CN115337021B - 一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法及系统，包括：信号放大模块：用于将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号进行放大处理，得到放大心电信号，并将所述放大心电信号传输至基线漂移去除模块；基线漂移去除模块：用于去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号，并将所述去基线漂移心电信号传输至模数转换器；模数转换器：用于对所述去基线漂移心电信号进行转换、编码形成转换后的数字信号，并将所述数字信号传输至发射模块；发射模块：用于将所述数字信号进行发射传输。本发明通过使用自主设计的基线漂移去除模块，去除心电信号中的基线漂移，从模拟前端降低心电信号的噪声、提高心电信号的准确性。

Description

一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种集成电路设计技术领域，尤其涉及一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法及系统。
背景技术
无线人体局域网的兴起促进了可穿戴健康监护系统的发展，生理电信号采集技术作为可穿戴健康监护系统的第一级，与生理电信号直接相连，其性能决定了所获取生理电信号的质量，是可穿戴健康监护系统中最关键和最核心的部分。心电信号作为一种常见的生理电信号，对心脏相关疾病的预防和诊断有重要意义，因此心电信号的准确与否严重影响诊断准确率。
心电采集技术得到的心电信号是一种具有强烈的非线性、非平稳性和随机性的微弱信号，通常频率在0.05～100Hz，其中90％以上的心电信号能量集中在0.25Hz～35Hz之间，幅度在10uV～5mV之间，在对其采集的过程中，极易受来自体内和体外环境的影响，如人体四肢的运动、呼吸、周边环境中的电磁干扰等等，采集到的心电信号无法避免的会带有基线漂移噪声、工频干扰噪声和运动伪影噪声等。其中，由于较大的基线漂移噪声易使输入端心电信号幅值较大导致放大器输出饱和，进而导致信号失真，失真的心电信号很难通过后期的数字处理还原，因此，需要设计有效的方法从模拟前端去除心电信号中的基线漂移，提高系统前端的动态响应范围。
为此，我们提供了一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法及系统以此解决上述技术问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法及系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，包括：
信号放大模块：用于将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号进行放大处理，得到放大心电信号，并将所述放大心电信号传输至基线漂移去除模块；
基线漂移去除模块：用于去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号，并将所述去基线漂移心电信号传输至模数转换器；
模数转换器：用于对所述去基线漂移心电信号进行转换、编码形成转换后的数字信号，并将所述数字信号传输至发射模块；
发射模块：用于将所述数字信号进行发射传输。
进一步地，所述信号放大模块具体包括：
斩波放大器：用于将穿戴式心电采集设备的干性主动电极采集到的输入信号中的心电信号进行斩波调制、放大和斩波解调，输出初始放大心电信号，并将所述初始放大心电信号传输至可编程增益放大器；
可编程增益放大器：用于将所述初始放大心电信号通过调节可变的增益进行放大处理，得到放大心电信号。
进一步地，所述斩波放大器的增益为40dB，带宽为10K赫兹。
进一步地，所述可编程增益放大器的可变增益为0dB、14dB、20dB，带宽为200赫兹。
进一步地，所述基线漂移去除模块具体包括：
QRS波群感应单元：用于将所述放大心电信号的每个QRS波群位置标记脉冲，得到完整的QRS波群位置脉冲信号，并将所述QRS波群位置脉冲信号传输至窗口延展单元；
窗口延展单元：用于对所述QRS波群位置脉冲信号的脉宽进行延展得到QRS波群采样控制信号，将所述QRS波群采样控制信号传输至采样器，所述窗口延展单元的时钟由QRS时钟控制单元控制；
采样器：用于提取出去基线漂移心电信号，所述采样器的时钟由QRS时钟控制单元控制；
QRS时钟控制单元：用于控制窗口延展单元的时钟和采样器的时钟。
进一步地，所述QRS波群感应单元具体包括：
放大器：用于将所述放大心电信号转换为二次放大心电信号，并将所述二次放大心电信号传输至延时单元；
延时单元：用于对所述二次放大心电信号进行延时，得到二次放大延时心电信号，并将所述二次放大延时心电信号传输至减法器；
减法器：用于对所述二次放大心电信号和所述二次放大延时心电信号进行相减，得到相减心电信号，并将所述相减心电信号传输至平方单元；
平方单元：用于将所述相减心电信号进行平方，获取平方心电信号，并将所述平方心电信号传输至积分器；
积分器：用于将所述平方心电信号进行积分处理，得到完整的QRS波群位置脉冲信号。
进一步地，所述窗口延展单元具体包括：
比较器一：用于对所述QRS波群位置脉冲信号与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器一的时钟CLKN，输出比较信号一，并将所述比较信号一传输至比较器二和反相器一；
比较器二：用于对所述比较信号一与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器二的时钟CLKL，输出比较信号二，并将所述比较信号二传输至或非门电路；
反相器一：用于将所述比较信号一进行相位反转，得到反转比较信号一，并将所述反转比较信号一传输至比较器三；
比较器三：用于对所述反转比较信号一与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器三的时钟CLKH，输出反转比较信号三，并将所述反转比较信号三传输至反相器二；
反相器二：用于将所述反转比较信号三进行相位反转，得到比较信号三，并将所述比较信号三传输至或非门电路；
或非门电路：用于将所述比较信号二和所述比较信号三实现逻辑是非功能，并将输出信号传输至反相器三
反相器三：用于将所述输出信号进行相位反转，得到QRS波群采样控制信号。
进一步地，所述比较器一的时钟CLKN、比较器二的时钟CLKL和比较器三的时钟CLKH之间的时钟频率关系为
Figure 36495DEST_PATH_IMAGE001
。
进一步地，所述模数转换器的精度为10比特，采样频率为64K赫兹。
本发明还提供一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号传输至信号放大模块进行放大处理，得到放大心电信号；
步骤S2：将所述放大心电信号通过基线漂移去除模块去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号；
步骤S3：将所述去基线漂移心电信号通过模数转换器进行转换、编码形成转换后的数字信号；
步骤S4：将所述数字信号通过发射模块进行发射传输。
本发明的有益效果是：本发明首先通过穿戴式心电采集设备的干性主动电极将采集到的心电信号通过信号放大模块对采集到的心电信号进行放大处理；然后，将放大的心电信号传输至基于模拟的基线漂移去除模块，依次通过基线漂移去除模块中的模拟型的QRS波群感应单元，窗口延展单元、采样器和QRS时钟控制单元去除心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号；之后，将去基线漂移心电信号传输至模数转换器进行转换，编码形成转换后的数字信号，并将转换后的数字信号通过发射模块传输。本发明使用自主设计的集成电路芯片实现该系统，该电路通过使用自主设计的基线漂移去除模块，去除心电信号中的基线漂移，从模拟前端降低了心电信号的噪声、提高了心电信号的准确性；同时，由于后期的数字处理还原技术很难处理较大的基线漂移噪声，本发明中的基线漂移去除模块从模拟前端去除信号噪声，不受基线漂移噪声强度的限制，提高了系统前端的动态响应范围，适用于可穿戴心电采集设备的日常使用。
附图说明
图1为本发明一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统的框架图；
图2为本发明一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法流程示意图；
图3为实施例一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统的具体结构示意图；
图4为实施例去基线漂移心电信号与未经过基线漂移去除模块处理的心电信号的比较图。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
参见图1，一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，包括：
信号放大模块：用于将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号进行放大处理，得到放大心电信号，并将所述放大心电信号传输至基线漂移去除模块；
所述信号放大模块具体包括：
斩波放大器：用于将穿戴式心电采集设备的干性主动电极采集到的输入信号中的心电信号进行斩波调制、放大和斩波解调，输出初始放大心电信号，并将所述初始放大心电信号传输至可编程增益放大器；
所述斩波放大器的增益为40dB，带宽为10K赫兹。
可编程增益放大器：用于将所述初始放大心电信号通过调节可变的增益进行放大处理，得到放大心电信号；
所述可编程增益放大器的可变增益为0dB、14dB、20dB，带宽为200赫兹。
基线漂移去除模块：用于去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号，并将所述去基线漂移心电信号传输至模数转换器；
所述基线漂移去除模块具体包括：
QRS波群感应单元：用于将所述放大心电信号的每个QRS波群位置标记脉冲，得到完整的QRS波群位置脉冲信号，并将所述QRS波群位置脉冲信号传输至窗口延展单元；
所述QRS波群感应单元具体包括：
放大器：用于将所述放大心电信号转换为二次放大心电信号，并将所述二次放大心电信号传输至延时单元；
延时单元：用于对所述二次放大心电信号进行延时，得到二次放大延时心电信号，并将所述二次放大延时心电信号传输至减法器；
减法器：用于对所述二次放大心电信号和所述二次放大延时心电信号进行相减，得到相减心电信号，并将所述相减心电信号传输至平方单元；
平方单元：用于将所述相减心电信号进行平方，获取平方心电信号，并将所述平方心电信号传输至积分器；
积分器：用于将所述平方心电信号进行积分处理，得到完整的QRS波群位置脉冲信号。
窗口延展单元：用于对所述QRS波群位置脉冲信号的脉宽进行延展得到QRS波群采样控制信号，将所述QRS波群采样控制信号传输至采样器，所述窗口延展单元的时钟由QRS时钟控制单元控制；
所述窗口延展单元具体包括：
比较器一：用于对所述QRS波群位置脉冲信号与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器一的时钟CLKN，输出比较信号一，并将所述比较信号一传输至比较器二和反相器一；
比较器二：用于对所述比较信号一与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器二的时钟CLKL，输出比较信号二，并将所述比较信号二传输至或非门电路；
反相器一：用于将所述比较信号一进行相位反转，得到反转比较信号一，并将所述反转比较信号一传输至比较器三；
比较器三：用于对所述反转比较信号一与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器三的时钟CLKH，输出反转比较信号三，并将所述反转比较信号三传输至反相器二；
反相器二：用于将所述反转比较信号三进行相位反转，得到比较信号三，并将所述比较信号三传输至或非门电路；
或非门电路：用于将所述比较信号二和所述比较信号三实现逻辑是非功能，并将输出信号传输至反相器三
反相器三：用于将所述输出信号进行相位反转，得到QRS波群采样控制信号；
所述比较器一的时钟CLKN、比较器二的时钟CLKL和比较器三的时钟CLKH之间的时钟频率关系为
Figure 484794DEST_PATH_IMAGE001
。
采样器：用于提取出去基线漂移心电信号，所述采样器的时钟由QRS时钟控制单元控制。
QRS时钟控制单元：用于控制窗口延展单元和采样器的时钟。
模数转换器：用于对所述去基线漂移心电信号进行转换、编码形成转换后的数字信号，并将所述数字信号传输至发射模块；
所述模数转换器的精度为10比特，采样频率为64K赫兹。
发射模块：用于将所述数字信号进行发射传输。
参见图2，一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号传输至信号放大模块进行放大处理，得到放大心电信号；
步骤S2：将所述放大心电信号通过基线漂移去除模块去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号；
步骤S3：将所述去基线漂移心电信号通过模数转换器进行转换、编码形成转换后的数字信号；
步骤S4：将所述数字信号通过发射模块进行发射传输。
实施例：参见图3中的（a），本实施例全部模块和器件的工作电压为1.2V；一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，包括：
信号放大模块：用于将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号进行放大处理，得到放大心电信号，并将所述放大心电信号传输至基线漂移去除模块；
所述信号放大模块具体包括：
斩波放大器：用于将穿戴式心电采集设备的干性主动电极采集到的输入信号中的心电信号进行斩波调制、放大和斩波解调，输出初始放大心电信号，并将所述初始放大心电信号传输至可编程增益放大器；
所述斩波放大器的增益为40dB，带宽为10K赫兹。
可编程增益放大器：用于将所述初始放大心电信号通过调节可变的增益进行放大处理，得到放大心电信号；
所述可编程增益放大器的可变增益为0dB、14dB、20dB，带宽为200赫兹。
基线漂移去除模块：用于去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号，并将所述去基线漂移心电信号传输至模数转换器；
参见图3中的（b），所述基线漂移去除模块具体包括：
QRS波群感应单元：用于将所述放大心电信号的每个QRS波群位置标记脉冲，得到完整的QRS波群位置脉冲信号，并将所述QRS波群位置脉冲信号传输至窗口延展单元；
所述QRS波群感应单元具体包括：
放大器：用于将所述放大心电信号转换为二次放大心电信号，并将所述二次放大心电信号传输至延时单元；
延时单元：用于对所述二次放大心电信号进行延时，得到二次放大延时心电信号，并将所述二次放大延时心电信号传输至减法器；
减法器：用于对所述二次放大心电信号和所述二次放大延时心电信号进行相减，得到相减心电信号，并将所述相减心电信号传输至平方单元；
平方单元：用于将所述相减心电信号进行平方，获取平方心电信号，并将所述平方心电信号传输至积分器；
积分器：用于将所述平方心电信号进行积分处理，得到完整的QRS波群位置脉冲信号。
窗口延展单元：用于对所述QRS波群位置脉冲信号的脉宽进行延展得到QRS波群采样控制信号，将所述QRS波群采样控制信号传输至采样器，所述窗口延展单元的时钟由QRS时钟控制单元控制；
参见图3中的（c），所述窗口延展单元具体包括：
比较器一C1：用于对所述QRS波群位置脉冲信号VIN与基准电压VREF进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器一C1的时钟CLKN，输出比较信号一，并将所述比较信号一传输至比较器二C2和反相器一；
比较器二C2：用于对所述比较信号一与基准电压VREF进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器二C2的时钟CLKL，输出比较信号二，并将所述比较信号二传输至或非门电路；
反相器一：用于将所述比较信号一进行相位反转，得到反转比较信号一，并将所述反转比较信号一传输至比较器三C3；
比较器三C3：用于对所述反转比较信号一与基准电压VREF进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器三C3的时钟CLKH，输出反转比较信号三，并将所述反转比较信号三传输至反相器二；
反相器二：用于将所述反转比较信号三进行相位反转，得到比较信号三，并将所述比较信号三传输至或非门电路；
或非门电路：用于将所述比较信号二和所述比较信号三实现逻辑是非功能，并将输出信号传输至反相器三
反相器三：用于将所述输出信号进行相位反转，得到QRS波群采样控制信号；
所述比较器一C1的时钟CLKN、比较器二C2的时钟CLKL和比较器三C3的时钟CLKH之间的时钟频率关系为
Figure 671056DEST_PATH_IMAGE002
。
采样器：用于提取出去基线漂移心电信号，所述采样器的时钟由QRS时钟控制单元控制。
QRS时钟控制单元：用于控制窗口延展单元和采样器的时钟。
模数转换器：用于对所述基线漂移心电信号进行转换、编码形成转换后的数字信号，并将所述数字信号传输至发射模块；
所述模数转换器的精度为10比特，采样频率为64K赫兹。
发射模块：用于将所述数字信号进行发射传输，发射模块的载波频率为32M赫兹。
本实施例通过以上步骤进而得到去基线漂移心电信号，同时去基线漂移心电信号与邻近采集点同步采集到的未经过基线漂移去除模块处理的心电信号进行了比较，参见图4，去基线漂移心电信号包含了在基线漂移发生时候的QRS波段信息，且该基线漂移是在模数转换前被去除的，保证了心电信号在模数转换过程中的信号动态范围，同时该实施办法所需的模块功耗低，无需复杂的数字信号处理模块，非常适合于可穿戴心电采集设备。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，包括：
信号放大模块：用于将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号进行放大处理，得到放大心电信号，并将所述放大心电信号传输至基线漂移去除模块；
基线漂移去除模块：用于去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号，并将所述去基线漂移心电信号传输至模数转换器；
所述基线漂移去除模块具体包括：
QRS波群感应单元：用于将所述放大心电信号的每个QRS波群位置标记脉冲，得到完整的QRS波群位置脉冲信号，并将所述QRS波群位置脉冲信号传输至窗口延展单元；
所述QRS波群感应单元具体包括：
放大器：用于将所述放大心电信号转换为二次放大心电信号，并将所述二次放大心电信号传输至延时单元；
延时单元：用于对所述二次放大心电信号进行延时，得到二次放大延时心电信号，并将所述二次放大延时心电信号传输至减法器；
减法器：用于对所述二次放大心电信号和所述二次放大延时心电信号进行相减，得到相减心电信号，并将所述相减心电信号传输至平方单元；
平方单元：用于将所述相减心电信号进行平方，获取平方心电信号，并将所述平方心电信号传输至积分器；
积分器：用于将所述平方心电信号进行积分处理，得到完整的QRS波群位置脉冲信号；
窗口延展单元：用于对所述QRS波群位置脉冲信号的脉宽进行延展得到QRS波群采样控制信号，将所述QRS波群采样控制信号传输至采样器，所述窗口延展单元的时钟由QRS时钟控制单元控制；
采样器：用于提取出去基线漂移心电信号，所述采样器的时钟由QRS时钟控制单元控制；
QRS时钟控制单元：用于控制窗口延展单元的时钟和采样器的时钟；
模数转换器：用于对所述去基线漂移心电信号进行转换、编码形成转换后的数字信号，并将所述数字信号传输至发射模块；
发射模块：用于将所述数字信号进行发射传输。
2.如权利要求1所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，所述信号放大模块具体包括：
斩波放大器：用于将穿戴式心电采集设备的干性主动电极采集到的输入信号中的心电信号进行斩波调制、放大和斩波解调，输出初始放大心电信号，并将所述初始放大心电信号传输至可编程增益放大器；
可编程增益放大器：用于将所述初始放大心电信号通过调节可变的增益进行放大处理，得到放大心电信号。
3.如权利要求2所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，所述斩波放大器的增益为40dB，带宽为10K赫兹。
4.如权利要求2所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，所述可编程增益放大器的可变增益为0dB、14dB、20dB，带宽为200赫兹。
5.如权利要求1所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，所述窗口延展单元具体包括：
比较器一：用于对所述QRS波群位置脉冲信号与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器一的时钟CLKN，输出比较信号一，并将所述比较信号一传输至比较器二和反相器一；
比较器二：用于对所述比较信号一与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器二的时钟CLKL，输出比较信号二，并将所述比较信号二传输至或非门电路；
反相器一：用于将所述比较信号一进行相位反转，得到反转比较信号一，并将所述反转比较信号一传输至比较器三；
比较器三：用于对所述反转比较信号一与基准电压进行比较，并由QRS时钟控制单元控制比较器三的时钟CLKH，输出反转比较信号三，并将所述反转比较信号三传输至反相器二；
反相器二：用于将所述反转比较信号三进行相位反转，得到比较信号三，并将所述比较信号三传输至或非门电路；
或非门电路：用于将所述比较信号二和所述比较信号三实现逻辑是非功能，并将输出信号传输至反相器三
反相器三：用于将所述输出信号进行相位反转，得到QRS波群采样控制信号。
6.如权利要求5所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，所述比较器一的时钟CLKN、比较器二的时钟CLKL和比较器三的时钟CLKH之间的时钟频率关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
7.如权利要求1所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，其特征在于，所述模数转换器的精度为10比特，采样频率为64K赫兹。
8.一种应用于心电采集的去除基线漂移的方法，其特征在于，用于权利要求1-7任一项所述的一种应用于心电采集的去除基线漂移的系统，包括以下步骤：
步骤S1：将穿戴式心电采集设备采集到的输入信号中的心电信号传输至信号放大模块进行放大处理，得到放大心电信号；
步骤S2：将所述放大心电信号通过基线漂移去除模块去除所述放大心电信号的基线漂移，得到去基线漂移心电信号；
步骤S3：将所述去基线漂移心电信号通过模数转换器进行转换、编码形成转换后的数字信号；
步骤S4：将所述数字信号通过发射模块进行发射传输。
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