CN113951905B - 一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，所述系统包括：前置放大器、右腿驱动和抗混叠滤波器组成的模拟前端、模数转换模块、低功耗蓝牙模块、电源模块，通过循环使用的医用电极采集胃电信号，经所述模拟前端预处理后由32位高精度模数转换模块进行转换并通过串行外设接口协议传输至低功耗蓝牙模块；在低功耗蓝牙模块的主控芯片中进行数字滤波并将处理后的数据打包进行无线传输，再将处理后的数据发送至PC端上位机软件中进行后续的分析。本发明通过改进电路，提高系统的精度与集成度，降低了系统的尺寸，也可有效扩大胃电采集系统在日常生活及临床中的使用场景。

Description

一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统

技术领域

本发明涉及多通道胃电采集领域，尤其涉及一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统。

背景技术

胃电图(Electrogastrography，EGG)是一种通过在腹部皮肤放置体表电极来记录胃肌电活动的无创技术。医院中常使用胃镜检查、X线钡餐检查等影像学方法来检查患者的胃部，虽然影像学可以看清消化道器官的体征，但对于没有出现器质性病变的病症，这些方法无法提供有效的证据与解释，由此也常使用胃肠测压、胃电图检测等方式来检测胃肠功能。EGG可以记录胃电慢波的活动，到目前为止，已被用于研究多种与胃功能、胃动力相关的功能性胃部疾病(例如功能性消化不良，胃轻瘫等)。因EGG具有无创简便且无禁忌症的优点，在未来有很大的发展潜力。

EGG可以对肠胃功能进行评估，是一种又无创、又连续、又较为简便的方法，如何对其进行采集及如何处理是非常有现实意义的。但要想获取到一个有效的胃电信号存在一定的困难，因胃电有信号弱，频率低，干扰多的特点，而且在临床环境中，EGG信号非常容易受到心电信号、肠电信号、呼吸伪影、运动伪影和白噪声等信号的影响，导致采集到的胃电信号质量较差，难以解释，从采集的数据中只能提取到很少的有效信息。

而且胃功能的评估需要长时间的监测，在医院检查时间较短，难以适时捕捉到胃功能及胃动力的异常情况，但现有市场化的EGG采集系统体积较大，不方便携带，现有商品化的胃电图机的通道数较少，不能很好的研究多通道间的胃电信号之间的关联性，且价格昂贵，无法满足日常监护的需求，因此需要一个可以用于日常监测的EGG采集系统。

发明内容

本发明提供了一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，本发明将每个差分通道独立成一个模块，可在极大程度上覆盖测量区域，同时也能保证使用者在使用期间的舒适度与自由度；通过改进电路，提高系统的精度与集成度，降低了系统的尺寸，也可有效扩大胃电采集系统在日常生活及临床中的使用场景，详见下文描述：

一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，所述系统包括：前置放大器、右腿驱动和抗混叠滤波器组成的模拟前端、模数转换模块、低功耗蓝牙模块、电源模块，

通过循环使用的医用电极采集胃电信号，经所述模拟前端预处理后由32位高精度模数转换模块进行转换并通过串行外设接口协议传输至低功耗蓝牙模块；

在低功耗蓝牙模块的主控芯片中进行数字滤波并将处理后的数据打包进行无线传输，再将处理后的数据发送至PC端上位机软件中进行后续的分析。

在一种实施方式中，所述系统采用直流放大对所述胃电信号进行采集，用模拟抗混叠低通滤波器进行滤波；

选用直流放大和抗混叠滤波的方式对胃电信号进行预处理，并使用了右腿驱动电路以减少系统的共模干扰。

在另一种实施方式中，所述PC端上位机软件通过中值滤波处理去除胃电干扰信号，且设置一个时间阈值，超过该时间阈值长度的数据段将直接被删除。

其中，所述系统通过PC端上位机软件界面中的选项及按键对采样率及采样通道设置，并对默认参数进行修改，设置好后通过硬件按键或上位机发送开始指令使系统开始/停止采集数据。

进一步地，所述系统还包括：

通过体域网中其他测量体征的模块进行检测并分析对应时间段的活动事项，与该时间段的胃电数据耦合，分析此时胃电发生的变化；

通过使用滤波方式或分解方法将得到的数据进行处理与分析，并得出相应的频谱图、功率谱图及多通道间的相关系数；

将胃电信号自动存储并上传至云端，发送至指定的医疗机构进行诊断和研究。

其中，所述系统还包括：

用户可调整各通道的位置关系以便记录并分析不同用户的胃电信号；

从多通道采集中利用多通道间的相关性分析或因果性分析获取到关于慢波传播和耦合的信息。

进一步地，所述系统采用蓝牙主从机的模式将多通道的胃电信号通过蓝牙从机的无线通讯传入蓝牙主机中；

与采集心率、血氧饱和度的模块同时进行采集，胃电模块、心率模块作为体域网中的多个节点，采集目标对象的体征数据，再发送至上位机程序进行后续的联合分析。

所述系统用于对医院病房中患者的长时间监测、用于成人及幼儿功能性消化不良的诊断评估、胃动力药物疗效的监测、手术麻醉后胃肠功能恢复、或家庭监护。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明针对胃电的特点设计了模拟前端，使用高精度的ADC对胃电信号进行采集，有很高的精度与性能，在日常生活中，可以根据不同目标对象胃的位置放置模块进行日常监测；

2、该系统摆脱了导线及场地的限制，可以在日常生活中不同场合穿戴使用且用户可自由活动，可以监测胃电在餐前、餐后、睡眠状态等一天内活动下发生的变化，同时上位机界面中还可以手动输入用户在对应时刻的具体活动内容，以便与胃电信号进行联合分析；

3、该系统可以同时对多路胃电信号进行采集，通过多通道联合分析可以得出慢波传播与耦合的准确信息，可以对EGG进行更好的解释；

4、通过点击上位机程序中的按键可以实现远程遥控系统开始/结束工作，也可以通过上位机程序中已经内置好的算法对采集到的数据进行分析并显示出频谱、功率谱、相关系数等参数辅助医生进行诊断，数据会自动进行存储并上传至云数据库；

5、用户可选择发送数据至医疗系统参与医院发起的研究中，因此该系统不仅可以适用于功能性胃病患者的日常胃功能的评估，利用多通道胃电采集能提供更多有效的信息来对胃电信号进行解释，辅助医生诊断关于胃动力及胃功能的疾病，也适用于对病房中的患者进行监测，对于全麻手术后监测胃肠功能恢复等情况也有很大的应用价值。

附图说明

图1为无线多通道胃电采集系统的结构示意图；

图2为无线多通道胃电采集系统的放大及右腿驱动部分的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

对于胃功能及胃动力的评估需要长时间的监测，但在医院很难对门诊患者进行连续多天的监测，难以适时捕捉到胃功能及胃动力的异常情况，而且在全麻手术等手术的术后，也需要对患者的胃肠功能进行检测，而医院中现在少有对胃肠功能进行监测的设备。而现有的胃电采集系统存在体积较大，有线传输，价格昂贵，可用的通道数较少等缺点，无法达到这样的需求。由于胃电信号弱、频率低、干扰多的特点，胃电采集较为困难，现在还没有可购的家用胃电采集系统可供监护使用，因此设计了一种可用于日常动态检测的、无线的、多通道的、可供长时间使用的低功耗胃电采集系统。

实施例1

本发明实施例提出了一种用于日常动态检测的无线多通道胃电采集系统的总体框图如图1所示。

其中，该硬件系统主要由：前置放大器、右腿驱动和抗混叠滤波器组成的模拟前端、高精度的模数转换模块ADC、低功耗蓝牙模块、电源模块(包括降压稳压模块)等组成。

该系统选用了可循环使用的锂电池进行供电，大容量的锂电池可供系统连续使用两天左右。同时配备两个锂电池轮流使用可实现胃电长时间监测的功能。胃电信号通过可循环使用的医用电极采集，经过模拟前端预处理后由32位超高精度ADC进行模数转换并通过SPI(Serial Peripheral Interface)传输至低功耗蓝牙模块。在BLE(Bluetooh LowEnergy)主控模块中进行数字滤波并将数据进行打包，通过电脑内置蓝牙或手机蓝牙进行无线传输，再将数据发送至PC端上位机软件中并进行后续的分析。

其中，本发明实施例采用PC端上位机软件及手机APP两种传输方式，实际应用时根据需要择一选择即可。

为了滤除干扰，一般会设置带通滤波器进行预处理。由于胃电的频率范围在0.0083-0.15Hz之间，属于极低频信号，使用模拟高通滤波器对极化电压等直流分量进行滤除的方法对器件的精度要求较高，实现模拟高通滤波器较为困难，同时还会使电路复杂化，因此使用了直流放大的方法对信号进行采集，用模拟抗混叠低通滤波器进行滤波。所以本发明实施例选用直流放大和抗混叠滤波的方式对胃电信号进行预处理，并使用了RLD(Right Leg Drive)电路以减少系统的共模干扰。

参见图2为放大及右腿驱动部分的电路，该电路由五个运算放大器U1-U5，电阻和电容等器件组成，本发明实施例对此不做赘述。

由于搭建的抗混叠滤波器的截止频率较低(通常低通截止频率低于1HZ)，因此可以有效滤除心电信号的干扰、工频干扰等高频干扰的成分。但采用该预处理方法时，在体表产生的极化电压会导致信号漂移甚至出现饱和的问题，为了解决这个问题，使用前置放大器对信号进行低倍放大配合32位高分辨率的AD对信号进行采集，因此可以实现同时采集到不同幅值的信号而且不会出现饱和。

在无线通讯方面，选择了高性能的BLE5.0模块，该模块具有低功耗、传输距离远、传输速率快、处理能力强、兼容性强的特点，能很好的满足无线传输与内置数字滤波的要求。同时该模块能够支持复杂和高要求的应用程序设计，在系统设计中也作为主控模块。在该模块中加入数字高通滤波器进行预处理，之后可以在上位机程序中根据获取到的数据显示出多个通道胃电的大致波形，可以直观地看到各通道间信号存在的传播与耦合的关系。

因为该系统需要实现日常监测的功能，而运动不可避免的会产生伪迹，这会让胃电信号的后续分析变的更加困难。如果只是简单的通过人工筛查对运动伪迹的数据段进行删除，会破坏多通道信号的连续性，使多通道信号联合分析变得困难。

因此本发明实施例在后续上位机程序中内置了针对胃电干扰信号的中值滤波处理方法，该方法的核心为：对时间段进行加窗，对不同窗口内的数据进行统计学的分析，并确定一个正常信号所在的幅值范围。再根据该幅值范围对比不同窗口内是否出现异常值即伪影造成的高振幅值，对该异常值周围的点做平均，将该异常值降至正常范围内。因胃电的频率较低，变化较慢，该方法对去除伪影有一定的效果。但对于长时间的伪影数据段则无法使用该方法，因此在程序中还设置了一个时间阈值，超过该时间阈值长度的数据段将直接被删除。

在系统供电后各模块会进行初始化并且设置胃电信号采集使用的默认值，例如：采集所用的采样率、放大倍数、使用的差分通道及其引脚设置等参数。可以通过上位机界面中的选项及按键对采样率及采样通道等设置对默认参数进行修改，设置好后通过硬件按键或者上位机发送开始指令使系统开始/停止采集数据。在接收到数据后，将多个通道的数据转换成波形图进行实时显示，可以从图中直观的看到各通道间存在的联系。

同时为了能有效分析用户当天的胃电数据，用户可以添加当前时间段下的活动事项，例如：可以记录吃饭的时间段，运动的时间段、保持静坐的时间段、睡眠的时间段以便更好地分析出对应活动下胃电发生的变化。在之后也可以通过体域网中其他测量体征的模块进行联合分析从而减少用户频繁操作编辑活动事项。该方法可以通过体域网中其他检测体征数据的模块，从中检测并分析对应时间段的活动事项，从而与该时间段的胃电数据耦合，分析此时胃电发生的变化。在接收到数据后可以通过选择对应算法的按键，例如：使用一些基础的数字带通滤波器或EMD等分解方法将之前得到的数据进行处理与分析，并得出相应的频谱图、功率谱图及多通道间的相关系数等参数。

实施例2

下面结合具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

本发明实施例提出了一种用于日常动态监测的多通道便携式胃电采集系统，适用于功能性胃病患者的长时间胃动力评估。该系统的设计可以扩大胃电图的应用场景，不仅可用于对医院病房中患者的长时间监测，也适用于家庭监护等场景。可用于成人及幼儿功能性消化不良的诊断评估、胃动力药物疗效的监测、手术麻醉后胃肠功能恢复的评价等。

该系统采用针对胃电设计的模拟前端、高精度的模数转换器及蓝牙低功耗模块，高集成度降低了系统的尺寸，因此每个差分通道的体积都很小，且相互独立，各差分通道的位置可以随用户想监测的部位而随意摆放，可以很好地适应不同用户胃型而摆放位置不同的问题。而且各差分通道间各自进行监测，可以有效避免在一个系统中集成多个通道而造成的某通道导线脱落导致采集通道数据的缺失或因导线过短导致的束缚感等问题，由此在该系统设计中，用户可以随意调整各通道的位置关系以便更好地记录并分析不同用户的胃电信号。同时也可以与其他测量模块共同组成体域网(即无线体域网(WBAN))，采集用户的多个体征数据并进行联合分析。该系统的上位机程序可以根据需求对后续数据处理及分析进行自由的设计，灵活度高，可移植性强，有很高的适用性。

具体实现时，在上位机界面上可以实时显示采集到的多个通道的波形图，也可以通过选择上位机程序中一些具体的滤波方式或分解方法对信号进行预处理，比如选择常用的巴特沃斯滤波器、椭圆滤波器、贝塞尔滤波器或者小波分解、EMD分解方法等进行处理并显示处理后的波形图。在数据处理部分，将采集到的数据分割为5分钟的周期，利用周期图法、自相关法等功率谱估计方法来计算功率谱。计算每个时间段内的数据的功率谱密度，接着算出整体的平均功率谱密度即总功率谱密度等参数。最后根据全部的胃电数据进行主频率和主功率的计算并进行显示。研究多通道数据的关联采用了皮尔逊相关性系数及格兰杰因果关系检验对多通道数据间的相关性和因果性进行了简单的说明，并在上位机界面中显示出对应的参数。

通过对上位机内置程序的设计，可以实时显示采集到的各个通道的波形图并进行直观的对比，联合多通道数据进行分析并显示得出的结论及具体参数例如：各通道的皮尔逊相关性系数、斯皮尔曼相关性系数、肯德尔相关性系数等相关性系数、格兰杰因果关系检验等参数，也可将数据自动存储并上传至云端，发送至指定的医疗机构进行诊断和研究。

该系统设计有高精度、高性能、低噪声、低功耗、低成本、便携性高的特点，从多通道采集中可以利用多通道间的相关性分析或因果性分析等方法获取到更多关于慢波传播和耦合的准确有效的信息。辅助医生诊断关于胃动力及胃功能的疾病，能使胃电图在临床上有更强的应用价值。

其中，上述耦合为研究各通道各自的传播，以及各通道间波形之间存在的联系，即各通道间的相关程度或者各通道相互影响的一些信息等，具体实现时，本发明实施例对此不做赘述。

实施例3

本发明实施例的主旨是提出一种可用于日常动态检测的无线多通道胃电采集系统，该采集系统中将每个差分通道集成为一个模块，且相互独立，因此各差分通道的位置可以随用户想监测的部位而随意摆放，由此也可摆脱在一个系统中放置多个通道时，根据设备摆放位置而造成的各通道线的长度相互牵制，导线过短可能会导致无法覆盖全部检测区域，导线过长可能会导致因用户运动或其他活动导致导线脱落或造成其他干扰等问题。每个差分通道对应着一处电极摆放位置，各差分通道各为一个模块进行连接。

由于本发明实施例中各通道独立，不同通道的电极放置位置可因人而异。用户可以摆脱系统内导线的牵制情况，将该设备粘贴至测量区域即可，因此在后续的可穿戴设计中也可以在极大程度上保证目标对象的舒适度与自由度。之后通过蓝牙主从机的模式将多通道的胃电信号通过蓝牙从机的无线通讯传入蓝牙主机中，也可以与采集心率、血氧饱和度等参数的模块同时进行采集。胃电模块、心率模块等也可作为体域网中的多个节点，采集目标对象的体征数据，再发送至上位机程序进行后续的联合分析，从而扩大胃电采集系统在日常生活及临床中的使用场景。

该系统不仅可用于对医院病房中患者的长时间监测，也适用于家庭监护等场景。该系统可用于成人及幼儿功能性消化不良的诊断评估、胃动力药物疗效的监测、手术麻醉后胃肠功能恢复的评价等方面。该胃电采集系统可以监测胃电一天内发生的变化，可以在日常生活中不同场合穿戴使用且用户可自由活动。通过使用含有前置放大器、右腿驱动(Right leg drive，RLD)和抗混叠滤波器的模拟前端对信号进行预处理，使用高精度高性能的模数转换器(Analog to digital converter，ADC)对信号进行采集，使用低功耗蓝牙(Bluetooth low energy，BLE)模块实现无线传输。通过编写上位机软件实现数据的分析与存储，实时显示波形、对日常活动事项进行标记、对胃电波形的主要参数进行分析并显示出具体的参数等功能。通过联合处理分析多通道胃电信号获取慢波传播及耦合的信息，显示多通道间信号的相关性系数来辅助评估胃功能与胃动力。在分析完成后，可将采集到的数据及分析结果同步上传至云端数据库，也可选择将数据发送至医疗平台参与研究，辅助医生对胃功能及胃动力疾病进行诊断，使胃电图在临床上有更强的应用价值。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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 (7)

1.一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，所述系统包括：前置放大器、右腿驱动和抗混叠滤波器组成的模拟前端、模数转换模块、低功耗蓝牙模块、电源模块，

通过循环使用的医用电极采集胃电信号，经所述模拟前端预处理后由32位高精度模数转换模块进行转换并通过串行外设接口协议传输至低功耗蓝牙模块；

在低功耗蓝牙模块的主控芯片中进行数字滤波并将处理后的数据打包进行无线传输，再将处理后的数据发送至PC端上位机软件中进行后续的分析；

所述PC端上位机软件通过中值滤波处理去除胃电干扰信号，所述中值滤波为：对时间段进行加窗，对不同窗口内的数据进行统计学的分析，并确定一个正常信号所在的幅值范围；再根据该幅值范围对比不同窗口内是否出现异常值即伪影造成的高振幅值，对异常值周围的点做平均，将异常值降至正常范围内，设置一时间阈值，超过时间阈值长度的数据段将直接被删除。

2.根据权利要求1所述的一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，所述系统采用直流放大对所述胃电信号进行采集，用模拟抗混叠低通滤波器进行滤波；

选用直流放大和抗混叠滤波的方式对胃电信号进行预处理，并使用了右腿驱动电路以减少系统的共模干扰。

3.根据权利要求1所述的一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，所述系统通过PC端上位机软件界面中的选项及按键对采样率及采样通道设置，并对默认参数进行修改，设置好后通过硬件按键或上位机发送开始指令使系统开始/停止采集数据。

4.根据权利要求1所述的一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

通过体域网中其他测量体征的模块进行检测并分析对应时间段的活动事项，与该时间段的胃电数据耦合，分析此时胃电发生的变化；

通过使用滤波方式或分解方法将得到的数据进行处理与分析，并得出相应的频谱图、功率谱图及多通道间的相关系数；

将胃电信号自动存储并上传至云端，发送至指定的医疗机构进行诊断和研究。

5.根据权利要求4所述的一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

用户可调整各通道的位置关系以便记录并分析不同用户的胃电信号；

从多通道采集中利用多通道间的相关性分析或因果性分析获取到关于慢波传播和耦合的信息。

6.根据权利要求4所述的一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，

所述系统采用蓝牙主从机的模式将多通道的胃电信号通过蓝牙从机的无线通讯传入蓝牙主机中；

与采集心率、血氧饱和度的模块同时进行采集，胃电模块、心率模块作为体域网中的多个节点，采集目标对象的体征数据，再发送至上位机程序进行后续的联合分析。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种用于日常动态监测的多通道胃电采集系统，其特征在于，

所述系统用于对医院病房中患者的长时间监测、用于成人及幼儿功能性消化不良的诊断评估、胃动力药物疗效的监测、手术麻醉后胃肠功能恢复、或家庭监护。