CN113426016A - 一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，包括数据处理终端与设备终端，数据处理终端包括移动终端与远程服务平台，设备终端自人体采集心电数据信号与呼吸数据信号，设备终端将心电数据信号与呼吸数据信号发送至数据处理终端，远程服务平台经计算后发送分析结果至移动终端，移动终端根据分析结果与向设备终端发送控制指令。本发明结合迷走神经刺激与呼吸门控技术，令迷走神经刺激电流配合呼吸周期，充分利用人体自身的调节机制以达到更好的康复效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，是涉及一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统。
背景技术
神经刺激是一种按照一定电脉冲刺激目标神经的医疗手段，可以用于调节脑部神经功能并缓解病症，其中，迷走神经为第十对脑神经，是分布最广的脑神经。迷走神经刺激于1988发现可以有效控制癫痫发作，近些年来，有研究认为迷走神经刺激是一种可以改善认知功能障碍的康复疗法，相比传统的有创疗法具有更广阔的前景。
迷走神经支配呼吸和消化系统的绝大部分器官，通过电刺激迷走神经可使得呼吸深浅发生变化，对呼吸具有抑制的作用，这是人体通过神经-体液调节机制协调各器官系统活动导致的结果，以便人体适应内外环境的变化，维持正常的新陈代谢。
呼吸门控技术是对呼吸进行分析处理的一种技术，现有呼吸门控技术大多应用在核磁共振（MRI）和计算机断层扫描(CT)医疗影像设备，减少设备成像因受到人体呼吸的影响导致腹部成像产生伪影的问题。而现有技术中迷走神经刺激设备大多采用固定模式进行刺激，与呼吸门控技术结合应用的产品较少。
若将呼吸门控技术与迷走神经结合使用，由于呼吸门控技术通常采用呼吸腹带进行采用，无法同时进行心电采集对迷走神经的刺激效果进行分析，且现有技术中呼吸门控技术、迷走神经刺激设备需连接计算机进行数据处理，不具备便携能力。
以上不足，有待改进。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统。
本发明技术方案如下所述：
一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，包括数据处理终端与设备终端，所述数据处理终端包括移动终端与远程服务平台，所述设备终端自人体同时采集心电数据信号与呼吸数据信号，所述设备终端将所述心电数据信号与所述呼吸数据信号发送至所述数据处理终端，所述远程服务平台经计算后发送分析结果至所述移动终端，所述移动终端根据所述分析结果与向所述设备终端发送控制指令。
上述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，所述设备终端包括呼吸心电采集模块，所述呼吸心电采集模块包括采集电极片、信号处理单元及第一信号传输单元，所述采集电极片自人体采集获得初级信号，所述采集电极片将所述初级信号发送至所述信号处理单元，所述信号处理单元通过所述第一信号传输单元与所述数据处理终端连接。
进一步的，所述采集电极片为三导联电极片。
进一步的，所述初级信号为混合信号，所述信号处理单元包括微处理器、信号滤波单元、信号放大单元及模数转换单元，所述混合信号先后经过所述信号滤波单元、所述信号放大单元及所述模数转换单元后发送至所述微处理器，所述微处理器分别输出所述心电数据信号与所述呼吸数据信号。
再进一步的，所述第一信号传输单元将所述呼吸数据信号发送至所述移动终端，所述第一信号传输单元将所述心电数据信号发送至所述远程服务平台。
进一步的，所述第一信号传输单元为蓝牙模组，所述蓝牙模组将所述心电数据信号与所述呼吸数据信号发送至所述移动终端，所述移动终端将所述心电数据信号发送至所述远程服务平台。
上述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，所述设备终端包括迷走神经刺激模块，所述迷走神经刺激模块包括第二信号传输单元、波形产生单元、电流控制单元及输出电极，所述第二信号单元接收所述数据处理终端发送的刺激控制指令并发送至所述波形产生单元，所述波形产生单元输出的电流波形经所述电流控制单元形成电流输出指令，所述输出电极接收所述电流输出指令生成迷走神经刺激电流。
进一步的，所述电流控制单元为DC-DC升压电流控制单元，所述DC-DC升压电流控制单元包括可调电阻。
上述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，所述数据处理终端对所述呼吸数据信号的处理步骤如下：
步骤S1.根据数据采样频率设定数据存储长度、第一观察区间及第二观察区间；
步骤S2.所述数据处理终端自上一个呼吸峰值点起提取一个所述数据存储长度的所述呼吸数据信号形成处理队列，所述数据处理终端自所述处理队列计算获得呼吸波峰阀值；
步骤S3.自所述第一观察区间获取数值最大的观察峰值，判断所述观察峰值是否满足呼吸峰值条件；
步骤S4.获取并保存满足所有所述呼吸峰值条件的所述观察峰值及其所在点，同时向所述设备终端发送控制指令。
进一步的，所述呼吸峰值条件为：
（1）所述观察峰值的所在点从属于所述第二观察区间；
（2）所述观察峰值大于所述呼吸波峰阀值；
（3）所述观察峰值的所在点与上一个所述呼吸峰值点时间间隔大于设定时间。
进一步的，在步骤S2中，所述数据处理终端对所述处理队列先后进行自适应滤波后计算所述呼吸波峰阀值。
再进一步的，信号滤波单元设置自适应滤波器实时跟踪所述心电数据信号的特性，所述信号滤波单元不断调整所述自适应滤波器的系数，所述自适应滤波器采用LMS算法，所述LMS算法获得所述自适应滤波器系数迭代方程为：
W(n+1)=W(n)+2×μ×e(n)×x(n)，
其中，W为自适应滤波器的系数矩阵，μ为收敛因子，e(n)为输出的所述呼吸数据信号，x(n)为采集的所述心电数据信号。
再进一步的，所述处理队列在进行自适应滤波后再进行均值滤波计算，其过程为：对所述处理队列中的每个数据进行算数平均运算，算数平均运算的取样范围为每个数据周围连续的N个数据。
进一步的，所述第一观察区间与所述第二观察区间均为所述数据存储长度中的某一固定区间，所述第二观察区间为所述第一观察区间的子集，若一个呼吸周期内的呼吸波峰值处于所述第一观察区间内，所述呼吸波峰值必从属于所述第二观察区间。
进一步的，在步骤S2中，所述数据处理终端自所述处理队列中获取最大呼吸数据值与最小呼吸数据值，所述呼吸波峰阀值为所述最大呼吸数据值与所述最小呼吸数据值的中位数。
进一步的，所述数据处理终端对所述处理队列的处理方式仅包括对所述处理队列的队首做删除操作与对所述处理队列的队尾做添加操作。
进一步的，所述处理队列至少包括一个完整的呼吸周期。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，
1.本发明将将迷走神经刺激和门控呼吸技术结合，改善传统迷走神经刺激效果，能够实现迷走神经对呼吸作用的精准控制，优化人体的神经-体液调节机制，更好地协调各器官系统活动，令人体更适应内外环境的变化，保证人体正常的新陈代谢。
2.本发明通过电极片采用阻抗法同时采集呼吸数据和心电数据，实时将数据上传远程服务平台，利用移动终端与远程服务平台对刺激效果实时分析，能够较快较好地应用迷走神经刺激技术，从而达到更好的康复效果。此外，由于是通过移动终端与远程服务平台对数据进行计算，并非现场使用计算机连线计算，令设备整体具有便携性能，不受到设备与场地的限制，整个监测控制过程快捷准确，实时性高。
3.本发明针对呼吸数据与心电数据的混合提供一种防干扰的处理方式，能够有效去除心电数据对呼吸数据的影响，从而获知正确的呼吸周期，令迷走神经刺激配合呼吸周期，达到最佳的刺激效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的模块结构示意图。
图2为呼吸心电采集模块的模块结构示意图。
图3为自适应滤波器的处理模板流程图。
图4为自适应滤波的过程步骤流程图。
图5为移动终端对呼吸数据信号的处理流程图。
图6为第一观察区间W1没有包含呼吸波峰值时的波形结构示意图。
图7为第一观察区间W1包含呼吸波峰值时的波形结构示意图。
图8为迷走神经刺激模块的模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
需要说明的是，当部件被称为“设置”或“连接”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。术语“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。
一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，如图1所示，包括数据处理终端与设备终端，数据处理终端包括移动终端与远程服务平台，设备终端自人体采集心电数据信号与呼吸数据信号，设备终端将心电数据信号与呼吸数据信号发送至数据处理终端，远程服务平台经计算后发送分析结果至移动终端，移动终端根据分析结果与向设备终端发送控制指令。本发明通过设备终端自人体同时采集心电数据与呼吸数据，并利用无线的信号传输单元传输至数据处理终端分析、计算，数据处理终端根据计算结果发送控制信号至设备终端，令设备终端发出刺激电流，对人体进行迷走神经刺激康复疗法。该方式结合迷走神经刺激与呼吸门控技术，令迷走神经刺激电流配合呼吸周期，充分利用人体自身的调节机制以达到更好的康复效果。
设备终端包括呼吸心电采集模块，如图2所示，呼吸心电采集模块包括采集电极片、信号处理单元及第一信号传输单元，采集电极片自人体采集获得初级信号，采集电极片将初级信号发送至信号处理单元，信号处理单元通过第一信号传输单元与数据处理终端连接。其中，信号处理单元包括微处理器、信号滤波单元、信号放大单元及模数转换单元，混合信号先后经过信号滤波单元、信号放大单元及模数转换单元后发送至微处理器，微处理器分别输出心电数据信号与呼吸数据信号。
心电信号实质上是一种体表的电位信号，心脏射血搏动导致在皮肤表面产生的电位差，从而产生电位信号，该电位信号具有周期性变化。心电信号的获取可通过在人体皮肤表面贴上电极片采集电位信号，该电位信号经过信号放大、模数转换获得心电信号。本申请采用双极胸前导联检测，在胸部两点位置贴上采集电极片提取心电信号，该方式获得的心电信号幅值较大，抗干扰性强。
呼吸是人体内部与外界交换气体的生理过程，有吸气和呼气两个过程，呼吸过程中，胸腔依次发生扩张和收缩，从而产生呼吸信号。本申请使用阻抗式检测法获取该呼吸信号。在阻抗式检测法中，可将人体看作是一段导体，由于胸腔发生扩张和收缩，导致人体电阻发生变化，将激励电极贴在胸部下方，给胸部通以恒定的高频电流，通过检测电阻变化情况来获取呼吸信号。在本申请中，可与心电信号的采集共用采集电极片获取呼吸信号，实现了心电数据信号与呼吸数据信号的同时采集。
在一种实施例中，采集电极片为三导联电极片。
通过采集电极片获得初级信号为混合信号，包括心电数据信号与呼吸数据信号。由于呼吸数据信号是由激励电极注入人体恒定高频电流产生的，人体阻抗可近似认为是纯电阻，微处理器把混合信号中的高频信号分离出来，得到呼吸数据信号，再通过混合信号中减去获得呼吸数据信号即可得到心电数据信号。完成后，微处理器将心电数据信号与呼吸数据信号发送至第一信号传输单元，第一信号传输单元将呼吸数据信号发送至移动终端，第一信号传输单元将心电数据信号发送至远程服务平台，或者，第一信号传输单元将心电数据信号与呼吸数据信号同时发送至移动终端，通过移动终端将心电数据信号发送至远程服务平台，这个取决于第一信号传输单元的传输模组。
在一种实施例中，第一信号传输单元为蓝牙模组，蓝牙模组将心电数据信号与呼吸数据信号发送至移动终端，移动终端通过移动互联网等通讯方式将心电数据信号发送至远程服务平台。
远程服务平台将心电数据信号进行分析、计算，然后将分析结果反馈至移动终端，用户通过移动终端对心电信号进行监控，观察迷走神经刺激效果。同时，移动终端接收呼吸数据信号后，对呼吸数据信号进行处理，获取呼吸波峰值及其所在点，实现呼吸门控效果。
由于本发明需要在检测到呼吸波峰值后迅速给迷走神经刺激模块发出控制指令，实时性要求较高。然而呼吸数据信号与心电数据信号是同时采集的，呼吸数据信号中的呼吸波会受到心电影响，这种情况下需要通过自适应滤波算法消除心电对呼吸波形的影响。
信号滤波单元采用自适应滤波器实时跟踪心电数据信号的特性，通过不断调整自适应滤波器的系数令其尽可能消除心电数据信号对呼吸数据信号的干扰。由于本系统对信号处理的实时性要求较高，故自适应滤波器采用最小均方算法（LMS算法），该算法计算复杂度低，具有在平稳环境中易于收敛的特点。如图3所示，将混合信号中分离的心电数据信号输入自适应滤波器进行LMS算法计算后，输出新的心电数据信号，该心电数据信号是与心电干扰信号是的强相关信号，可视作影响呼吸数据信号的误差信号，令采集的呼吸数据信号与计算后的心电数据信号进行求和计算，获得消除心电影响的呼吸数据信号，在这个过程中不断利用LMS算法更新自适应滤波器的系数。
LMS算法自适应滤波器系数迭代方程为：
W(n+1)=W(n)+2×μ×e(n)×x(n)
其中，W为自适应滤波器的系数矩阵，μ为收敛因子，e(n)为输出的呼吸数据信号，x(n)为采集的心电数据信号。自适应滤波器的计算过程如图4所示，自适应滤波器收集初始参数，将自适应滤波器系数W(n)与采集的心电数据信号x(n)乘后获得一次分析结果的新的心电数据信号y(n)，然后通过将呼吸数据信号d(n)减去该心电数据信号y(n)获得输出的呼吸数据信号e(n)，并根据此次计算结果更新自适应滤波器系数W(n+1)，最终判断输入的呼吸数据信号d(n)与本次输出的呼吸数据信号e(n)是否为同一来源的呼吸数据信号，若是，则输出对应的心电数据信号y(n)与吸数据信号e(n)。
通过自适应滤波算法后，经过自适应滤波器后的呼吸数据信号仍可能存在因随机噪声产生不光滑点，影响后续呼吸波峰值判断，可进一步采用均值滤波方法对信号进行光滑处理：选用合适的N值，对每个点周围连续取N个采样值进行算术平均运算，实现对呼吸数据信号的光滑处理，尽量令呼吸数据信号的波呈平滑状态。
经过自适应滤波与均值滤波后，呼吸波形中间可能仍会存在不光滑的点，导致呼吸周期中存在多个极值点，无法通过常规的极值点判断方法获得呼吸波波峰值及其所在点，故在取呼吸波波峰值时需要采取特殊处理。如图5所示，移动终端对呼吸数据信号的处理步骤如下：
步骤S1.根据数据采样频率设定数据存储长度、第一观察区间及第二观察区间。第一观察区间与第二观察区间均为数据存储长度中的某一固定区间，第二观察区间为第一观察区间的子集，设定时，根据正产的呼吸周期与终端设备采集呼吸数据信号的采样频率，令若一个呼吸周期内的呼吸波峰值处于第一观察区间内，呼吸波峰值必从属于第二观察区间。在设定数据存储长度时，需要保证步骤S2中的处理队列至少包括一个完整的呼吸周期。
步骤S2.数据处理终端自上一个呼吸峰值点起提取一个数据存储长度的呼吸数据信号形成处理队列，数据处理终端自处理队列计算获得呼吸波峰阀值。数据处理终端对处理队列先后进行自适应滤波与均值滤波后计算呼吸波峰阀值。呼吸波峰阀值多通过取均值法获得，在本发明中，数据处理终端自处理队列中获取最大呼吸数据值与最小呼吸数据值，呼吸波峰阀值为最大呼吸数据值与最小呼吸数据值的中位数。在形成处理队列时，由于数据处理终端不断接收呼吸数据信号，处理队列的数据也根据采样频率不断改变，但数据处理终端对处理队列的处理方式仅包括对处理队列的队首做删除操作与对处理队列的队尾做添加操作，从而保证处理队列的数据连续。
步骤S3.自第一观察区间获取数值最大的观察峰值，判断观察峰值是否满足呼吸峰值条件。呼吸峰值条件为：
（1）观察峰值的所在点从属于第二观察区间；
（2）观察峰值大于呼吸波峰阀值；
（3）观察峰值的所在点与上一个呼吸峰值点时间间隔大于设定时间；
步骤S4.获取并保存满足所有呼吸峰值条件的观察峰值及其所在点，同时向设备终端发送控制指令。
在本申请中，认定正常人体呼气周期为3秒至4秒，为确保呼吸波峰值点会快速检测出，采样频率为125Hz，数据存储长度为600，处理队列以600这一固定长度保存呼吸数据。每一次采集处理队列的数据时，新的呼吸数据从队尾插入，同时自队首删除相应长度的呼吸数据，令处理队列内部始终至少包含一个完整的呼吸周期。移动终端通过遍寻法找出处理队列中最大呼吸数据值与最小呼吸数据值，取二者的中值作为呼吸波峰阀值，提供后续识别呼吸波峰值的呼吸峰值条件。
在长度为600的处理队列内部包含第一观察区间W1与第二观察区间W2。由于采样频率为125Hz，处理队列每0.3秒更新一次，每次更新约36个点，将第二观察区间W2长度设为50，确保每次采集的处理队列中均会出现每一个呼吸周期的呼吸波峰值点，且该呼吸波峰值点必然会出现在第二观察区间W2中。
如图6所示，当第一观察区间W1没有包含呼吸波峰值时，第一观察区间W1的观察峰值会在第一观察区间的左端点或者右端点，此时第二观察区间W2中并没有包含该点。当第一观察区间W1包含呼吸峰值时，如图7所示，此时第一观察区间W1的观察峰值处于第二观察区间W2中。此时，移动终端判断呼观察峰值是否比呼吸波峰阈值大，若观察峰值比呼吸波峰阈值小，可认为该观察峰值所在点为异常点，若观察峰值比阈值大则可继续进行下一步判断。
由于正常呼吸周期为3秒至4秒，若两个呼吸波峰值所在点的时间间隔小于2秒，可以认为该观察峰值所在点为波形异常点。若此时获得的观察峰值的所在点与上一个呼吸波峰值点的时间间隔大于2秒，则可将该观察峰值所在点视作为新的呼吸波峰值点，储存该该观察峰值及其所在点，为下次呼吸峰值点判断提供判断条件。
移动终端经计算获得呼吸峰值及其所在点后，生成刺激控制指令，通过内置的通信模组将该刺激控制指令发送至设备终端的迷走神经刺激模块。
设备终端包括迷走神经刺激模块，如图8所示，迷走神经刺激模块包括第二信号传输单元、波形产生单元、电流控制单元及输出电极。第二信号单元接收移动终端发送的刺激控制指令并发送至波形产生单元，波形产生单元根据刺激控制指令的信心，通过两路PWM波形设置不同的频率和脉宽，输出相应的电流波形，波形产生单元输出的电流波形经电流控制单元形成电流输出指令，输出电极接收电流输出指令生成迷走神经刺激电流。其中，电流控制单元为DC-DC升压电流控制单元，DC-DC升压电流控制单元包括可调电阻，电流控制单元将电流波形进行升压处理，并通过可调电阻控制分压，调整输出的电压，以此生成电力输出指令，控制输出电极输出迷走神经刺激电流，令迷走神经刺激电流作用于人体迷走神经，达到神经调控的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，包括数据处理终端与设备终端，所述数据处理终端包括移动终端与远程服务平台，所述设备终端自人体同时采集心电数据信号与呼吸数据信号，所述设备终端将所述心电数据信号与所述呼吸数据信号发送至所述数据处理终端，所述远程服务平台经计算后发送分析结果至所述移动终端，所述移动终端根据所述分析结果与向所述设备终端发送控制指令。
2.根据权利要求1中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述设备终端包括呼吸心电采集模块，所述呼吸心电采集模块包括采集电极片、信号处理单元及第一信号传输单元，所述采集电极片自人体采集获得初级信号，所述采集电极片将所述初级信号发送至所述信号处理单元，所述信号处理单元通过所述第一信号传输单元与所述数据处理终端连接。
3.根据权利要求2中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述初级信号为混合信号，所述信号处理单元包括微处理器、信号滤波单元、信号放大单元及模数转换单元，所述混合信号先后经过所述信号滤波单元、所述信号放大单元及所述模数转换单元后发送至所述微处理器，所述微处理器分别输出所述心电数据信号与所述呼吸数据信号。
4.根据权利要求1中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述设备终端包括迷走神经刺激模块，所述迷走神经刺激模块包括第二信号传输单元、波形产生单元、电流控制单元及输出电极，所述第二信号单元接收所述数据处理终端发送的刺激控制指令并发送至所述波形产生单元，所述波形产生单元输出的电流波形经所述电流控制单元形成电流输出指令，所述输出电极接收所述电流输出指令生成迷走神经刺激电流。
5.根据权利要求1中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述数据处理终端对所述呼吸数据信号的处理步骤如下：
步骤S1.根据数据采样频率设定数据存储长度、第一观察区间及第二观察区间；
步骤S2.所述数据处理终端自上一个呼吸峰值点起提取一个所述数据存储长度的所述呼吸数据信号形成处理队列，所述数据处理终端自所述处理队列计算获得呼吸波峰阀值；
步骤S3.自所述第一观察区间获取数值最大的观察峰值，判断所述观察峰值是否满足呼吸峰值条件；
步骤S4.获取并保存满足所有所述呼吸峰值条件的所述观察峰值及其所在点，同时向所述设备终端发送控制指令。
6.根据权利要求5中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述呼吸峰值条件为：
（1）所述观察峰值的所在点从属于所述第二观察区间；
（2）所述观察峰值大于所述呼吸波峰阀值；
（3）所述观察峰值的所在点与上一个所述呼吸峰值点时间间隔大于设定时间。
7.根据权利要求5中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，在步骤S2中，所述数据处理终端对所述处理队列先后进行自适应滤波与均值滤波后计算所述呼吸波峰阀值。
8.根据权利要求5中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述第一观察区间与所述第二观察区间均为所述数据存储长度中的某一固定区间，所述第二观察区间为所述第一观察区间的子集，若一个呼吸周期内的呼吸波峰值处于所述第一观察区间内，所述呼吸波峰值必从属于所述第二观察区间。
9.根据权利要求5中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，在步骤S2中，所述数据处理终端自所述处理队列中获取最大呼吸数据值与最小呼吸数据值，所述呼吸波峰阀值为所述最大呼吸数据值与所述最小呼吸数据值的中位数。
10.根据权利要求5中所述的一种呼吸门控迷走神经刺激及分析系统，其特征在于，所述处理队列至少包括一个完整的呼吸周期。
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