CN114947873A - 一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，利用信号处理单元将心电信号放大并得到共模干扰信号，经过对比得到肢体导联心电信号，将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理，并将处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出。随后信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的关键特征信息，并将其作为评判标准对人体心脏健康状况进行评估，采用心电信号采集单元和心冲击信号采集单元佩戴上肢前臂采集信号的方式，能够实现心电信号与心冲击信号的便携式采集，能够实现对于人体心脏健康状况的长期监测，使用过程不受时间与地点的限制，操作方便，本发明结构简单，采集信号准确。

Description

一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统及方法

技术领域

本发明属于心力衰竭监测便携式装置，具体涉及一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统及方法。

背景技术

随着我国社会人口老龄化程度的不断加重，心血管疾病流行愈趋明显，快节奏高强度大压力的都市生活也使得心血管疾病发病呈年轻态势。心脏系统疾病的防治和诊断成为医学界面临的重要课题之一。

心电图(ECG)、心冲击图(BCG)均为携带生理健康信息的生理信号，包含丰富的人体功能状态信息。通过对两种信号相应的特征参数进行联合分析，还可以获得单一信号无法获取的能够反映心脏收缩性能等信息的重要心脏生理指标。心脏射血前期(PEP)已经被临床医师公认为是心功能评价方面的重要指标，可以反映左心室的收缩力，对于心力衰竭的诊断具有重要意义。研究表明，通过将心电信号与心冲击信号联合分析获得的RJ间期与心脏射血前期之间呈高度相关的线性关系。

借助现代医疗仪器技术，已经可以以非侵入且较方便的方式测得心电信号及心冲击信号，从而进行临床生理监测、辅助诊疗、个人日常健康管理以等活动，但是这些装置仍然存在体积较大、无法随身携带的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统及方法，以克服现有技术的不足。

一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，包括心电信号采集单元、心冲击信号采集单元、信号处理单元、右腿驱动单元、A/D转换单元、传输单元和信号联合分析单元；

心电信号采集单元与心冲击信号采集单元用于分别采集心电信号与心冲击信号后将采集的心电信号与心冲击信号传输至信号处理单元；

信号处理单元用于将心电信号放大处理同时得到共模干扰信号，将共模干扰信号与参考电极信号对比得到肢体导联心电信号；

右腿驱动单元连接于信号处理单元，用于将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体；右腿驱动单元用于将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理；

处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出；

信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的特征信息并输出。

优选的，心电信号采集单元和心冲击信号采集单元均采用腕带固定。

优选的，信号处理单元包括心电信号处理模块与心冲击信号处理模块；心电信号处理模块包括放大电路、差分电路和三级滤波电路，放大电路的输入端连接心电信号采集单元，差分电路将放大后的心电信号与参考电极的心电信号进行单位增益的差分，同时引出心电采集单元的共模干扰，三级滤波电路用于对差分后的信号进行滤波得到肢体导联心电信号。

优选的，心冲击信号处理模块包括前置放大电路、多级放大电路、隔直电路、带通滤波电路与陷波电路，前置放大电路的输入端连接心冲击信号采集单元，隔直电路将经前置放大的信号中的直流噪声去除，陷波电路抑制工频干扰，带通滤波电路滤除测量中引发的干扰信号，多级放大实现心冲击信号幅值放大。

优选的，A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，A/D转换单元连接两路并联的心电信号采集单元、心冲击信号采集单元和信号处理单元。

优选的，A/D转换单元与每组心电信号采集单元、心冲击信号采集单元和信号处理单元组成的通道之间设置有一个采样保持器。

优选的，三级滤波电路包括依次串联的4阶有源巴特沃斯高通滤波器、双“T”型陷波滤波器和4阶有源巴特沃斯低通滤波器，三级滤波电路的下限频率0.1Hz，上限频率200Hz，陷波频率50Hz，通带范围内增益保持0dB。

优选的，带通滤波电路的下限频率0.1Hz，上限频率20Hz，陷波频率50Hz。

优选的，传输单元采用有线传输或无线传输模块。

一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测方法，包括以下步骤：

S1，将心电信号采集单元和心冲击信号采集单元佩戴在腕部检测位置；

S2，通电后利用心电信号采集装置与心冲击信号采集装置采集心电信号与心冲击信号传输至信号处理单元，利用信号处理单元将心电信号放大并得到共模干扰信号，与参考电极信号对比得到肢体导联心电信号，同时通过右腿驱动单元将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体形成反馈；将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理，处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出，随后信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的特征信息，并将其作为评判标准对人体心脏健康状况进行评估。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，利用信号处理单元将心电信号放大并得到共模干扰信号，经过对比得到肢体导联心电信号，将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理，并将处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出。随后信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的关键特征信息，并将其作为评判标准对人体心脏健康状况进行评估，采用心电信号采集单元和心冲击信号采集单元佩戴上肢前臂采集信号的方式，能够实现心电信号与心冲击信号的便携式采集，能够实现对于人体心脏健康状况的长期监测，使用过程不受时间与地点的限制，操作方便，本发明结构简单，采集信号准确。

进一步的，通过上肢前臂放置心电传感器的布置可以实现心电肢体导联的便携式采集，能够实现多导联心电的便携式采集。

进一步的，采用内置MEMS加速度计的腕部穿戴设备，不需要借助较大体积的设备进行心冲击信号采集，测量准备简单便捷。

进一步的，优化了信号处理电路设计，大大减小了采集系统的体积与重量，有利于保证长期监测的舒适性与便携性；采用无线蓝牙通讯传输数据，避免传统的有线采集，拓宽了心电采集与心冲击信号的应用场景。

附图说明

图1为本发明实施例中心电传感器及心冲击传感器安装结构示意图。

图2为本发明实施例中右腿驱动单元结构示意图。

图3为本发明实施例中信号处理单元中心电信号的单个通道信号处理结构示意图。

图4为本发明实施例中信号处理单元中心冲击信号处理结构示意图。

图5为本发明实施例中A/D转换单元和传输单元连接结构示意图。

图6为本发明实施例中信号联合分析单元结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，包括心电信号采集单元、心冲击信号采集单元、信号处理单元、右腿驱动单元、A/D转换单元、传输单元和信号联合分析单元；

心电信号采集单元与心冲击信号采集单元用于分别采集心电信号与心冲击信号后将采集的心电信号与心冲击信号传输至信号处理单元；

信号处理单元用于将心电信号放大处理同时得到共模干扰信号，将共模干扰信号与参考电极信号对比得到肢体导联心电信号；

右腿驱动单元连接于信号处理单元，用于将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体；

将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理；处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出；

信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的特征信息并输出，用于对人体心脏健康状况进行表征。

心电信号采集单元和心冲击信号采集单元均采用腕带固定，形成心电信号采集装置与心冲击信号采集装置，心电信号通过上肢前臂放置的心电信号采集单元获取，心电信号采集单元制作成心电传感器结构，心冲击信号由内置在腕部穿戴设备中的MEMS加速度计测量，从而获取肢体心冲击信号。

如图1所示，上臂前肢放置的心电信号采集单元包括三个部分，通过在左肢腕部、左肢小臂以及右肢腕部放置传感器形成肢体导联心电采集，心冲击信号采集单元置于左肢腕部。

信号处理单元包括心电信号处理模块与心冲击信号处理模块；心电信号处理模块包括放大电路、差分电路和三级滤波电路，放大电路的输入端连接心电信号采集单元，差分电路将放大后的心电信号与参考电极的心电信号进行单位增益的差分，同时引出心电采集单元的共模干扰，三级滤波电路用于对差分后的信号进行滤波得到肢体导联心电信号。

心冲击信号处理模块包括前置放大电路、多级放大电路、隔直电路、带通滤波电路与陷波电路，前置放大电路的输入端连接心冲击信号采集单元，隔直电路将经前置放大的信号中的直流噪声去除，陷波电路抑制工频干扰，带通滤波电路滤除测量中引发的干扰信号，多级放大实现心冲击信号幅值放大；

如图2所示，右腿驱动单元将信号处理单元中所有通道上差分电路引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体；

A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，A/D转换单元连接两路并联的心电信号采集单元、心冲击信号采集单元和信号处理单元。

A/D转换单元与每组心电信号采集单元、心冲击信号采集单元和信号处理单元组成的通道之间设置有一个采样保持器。

信号联合分析单元用于将传输单元输出的心电信号与心冲击信号进行同步处理，计算心电信号与心冲击信号的RJ间期，根据RJ间期与心脏射血前期这一心力衰竭的显著信号的相关性，以获取的RJ间期为依据，判断人体的心脏健康状况。

如图3所示，信号处理单元中的心电信号处理模块包括差分电路和三级滤波电路，差分电路的输入端连接心电信号采集单元，用于将心电信号采集单元采集的心电信号与参考电极的心电信号进行单位增益的差分，同时引出心电信号采集单元的共模干扰；三级滤波电路包括依次串联的4阶有源巴特沃斯高通滤波器、双“T”型陷波滤波器和4阶有源巴特沃斯低通滤波器，三级滤波电路的下限频率0.1Hz，上限频率200Hz，陷波频率50Hz，通带范围内增益保持0dB，上述运算放大器和差分放大器均采用双极±3V供电；本申请采用三通道信号采集，即连接两个心电信号采集单元和一个心冲击信号采集单元，信号处理单元实现3个通道的信号处理。

如图4所示，信号处理单元中的心冲击信号处理模块包括前置放大电路、多级放大电路、隔直电路、带通滤波电路与陷波电路，前置放大电路的输入端连接心冲击信号采集单元，隔直电路将经前置放大的信号中的直流噪声去除，陷波电路抑制工频干扰，带通滤波电路滤除测量中引发的干扰信号，多级放大实现心冲击信号幅值放大，带通滤波电路的下限频率0.1Hz，上限频率20Hz，陷波频率50Hz。

如图5所示，所述A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，具体采用3通道同步数据采集电路，实现信号单元中3通道输出信号的同步采集；采用分时转化系统，3路模拟信号输入通道各有一个采样保持器(S/H)，所有通道共用一个A/D转换器。A/D转换单元连接单片机，单片机用于多路选择器的模拟开关分时地将各路采样保持器接入A/D转换器的控制，实现3路信号的同步采样。所述A/D转换器位数为12bit，采样率不低于5kHz，采样精度为0.1mV。

传输单元采用有线传输或无线传输模块，利用有线传输直接将信号通过线缆传输至信号接收系统，信号接收系统为计算机或者后台控制系统。无线传输模块采用蓝牙无线传输模块，通过单片机进行控制，具体采用蓝牙4.0低功耗模块，串口通讯波特率为9600bit/s，最高传输速率为1Mbps，有效传输距离20米。

采集心电信号时，测量者只需在腕部相应位置佩戴心电传感器，微调其位置，即可测量肢体导联心电信号；通过布置3个传感器可以实现2通道的心电信号同步采集，进一步基于导联之间的运算关系可以得到肢体导联的心电信号；每个通道中信号经过两级放大电路放大1000倍输入信号处理单元，与参考电极进行对照，依次经过差分电路、三级滤波电路；将2通道的输出信号通过A/D转换电路和蓝牙通讯模块，最后得到输出的肢体导联心电信号。

采集心冲击信号时，测量者需佩戴内置有MEMS加速度计测量的腕部穿戴设备，微调其位置，即可测量肢体心冲击信号；采集的心冲击信号经过前置放大后，依次经过隔直电路、一级放大电路、陷波电路、二级放大电路、低通滤波电路、陷波电路、隔直电路带；将输出信号通过A/D转换电路和蓝牙通讯模块，最后得到输出的肢体心冲击信号。

如图6所示，信号联合分析单元将传输单元输出的心电信号与心冲击信号进行同步处理，获取心电信号与心冲击信号的RJ间期，为了提高RJ间期的准确性，采取加权平均技术，由于J波可能会分裂成两个较小的峰值，从而导致峰值检测错误，采用基于低阶多项式拟合的方法来检测一致的J波峰值，将R-J间期估计为新检测到的J峰与心电信号R峰之间的时间段；根据RJ间期与心脏射血前期这一心力衰竭的显著信号的相关性，以获取的RJ间期为依据，判断人体的心脏健康状况。

本发明一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统的心力监测方法，包括以下步骤：

S1，将心电信号采集单元和心冲击信号采集单元佩戴在腕部检测位置；

S2，通电后利用心电信号采集装置与心冲击信号采集装置采集心电信号与心冲击信号传输至信号处理单元，利用信号处理单元将心电信号放大并得到共模干扰信号，与参考电极信号对比得到肢体导联心电信号，同时通过右腿驱动单元将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体形成反馈；将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理，处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出，随后信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的特征信息，并将其作为评判标准对人体心脏健康状况进行评估。

本发明通过耦合心电电极不与皮肤直接接触，通过上肢前臂放置心电传感器与腕部穿戴设备中的MEMS加速度计更加具有便携性，利用信号处理单元将心电信号放大并得到共模干扰信号，经过对比得到肢体导联心电信号，同时通过右腿驱动单元将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体形成反馈，将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理，并将处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出。随后信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的关键特征信息，并将其作为评判标准对人体心脏健康状况进行评估。采用上肢前臂放置心电传感器与腕部穿戴设备中的MEMS加速度计采集信号的方式，能够实现心电信号与心冲击信号的便携式采集，能够实现对于人体心脏健康状况的长期监测，使用过程不受时间与地点的限制，操作方便，本发明结构简单，采集信号准确。

Claims (10)

1.一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，包括心电信号采集单元、心冲击信号采集单元、信号处理单元、右腿驱动单元、A/D转换单元、传输单元和信号联合分析单元；

心电信号采集单元与心冲击信号采集单元用于分别采集心电信号与心冲击信号后将采集的心电信号与心冲击信号传输至信号处理单元；

信号处理单元用于将心电信号放大处理同时得到共模干扰信号，将共模干扰信号与参考电极信号对比得到肢体导联心电信号；

右腿驱动单元连接于信号处理单元，用于将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体；右腿驱动单元用于将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理；

处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出；

信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的特征信息并输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，心电信号采集单元和心冲击信号采集单元均采用腕带固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，信号处理单元包括心电信号处理模块与心冲击信号处理模块；心电信号处理模块包括放大电路、差分电路和三级滤波电路，放大电路的输入端连接心电信号采集单元，差分电路将放大后的心电信号与参考电极的心电信号进行单位增益的差分，同时引出心电采集单元的共模干扰，三级滤波电路用于对差分后的信号进行滤波得到肢体导联心电信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，心冲击信号处理模块包括前置放大电路、多级放大电路、隔直电路、带通滤波电路与陷波电路，前置放大电路的输入端连接心冲击信号采集单元，隔直电路将经前置放大的信号中的直流噪声去除，陷波电路抑制工频干扰，带通滤波电路滤除测量中引发的干扰信号，多级放大实现心冲击信号幅值放大。

5.根据权利要求1所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，A/D转换单元连接两路并联的心电信号采集单元、心冲击信号采集单元和信号处理单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，A/D转换单元与每组心电信号采集单元、心冲击信号采集单元和信号处理单元组成的通道之间设置有一个采样保持器。

7.根据权利要求3所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，三级滤波电路包括依次串联的4阶有源巴特沃斯高通滤波器、陷波滤波器和4阶有源巴特沃斯低通滤波器，三级滤波电路的下限频率0.1Hz，上限频率200Hz，陷波频率50Hz，通带范围内增益保持0dB。

8.根据权利要求1所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，带通滤波电路的下限频率0.1Hz，上限频率20Hz，陷波频率50Hz。

9.根据权利要求1所述的一种基于心冲击、心电信号采集的心力监测系统，其特征在于，传输单元采用有线传输或无线传输模块。

10.一种基于权利要求1所述系统的基于心冲击、心电信号采集的心力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将心电信号采集单元和心冲击信号采集单元佩戴在腕部检测位置；

S2，通电后利用心电信号采集装置与心冲击信号采集装置采集心电信号与心冲击信号传输至信号处理单元，利用信号处理单元将心电信号放大并得到共模干扰信号，与参考电极信号对比得到肢体导联心电信号，同时通过右腿驱动单元将信号处理单元引出的共模干扰信号叠加并经反相放大电路通过电极反馈至人体形成反馈；将采集的心冲击信号放大后进行滤波处理，处理后的心电信号与心冲击信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出，随后信号联合分析单元提取经传输单元输出的心电信号与心冲击信号的特征信息，并将其作为评判标准对人体心脏健康状况进行评估。

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