CN113384280A - 一种提升长程心跳间期完整性的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升长程心跳间期完整性的检测装置及方法，包括ECG采集电路、PPG采集电路、MCU计算模块、信号质量传感器、显示模块和存储模块，所述ECG采集电路、PPG采集电路和信号质量传感器的输出端连接MCU计算模块的输入端，MCU计算模块的输出端连接显示模块和存储模块的输入端。本发明利用同步采集的PPG和ECG信号的信号，并联合两种信号本身及相应的辅助传感器的信号来评估PPG和ECG质量，在PPG或ECG传感器中单个传感器受到干扰时，通过实施切换源信号的或信号融合的方案。从而实现长时间稳健的心跳间期检测。
Description
技术领域
本发明涉及穿戴式设备技术领域，特别涉及一种提升长程心跳间期完整性的检测装置及方法。
背景技术
近年来心血管疾病的危害越来越受到重视，已有不少文献显示心率变异性分析与心血管疾病有显著的相关性，心率变异性分析重要的一点在于获取长程的心跳间期数据(如发表在frontiers in public health期刊上的An overview of heart ratevariability metrics and norms论文中提到核心体温，新陈代谢，睡眠周期等昼夜的节律变化需要24小时的心跳间期数据来分析)。
随着可穿戴设备技术的发展，心电描记术(ECG)和光电容积脉搏波描记法(PPG)可以很便利的进行心跳间期检测。市面上大部分的可穿戴心跳间期检测设备都是基于ECG或PPG的原理实现。
但是ECG的稳定性容易受到肢体接触不良、电磁干扰、运动伪迹等问题影响，无法保证长程的心跳间期观测结果稳定性及完整性。PPG信号也容易受到光照、温度、运动伪迹、皮肤接触不良、肤色等影响到结果。可以关注到单独的ECG或PPG技术在日常使用中都存在可靠性问题，因为各种干扰源的存在，无法获得完全完整的心跳间期序列。
同时，ECG和PPG分别基于电学测量和光学测量原理，两者的干扰源不尽相同，或者干扰源干扰两者的方式(耦合途径不同)，存在一种受到干扰时，另外一种技术可以正常工作的情况。换一种说法，在胸贴ECG装置中，同时集成PPG传感器，设备使用时，存在ECG受干扰不能正常采集时(比如ECG敏感的电磁干扰、ECG电极脱落等)，PPG由于是通过光信号采集而可以正常工作；或者PPG不能正常采集时(受到光学干扰)，ECG由于电极的粘贴，仍然可以通过电信号采集到心跳周期。如果能够将两种技术融合在同一方法或设备上，并同时记录，则能够尽最大可能的记录到近乎完整的长程心跳间期，并进一步用于分析。将大大提高分析结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升长程心跳间期完整性的检测装置及方法，利用同步采集的PPG和ECG信号，并联合两种信号本身及相应的辅助传感器的信号来评估PPG和ECG质量，在PPG或ECG传感器中单个传感器受到干扰时，通过实施切换源信号的或信号融合的方案。从而实现长时间稳健的心跳间期检测，以解决上述背景技术中提出的可穿戴设备在长程心跳间期检测上不稳定、数据不完整的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提升长程心跳间期完整性的检测装置，包括ECG采集电路、PPG采集电路、MCU计算模块、信号质量传感器、显示模块和存储模块，所述ECG采集电路、PPG采集电路和信号质量传感器的输出端连接MCU计算模块的输入端，MCU计算模块的输出端连接显示模块和存储模块的输入端，其中：
ECG采集电路和PPG采集电路同时采集相应的ECG和PPG信号；
MCU计算模块用于计算PPG和ECG的心跳间期和信号质量，并控制切换源信号；
显示模块用于在本地或者通过无线方式传出以记录当前模式、当前心跳间期和在需要时提示用户正确佩戴设备；
存储模块用于保存ECG或PPG信号计算的心跳间期值。
进一步地，信号质量传感器包括温度传感器、电容传感器、电极阻抗测量传感器、环境光传感器、加速度传感器，各个传感器同时采集。
进一步地，电容传感器、电极阻抗测量传感器、加速度传感器中的一种或多种用于辅助分析ECG信号质量，电容传感器、温度传感器、环境光传感器、加速度传感器中的一种或多种，用于辅助分析PPG信号质量。
进一步地，测量位置为胸部心脏附近，以便于PPG和ECG能够同时自动在一个部位监测，而不需要受试者人工干预或配合测量。
本发明提供的另一种技术方案：一种提升长程心跳间期完整性的检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1：ECG心跳间期计算采集ECG信号，心跳间期即为ECG数据的RR间期，同步结合电容传感器、电极阻抗数据、加速度数据、皮肤容抗数据计算ECG信号质量；
S2：PPG心跳间期计算采集PPG信号，心跳间期即为PPG数据的PP间期，同步结合皮肤容抗数据、温度数据、环境光数据、加速度数据计算PPG信号质量。
进一步地，获取ECG信号质量的方法包括如下步骤：
S101：设定正常电极阻抗数据范围，超过范围判定ECG采集电路佩戴不佳，即信号质量差；
S102：通过加速度数据判断用户是否处于运动状态中，运动状态时，若加速度数据与ECG数据之间相关性超过阈值，则ECG信号质量差；
S103：设定正常皮肤容抗数据范围及波动强度，超过范围判定ECG采集电路佩戴不佳，即信号质量差。
进一步地，获取PPG信号质量的方法包括如下步骤：
S201：设定正常皮肤阻抗数据范围，超过范围判定PPG采集电路佩戴不佳，即信号质量差；
S202：通过加速度数据判断用户是否处于运动状态中，运动状态时，若加速度数据与PPG数据之间的相关性超过阈值，则PPG信号质量差；
S203：设定正常的皮肤温度数据范围，若超过范围，且PPG的灌注度低于一定阈值，则PPG采集数据已经不准确；
S204：设定正常的环境光数据范围，若超过范围，且环境光与PPG数据相关性超过一定阈值，则PPG采集数据已经不准确。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用同步采集的PPG和ECG信号的信号，并联合两种信号本身及相应的辅助传感器的信号来评估PPG和ECG质量，在PPG或ECG传感器中单个传感器受到干扰时，通过实施切换源信号的或信号融合的方案。从而实现长时间稳健的心跳间期检测。
附图说明
图1是本发明长程心跳间期检测的装置图；
图2是本发明检测装置的测量位置示意图；
图3是PPI和RRI等同性示意图；
图4是本发明长程心跳间期检测方法的流程图。
图中：100、ECG采集电路；200、PPG采集电路；300、MCU计算模块；400、信号质量传感器；500、显示模块；600、存储模块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1，一种提升长程心跳间期完整性的检测装置，同时含有ECG传感器和PPG传感器的胸贴，包括ECG采集电路100、PPG采集电路200、MCU计算模块300、信号质量传感器400、显示模块500和存储模块600，所述ECG采集电路100、PPG采集电路200和信号质量传感器400的输出端连接MCU计算模块300的输入端，MCU计算模块300的输出端连接显示模块500和存储模块600的输入端，其中：ECG采集电路100和PPG采集电路200同时采集相应的ECG和PPG信号。MCU计算模块300用于计算PPG和ECG的心跳间期和信号质量，并控制切换源信号。显示模块500用于在本地或者通过无线方式传出以记录当前模式、当前心跳间期和在需要时(例如ECG和PPG都不能正常检测时)提示用户正确佩戴设备。存储模块600用于保存ECG或PPG信号计算的心跳间期值。
信号质量传感器400包括温度传感器、电容传感器、电极阻抗测量传感器、环境光传感器、加速度传感器，各个传感器同时采集。
电容传感器、电极阻抗测量传感器、加速度传感器中的一种或多种用于辅助分析ECG信号质量，电容传感器、温度传感器、环境光传感器、加速度传感器中的一种或多种，用于辅助分析PPG信号质量。
测量位置为胸部心脏附近(如图2所示)，以便于PPG和ECG能够同时自动在一个部位监测，而不需要受试者人工干预或配合测量。
一种提升长程心跳间期完整性的检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1：ECG心跳间期计算采集ECG信号，心跳间期即为ECG数据的RR间期，同步结合电容传感器、电极阻抗数据、加速度数据、皮肤容抗数据计算ECG信号质量；
S2：PPG心跳间期计算采集PPG信号，心跳间期即为PPG数据的PP间期(等同于ECG的RR间期)，同步结合皮肤容抗数据、温度数据、环境光数据、加速度数据计算PPG信号质量。
获取ECG信号质量的方法包括如下步骤：
S101：设定正常电极阻抗数据范围，超过范围判定ECG采集电路佩戴不佳，即信号质量差；
S102：通过加速度数据判断用户是否处于运动状态中，运动状态时，若加速度数据与ECG数据之间相关性超过阈值，则ECG信号质量差；
S103：设定正常皮肤容抗数据范围及波动强度，超过范围判定ECG采集电路佩戴不佳，即信号质量差。
获取PPG信号质量的方法包括如下步骤：
S201：设定正常皮肤阻抗数据范围，超过范围判定PPG采集电路佩戴不佳，即信号质量差；
S202：通过加速度数据判断用户是否处于运动状态中，运动状态时，若加速度数据与PPG数据之间的相关性超过阈值，则PPG信号质量差；
S203：设定正常的皮肤温度数据范围，若超过范围，且PPG的灌注度低于一定阈值，则PPG采集数据已经不准确；
S204：设定正常的环境光数据范围，若超过范围，且环境光与PPG数据相关性超过一定阈值，则PPG采集数据已经不准确。
本发明关注到有相关研究表明光电容积脉搏波信号波形中的相邻P波峰值对应的时间间隔(PPI)与心电图波形中的相邻R波峰值对应的时间间隔(RRI)具有相当一致性(如图3)。因此心跳间期可互相切换PPG/ECG源信号(此时可以是切换，也可以是两种信号融合，例如加权融合、卡尔曼融合等)。
若计算出ECG信号质量低于阈值一，且PPG信号质量大于阈值二，则使用基于PPG信号计算的心跳间期填补此段。
若计算出PPG信号质量低于阈值二，且ECG信号质量大于阈值一，则使用基于ECG信号计算的心跳间期填补此段。
若计算出ECG信号质量低于阈值一，且PPG信号质量低于阈值二，则持续进行采集，使用卡尔曼滤波等方式尽可能融合信号，输出融合信号后的心跳间期数据，记录当前时刻信号质量状态，同时提示用户正确佩戴设备，直到采集正常为止。可选的提示用户正确佩戴设备包括：在显示模块上显示提示正确佩戴设备的信息，发出震动或声音提示用户正确佩戴设备，通过无线传输模块，在用户的终端上提示用户正确佩戴设备。
可以利用长程心跳间期，通过时域、频率、非线性方式进一步分析受试者心律失常、房颤等健康风险；可以利用长程佩戴，连续监测，当利用每日(或某个时间窗口)的分析结果，发现异常时，及时为受试者发出预警提醒。
请参阅图4，一种提升长程心跳间期完整性的检测装置的检测方法，具体步骤如下：
步骤一：同步开启ECG心跳间期计算模块和PPG心跳间期计算模块，联合电极阻抗、温度传感器、皮肤容抗、环境光、加速度数据情况及ECG和PPG自身波形，分别获取ECG和PPG信号质量。
具体的，ECG信号质量的获取方式包括但不限于ECG信号的信噪比、ECG信号的导联连接状态、以连续RR间期分割的ECG信号片段的相关性、电极阻抗、加速度、皮肤容抗等。PPG信号质量的获取方式包括但不限于PPG信号的信噪比、PPG传感器附近的温度、环境光、加速度、以及连续PP间期分割的PPG信号片段的相关性等。
步骤二：若ECG信号质量大于阈值一，记录当前时刻、当前采集模式和通过ECG信号获取的心跳间期值。
步骤三：若ECG信号质量小于阈值一，且PPG信号质量大于阈值二，则记录当前时刻、当前采集模式和通过PPG信号获取的心跳间期值。
步骤四：若ECG信号质量小于阈值一，且PPG信号质量小于阈值二，则持续进行采集，尽使用卡尔曼滤波等方式尽可能融合信号，输出融合信号后的心跳间期数据，记录当前时刻信号质量状态，同时提示用户正确佩戴设备，重复步骤二。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提升长程心跳间期完整性的检测装置，其特征在于，包括ECG采集电路(100)、PPG采集电路(200)、MCU计算模块(300)、信号质量传感器(400)、显示模块(500)和存储模块(600)，所述ECG采集电路(100)、PPG采集电路(200)和信号质量传感器(400)的输出端连接MCU计算模块(300)的输入端，MCU计算模块(300)的输出端连接显示模块(500)和存储模块(600)的输入端，其中：
ECG采集电路(100)和PPG采集电路(200)同时采集相应的ECG和PPG信号；
MCU计算模块(300)用于计算PPG和ECG的心跳间期和信号质量，并控制切换源信号；
显示模块(500)用于在本地或者通过无线方式传出以记录当前模式、当前心跳间期和在需要时提示用户正确佩戴设备；
存储模块(600)用于保存ECG或PPG信号计算的心跳间期值。
2.如权利要求1所述的提升长程心跳间期完整性的检测装置，其特征在于，信号质量传感器(400)包括温度传感器、电容传感器、电极阻抗测量传感器、环境光传感器、加速度传感器，各个传感器同时采集。
3.如权利要求3所述的提升长程心跳间期完整性的检测装置，其特征在于，电容传感器、电极阻抗测量传感器、加速度传感器中的一种或多种用于辅助分析ECG信号质量，电容传感器、温度传感器、环境光传感器、加速度传感器中的一种或多种，用于辅助分析PPG信号质量。
4.如权利要求1所述的提升长程心跳间期完整性的检测装置，其特征在于，测量位置为胸部心脏附近，以便于PPG和ECG能够同时自动在一个部位监测，而不需要受试者人工干预或配合测量。
5.一种如权利要求4所述的提升长程心跳间期完整性的检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：ECG心跳间期计算采集ECG信号，心跳间期即为ECG数据的RR间期，同步结合皮肤容抗数据、电极阻抗数据、加速度数据计算ECG信号质量；
S2：PPG心跳间期计算采集PPG信号，心跳间期即为PPG数据的PP间期，同步结合皮肤容抗数据、温度数据、环境光数据、加速度数据计算PPG信号质量。
6.如权利要求6所述的提升长程心跳间期完整性的检测装置的检测方法，其特征在于，获取ECG信号质量的方法包括如下步骤：
S101：设定正常电极阻抗数据范围，超过范围判定ECG采集电路佩戴不佳，即信号质量差；
S102：通过加速度数据判断用户是否处于运动状态中，运动状态时，若加速度数据与ECG数据之间相关性超过阈值，则ECG信号质量差；
S103：设定正常皮肤容抗数据范围及波动强度，超过范围判定ECG采集电路佩戴不佳，即信号质量差。
7.如权利要求6所述的提升长程心跳间期完整性的检测装置的检测方法，其特征在于，获取PPG信号质量的方法包括如下步骤：
S201：设定正常皮肤阻抗数据范围，超过范围判定PPG采集电路佩戴不佳，即信号质量差；
S202：通过加速度数据判断用户是否处于运动状态中，运动状态时，若加速度数据与PPG数据之间的相关性超过阈值，则PPG信号质量差；
S203：设定正常的皮肤温度数据范围，若超过范围，且PPG的灌注度低于一定阈值，则PPG采集数据已经不准确；
S204：设定正常的环境光数据范围，若超过范围，且环境光与PPG数据相关性超过一定阈值，则PPG采集数据已经不准确。
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| CN106255449A (zh) * | 2014-05-05 | 2016-12-21 | 思勘度股份有限公司 | 具有用于生命体征扫描的多个集成传感器的便携式装置 |
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| PB01 | Publication | ||
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