CN115192005A - 一种便携式心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种便携式心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法，通过心电与心震信号采集单元实现对人体心脏电信号与机械振动信号的长期同步采集，在经过信号的前端处理后，通过信号传输模块传输至数据处理模块，经处理后的心电信号与心震信号能够为人体心脏的电‑机械偶联关系的分析提供依据，更有利于进行对心脏健康状况的评估。心电信号采集单元采用具有超高输入阻抗的电容耦合电极，心震信号采集单元采用MEMS加速度传感器，使用时无需直接接触人体，并且采集信号具有准确性；采用心电图和心震图联合采集智能服装，增强舒适性，能够实现对心电信号与心震信号的长期便携式采集；信号传输采用无线蓝牙传输单元，拓宽了心脏健康监护的应用场景。

Description

一种便携式心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法
技术领域
本发明属于便携式心脏健康监护领域，具体涉及一种心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法。
背景技术
心血管病是威胁我国人民健康的“头号杀手”。随着我国人口老龄化程度不断加剧，我国的心血管疾病流行愈发明显。与此同时，随着社会经济的不断发展，城镇化进程的加速使国民的生活节奏与饮食习惯发生了变化，随之而来的是国民的不健康生活方式愈发突出，一些心血管疾病的危险因素加速了我国心血管病的发病率的增长趋势。我国现有的患心血管疾病的人数高达3.3亿，约占全国人口的23％，与此同时，心血管疾病的死亡率始终高居首位，且上升趋势较为明显。
目前临床上最常使用的心血管疾病的诊断方式包括超声心动图以及心电图等，由于这些检测设备大多体积较大，且使用较为复杂，要完成对心脏健康状况的评估需要患者前往医院进行相应的检查。然而我国目前面临着优质医疗资源总数不足、城乡差异明显、有效利用率较小的问题，加之新冠肺炎疫情的不断反复，使患者出入医院的流程更加复杂，大量心血管疾病患者前往医院进行定期检查必将会给医院及个人带来更多负担。
为适应未来远程医疗、智慧医疗、分布式医疗等新型医疗模式，便携式的智能心脏健康监护设备得到了人们的关注。然而目前的便携式心脏健康监护设备往往仅对心电进行采集，而心脏活动具有电-机械耦合特性，心脏的机械振动信号对于心脏健康状况评估同样具有重要意义，仅仅依靠采集的心电信号所能够获取的心脏生理参数有限，同时也存在易误诊的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种便携式心电图和心震图联合采集系统及数据处理方法，旨在解决现有技术中不能通过便携式设备同时采集心脏电信号与机械振动信号以完成心脏健康监护的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种便携式心电图和心震图联合采集系统，包括信号采集模块、信号传输模块以及数据处理模块，其中信号采集模块包括心电信号采集单元、心震信号采集单元，分别与心电信号采集单元和心震信号采集单元连接的心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元；信号传输模块包括与心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元连接的微控制单元(MCU)以及与微控制单元连接的与蓝牙传输单元；数据处理模块包括与蓝牙传输单元连接的PC端，心电信号与心震信号分别由心电信号采集单元与心震信号采集单元提取，并分别由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元进行前端处理，随后由微控制单元进行A/D转换，通过蓝牙传输单元同步传输至PC端，PC端将实现对信号数据的进一步处理。
进一步的，所述心电信号采集单元采用电容耦合电极，利用电容耦合原理实现心电信号的非接触式采集，心电信号采集单元包括电容耦合电极层与具有超高输入阻抗的非接触缓冲电路，其中非接触缓冲电路为基于仪表运放设计的交流自举电路，非接触缓冲电路的阻抗在心电信号的有效信息集中频率范围内达到25GΩ及以上，电容耦合电极层包括两个平行设置的心电采集PCB板以及设置于两个心电采集PCB板之间的耦合电极，耦合电极外圈为与其间隔设置的同心屏蔽环，其中一个心电采集PCB板的一侧设有非接触缓冲电路及心电信号前端处理单元，同时设有作为耦合电极信号地的敷铜层，心电信号采集的方式为胸导联，采用八通道信号采集，使用八个电容耦合电极与一个参考电极，同时采集多路并联的心电模拟信号。
进一步的，所述心电信号前端处理单元包含信号差分放大电路、三级滤波电路与右腿驱动电路，差分放大电路的输入端连接心电信号采集单元，采用仪表运放将采集的心电信号与参考电极的心电信号进行差分放大处理，三级滤波电路将差分放大后的信号依次进行高通滤波、工频陷波与低通滤波得到胸导联心电信号，差分放大电路还引出胸导联心电信号与参考电极的心电信号的共模干扰信号，右腿驱动电路将引出的共模干扰信号进行反相放大电路处理，各个通道上经反相处理后的共模干扰信号最终均通过Ag/AgCl电极反馈至人体，以抑制人体表面共模干扰信号。
进一步的，所述心震信号采集单元采用MEMS加速度传感器，MEMS加速度传感器及其外围电路与心震信号前端处理单元设计在同一块心震采集PCB板上，实现对心震信号的采集与处理。
进一步的，所述心震信号前端处理单元包括相连接的放大电路与两级滤波电路，放大电路的输入端连接心震信号采集单元，两级滤波电路将经过放大电路放大后的心震信号进行高通滤波与低通滤波得到有效的心震信号。
进一步的，所述信号传输模块中微控制单元的A/D转换I/O引脚分别连接信号采集模块中由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元输出的多路并联的模拟信号，将模拟信号转化为数字信号后由蓝牙传输单元将数据传输至PC端。
进一步的，还包括心电图和心震图联合采集智能服装，心电图和心震图联合采集智能服装采用弹力结构，能够紧贴人体表面，心电图和心震图联合采集智能服装外侧设有固定电容耦合电极及MEMS加速度传感器的口袋，电容耦合电极固定位置依照心电图导联要求进行布置，MEMS加速度传感器布置于与心室对应的胸腔表面，电源及信号传输模块封装在统一外壳中，用松紧带固定在心电图和心震图联合采集智能服装外侧。
进一步的，系统供电采用3.3V可充电锂电池，由DC/DC电荷泵逆变器提供相应的负压。
一种基于心电图和心震图联合采集的数据处理方法，包括以下步骤：
S1，通过心电图和心震图联合采集系统获取同步的有效心电信号与心震信号；
S2，通过小波分解与重构对获取的心电信号与心震信号进行去噪处理；
S3，依据心电信号与心震信号波形的生理意义标注S2获得的经去噪处理的心电信号与心震信号的特征点；
S4，根据S3标注的特征点提取心电信号与心震信号的时频域特征，利用心电信号与心震信号的特征进行心脏状态的联合分析，提取的时频域特征包括但不限于信号的幅值、心动周期、各特征点之间的时间间隔、功率谱等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明一种便携式心电图和心震图联合采集系统，通过心电信号采集单元与心震信号采集单元实现对人体心脏电信号与机械振动信号的长期同步采集，在经过信号的前端处理后，通过信号传输模块传输至信号处理模块，经处理后的心电信号与心震信号能够为人体心脏的电-机械偶联关系的分析提供依据，更有利于进行对心脏健康状况的评估。
2、便携式心电图和心震图联合采集系统能够拓宽心脏健康监护的应用场景，有利于心血管疾病患者进行心脏健康状况的实时监测，一定程度上缓解医院的运营压力，采用非接触式的心电信号与心震信号的采集方式，能够增强人体在信号采集过程中的舒适性，避免在实时心脏健康状况监测时由于采集装置长时间接触皮肤导致的对皮肤的伤害；
3、心电信号采集单元采用具有超高输入阻抗的电容耦合电极，能在无需直接接触人体的同时保证采集信号的准确性，心电信号前端处理单元设置在电容耦合电极上，实现了对于采集系统结构的简化，有利于实现心电信号的便携式采集；
4、心震信号采集单元采用MEMS加速度传感器，与心震信号前端处理单元设置于同一心震采集PCB板上，使用时无需直接接触人体，并且采集信号具有准确性；心震信号前端处理单元电路设计简洁，心震信号采集准确，能够满足心震信号的便携式采集；
5、信号传输采用无线蓝牙传输单元，避免传统的有线传输，拓宽了心脏健康监护的应用场景；
6、采用心电图和心震图联合采集智能服装，智能服装采用弹力结构，能够在紧贴人体表面的同时减少对人体的束缚，增强舒适性，能够实现对心电信号与心震信号的长期便携式采集；避免直接接触人体，对人体皮肤的损失。
附图说明
图1为本发明实施例中便携式心电图和心震图联合采集系统各模块结构示意图。
图2为本发明实施例中心电信号采集单元与心电信号前端处理单元结构示意图。
图3为本发明实施例中心震信号前端处理单元结构示意图。
图4为本发明实施例中信号采集模块与信号传输模块安装结构示意图。
图中1.心电采集PCB板，2.同心屏蔽环，3.耦合电极，4.敷铜层，5.心电图和心震图联合采集智能服装，6.电源及信号传输模块，7.心震采集PCB板，8.RA电极，9.LA电极，10.LL电极，11.RL电极，12.V1电极，13.V2电极，14.V3电极，15.V4电极，16.V5电极，17.V6电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种便携式心电图和心震图联合采集系统，包括信号采集模块、信号传输模块以及数据处理模块，其中信号采集模块包括心电信号采集单元、心震信号采集单元、心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元，心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元分别与心电信号采集单元和心震信号采集单元连接；信号传输模块包括相连接的微控制单元(MCU)与蓝牙传输单元，微控制单元与心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元连接；数据处理模块包括PC端，PC端与蓝牙传输单元连接。心电信号与心震信号分别由心电信号采集单元与心震信号采集单元提取，并分别由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元进行前端处理，随后由微控制单元进行A/D转换，通过蓝牙传输单元同步传输至PC端，PC端将实现对信号数据的进一步处理。
具体的，如图2所示，心电信号采集单元采用电容耦合电极，利用电容耦合原理实现心电信号的非接触式采集，心电信号采集单元包括电容耦合电极层与具有超高输入阻抗的非接触缓冲电路，其中非接触缓冲电路为基于仪表运放设计的交流自举电路，非接触缓冲电路的阻抗在心电信号的有效信息集中频率范围内达到25GΩ及以上，电容耦合电极层包括两个平行设置的心电采集PCB板1以及设置于两个心电采集PCB板1之间的耦合电极3，耦合电极3外圈设有与其间隔设置的同心屏蔽环2，其中一个心电采集PCB板的一侧设有非接触缓冲电路及心电信号前端处理单元，同时设有作为耦合电极信号地的敷铜层4，心电信号采集的方式为胸导联，使用八个通道电容耦合电极与一个参考电极，同时采集多路并联的心电模拟信号；
进一步的，心电信号前端处理单元包括信号差分放大电路、三级滤波电路与右腿驱动电路，差分放大电路的输入端连接心电信号采集单元，使用三运放仪表放大器，用于将通道采集的心电信号与参考电极(RA电极8)的心电信号进行差分放大处理，放大倍数为1000倍，同时引出共模干扰信号；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，右腿驱动电路将差分放大电路引出的共模干扰信号进行反相放大电路处理后通过Ag/AgCl电极反馈至人体；本申请采用八通道信号采集，使用八个电容耦合电极与一个参考电极，如图4所示，八个通道对应的电容耦合电极分别为LA电极9，LL电极10，V1电极12，V2电极13，V3电极14，V4电极15，V5电极16，V6电极17，各通道上经反相放大电路处理后的共模干扰信号均通过RL电极11反馈至人体。
如图3所示，心震信号前端处理单元包括相连接的放大电路和两级滤波电路，放大电路的输入端连接心震信号采集单元，两级滤波电路包括串联的4阶有源巴特沃斯高通滤波器和2阶有源巴特沃斯低通滤波器，两级滤波电路的下限频率0.5Hz，上限频率40Hz，通带范围内增益保持0dB。
信号传输模块使用多通道同步数据采集电路实现微控制单元的A/D转换功能，微控制单元的A/D转换I/O引脚连接数据采集模块中多路并联的模拟信号，模拟信号转化为数字信号后由蓝牙传输单元将数据传输至PC端，蓝牙传输单元具体采用蓝牙4.0低功耗模块，串口通讯波特率为115200bit/s，最高传输速率为1Mbps，有效传输距离20米。
如图4所示，心电图和心震图联合采集智能服装5采用弹力结构，能够紧贴人体表面，心电图和心震图联合采集智能服装5外侧设有固定电容耦合电极及传感器的口袋，电容耦合电极固定位置依照心电图导联要求进行布置，加速度传感器7布置于与心室对应的胸腔表面，电源及信号传输模块封装在统一外壳6中，用松紧带固定在心电图和心震图联合采集智能服装外侧。
系统供电采用3.3V可充电锂电池，由DC/DC电荷泵逆变器提供-3.3V电压，为运算放大器及MEMS加速度和传感器提供电力。
使用便携式心电图和心震图联合采集系统时，使用者仅需正确穿戴心电图和心震图联合采集智能服装，确保电极及传感器位置正确，完成对心电信号与心震信号的测量，测量后的模拟信号经过A/D转换转变为数字信号，并通过蓝牙传输单元传输至数据处理装置，心电信号与心震信号经过数据处理后可以形成相应的多维信息空间，以便实现对心脏状况的完整评估。
本发明所述的便携式心电图和心震图联合采集系统，通过心电信号采集单元与心震信号采集单元实现对人体心脏电信号与机械振动信号的长期同步采集，在经过信号的前端处理后，通过信号传输模块传输至信号处理模块，经处理后的心电信号与心震信号能够为人体心脏的电-机械偶联关系的分析提供依据，更有利于进行对心脏健康状况的评估。心电信号采集单元采用具有超高输入阻抗的电容耦合电极，心震信号采集单元采用MEMS加速度传感器，使用时无需直接接触人体，并且采集信号具有准确性；采用心电图和心震图联合采集智能服装，智能服装采用弹力结构，能够在紧贴人体表面的同时减少对人体的束缚，增强舒适性，能够实现对心电信号与心震信号的长期便携式采集；信号传输采用无线蓝牙传输模块，避免传统的有线传输，拓宽了心脏健康监护的应用场景。

Claims (10)

1.一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，包括信号采集模块、信号传输模块以及数据处理模块，其中信号采集模块包括心电信号采集单元、心震信号采集单元，分别与心电信号采集单元和心震信号采集单元连接的心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元；信号传输模块包括与心电信号前端处理单元和心震信号前端处理单元连接的微控制单元以及与微控制单元连接的与蓝牙传输单元；数据处理模块包括与蓝牙传输单元连接的PC端；心电信号与心震信号分别由心电信号采集单元与心震信号采集单元提取，并分别由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元进行前端处理，随后由微控制单元进行A/D转换，通过蓝牙传输单元同步传输至PC端，PC端将实现对信号数据的进一步处理。
2.根据权利要求1所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，所述心电信号采集单元采用电容耦合电极，利用电容耦合原理实现心电信号的非接触式采集，心电信号采集单元包括电容耦合电极层与具有超高输入阻抗的非接触缓冲电路，其中非接触缓冲电路为基于仪表运放设计的交流自举电路，非接触缓冲电路的阻抗在心电信号的有效信息集中频率范围内达到25GΩ及以上，电容耦合电极层包括两个平行设置的心电采集PCB板(1)以及设置于两个心电采集PCB板(1)之间的耦合电极(3)，耦合电极(3)外圈为与其间隔设置的同心屏蔽环(2)，其中一个心电采集PCB板的一侧设有非接触缓冲电路及心电信号前端处理单元，同时设有作为耦合电极信号地的敷铜层(4)，心电信号采集的方式为胸导联，采用八通道信号采集，使用八个电容耦合电极与一个参考电极，同时采集多路并联的心电模拟信号。
3.根据权利要求2所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，所述心电信号前端处理单元包含信号差分放大电路、三级滤波电路与右腿驱动电路，差分放大电路的输入端连接心电信号采集单元，采用仪表运放将采集的心电信号与参考电极的心电信号进行差分放大处理，三级滤波电路将差分放大后的信号依次进行高通滤波、工频陷波与低通滤波得到胸导联心电信号，差分放大电路还引出胸导联心电信号与参考电极的心电信号的共模干扰信号，右腿驱动电路将引出的共模干扰信号进行反相放大电路处理，各个通道上经反相处理后的共模干扰信号最终均通过Ag/AgCl电极反馈至人体，以抑制人体表面共模干扰信号。
4.根据权利要求1所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，所述心震信号采集单元采用MEMS加速度传感器，MEMS加速度传感器及其外围电路与心震信号前端处理单元设计在同一块心震采集PCB板上，实现对心震信号的采集与处理。
5.根据权利要求4所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，所述心震信号前端处理单元包括相连接的放大电路与两级滤波电路，放大电路的输入端连接心震信号采集单元，两级滤波电路将经过放大电路放大后的心震信号进行高通滤波与低通滤波得到有效的心震信号。
6.根据权利要求1所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，所述信号传输模块中微控制单元的A/D转换I/O引脚分别连接信号采集模块中由心电信号前端处理单元与心震信号前端处理单元输出的多路并联的模拟信号，将模拟信号转化为数字信号后由蓝牙传输单元将数据传输至PC端。
7.根据权利要求1所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，还包括心电图和心震图联合采集智能服装，心电图和心震图联合采集智能服装采用弹力结构，能够紧贴人体表面，心电图和心震图联合采集智能服装外侧设有固定电容耦合电极及MEMS加速度传感器的口袋，电容耦合电极固定位置依照心电图导联要求进行布置，MEMS加速度传感器布置于与心室对应的胸腔表面，电源及信号传输模块封装在统一外壳中，用松紧带固定在心电图和心震图联合采集智能服装外侧。
8.根据权利要求1所述的一种便携式心电图和心震图联合采集系统，其特征在于，系统供电采用3.3V可充电锂电池，由DC/DC电荷泵逆变器提供相应的负压。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的便携式心电图和心震图联合采集系统的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过心电图和心震图联合采集系统获取同步的有效心电信号与心震信号；
S2，通过小波分解与重构对获取的心电信号与心震信号进行去噪处理；
S3，依据心电信号与心震信号波形的生理意义标注S2获得的经去噪处理的心电信号与心震信号的特征点；
S4，根据S3标注的特征点提取心电信号与心震信号的时频域特征，利用心电信号与心震信号的特征进行心脏状态的联合分析。
10.根据权利要求9所述的数据处理方法，其特征在于，提取的时频域特征包括心电信号与心震信号的幅值、心动周期、各特征点之间的时间间隔、功率谱。
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CN115736938A (zh) * 2022-11-17 2023-03-07 东南大学 一种多模态生理信号采集装置

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