控制单元，通过第二信号输入通道输入差分运算器；
信号采集控制单元通过第一控制信号输出通道选择信号预处理器中的高通滤波器对输入的心电信号进行处理，以滤除P波、T波，获取模拟信号D；信号采集控制单元通过第二控制信号输出通道发送控制信号，以使信号预处理器将模拟信号D通过第一信号输入通道发送给差分信号滤波器组；信号采集控制单元通过第三控制信号输出通道设置差分信号滤波器组采用P波带阻滤波器和T波带阻滤波器对模拟信号D进行处理；信号采集控制单元通过第四控制信号输出通道选择第一放大器组的放大倍数，模拟信号D经过放大处理后，分别通过第六信号输入通道输入信号采集控制单元，通过第一信号输入通道输入差分运算器；
信号采集控制单元通过第五控制信号输出通道设置差分运算器进行差分信号减法运算，模拟信号D和模拟信号C经过差分信号减法运算后获取模拟信号A，通过第三信号输入通道输入信号采集控制单元；
信号采集控制单元通过AD转换器将模拟信号A、B、C、D转换为数字信号A、B、C、D；信号采集控制单元比较一定时间范围内数字信号C和数字信号D的幅度峰值差异，当幅度峰值差异大于阈值时，分别通过第四控制信号输出通道、第六控制信号输出通道调节第一放大器组、第二放大器组各自的放大倍数，以将数字信号C和数字信号D幅度峰值差异减小到阈值范围内；
当数字信号C和数字信号D幅度峰值差异在阈值范围内时，信号采集控制单元通过斜率和幅度峰值对数字信号A进行检测，在数字信号A中波峰位置设置波峰位置标记；通过斜率和幅度峰值对数字信号D进行检测，在数字信号D中波峰位置设置波峰位置标记；
信号采集控制单元根据数字信号D中的波峰位置，在数字信号B上与数字信号D中的波峰位置相同的位置设置R波位置标记；并通过信号输出端输出已设置R波位置标记的心电信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：当在数字信号D上识别到波峰位置标记，并且在心室不应期的时间范围之内在数字信号A上识别到波峰位置标记时，则在数字信号B上与数字信号A中的波峰位置相同的位置设置T波位置标记。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：当在数字信号D上识别到波峰位置标记，并且在心室不应期的时间范围之外在数字信号A上识别到波峰位置标记时，则在数字信号B上与数字信号A中的波峰位置相同的位置设置P波位置标记。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过信号输入端进入信号预处理器的心电信号，由常规导联信号采集装置或者头胸导联信号采集装置输出。
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