CN117180622A - 一种高精度体外除颤仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度体外除颤仪,包括除颤电极和除颤仪主机,除颤仪主机包括信号处理模块和放电模块,除颤电极用于贴合在患者胸壁处采集原始心电信号,并将原始心电信号发送给信号处理模块;信号处理模块用于对原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号;获取单一心电信号的特征值和特征值滤波泄露量;将特征值输入预设的心电节律辨识模型进行除颤节律辨识,获得辨识结果;当辨识结果为除颤节律时,向放电模块发送放电触发信号;放电模块用于在接收到放电触发信号后向除颤电极输出脉冲电流作用于患者心脏。使用本申请的体外除颤仪可以实现在不间断胸外按压的情况下,进行除颤节律的可靠分析,最终有效提高CPR的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及除颤仪技术领域,具体涉及一种高精度体外除颤仪。
背景技术
心搏骤停(CA)患者存活率较低,作为抢救CA的主要手段——心肺复苏(CPR)就成为了临危患者的主角。非创伤性CA患者大部分是由心室纤颤(室颤)引起的,及时电除颤是CPR患者复苏成功的关键。
体外除颤仪或称自动体外电击器、自动电击器、自动除颤器、心脏除颤器及傻瓜电击器等,是一种便携式的医疗设备,它可以诊断特定的心律失常,并且给予电击除颤,是可被非专业人员使用的用于抢救心源性猝死患者的医疗设备。目前,自动除颤器已经在相关公共场合有设置,急救有望实现"黄金3分钟"。
高质量的胸外按压和及时的早期电除颤,是心肺复苏的关键环节。但是,胸外按压过程中所引起的CPR伪迹会给除颤节律辨识算法带来严重干扰,从而显著降低辨识结果的可靠性。按照目前的方式,在实施电除颤前,为了准确进行除颤节律辨识,要中断胸外按压15s以上。然而,胸外按压的长时间中断,将严重阻碍患者建立自主循环,从而导致CPR的失败。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供一种高精度体外除颤仪,其能够在受干扰的原始心电信号中滤除CPR伪迹,提取出真正的心电节律信号,可以在不间断胸外按压的同时实施可靠的除颤节律辨识,从而有效提高CPR的成功率。
为了达到上述目的,本发明提供了一种高精度体外除颤仪,包括除颤电极和除颤仪主机,所述除颤仪主机包括信号处理模块和放电模块,所述除颤电极用于贴合在患者胸壁处采集原始心电信号,并将所述原始心电信号发送给所述信号处理模块;
所述信号处理模块用于对所述原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号;
获取所述单一心电信号的特征值;
将所述特征值输入预设的心电节律辨识模型进行除颤节律辨识,获得辨识结果;当所述辨识结果为除颤节律时,向所述放电模块发送放电触发信号;
所述放电模块用于在接收到所述放电触发信号后向所述除颤电极输出脉冲电流作用于患者心脏。
进一步,所述除颤仪主机对所述原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号,包括:
对所述原始心电信号进行预处理,获得初始过滤信号;
采用噪声辅助多通道经验模态分解将所述初始过滤信号分解为有限个本征模函数,获取心肺复苏胸外按压频率;
根据所述心肺复苏胸外按压频率,构建与心肺复苏胸外按压频率同相和正交的两路参考信号;
结合两路所述参考信号和所述初始过滤信号组成矩阵作为观测信号,对所述观测信号采用基于负熵的快速固定点算法进行处理,分离出三个相互独立的分离信号;
分别去掉与两路所述参考信号相关系数最大的分离信号,将剩余的一个分离信号作为单一心电信号。
进一步,所述对所述原始心电信号进行预处理,包括:
采用截止频率为1Hz的高通滤波器,除去所述原始心电信号中残余的极限漂移;
采用二阶30Hz巴特沃斯低通滤波器,过滤所述原始心电信号中由肌肉电信号引起的高频噪声;
采用50Hz陷波滤波器,消除所述原始心电信号中的工频噪声的干扰。
进一步,所述心电节律辨识模型通过BP神经网络训练得到。
进一步,所述BP神经网络的输入层单元数为2,输出层单元数为1,隐藏层的单元数为2。
进一步,所述除颤仪主机还包括无线通信模块,所述无线通信模块与所述信号处理模块电连接。
进一步,所述无线通信模块为蓝牙模块、4G模块、5G模块或WiFi模块中的至少一种。
进一步,所述放电模块包括内置电源和高压脉冲发生电路,所述高压脉冲发生电路与所述信号处理模块电连接。
进一步,所述内置电源为一次性锂锰电池。
进一步,所述内置电源为锂二氧化硫电池。
本发明的有益效果体现在:
本申请的体外除颤仪的信号处理模块可以有效过滤原始心电信号中CPR伪迹的干扰,得到单一心电信号,通过预设的心电节律辨识模型对单一心电信号进行除颤节律辨别,从而显著提高除颤节律辨识的准确性。信号处理模块采用的获得单一心电信号的方法无需任何外部参考信号,因而可以直接应用在目前的自动体外除颤器设备中且不必进行任何硬件改动。使用本申请的体外除颤仪可以实现在不间断胸外按压的情况下,进行除颤节律的可靠分析,最终有效提高CPR的成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高精度体外除颤仪的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的对原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理获得单一心电信号的流程示意图;
图3为本发明实施例提供的胸外按压最深位置时刻在心电图上对应的位置的示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。通过上述附图,已示出本申请明确的实施例,后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围,而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示,本发明实施例提供的一种高精度体外除颤仪,包括除颤电极1和除颤仪主机2。除颤仪主机2包括信号处理模块、放电模块和无线通信模块,无线通信模块与信号处理模块电连接,除颤仪主机2通过无线通信模块与云端服务器实现远程连接,建立网络通信,进行数据交互。无线通信模块为蓝牙模块、4G模块、5G模块或WiFi模块中的至少一种。
本实施例中,除颤电极1用于贴合在患者胸壁处采集原始心电信号,并将原始心电信号发送给信号处理模块。
除颤电极1采集的原始心电信号为受干扰的心电信号,其可以被看作由单一的心电节律信号和叠加其上的CPR伪迹构成,而这两个成分分别由患者和胸外按压实施者产生,即信号源完全独立。
信号处理模块用于对原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号;获取单一心电信号的特征值和特征值滤波泄露量;将特征值输入预设的心电节律辨识模型进行除颤节律辨识,获得辨识结果;当辨识结果为除颤节律时,向放电模块发送放电触发信号。
具体的,除颤仪主机2对原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号,如图2所所示,具有可以包括:
步骤S101:对原始心电信号进行预处理,获得初始过滤信号。
具体可以包括:
采用截止频率为1Hz的高通滤波器,除去原始心电信号中残余的极限漂移;
采用二阶30Hz巴特沃斯低通滤波器,过滤原始心电信号中由肌肉电信号引起的高频噪声;
采用50Hz陷波滤波器,消除原始心电信号中的工频噪声的干扰。
步骤S102:采用噪声辅助多通道经验模态分解将初始过滤信号分解为有限个本征模函数,获取心肺复苏胸外按压频率。
本实施例中,采用三个互相独立且功率均为1dB的随机高斯白噪声作为噪声辅助多通道经验模态分解的辅助信号。
应用噪声辅助多通道经验模态分解方法,将受干扰的原始心电信号分解为有限个本征模函数,并选择相关的本征模函数重新合成一个信号。将该合成信号的每一个极小值点所在的时刻标记在心电图上,即代表胸外按压最深位置时刻在心电图中对应的位置,得到的结果如图3所示:从上到下依次是(a)受干扰的窦性节律(sinus rhythm,SR)信号、(b)受干扰的室颤(ventricular fibrilla-tion,VF)信号、(c)受干扰的机电分离(pulselesselectrical activity,PEA)信号和(d)受干扰的停搏(asystole,ASYS)信号,图中的“*”标记胸外按压最深位置时刻在心电图上对应的位置,该标记由上述噪声辅助多通道经验模态分解方法得到。可以看出,这此标记能很好地反映CPR伪迹的基础频率特征。
将由“*”标记的点依次记为ni;,即可得到胸外按压的相位函数Φ(n):
步骤S103:根据心肺复苏胸外按压频率,构建与心肺复苏胸外按压频率同相和正交的两路参考信号。
得到胸外按压的相位函数后,构造与心肺复苏胸外按压频率同相和正交的两路参考信号,分别记为r-cos(n)和r-sin(n):
r_cos(n)=cos(Φ(n)) (2)
r_sin(n)=sin(Φ(n)) (3)
步骤S104:结合两路参考信号和初始过滤信号组成矩阵作为观测信号,对观测信号采用基于负熵的快速固定点算法进行处理,分离出三个相互独立的分离信号。
结合受初始过滤信号和前述构造的两路参考信号,组成矩阵作为观测信号:
s(n)=[SECG_MIXED(n),r_cos(n),r_sin(n)] (4)
将此观测信号进行去均值和白化处理;处理后的观测信号根据基于负熵的快速固定点算法进行计算,迭代更新分离向量,直至算法收敛。
步骤S105:分别去掉与两路参考信号相关系数最大的分离信号,将剩余的一个分离信号作为单一心电信号。
观测信号分离后获得的结果仍然是一个三维矩阵x(n),且各个成分出现的顺序并不确定,因此需要进行分析选择:分别计算结果里每个分量与两路参考信号的相关系数的绝对值:
与某一路参考信号相关系数的绝对值最高的分量即为该参考信号在结果中的估计,这种分量不是所需要的信号。依次去掉这种分量后剩下的结果,即被认为是还原出的单一心电信号。
本实施例中,获取单一心电信号的特征值包括:
首先将单一心电信号S通过如下带通滤波器:
再求得上述滤波器输出信号的绝对值AbsFS,并计算出每秒钟该绝对值的最大值max(AbsFS)平均值mean(AbsFS)和平均绝对偏差MD。
最后,按照以下方法,分别计算出长度为10s样本中Countl、Count2、Count3三个值的大小:Count1范围:0.5Xmax(AbsFS)至max(AbsFS);Count2范围:mean(AbsFS)至max(AbsFS);Count3范围:mean(AbsFS)-MD至mean(AbsFS)+MD;以Count2作为特征值。
本实施例中,获取单一心电信号的特征值滤波泄露量包括:将单一心电信号S通过一个窄带宽带阻滤波器,这个滤波器的中心频率为单一心电信号的均值频率,通过滤波器后的残余信号即为Leakage:
其中,T为单一心电信号的均值频率:
这两个值组成的特征向量metric=[Count2,Leakage],作为心电节律辨识模型的输入向量。
本实施例中,心电节律辨识模型通过BP神经网络训练得到。BP神经网络的输入层单元数为2;输出层单元数为1,输出为1表示结果为除颤节律,输出为0表示结果为非除颤节律;隐藏层的单元数为2。
放电模块用于在接收到放电触发信号后向除颤电极1输出脉冲电流作用于患者心脏。放电模块包括内置电源和高压脉冲发生电路,高压脉冲发生电路与信号处理模块电连接。高压脉冲发生电路采用现有技术即可,内置电源可以采用一次性锂锰电池或者锂二氧化硫电池,用于提供放电电能。
综上所述,本申请的体外除颤仪的信号处理模块可以有效过滤原始心电信号中CPR伪迹的干扰,得到单一心电信号,通过预设的心电节律辨识模型对单一心电信号进行除颤节律辨别,从而显著提高除颤节律辨识的准确性。信号处理模块采用的获得单一心电信号的方法无需任何外部参考信号,因而可以直接应用在目前的自动体外除颤器设备中且不必进行任何硬件改动。使用本申请的体外除颤仪可以实现在不间断胸外按压的情况下,进行除颤节律的可靠分析,最终有效提高CPR的成功率。
最后应说明的是:本申请技术方案的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本申请记载的范围。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种高精度体外除颤仪,包括除颤电极(1)和除颤仪主机(2),所述除颤仪主机(2)包括信号处理模块和放电模块,其特征在于:所述除颤电极(1)用于贴合在患者胸壁处采集原始心电信号,并将所述原始心电信号发送给所述信号处理模块;
所述信号处理模块用于对所述原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号;
获取所述单一心电信号的特征值;
将所述特征值输入预设的心电节律辨识模型进行除颤节律辨识,获得辨识结果;当所述辨识结果为除颤节律时,向所述放电模块发送放电触发信号;
所述放电模块用于在接收到所述放电触发信号后向所述除颤电极(1)输出脉冲电流作用于患者心脏。
2.如权利要求1所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述除颤仪主机(2)对所述原始心电信号进行心肺复苏伪迹滤波处理,获得单一心电信号,包括:
对所述原始心电信号进行预处理,获得初始过滤信号;
采用噪声辅助多通道经验模态分解将所述初始过滤信号分解为有限个本征模函数,获取心肺复苏胸外按压频率;
根据所述心肺复苏胸外按压频率,构建与心肺复苏胸外按压频率同相和正交的两路参考信号;
结合两路所述参考信号和所述初始过滤信号组成矩阵作为观测信号,对所述观测信号采用基于负熵的快速固定点算法进行处理,分离出三个相互独立的分离信号;
分别去掉与两路所述参考信号相关系数最大的分离信号,将剩余的一个分离信号作为单一心电信号。
3.如权利要求2所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述对所述原始心电信号进行预处理,包括:
采用截止频率为1Hz的高通滤波器,除去所述原始心电信号中残余的极限漂移;
采用二阶30Hz巴特沃斯低通滤波器,过滤所述原始心电信号中由肌肉电信号引起的高频噪声;
采用50Hz陷波滤波器,消除所述原始心电信号中的工频噪声的干扰。
4.如权利要求1所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述心电节律辨识模型通过BP神经网络训练得到。
5.如权利要求4所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述BP神经网络的输入层单元数为2,输出层单元数为1,隐藏层的单元数为2。
6.如权利要求1所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述除颤仪主机(2)还包括无线通信模块,所述无线通信模块与所述信号处理模块电连接。
7.如权利要求6所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述无线通信模块为蓝牙模块、4G模块、5G模块或WiFi模块中的至少一种。
8.如权利要求1所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述放电模块包括内置电源和高压脉冲发生电路,所述高压脉冲发生电路与所述信号处理模块电连接。
9.如权利要求8所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述内置电源为一次性锂锰电池。
10.如权利要求8所述的一种高精度体外除颤仪,其特征在于:所述内置电源为锂二氧化硫电池。
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