CN112137612A - 心电心音同步采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及心电心音同步采集装置及方法，具体而言，涉及医疗设备领域。心电心音同步采集装置通过心音采集探头和心电采集装置分别获取待测的心音信号和心电信号；心音信号处理电路和心电信号处理电路分别将心音信号和心电信号同步预处理；通过模数转换器将预处理后的心音信号和心电信号转化为数字信号；现场可编程逻辑门阵列预先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将对比图发送给上位机，并且通过现场可编程逻辑门阵列得到心音信号和心电信号同一时间线的对比图，并将同步采集的心音信号和心电信号用于对病患疾病的判断，简化诊断的流程，并提高了诊断的准确性，减少了医生的主观判断而产生的误判。
Description
技术领域
本申请涉及医疗设备领域，具体而言，涉及一种心电心音同步采集装置及方法。
背景技术
心血管疾病已成为危害人类健康的第一大杀手，临床常采用心音听诊和心电图监测等方法。心音听诊是一种检测疾病的有效手段，医生通过听心脏跳动过程中产生的杂音来判断病变位置和病理信息，但心音是一种微弱的生理信号，容易受到噪声影响且较多分布在低频分段，不容易被人耳所感知，所以较为依赖医生的主观经验与判断，容易造成误诊。
现有技术中，采集心音是通过听诊器，采集心电是通过心电图机，并通过医生的经验和主要意识结合心音和心电对病患进行诊断，并且市面上已有的听诊技术也仅仅是将心脏听诊数字化，未能将心音中蕴藏的丰富的病理信息充分利用于临床治疗，也未能将心音和心电关联起来进行同步分析。
现有技术中的采集心音和心电的方法成本较高，且准确率较低，并且未能将心脏的心音信号和心电信号结合用于对病患进行诊断。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种心电心音同步采集装置及方法，以解决现有技术中的采集心音的方法较为单一，且准确率较低，并且未能将心脏的心音信号和心电信号结合用于对病患进行诊断的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种心电心音同步采集装置，装置包括：心音采集探头、心音信号处理电路、心电采集装置、心电信号处理电路、模数转换器、现场可编程逻辑门阵列和上位机；心音采集探头和心音信号处理电路电连接，心电采集装置和心电信号处理电路电连接，心音信号处理电路和心电信号处理电路分别与模数转化器电连接，模数转换器、现场可编程逻辑门阵列和上位机依次电连接。
可选地，该心音采集探头包括五个心音传感单元，五个心音传感单元并联在心音信号处理电路上，其中，五个心音传感单元分别为心音传感单元A、心音传感单元P、心音传感单元T、心音传感单元E和心音传感单元M。
可选地，该五个心音穿传感单元均为电容式传感单元或电阻式传感单元。
可选地，该心电采集装置包括四个肢体导联电极和六个胸腔导联电极，四个肢体导联电极和六个胸腔导联电极均并联在心电信号处理电路上。
可选地，该装置还包括电源，电源分别与心音采集探头、心音信号处理电路、心电采集装置、心电信号处理电路、模数转换器和现场可编程逻辑门阵列电连接，用于提供电量。
可选地，该心音信号处理电路包括：第一电源稳压电路、第一滤波电路和第一信号放大电路。
可选地，该心电信号处理电路包括：第二电源稳压电路、第二滤波电路和第二信号放大电路。
可选地，该现场可编程逻辑门阵列和上位机之间的电连接方式为有线连接或无线连接。
第二方面，本申请提供一种心电心音同步采集方法，应用于第一方面任意一项的心电心音同步采集装置，方法包括：
心音采集探头和心电采集装置分别同步获取待测的心音信号和心电信号；
心音信号处理电路和心电信号处理电路分别将心音信号和心电信号同步预处理；
通过模数转换器将预处理之后的心音信号和心电信号转化为数字信号；
现场可编程逻辑门阵列根据预先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将对比图发送给上位机。
本发明的有益效果是：
本申请提供的心电心音同步采集装置包括：心音采集探头、心音信号处理电路、心电采集装置、心电信号处理电路、模数转换器、现场可编程逻辑门阵列和上位机；心音采集探头和心音信号处理电路电连接，心电采集装置和心电信号处理电路电连接，心音信号处理电路和心电信号处理电路分别与模数转化器电连接，模数转换器、现场可编程逻辑门阵列和上位机依次电连接；通过心音采集探头和心电采集装置分别同步获取待测的心音信号和心电信号；心音信号处理电路和心电信号处理电路分别将心音信号和心电信号同步预处理；通过模数转换器将预处理之后的心音信号和心电信号转化为数字信号；现场可编程逻辑门阵列预先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将对比图发送给上位机，并且通过现场可编程逻辑门阵列得到心音信号和心电信号同一时间线的对比图，即本申请实现了心音信号和心电信号的同步采集，并将同步采集的心音信号和心电信号用于对病患疾病的判断，简化诊断的流程，并提高了诊断的准确性，也进一步减少了医生主要意识造成的误判。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置的模块示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种心电心音同步采集装置的模块示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置的结构图；
图4为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置的输出的心音信号和心电信号同一时间线的对比图；
图5为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置采集的窦性心动过速心电心音同步图谱；
图6为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置采集的心房颤动心电心音同步图谱；
图7为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集方法的流程示意图。
图标：10-心音采集探头；11-心音传感单元A；12-心音传感单元P；13-心音传感单元T；14-心音传感单元E；15-心音传感单元M；20-心电采集装置；30-心音信号处理电路；40-心电信号处理电路；50-模数转换器；60-现场可编程逻辑门阵列；70-上位机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
图1为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置的模块示意图；如图1所示，本申请提供一种心电心音同步采集装置，装置包括：心音采集探头10、心音信号处理电路30、心电采集装置20、心电信号处理电路40、模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70；心音采集探头10和心音信号处理电路30电连接，心电采集装置20和心电信号处理电路40电连接，心音信号处理电路30和心电信号处理电路40分别与模数转化器电连接，模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70依次电连接。
该心电心音同步采集装置主要分为两路，第一路为心音采集探头10、心音信号处理电路30、模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70，心音采集探头10用于采集患者的心音，心音信号处理电路30将心音进行预处理，模数转换器50用于将预处理之后的心音信号转化为数字信号，该现场可编程逻辑门阵列60根据预设程序对转化为数字信号的心音信号按照预设程序进行处理，并将处理之后的心音信号上传给上机位，该上机位可以为计算机，也可以为其他输出装置，第二路为心电采集装置20、心电信号处理电路40、模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70，心电采集装置20用于采集患者的心电信号，该心电信号处理电路40用于将采集的心电信号进行预处理，模数转换器50用于将预处理之后的心电信号转化为数字信号，该现场可编程逻辑门阵列60根据预设程序对转化为数字信号的心电信号按照预设程序进行处理，并将处理之后的心音信号上传给上机位，在实际应用中，该第一路的心音信号采集和第二路的心电信号采集是同步采集的，该现场可编程逻辑门阵列60根据预设程序，控制该心音采集探头10和心电采集装置20，该心音信号处理电路30和心电信号处理电路40分别对心音和心电进行预处理之后，该模数转换器50对心音信号和心电信号进行模数转换之后，该现场可编程逻辑门阵列60先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将对比图发送给上位机70。
名词解释，现场可编程逻辑门阵列60(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
可选地，在实际应用中，该上位机70内部可以设置数据库，该数据库内预先储存有用于心音和心电分类的深度学习算法模型，该模型由大量的心音与心电信号同步采集数据与对应病症标签组成的训练集训练而成。可以将待诊病患的心电信号和心音信号同一时间线的数据输入该模型，通过该模型给出分类结果，作为医生对待诊病患的诊断参考，进一步减少了诊断流程，增加诊断准确率，该对比图可以包括健康病患的对比图，还可以包括多组不健康病患的对比图，并且该不健康病患的对比图中还有病患的疾病信息，可以将待诊病患的心电信号和心音信号同一时间线的对比图与该预设的心电信号和心音信号同一时间线的对比图进行对比匹配，若与数据库中的对比图匹配度大于预设阈值，则将该数据库中对比图对应的疾病信息输出，作为医生对待诊病患的诊断参考，进一步减少了诊断流程，增加诊断的准确性，该匹配度的阈值根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。
图2为本发明一实施例提供的另一种心电心音同步采集装置的模块示意图；如图2所示，可选地，该心音采集探头10包括五个心音传感单元，五个心音传感单元并联在心音信号处理电路30上，其中，五个心音传感单元分别为心音传感单元A11、心音传感单元P12、心音传感单元T13、心音传感单元E14和心音传感单元M15。
该电心音同步采集装置的心音采集探头10包括心音传感单元A11、心音传感单元P12、心音传感单元T13、心音传感单元E14和心音传感单元M15，相应的，在诊断病患的心脏疾病的时候，一般需要采集患者心脏的主动脉瓣听诊区，肺动脉瓣区，三尖瓣曲，主动脉瓣第二听诊区，二尖瓣区，该心音传感单元A11用于采集该主动脉瓣听诊区的心音，该心音传感单元P12用于采集该肺动脉瓣区的心音，该心音传感单元T13用于采集该三尖瓣曲的心音，该心音传感单元E14用于采集该主动脉瓣第二听诊区的心音，该心音传感单元M15用于采集该二尖瓣区的心音，并且该心音传感单元A11、心音传感单元P12、心音传感单元T13、心音传感单元E14和心音传感单元M15并联在该心音信号处理电路30上。
可选地，该五个心音穿传感单元均为电容式传感单元或电阻式传感单元。
可选地，该心电采集装置20包括四个肢体导联电极和六个胸腔导联电极，四个肢体导联电极和六个胸腔导联电极均并联在心电信号处理电路40上。
四个肢体导联电极用于采集四肢上的心电，六个胸腔导联电极用于采集胸腔内的心电，一般的，该肢体导联电极为电极夹，夹在病患的四肢的指头上，胸腔导联电极为电极贴片，用于贴附在病患的胸腔上。
图3为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置的结构图；如图3所示，在实际应用中，该装置的心音信号处理电路30、心电信号处理电路40、模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70均可以集成在工控机上，如图，本申请提供的结构图包括心音采集探头10、心电采集装置20和计算机，其中，心音采集探头10包括心音传感单元A11、心音传感单元P12、心音传感单元T13、心音传感单元E14和心音传感单元M15。
可选地，该装置还包括电源，电源分别与心音采集探头10、心音信号处理电路30、心电采集装置20、心电信号处理电路40、模数转换器50和现场可编程逻辑门阵列60电连接，用于提供电量。
可选地，该心音信号处理电路30包括：第一电源稳压电路、第一滤波电路和第一信号放大电路。
该心音信号处理电路30用于预处理采集到的心音信号，该第一电源稳压电路用于将电源的电压进行稳压，是作为一种保护电路，该第一滤波电路过滤掉采集到心音信号中的杂质波，使得对心音的检测更加准确，为了进一步减少对信号信号处理的产生的误差，采用第一信号放大电路对心音信号进行放大处理。
可选地，该心电信号处理电路40包括：第二电源稳压电路、第二滤波电路和第二信号放大电路。
该心电信号处理电路40用于预处理采集到的心电信号，该第一电源稳压电路用于将电源的电压进行稳压，是作为一种保护电路，该第一滤波电路过滤掉采集到心电信号中的杂质波，使得对心电的检测更加准确，为了进一步减少对信号信号处理的产生的误差，采用第一信号放大电路对心电信号进行放大处理。
可选地，该现场可编程逻辑门阵列60和上位机70之间的电连接方式为有线连接或无线连接。
图4为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置的输出的心音信号和心电信号同一时间线的对比图；图5为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置采集的窦性心动过速心电心音同步图谱；图6为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集装置采集的心房颤动心电心音同步图谱；如图4所示，在实际应用中，心电信号与心音信号对应关系：S1一般发生在R波(心室去极化)之后，S2一般发生在T波末端，S1-S2间期应出现T波，S2-下一个S1间期应出现P波和R波，且P波在R波之前；S3产生于S2之后，20岁之前发生的概率为84.4％；25岁以后的发生概率为46.6％，40岁以上很少听到S3；S4发生于第一心音之前，属病理性；其中，图4中，a点对应在心电图的位置为R波峰值点，在心音图上的对应位置为S1的开始，c点对应位T波末端，在心音图上的对应位置为S2的开始，b点在心音图上代表S1的结束，bc为收缩期，d点在心音图上代表S2的结束，e点下一个心动周期的开始，de为舒张期；如图5所示，ab对应P-R间期，由图可见P-R间期缩短，bc对应R-T间期，对应S1-S2间期(收缩期)较短，通过观察分析心电心音同步图谱，能够观察出心脏异常，并且能够分析出异常病症为窦性心动过速；如图6所示，a对应R波峰值点，b对应T波末端，为S2开始，由心音图可见S2分裂为两个峰值。ac，cd，de对应R-R间期，由图可见R-R间期间距不等，通过观察分析心电心音同步图谱，能够观察出心脏异常，并且能够分析出异常病症为房颤。
可选地，该心电心音同步采集装置还可以包括显示器，用于将心音信号和心电信号进行同步显示。
本申请提供的心电心音同步采集装置包括：心音采集探头10、心音信号处理电路30、心电采集装置20、心电信号处理电路40、模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70；心音采集探头10和心音信号处理电路30电连接，心电采集装置20和心电信号处理电路40电连接，心音信号处理电路30和心电信号处理电路40分别与模数转化器电连接，模数转换器50、现场可编程逻辑门阵列60和上位机70依次电连接；通过心音采集探头10和心电采集装置20分别同步获取待测的心音信号和心电信号；心音信号处理电路30和心电信号处理电路40分别将心音信号和心电信号同步预处理；通过模数转换器50将预处理之后的心音信号和心电信号转化为数字信号；现场可编程逻辑门阵列60预先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将对比图发送给上位机70，并且通过现场可编程逻辑门阵列60得到心音信号和心电信号同一时间线的对比图，即本申请实现了心音信号和心电信号的同步采集，并将同步采集的心音信号和心电信号用于对病患疾病的判断，简化诊断的流程，并提高了诊断的准确性，也进一步减少了医生主要意识造成的误判。
图7为本发明一实施例提供的一种心电心音同步采集方法的流程示意图；如图4所示，本申请实施例提供一种一种心电心音同步采集方法，应用于上述任意一项的心电心音同步采集装置，方法包括：
S101、心音采集探头10和心电采集装置分别同步获取待测的心音信号和心电信号。
S102、心音信号处理电路和心电信号处理电路分别将心音信号和心电信号同步预处理。
S103、通过模数转换器将预处理之后的心音信号和心电信号转化为数字信号。
S104、现场可编程逻辑门阵列根据预先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将对比图发送给上位机。
在实际应用中，现场可编程逻辑门阵列根据预先编辑的程序将转化为数字信号的心音信号和心电信号绘制出同一时间线的对比图，即使用同步处理心音信号和心电信号的模型对获取和处理的心音信号和心电信号进行分类处理，在实际应用中，该模型可以基于卷积神经网络、循环神经网络、长短时记忆神经网络构建，本方案选择卷积神经网络，该网络是一种融入卷积结构的深度前馈神经网络，主要有输入层、卷积层、激励层、池化层、全连接层、输出层组成。其中，卷积层、激励层与池化层可进行交替连接，能够有效地降低数据维度，提高模型的容错能力。首先将待诊病患的心电信号与心音信号同一时间线的数据进行降噪预处理，进行特征提取，所提取的特征如功率谱密度(PSD)、梅尔频率倒谱系数(MFCC)等时频特征，构建成特征矩阵输入该卷积神经网络，通过模型的运算输出其分类结果，如AE(异常心电)、NE(正常心电)、AP(异常心音)、NP(正常心音)、B(二尖瓣反流)、C(三尖瓣狭窄)等，该模型的具体功能根据实际情况进行设置，只要可以基于获取的心音信号和心电信号得到该心音信号和心电信号对应的病症类型即可。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)
1.一种心电心音同步采集装置，其特征在于，所述装置包括：心音采集探头、心音信号处理电路、心电采集装置、心电信号处理电路、模数转换器、现场可编程逻辑门阵列和上位机；所述心音采集探头和所述心音信号处理电路电连接，所述心电采集装置和所述心电信号处理电路电连接，所述心音信号处理电路和所述心电信号处理电路分别与所述模数转化器电连接，所述模数转换器、所述现场可编程逻辑门阵列和所述上位机依次电连接。
2.根据权利要求1所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述心音采集探头包括五个心音传感单元，五个所述心音传感单元并联在所述心音信号处理电路上，其中，五个所述心音传感单元分别为心音传感单元A、心音传感单元P、心音传感单元T、心音传感单元E和心音传感单元M。
3.根据权利要求2所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，五个心音传感单元均为电容式传感单元或电阻式传感单元。
4.根据权利要求3所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述心电采集装置包括四个肢体导联电极和六个胸腔导联电极，四个所述肢体导联电极和六个所述胸腔导联电极均并联在所述心电信号处理电路上。
5.根据权利要求4所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述装置还包括电源，所述电源分别与所述心音采集探头、所述心音信号处理电路、所述心电采集装置、所述心电信号处理电路、所述模数转换器和所述现场可编程逻辑门阵列电连接，用于提供电量。
6.根据权利要求5所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述心音信号处理电路包括：第一电源稳压电路、第一滤波电路和第一信号放大电路。
7.根据权利要求6所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述心电信号处理电路包括：第二电源稳压电路、第二滤波电路和第二信号放大电路。
8.根据权利要求1所述的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列和所述上位机之间的电连接方式为有线连接或无线连接。
9.一种心电心音同步采集方法，应用于权利要求1-8任意一项的心电心音同步采集装置，其特征在于，所述方法包括：
所述心音采集探头和所述心电采集装置分别同步获取待测的心音信号和心电信号；
所述心音信号处理电路和所述心电信号处理电路分别将所述心音信号和所述心电信号同步预处理；
通过所述模数转换器将预处理之后的心音信号和心电信号转化为数字信号；
所述现场可编程逻辑门阵列根据预先编辑的程序将转化为数字信号的所述心音信号和所述心电信号绘制出同一时间线的对比图，并将所述对比图发送给所述上位机。
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