CN111714116A - 一种运动伪迹抑制方法及应用该方法的十二导联可穿戴心电监护设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可穿戴心电监护设备运动伪迹抑制方法，通过在胸口相同位置，特别是对应右锁骨中线第2肋处，分别放置两支相同的心电电极SN和RA与皮肤接触，其中心电电极RA输出作为参考信号，心电电极SN输出与参考信号之差放大一定倍数后作为运动噪声信号，其余放置电极输出信号与参考信号之差放大相同放大倍数后与运动噪声信号做差，该差值即为已消除运动伪迹后的真实心电信号；本发明还提供一种基于该运动伪迹抑制方法的十二导联可穿戴心电监护设备，包括内衣本体、心电传感器和电子处理单元，心电传感器包括十支心电探头，通过组合可获取标准医学十二导联心电图；本发明可有效抑制运动伪迹，提高心电信号质量。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械装置领域，具体是一种运动伪迹抑制方法及应用该方法的十二导联可穿戴心电监护设备。
背景技术
心血管疾病是现代工业社会中对人类生命威胁最大的疾病。目前，我国心血管患病率及死亡率仍处于上升阶段，心血管疾病占居民疾病死亡构成的40％以上，为我国居民的首位死因。据2017年中国心血管病报告推算，目前我国心血管病患病人数高达2.9亿，其中心脏性猝死死亡人数高达54.4万人/年，随着人口老龄化等因素影响，心血管疾病的死亡人数仍将持续上升。
心血管疾病具有很强的突发性，若失去了宝贵的早期诊断救治时间，将极可能导致严重的后果，由于心血管疾病突发性特点，从心脏骤停到死亡时间极短，一旦突发，难以有效抢救。统计结果表明，心脏性猝死约75％发生在院外。因此最好的方法是防患于未然，对心血管疾病高发人群进行日常心电监护。心电监护是目前临床上诊断心血管疾病最常用的监测手段，通过早期日常心电监护及时发现异常心电活动，可为临床诊治多种心血管疾病及心血管并发症提供先机，为及时救治赢得时间。
可穿戴心电监护设备具有使用方便、可长时间使用特点，可用于用户的日常心电监护，帮助及时发现异常心电活动，但当前可穿戴心电监护设备普遍存在一个共性问题：易受运动干扰，存在明显的运动伪迹，所采集的心电数据无效率高。
运动伪迹抑制通常有两种方案，一是使用特殊材料或结构的电极，降低电极与皮肤之间的相对运动，进而减少运动干扰，如专利CN105286856B通过导电海绵层抵消或缓冲由人在运动中产生的基底震动，专利CN101822539B通过将心电图导联线安装在粘贴式电极上，降低电极和皮肤之间的摩擦，减少运动干扰；二是对采集到的心电信号采取一定的算法来消除运动伪迹，如专利CN103099615B采集运动心电信号和运动参考信号，分别数字化后采用自适应算法滤除运动干扰，专利CN104825157A采用多个独立的自适应滤波器组合以跟踪非稳定信号，滤除运动干扰。但上述方法仍存在不足，第一类方案中难以完全抵消电极和皮肤之间的相对运动，皮肤的形变所产生电势差也带来运动伪迹；第二类方案中利用运动信息作为参考信号的精度不高，且在较大幅度运动如快走、跑步中，电极输出的心电信号受运动干扰已经饱和，即使后续的处理算法消除了运动干扰，仍导致心电信号失真。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种运动伪迹抑制方法及应用该方法的十二导联可穿戴心电监护设备，以解决现有技术中存在的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种运动伪迹抑制方法，包括如下步骤，在胸口相同位置分别放置两支相同的心电电极，其中一支心电电极输出作为参考信号，另一支心电电极输出与参考信号之差放大一定倍数后作为运动噪声信号，其余放置电极输出信号与参考信号之差放大相同放大倍数后与运动噪声信号做差，该差值即为最终输出的心电信号；
进一步的，所述心电电极不受具体心电电极材料限制，可以是氯化银电极、金属干电极或织物电极中的一种，但两支电极规格相同；
进一步的，所述两支心电电极放置位置对应右锁骨中线第2肋处，两支心电电极中心间距不超过20mm；
进一步的，通过差分放大器对所述两支心电电极输出进行作差和放大，用作参考信号的心电电极连接至差分放大器的反相端，另一支连接至差分放大器的同相端，差分放大器输出作为运动噪声信号。
一种十二导联可穿戴心电监护设备，包括内衣本体、心电传感器、电子处理单元及连接所述心电传感器和电子处理单元的导线；
所述心电传感器包括十支心电探头，其位置分别对应右锁骨中线第2肋、左锁骨中线第2肋、左锁骨中线第7肋缘、胸骨右缘第4肋、胸骨左缘第4肋、对应V1和V4连线的交叉点、左肋骨中线第5肋、左腋前线第5肋、左腋中线第5肋、右锁骨中线第7肋缘；
所述心电探头一至心电探头十均内嵌于内衣本体，心电探头一至心电探头十输出端通过导联连接至所述电子处理单元进行运算、控制及传输；
进一步的，十支心电探头分别为心电探头一、心电探头二、心电探头三、心电探头四、心电探头五、心电探头六、心电探头七、心电探头八、心电探头九、心电探头十；其中心电探头一包括差分放大器INA1及通过导线分别与差分放大器INA1连接的运动电极SN、心电电极RA；心电探头二包含导线连接的心电电极LA、差分放大器INA2；心电探头三包含单线连接的心电电极LF、差分放大器INA3；心电探头四包含导线连接的心电电极RF、跟随器VF；心电探头五包含导线连接的心电电极V1、差分放大器INA4；心电探头六包含导线连接的心电电极V2、差分放大器INA5；心电探头七包含导线连接的心电电极V3、差分放大器INA6；心电探头八包含导线连接的心电电极V4、差分放大器INA7；心电探头九包含导线连接的心电电极V5、差分放大器INA8；心电探头十包含导线连接的心电电极V6、差分放大器INA9；
进一步的，所述心电探头一包含两个电极为运动电极和心电电极，所述运动电极和心电电极的中心间距不超过20mm；
进一步的，所述心电探头一还包括差分放大器，通过差分放大器对心电电极输出信号作差并放大，其中所述心电探头1中的一支心电电极输出作为参考信号，连接至差分放大器的反相端，另一支心电电极输出连接至差分放大器同相端，差分放大器输出作为运动噪声信号；
进一步的，所述心电探头二至九的心电电极输出均接入所对应差分放大器的同相端，参考信号均接入差分放大器的反相端；
进一步的，所述电子处理单元包括数据采集模块、控制模块、无线收发模块、电源管理模块和电池，其中数据采集模块将心电传感器传送的模拟信号转变为数字信号并传输至控制模块，无线收发模块用于与指定智能设备通信，将测量的心电数据无线传输至指定智能设备；电源管理模块从电池获取电能并稳定电压，为上述数据采集模块、控制模块、无线收发模块、心电传感器供电；控制模块负责控制上述数据采集模块、控制模块、无线收发模块、心电传感器，所述心电探头二至九的输出与所述心电探头一的输出作差，作为真实心电信号经电子处理单元输出；
进一步的，所述运动电极SN和心电电极RA、LA、LF、V1、V2、V3、V4、V5、V6、RF不受具体心电电极材料限制，可以是氯化银电极、金属干电极或织物电极中的一种，电极规格相同；
进一步的，运动电极SN和心电电极RA的敏感面与皮肤接触，运动电极SN输出端连接至差分放大器INA1的同相端，心电电极RA输出端连接至差分放大器INA1至INA9的反相端，心电电极LA、LF、V1、V2、V3、V4、V5、V6的敏感面与皮肤接触，输出端分别连接至差分放大器INA2、INA3、INA4、INA5、INA6、INA7、INA8、INA9的同相端，心电电极RF连接至跟随器VF的输入端；
进一步的，所述电子处理单元与内衣本体之间通过金属触点连接；所述金属触点为合金材质；
进一步的，所述电子处理单元与内衣本体之间通过卡扣固定；
本发明的有益效果是：本发明通过在相同位置放置两支心电探头，其中一支心电探头输出作为参考信号，两支心电探头输出经差分、放大后作为运动噪声信号，其余心电探头输出与参考信号经差分、放大后与运动噪声信号做差即为真实心电信号。由于运动噪声信号与心电信号均通过同种电极获取，具有高相关性，通过差分后可显著抑制运动伪迹，提高心电信号质量。该方法具有通用性，不受心电探头类型限制，可在在日常心电监护领域有广泛应用。
附图说明
图1是示例性实施例示出的心电探头组成示意图；
图2是采用标准心电电极采集的运动状态下心电信号示意图；
图3是采用运动伪迹抑制方法的输出心电信号示意图；
图4是示例性实施例示出的心电监护设备总体示意图；
图5是示例性实施例示出的电子单元组成示意图。
附图标记说明如下：
101、心电探头一，102、心电探头二，103、心电探头三，104、心电探头四，105、心电探头五，106、心电探头六，107、心电探头七，108、心电探头八，109、心电探头九，110、心电探头十，401、内衣本体，402、电子处理单元，403、心电传感器，501、数据采集模块，502、控制模块，503、无线收发模块，504、电源管理模块，505、电池；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
作为本发明的一个具体实施例，心电监护设备包含四只心电探头101、102、103、104，分别对应右锁骨中线第2肋、左锁骨中线第2肋、右锁骨中线第7肋缘、左锁骨中线第7肋缘位置。
其中，心电探头101包含心电电极RA、运动电极SN、差分运放INA1；心电探头102包含心电电极LA、差分运放INA2；心电探头103包含心电电极LF、差分运放INA3；心电探头104包含心电电极RF、跟随器VF。
其中，心电电极RA、心电电极LA、心电电极LF、心电电极RF、运动电极SN可为氯化银湿电极、金属干电极、织物电极或其他类电极，但为同类电极，且规格相同。
其中，参见图1，运动电极SN和心电电极RA的敏感面与皮肤接触，运动电极SN输出端连接至差分运放INA1的同相端，心电电极RA输出端连接至差分运放INA1的反相端，记差分运放INA1输出信号为DREF；心电电极LA输出端连接至差分运放INA2的同相端，心电电极RA输出端连接至差分运放INA2的反相端，记差分运放INA2输出信号为DLA-DRA；心电电极LF输出端连接至差分运放INA3的同相端，心电电极RA输出端连接至差分运放INA3的反相端，记差分运放INA3输出信号为DLF-DRA；心电电极RA输出端连接至跟随器VF输入端，跟随器VF输出端连接至心电电极RF。
记DLA-DRA-DREF＝A，DLF-DRA-DREF＝B，通过以下变换可获得六导联心电信号：
I＝A；
II＝B；
III＝B-A；
aVR＝-(A+B)/2；
aVL＝(2A-B)/2；
aVF＝(2B-A)/2。
该六导联心电信号即为已消除运动伪迹的心电信号。
参见图2，人体在运动状态下常规心电输出信号，其中RA为心电探头RA输出信号，LA为心电探头LA输出信号，LF为心电探头LF输出信号，由于人体运动在心电探头输出信号中包含明显的运动伪迹，导致心电图中的P波、Q波、S波、T波受较大影响，已无法准确读出数值，心电信号较为微弱的RA导联已无法辨认出心电信号。
经所述运动伪迹抑制方法处理后，得到的I、II、III、aVR、aVL、aVF的心电信号如图3所示，运动伪迹被明显抑制，基线保持稳定，P波、Q波、S波、T波清晰可见，心电信号质量得到显著提高。
如图4所示，一种十二导联可穿戴心电监护设备，包括内衣本体、心电传感器、电子处理单元及连接所述心电传感器和电子处理单元的导线；
所述心电传感器包括十支心电探头，分别为心电探头一、心电探头二、心电探头三、心电探头四、心电探头五、心电探头六、心电探头七、心电探头八、心电探头九、心电探头十；其中心电探头一包括差分放大器INA1及通过导线分别与差分放大器INA1连接的运动电极SN、心电电极RA；心电探头二包含导线连接的心电电极LA、差分放大器INA2；心电探头三包含单线连接的心电电极LF、差分放大器INA3；心电探头四包含导线连接的心电电极RF、跟随器VF；心电探头五包含导线连接的心电电极V1、差分放大器INA4；心电探头六包含导线连接的心电电极V2、差分放大器INA5；心电探头七包含导线连接的心电电极V3、差分放大器INA6；心电探头八包含导线连接的心电电极V4、差分放大器INA7；心电探头九包含导线连接的心电电极V5、差分放大器INA8；心电探头十包含导线连接的心电电极V6、差分放大器INA9；
所述心电探头一至心电探头十均内嵌于内衣本体，心电探头一至心电探头十输出端通过导联连接至所述电子处理单元进行运算、控制及传输；
如图5所示，所述电子处理单元包括数据采集模块、控制模块、无线收发模块、电源管理模块和电池，其中数据采集模块将心电传感器传送的模拟信号转变为数字信号并传输至控制模块，无线收发模块用于与指定智能设备通信，将测量的心电数据无线传输至指定智能设备；电源管理模块从电池获取电能并稳定电压，为上述数据采集模块、控制模块、无线收发模块、心电传感器供电；控制模块负责控制上述数据采集模块、控制模块、无线收发模块、心电传感器。
在一个具体实施例中，所述运动电极SN和心电电极RA、LA、LF、V1、V2、V3、V4、V5、V6、RF不受具体心电电极材料限制，可以是氯化银电极、金属干电极或织物电极中的一种，电极规格相同；
更具体的，运动电极SN和心电电极RA的敏感面与皮肤接触，运动电极SN输出端连接至差分放大器INA1的同相端，心电电极RA输出端连接至差分放大器INA1至INA9的反相端，心电电极LA、LF、V1、V2、V3、V4、V5、V6的敏感面与皮肤接触，输出端分别连接至差分放大器INA2、INA3、INA4、INA5、INA6、INA7、INA8、INA9的同相端，心电电极RF连接至跟随器VF的输入端；
在具体应用时，十支心电探头101、102、103、104、105、106、107、108、109、110对应人体的位置如下：
101：对应右锁骨中线第2肋；
102：对应左锁骨中线第2肋；
103：对应左锁骨中线第7肋缘；
104：对应右锁骨中线第7肋缘。
105：对应胸骨右缘第4肋；
106：对应胸骨左缘第4肋；
107：对应V1和V4连线的交叉点；
108：对应左肋骨中线第5肋；
109：对应左腋前线第5肋；
110：对应左腋中线第5肋.
由于心电电极RA分别连接至差分放大器INA1、INA2、INA3、INA4、INA5、INA6、INA7、INA8、INA9的反相端，因此，差分放大器INA1、INA2、INA3、INA4、INA5、INA6、INA7、INA8、INA9的输出信号已减去心电电极RA的信号。又心电电极RA和运动电极SN位置均对应右锁骨中线第2肋，因此差分放大器INA1输出信号实质为运动噪声。记差分放大器INA1、INA2、INA3、INA4、INA5、INA6、INA7、INA8、INA9输出分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9，通过组合获取八通道数据，具体为：D2-D1＝A；
D3-D1＝B；D4-D1＝C；D5-D1＝D；D6-D1＝E；D7-D1＝F；D8-D1＝G；
D9-D1＝H。
通过以下变换为标准医学十二导联心电信号：
I＝A；
II＝B；
III＝B-A；
aVR＝-(A+B)/2；
aVL＝(2A-B)/2；
aVF＝(2B-A)/2；
V1＝(3C-A-B)/3；
V2＝(3D-A-B)/3；
V3＝(3E-A-B)/3；
V4＝(3F-A-B)/3；
V5＝(3G-A-B)/3；
V6＝(3H-A-B)/3。
将心电探头获取的八通道数据转换为标准医学十二导联心电数据的处理于电子处理单元中进行。
在另一个具体实施例中，所述电子处理单元与内衣本体之间通过金属触点连接；所述金属触点为合金材质；有强耐腐蚀性和良导电性；
进一步的，所述电子处理单元与内衣本体之间通过卡扣固定；当需清洗心电监护设备或需为电子处理单元402充电时，可放松卡扣，将电子处理单元402取下；
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种可穿戴心电监护设备运动伪迹抑制方法，其特征在于：包括如下步骤，在胸口相同位置分别放置两支相同的心电电极，其中一支心电电极输出作为参考信号，另一支心电电极输出与参考信号之差放大一定倍数后作为运动噪声信号，其余放置电极输出信号与参考信号之差放大相同放大倍数后与运动噪声信号做差，该差值即为最终输出的心电信号。
2.根据权利要求1所述的可穿戴心电监护设备运动伪迹抑制方法，其特征在于：所述心电电极不受具体心电电极材料限制，可以是氯化银电极、金属干电极或织物电极中的一种，但两支电极规格相同。
3.根据权利要求2所述的可穿戴心电监护设备运动伪迹抑制方法，其特征在于：两支所述心电电极放置位置对应右锁骨中线第2肋处，两支心电电极中心间距不超过20mm。
4.根据权利要求3所述的可穿戴心电监护设备运动伪迹抑制方法，其特征在于：通过差分放大器对两支所述心电电极输出进行作差和放大，用作参考信号的心电电极连接至差分放大器的反相端，另一支连接至差分放大器的同相端，差分放大器输出作为运动噪声信号。
5.一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：包括内衣本体、心电传感器、电子处理单元及连接所述心电传感器和电子处理单元的导线；
所述心电传感器包括十支心电探头，其位置分别对应右锁骨中线第2肋、左锁骨中线第2肋、左锁骨中线第7肋缘、胸骨右缘第4肋、胸骨左缘第4肋、对应V1和V4连线的交叉点、左肋骨中线第5肋、左腋前线第5肋、左腋中线第5肋、右锁骨中线第7肋缘；
所述心电探头一至心电探头十均内嵌于内衣本体，心电探头一至心电探头十输出端通过导联连接至所述电子处理单元进行运算、控制及传输。
6.根据权利要求5所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：十支心电探头分别为心电探头一、心电探头二、心电探头三、心电探头四、心电探头五、心电探头六、心电探头七、心电探头八、心电探头九、心电探头十；其中心电探头一包括差分放大器INA1及通过导线分别与差分放大器INA1连接的运动电极SN、心电电极RA；心电探头二包含导线连接的心电电极LA、差分放大器INA2；心电探头三包含单线连接的心电电极LF、差分放大器INA3；心电探头四包含导线连接的心电电极RF、跟随器VF；心电探头五包含导线连接的心电电极V1、差分放大器INA4；心电探头六包含导线连接的心电电极V2、差分放大器INA5；心电探头七包含导线连接的心电电极V3、差分放大器INA6；心电探头八包含导线连接的心电电极V4、差分放大器INA7；心电探头九包含导线连接的心电电极V5、差分放大器INA8；心电探头十包含导线连接的心电电极V6、差分放大器INA9。
7.根据权利要求6所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述心电探头一包含两个电极为运动电极和心电电极，所述运动电极和心电电极的中心间距不超过20mm。
8.根据权利要求7所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述心电探头一还包括差分放大器，通过差分放大器对心电电极输出信号作差并放大，其中所述心电探头1中的一支心电电极输出作为参考信号，连接至差分放大器的反相端，另一支心电电极输出连接至差分放大器同相端，差分放大器输出作为运动噪声信号。
9.根据权利要求8所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述心电探头二至九的心电电极输出均接入所对应差分放大器的同相端，参考信号均接入差分放大器的反相端。
10.根据权利要求9所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述电子处理单元包括数据采集模块、控制模块、无线收发模块、电源管理模块和电池，其中数据采集模块将心电传感器传送的模拟信号转变为数字信号并传输至控制模块，无线收发模块用于与指定智能设备通信，将测量的心电数据无线传输至指定智能设备；电源管理模块从电池获取电能并稳定电压，为上述数据采集模块、控制模块、无线收发模块、心电传感器供电；控制模块负责控制上述数据采集模块、控制模块、无线收发模块、心电传感器，所述心电探头二至九的输出与所述心电探头一的输出作差，作为真实心电信号经电子处理单元输出。
11.根据权利要求10所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述运动电极SN和心电电极RA、LA、LF、V1、V2、V3、V4、V5、V6、RF不受具体心电电极材料限制，可以是氯化银电极、金属干电极或织物电极中的一种，电极规格相同。
12.根据权利要求6所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：运动电极SN和心电电极RA的敏感面与皮肤接触，运动电极SN输出端连接至差分放大器INA1的同相端，心电电极RA输出端连接至差分放大器INA1至INA9的反相端，心电电极LA、LF、V1、V2、V3、V4、V5、V6的敏感面与皮肤接触，输出端分别连接至差分放大器INA2、INA3、INA4、INA5、INA6、INA7、INA8、INA9的同相端，心电电极RF连接至跟随器VF的输入端。
13.根据权利要求6所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述电子处理单元与内衣本体之间通过金属触点连接；所述金属触点为合金材质。
14.根据权利要求6所述的一种十二导联可穿戴心电监护设备，其特征在于：所述电子处理单元与内衣本体之间通过卡扣固定。
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