CN111657924A - 一种心电数据采集监测方法及心电监测系统 - Google Patents

一种心电数据采集监测方法及心电监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种心电数据采集监测方法，包括以下步骤：1）使用贴合于患者腕部的心电监测电极对患者表皮进行测量获取患者的的心电模拟信号；2）使用贴合于患者腕部的阻抗测量电极对患者表皮进行阻抗测量，获得患者身体阻抗值；3）对步骤1）获得数字化心电信号进行放大，获得放大后的心电信号；4）对步骤3）获得的放大后的心电信号进行滤波后进行模数转换，获得数字化心电信号；5）将数字化心电信号进行误差偏移优化处理，获得最终心电信号；6）将最终心电信号传输监控服务器进行存储并传输至手机显示或者智能手表显示。本申请的技术方案通过对心电信号的误差偏移优化处理，减小心电信号的传输误差，提高监测手环对心电监测的准确性。

Description

一种心电数据采集监测方法及心电监测系统
技术领域
本发明涉及一种心电数据采集监测方法及心电监测系统，属于医疗设备领域。
背景技术
目前，心脏是人体血液循环的动力装置。心脏在搏动前后，心肌发生激动，在激动过程中，会产生微弱的生物电流。这样，心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化。这种生物电变化可传达到身体表面的各个部位。由于身体各部分组织不同，距心脏的距离不同，心电信号在身体不同的部位所表现出的电位也不同。对正常心脏来说，这种生物电变化的方向、频率、强度是有规律的。若通过电极将体表不同部位的电信号检测出来，再用放大器加以放大，并用记录器描记下来，就可得到心电图形。医生根据所记录的心电图波形的形态、波幅大小以及各波之间的相对时间关系，再与正常心电图相比较，便能诊断出心脏疾病。诸如心电节律不齐、心肌梗塞、期前收缩、高血压、心脏异位搏动等。
心电图的采集和分析通常在医院进行，为了方便患者的生活，现有技术出现了部分便携式的心电监测设备，如监测手环或者动态心电图记录分析系统（HOLTER），动态心电图记录分析系统体积大，携带不便推广困难。而监测手环体积小方便携带，被越来越多地使用。
但是监测手环限制于其体积，其内部电路结构较为简单，信号传输过程中误差较大，造成了使用监测手环进行心电监测时的偏差较大，影响了监测手环的监测效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种心电数据采集监测方法及心电监测系统，通过对心电信号的误差偏移优化处理，减小心电信号传输时的误差，提高监测手环对心电监测的准确性。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种心电数据采集监测方法，包括以下步骤：
1）使用贴合于患者腕部的心电监测电极对患者表皮进行测量获取患者的的心电模拟信号；
2）使用贴合于患者腕部的阻抗测量电极对患者表皮进行阻抗测量，获得患者身体阻抗值；
3）对步骤1）获得数字化心电信号进行放大，获得放大后的心电信号；
4）对步骤3）获得的放大后的心电信号进行滤波后进行模数转换，获得数字化心电信号；
5）将数字化心电信号进行误差偏移优化处理，获得最终心电信号；
6）将最终心电信号传输监控服务器进行存储并传输至手机显示或者智能手表显示。
优化的，上述心电数据采集监测方法，在步骤5）中，将放大后的心电信号进行误差偏移优化处理的过程包括以下步骤：
5-1）确定待优化的数据集，以t时刻的心电监测电极对患者表皮进行测量获取的心电模拟电压值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、放大后的心电信号中t时刻的心电数字电压值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
作为数据集，数据集为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
；
5-2）将步骤5-1）确定的数据集投射向高维空间，并建立回归函数，回归函数为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
，其中，ω为权重向量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为非线性映射函数；b为偏置量；
5-3）通过最小化目标函数来求解并调节系数ω，最小化目标函数为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
，C为惩罚参数，N为数据集的大小，ε为设定最大误差值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
为对应的心电模拟电压值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
与心电数字电压值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
的最小误差；
5-4）确定
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014A
的计算方式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
；
5-5）将松弛变量ξ带入最小化目标函数，最小化目标函数更新为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
；
5-6）将ω确定为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
，进而将回归函数更新为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
为内核函数，通过内核函数将步骤5-1）确定的数据集投射向高维空间；
5-7）计算心电模拟电压值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016A
与心电数字电压值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018A
的最小误差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014AA
，使用最小误差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014AAA
修正数字化心电信号，获得最终心电信号。
优化的，上述心电数据采集监测方法，步骤5-6）中，将核函数确定为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
；参数σ和参数C通过网格寻优法进行寻优，选出一对最佳的参数σ和参数C的组合。
优化的，上述心电数据采集监测方法，步骤5-3）中，ε为心电监测系统中，信号传输的最大误差值；在步骤5-2）中，偏置量b根据患者表皮实际阻抗测量值确定。
优化的，上述心电数据采集监测方法，步骤4）中，滤波过程包括带通滤波、增益和陷波滤波，并且在滤波过程中通过增益控制及陷波器选择的滤波过程进行控制。
一种心电监测系统，包括主处理器、A/D转换电路、心电放大电路、滤波电路、无线通信网卡、控制输入电路、内置存储器、扩展IO电路、扩展存储接口、误差偏移优化算法存储器；所述心电放大电路的输出端通过滤波电路、A/D转换电路与主处理器的输入端电连接，心电放大电路的输入端与心电电极电连接；所述内置存储器、扩展存储接口与主处理器的数据输出端电连接，无线通信网卡与主处理器的通信端电连接，扩展IO电路与主处理器的IO端电连接，控制输入电路与主处理器的控制输入端电连接；所述误差偏移优化算法存储器与主处理器的控制输入端电连接。
优化的，上述心电监测系统，滤波电路包括带通滤波电路、陷波器和增益控制及陷波器选择模块，心电放大电路的输出端与带通滤波电路的输入端电连接，带通滤波电路的输出端与陷波器、增益控制及陷波器选择模块的输入端电连接，陷波器的输出端通过增益控制及陷波器选择模块与A/D转换电路电连接，增益控制及陷波器选择模块的控制输出端与心电放大电路、带通滤波电路、陷波器的控制输入端电连接。
优化的，上述心电监测系统，所述主处理器连接有报警电路和显示设备，报警电路的输入端与主处理器的控制输出端电连接，显示设备的输入端与主处理器的信号输出端电连接。
本发明的优点在于：
（1）本申请中，通过对心电信号进行误差偏移优化处理，计算某时刻心电电压的便宜误差，修整心电信号在传导过程中的累积误差，提高心电信号输出的准确性。
（2）在对心电信号进行误差偏移优化处理时，通过对数据集进行训练，将数据集映射到高维空间，并对样本回归分析，通过现有数据计算出最小误差并使用最小误差修正心电信号的输出，得到较为准确的心电信号。
（3）核参数σ和超参数C的数值设置决定了最小误差的精度，参数σ和参数C通过网格寻优法进行寻优，选出一对最佳的参数σ和参数C的组合，提高了最终的心电信号的准确性。
（4）在滤波过程中通过增益控制及陷波器选择的滤波过程进行控制，提高了滤波过程的可控性，在滤波过程中根据需要修整滤波参数，尽可能的降低滤波过程中的误差。
（5）本申请中，松弛变量的引入便于在更大的可行域内求解。若松弛变量为0，则收敛到原有状态，若松弛变量大于零，则约束松弛。
（6）本申请中，测量患者表皮的阻抗，以检测电极是否贴合可靠，防止因电极贴合不可靠引起的心电测量准确性降低。
附图说明
图1是本发明的心电监测系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
具体实施方式
本发明为一种心电数据采集监测方法，包括以下步骤：
1）使用贴合于患者腕部的心电监测电极对患者表皮进行测量获取患者的的心电模拟信号；
2）使用贴合于患者腕部的阻抗测量电极对患者表皮进行阻抗测量，获得患者身体阻抗值；
3）对步骤1）获得数字化心电信号进行放大，获得放大后的心电信号；
4）对步骤3）获得的放大后的心电信号进行滤波后进行模数转换，获得数字化心电信号；
5）将数字化心电信号进行误差偏移优化处理，获得最终心电信号；
6）将最终心电信号传输监控服务器进行存储并传输至手机显示或者智能手表显示。
在步骤5）中，将放大后的心电信号进行误差偏移优化处理的过程包括以下步骤：
5-1）确定待优化的数据集，以t时刻的心电监测电极对患者表皮进行测量获取的心电模拟电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
、放大后的心电信号中t时刻的心电数字电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
作为数据集，数据集为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
；
5-2）将步骤5-1）确定的数据集投射向高维空间，并建立回归函数，回归函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
，其中，ω为权重向量；
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
为非线性映射函数；b为偏置量；
5-3）通过最小化目标函数来求解并调节系数ω，最小化目标函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
，C为惩罚参数，N为数据集的大小，ε为设定最大误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAA
为对应的心电模拟电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
与心电数字电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
的最小误差；
5-4）确定
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAAA
的计算方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
；
5-5）将松弛变量ξ带入最小化目标函数，最小化目标函数更新为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
；
5-6）将ω确定为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
，进而将回归函数更新为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
为内核函数，通过内核函数将步骤5-1）确定的数据集投射向高维空间；
5-7）计算心电模拟电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
与心电数字电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAA
的最小误差
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAAAA
，使用最小误差
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAAAAA
修正数字化心电信号，获得最终心电信号。
步骤5-6）中，将核函数确定为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
；参数σ和参数C通过网格寻优法进行寻优，选出一对最佳的参数σ和参数C的组合。
步骤5-3）中，ε为心电监测系统中，信号传输的最大误差值；在步骤5-2）中，偏置量b根据患者表皮实际阻抗测量值确定。
步骤4）中，滤波过程包括带通滤波、增益和陷波滤波，并且在滤波过程中通过增益控制及陷波器选择的滤波过程进行控制。
一种心电监测系统，包括主处理器1、A/D转换电路2、心电放大电路3、滤波电路、无线通信网卡7、控制输入电路8、内置存储器10、扩展IO电路11、扩展存储接口12、误差偏移优化算法存储器13；所述心电放大电路3的输出端通过滤波电路、A/D转换电路2与主处理器1的输入端电连接，心电放大电路3的输入端与心电电极电连接；所述内置存储器10、扩展存储接口12与主处理器1的数据输出端电连接，无线通信网卡7与主处理器1的通信端电连接，扩展IO电路11与主处理器1的IO端电连接，控制输入电路8与主处理器1的控制输入端电连接；所述误差偏移优化算法存储器13与主处理器1的控制输入端电连接。
滤波电路包括带通滤波电路4、陷波器5和增益控制及陷波器选择模块6，心电放大电路3的输出端与带通滤波电路4的输入端电连接，带通滤波电路4的输出端与陷波器5、增益控制及陷波器选择模块6的输入端电连接，陷波器5的输出端通过增益控制及陷波器选择模块6与A/D转换电路2电连接，增益控制及陷波器选择模块6的控制输出端与心电放大电路3、带通滤波电路4、陷波器5的控制输入端电连接。
所述主处理器1连接有报警电路9和显示设备14，报警电路9的输入端与主处理器1的控制输出端电连接，显示设备14的输入端与主处理器1的信号输出端电连接。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种心电数据采集监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）使用贴合于患者腕部的心电监测电极对患者表皮进行测量获取患者的的心电模拟信号；
2）使用贴合于患者腕部的阻抗测量电极对患者表皮进行阻抗测量，获得患者身体阻抗值；
3）对步骤1）获得数字化心电信号进行放大，获得放大后的心电信号；
4）对步骤3）获得的放大后的心电信号进行滤波后进行模数转换，获得数字化心电信号；
5）将数字化心电信号进行误差偏移优化处理，获得最终心电信号；
6）将最终心电信号传输监控服务器进行存储并传输至手机显示或者智能手表显示。
2.根据权利要求1所述的心电数据采集监测方法，其特征在于：在步骤5）中，将放大后的心电信号进行误差偏移优化处理的过程包括以下步骤：
5-1）确定待优化的数据集，以t时刻的心电监测电极对患者表皮进行测量获取的心电模拟电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、放大后的心电信号中t时刻的心电数字电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
作为数据集，数据集为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
5-2）将步骤5-1）确定的数据集投射向高维空间，并建立回归函数，回归函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，其中，ω为权重向量；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为非线性映射函数；b为偏置量；
5-3）通过最小化目标函数来求解并调节系数ω，最小化目标函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，C为惩罚参数，N为数据集的大小，ε为设定最大误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为对应的心电模拟电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
与心电数字电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
的最小误差；
5-4）确定
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
的计算方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
5-5）将松弛变量ξ带入最小化目标函数，最小化目标函数更新为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
5-6）将ω确定为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，进而将回归函数更新为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为内核函数，通过内核函数将步骤5-1）确定的数据集投射向高维空间；
5-7）计算心电模拟电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
与心电数字电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
的最小误差
Figure DEST_PATH_IMAGE014AA
，使用最小误差
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAA
修正数字化心电信号，获得最终心电信号。
3.根据权利要求2所述的心电数据采集监测方法，其特征在于：步骤5-6）中，将核函数确定为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；参数σ和参数C通过网格寻优法进行寻优，选出一对最佳的参数σ和参数C的组合。
4.根据权利要求2所述的心电数据采集监测方法，其特征在于：所述步骤5-3）中，ε为心电监测系统中，信号传输的最大误差值；在步骤5-2）中，偏置量b根据患者表皮实际阻抗测量值确定。
5.根据权利要求1所述的心电数据采集监测方法，其特征在于：步骤4）中，滤波过程包括带通滤波、增益和陷波滤波，并且在滤波过程中通过增益控制及陷波器选择的滤波过程进行控制。
6.一种运行如权利要求1-5所述的心电数据采集监测方法的心电监测系统，其特征在于：包括主处理器（1）、A/D转换电路（2）、心电放大电路（3）、滤波电路、无线通信网卡（7）、控制输入电路（8）、内置存储器（10）、扩展IO电路（11）、扩展存储接口（12）、误差偏移优化算法存储器（13）；所述心电放大电路（3）的输出端通过滤波电路、A/D转换电路（2）与主处理器（1）的输入端电连接，心电放大电路（3）的输入端与心电电极电连接；所述内置存储器（10）、扩展存储接口（12）与主处理器（1）的数据输出端电连接，无线通信网卡（7）与主处理器（1）的通信端电连接，扩展IO电路（11）与主处理器（1）的IO端电连接，控制输入电路（8）与主处理器（1）的控制输入端电连接；所述误差偏移优化算法存储器（13）与主处理器（1）的控制输入端电连接。
7.根据权利要求6所述的心电监测系统，其特征在于：所述滤波电路包括带通滤波电路（4）、陷波器（5）和增益控制及陷波器选择模块（6），心电放大电路（3）的输出端与带通滤波电路（4）的输入端电连接，带通滤波电路（4）的输出端与陷波器（5）、增益控制及陷波器选择模块（6）的输入端电连接，陷波器（5）的输出端通过增益控制及陷波器选择模块（6）与A/D转换电路（2）电连接，增益控制及陷波器选择模块（6）的控制输出端与心电放大电路（3）、带通滤波电路（4）、陷波器（5）的控制输入端电连接。
8.根据权利要求6所述的心电监测系统，其特征在于：所述主处理器（1）连接有报警电路（9）和显示设备（14），报警电路（9）的输入端与主处理器（1）的控制输出端电连接，显示设备（14）的输入端与主处理器（1）的信号输出端电连接。
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