使用自适应阈值的实时qrs检测的制作方法

使用自适应阈值的实时qrs检测的制作方法
【专利摘要】一种用于分析ECG数据的移动系统，其包括耦合到移动消费装置上的模拟前端模块。所述模拟前端模块经配置以收集来自一个或多个导联的ECG数据并且可操作以将模拟ECG数据转换成数字ECG数据。所述移动消费装置例如智能手机(400)经耦合接收所述数字ECG数据(150)，并且经配置以使用滤波器(436)来执行QRS检测(451)，所述滤波器的截止频率被实时地调适成噪声水平。ECG信号被非线性放大(431)并且得到三个窗口化阈值信号(D、E、J)。用于QRS检测的截止频率被动态地选择(439)为阈值信号的函数。仅当采样值等于第一阈值信号并且超过经滤波的阈值信号时才将经放大的信号中的采样识别为心跳点。
【专利说明】使用自适应阈值的实时QRS检测

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及心电图信号的分析，并且具体涉及出于此目的的低成本消费装 置的使用。

【背景技术】
[0002] 心电图（ECG或EKG)是如通过附接到皮肤的外表面上的电极所检测并且通过在身 体外部的装置所记录的在一个时段内心脏电活动的经胸（跨越胸腔或胸部）解释。通过此 无创伤性过程产生的记录被称为心电图（也称为ECG或EKG)。心电图（ECG)是记录心脏的 电活动的测试。
[0003] ECG用于测量心跳的速率和规律性以及心室的大小和位置、对心脏的任何损害的 存在，以及用于调节心脏的药物或装置（例如起搏器）的效果。
[0004] ECG装置检测并且放大当在每次心跳期间心肌去极化时所引起的皮肤上的微小电 变化。在休息时，每个心肌细胞具有跨越其外壁（或细胞膜）的负电荷（膜电位）。将此负 电荷朝零增加（通过正离子Na+以及Ca++的注入）被称为去极化，所述去极化激活细胞中 的导致细胞收缩的机制。在每次心跳期间，健康的心脏将具有去极化波的有序前进（所述 去极化波通过窦房结中的细胞触发）、扩散通过心房、穿过"内在传导路径"，并且随后在整 个心室扩散。这被检测为放置在心脏两侧的两个电极之间的电压上的微小上升以及下降， 所述上升以及下降在显示屏上或者在纸上显示为波状线。此显示指示心脏的整体节律以及 心肌的不同部分的弱点。
[0005] 通常，使用两个以上电极并且它们可以组合成多对，例如：左臂（LA)、右臂（RA)以 及左腿（LL)电极形成三对：LA+RA、LA+LL,以及RA+LL。来自每对的输出被称为导联。每个 导联据称从不同的角度观察心脏。不同类型的EKG可以通过所记录的导联数来命名，例如3 导联、5导联或12导联EKG(有时简单地称为" 12导联")。12导联EKG是其中12个不同的 电信号在大致相同的时刻被记录并且通常将用作EKG的一次性记录的EKG，所述一次性记 录传统地作为纸质复本打印出。3导联以及5导联EKG往往被连续监控并且仅在适当的监 控装置的显示屏上被观察，例如，在手术期间或当在救护车中运输时。根据所使用的设备， 可能存在或可能不存在3导联或5导联EKG的任何永久性记录。
[0006] 大体上存在两种类型的现有心脏监控器：1)具有有限能力的健身便携式监控器， 例如仅具有心率，而没有ECG波形，没有预警，并且QRS检测器性能较差；2)医疗级监控器， 所述监控器实际上并非便携的，但其具有良好的性能并且提供预警。ECG、EMG(肌电图）、 EEG(脑电图）等医疗级设备的成本对消费者仍是过于昂贵的。一些现有解决方案可能具有 良好的性能，但它们不是实时的。一些其它解决方案是便携且实时的，但显示出不良性能， 例如健身心率监控器。医疗级设备具有合理的性能并且大体上实时地操作，但其对于用作 便携式设备而言不够紧凑并且十分昂贵。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 图1是图示了在移动ECG系统内的本发明的一个实施例的框图；
[0008] 图2-3图示了通过图1的移动ECG系统分析的ECG曲线；
[0009] 图4是通过图1的ECG系统实施的实时ECG滤波器的示意性图示；
[0010] 图5是由图4的滤波器所使用的准线性回归的曲线；
[0011] 图6、7A-7D图示了在通过图4的实时ECG滤波器对ECG信号进行的分析期间产生 的波形；
[0012] 图8-9是图示了由图1的ECG系统对报警条件进行的检测的时序图；
[0013] 图10是图不了通过ECG系统进行的ECG分析操作的流程图；
[0014] 图11图不了利用移动手机的移动ECG系统的另一实施例；以及
[0015] 图12A-12B图示了移动ECG系统的其它实施例。

【具体实施方式】
[0016] 由于DC偏置以及各种干扰信号的存在，因此ECG信号的测量是具有挑战性的。对 于典型的电极，此电位可以高达300mV。干扰信号包括来自电源的50/60-Hz干扰、由于患者 移动导致的运动伪影、来自电外科手术设备、除颤脉冲、起搏器脉冲，其它监控设备等的射 频干扰。本发明的实施例以高检测性能实现了对心脏异常的实时处理以及分析，从而使得 能够在退化条件下产生实时预警，所述退化条件可能由身体运动、电极的摩擦或变形、正在 测试的个人的安装导致。本发明的实施例可以使用经适当配备的移动消费装置来实施，例 如智能手机、平板计算机、个人数字助理、个人计算机等。其它实施例可以在例如医疗级固 定或移动平台中实施。下文将更加详细地描述QRS检测算法，所述算法使用通过IIR(无限 脉冲响应）滤波器耦合至自适应的已滤波的阈值上的若千级联的滤波器，利用对数比例缩 放到原始信号的噪声水平进行实时地调适所述IIR滤波器的截止频率。
[0017] QRS检测算法通过采用反馈自适应IIR滤波器来使用经相对滤波的阈值，在所述 IIR滤波器中，截止频率随信噪比而变化。使用滑动窗口根据峰值与平均值的比率计算出信 噪比。因此，所述算法能够实时地调适自身，并且即使在存在使用者的激烈运动、噪声或其 它伪影的情况下，也能够提供非常准确的QRS检测以及PQRST形状保留。因此，可以准确检 测到使用者心脏预警。
[0018] 图1是图示了在移动ECG系统100内的本发明的实施例的框图。模拟前端部分11〇 耦合到一组导联（lead) 120上，所述导联耦合到正被监控的主体（subject) 130上。所监控 的主体130通常是人；然而，本发明的实施例可以用于监控其它类型的主体，例如牲畜、鸟、 或爬行动物等。监控导联120包括附接到主体130上的各个点上的多个导联。通常，三个、 五个、七个或十二个导联被用来ECG监控；然而，本发明的实施例不限于任何特定数目的导 联。
[0019] 模拟前端部分110可以包括用于从所述导联120组中选择各种信号的多路 复用器111、在每个输入上的EMI(电磁干扰）以及低通滤波，以及包括高通滤波的 Δ-Σ (delta-sigma)模数转换器112。可以从输入信号中的一个或多个的选定组合中得 到右腿驱动（RLD)信号113。
[0020] 标准监控需要0· 05Hz到30Hz之间的频率。诊断监控需要〇. 〇5Hz到1000Hz中的 频率。可以利用高输入阻抗测量放大器（INA)来消除50Hz/60Hz共模干扰中的一些，所述 高输入阻抗测量放大器去除这两个输入共同的AC线路噪声。为了进一步抑制线路电源噪 声，通过放大器使信号反相并且通过右腿将该信号驱动回到患者体中。仅需要几微安或更 小的电流来实现显著的CMR改进并且保持在UL544限制内。另外，50/60HZ数字陷波滤波器 用于进一步减少此千扰。
[0021] 模拟部分110可以被实施在单个集成电路例如ADS1294/6/8/4R/6R/8R中，所 述ADS1294/6/8/4R/6R/8R是一族多信道、同时取样、24位的Λ-Σ模数转换器（ADC)，所 述Δ-Σ模数转换器具有内置式可编程增益放大器（PGA)、内部基准、以及机载振荡器。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R并入在医疗心电图（ECG)以及脑电图（EEG)应用中通常需要的所有 特征。在可获自德州仪器公司（Texas Instruments)的2012年1月修正的数据表SBAS459I 中更加详细的描述ADS129X装置，数据表SBAS459I通过引用结合在此。
[0022] 当使用低分辨率（16位）ADC时，信号需要被显著放大（通常ΙΟΟχ到200x)来获 得所需的分辨率。当使用高分辨率（24位）Λ - Σ ADC时，信号需要适中的增益，例如，0到 5x。因此，消除DC偏置所需的第二增益级以及电路可以被去除。这导致面积以及成本的总 体减少。Δ-Σ方法保留信号的整个频率含量（content)并且对于数字后处理给予充足的 灵活性。
[0023] 信号处理部分140经耦合以接收来自模拟部分11〇的数字ECG数据的流150。数 字信号处理器（DSP) 141耦合到可以存储界定各种信号处理算法的指令的非易失性存储器 144上。随机存取存储器（RAM) 143可以由DSP 141用于执行各种信号处理算法的同时进行 数据的存储。显示驱动器142可以是管理显示在显示装置145上的图形用户界面（GUI)的 微控制单元（MCU)，显示装置145可以是例如液晶显示屏（LCD)、或现在己知或以后开发的 任何其它显示装置。DSP 141以及MCU 142可以被实施在单个1C中，例如，可获自德州仪器 公司的0ΜΑΡ(开放多媒体应用平台）装置等。其它实施例可以使用现在已知或以后开发的 处理器或信号处理器的其它实施方式。例如，不同类型的片上系统（ SoC)IC可以含有例如 两个到十六个、或更多个DSP内核。
[0024]可以提供一个或多个有线接口 146,所述有线接口支持用于将处理后的ECG信号 传递到另一系统中以用于进一步评估的USB (通用串行总线）、RS232,或其它类型的有线接 口。可以提供支持ZigBee、蓝牙、或其它类型的无线接口的一个或多个无线接口 H7,该一 个或多个无线接口用于将处理后的ECG信号传递到另一系统中以用于进一步评估。此外， 还可以提供用于经由例如蜂窝电话或数据网络将处理后的ECG信号发送到远程系统的无 线接口 147。
[0025]电源管理逻辑1〇2、时钟、温度感测逻辑以及风扇逻辑控制也可以被包括在ECG系 统1〇〇中，以针对模拟系统110以及DSP系统14〇提供电源以及温度控制。
[0026]现在在移动手机例如智能手机内可获得包括在信号处理部分14〇内的大部分或 所有组件，所述移动手机可以经编程以提供所需的信号处理。先前，ECG、EMG以及EEG设备 ^成本对于消费类型装置而言过于昂贵。当智能手机经编程以执行 ECG处理时，将模拟前 端部分110耦合到智能手机上如下文将更加详细描述地可以提供有成本有效的医疗监控 装置。
[0027]图2是图示了典型的心跳周期的曲线2〇〇。像其它生物医学信号一样，ECG被认为 是非静止过程。其平均值以及其标准偏差随时间推移而改变。然而，ECG含有有用信息，所 述有用信息可以解释为被称作PQRST图案的伪确定性图案。在每次心跳期间，健康的心脏 将具有通过窦房结中的细胞触发的去极化波的有序前进、通过心房进行、穿过"内在传导路 径"，并且随后在整个心室扩散。正常ECG(EKG)由P波、QRS复合波（complex)以及T波组 成。P波表示心房去极化并且QRS表示心室去极化。T波反映心室的快速复极化的相位。 [0028] 当分析PQRST波时存在可能注意到的若干异常。所述异常可以包括以下中的一个 或多个：
[0029]-导联的反向，其中P通常是直立的，或在aVr中存在直立P波。此改变通常发现 在其中脉冲经由异常路径（例如异位心房或A-V结性节律）行进通过心房的条件下；
[0030] -增加的振幅通常指示心房肥大并且尤其在A-ν心脏瓣膜病、高血压、肺心病，以 及先天性心脏病中被发现；
[0031] -增加的宽度通常指示左心房扩大或病变心房肌；
[0032] -双相性在P波的第二半部在导联III以及VI中显著为负时，是左心房扩大的显 著标志；
[0033]-二尖瓣P波（P-mitrale)中的凹口：P通常是较宽且有凹口的，并且在导联J中 比在导联III中更高。当波峰之间的距离超过0· 04秒时，凹口被认为是显著的；
[0034]-峰值指示右心房张力。这些高尖P波通常在导联III中比在导联I中更高。这 被称为肺型P波（P-Pulmonale);
[0035] -P波的缺失发生在A-V结性节律以及S-A块中。
[0036]图3是图示了返回参考图1的在约五十秒的时段内中接收自模拟部分11〇的原 始ECG数据150的序列的曲线3〇〇。在此实施例中，模数（ADC)代码值基于24位转换器。 其它实施例可以基于不同ADC转换器精度使用不同值。噪声、伪影、来自身体中其它肌肉 的EMG(肌电图）干扰、呼吸、来自电源线的6〇Hz干扰等可能使ECG的简单分析变得困难。 为了保留PQRST信息，可能需要提供大致 3Hz到3〇HZ的带宽。在一些实施例中，高达大致 1000Hz的带宽可以增加准确性。
[0037]图4是通过图1的ECG系统实施的实时ECG滤波器400的示意性图示。每个QRS 波的稳健检测对于ECG序列的进一步数字处理是重要的。检测器即使在信噪比（SNR)退化 时也应该工作。在此实施例中，ECG滤波器被分成三个部分；部分1 410带通滤波器，部分 2 420带通滤波器，以及部分三43〇QRS检测器。返回参考图1，原始ECG的流150被接收自 模拟前端部分110。通常，如关于图3所论述，原始ECG的流将包括干扰以及失真。本文中 所描述的实时ECG滤波器的实施例针对包括基于文件的每30分钟48个记录的MIT-BIH数 据库进行测试。这是广泛用于测试QRS检测算法的参考基准。本文中所描述的实施例获得 与使用更加复杂的非实时算法的医疗级设备类似的99. 7%的灵敏度以及99. 9%的正向可 预测性。
[0038] 部分2 42〇意图提供准备用于心脏病专家解释的经带通滤波ECG。在此实施例中， 使用250Hz的采样频率通过模拟前端110来记录原始数据ECG。在另一个实施例中，可以使 用更高或更低的采样频率。使用中值滤波器（P点）似2以非线性方式滤波ECG原始数据，使 得去除所有高频成分并且随后传送通过低通滤波器LP1 423,以便去除剩余的中值滤波器 噪声。使同一 ECG原始数据延迟424P个采样并且从其中减去425LP1滤波器423的输出， 使得抑制ECG的基线漂移（wander)。中值滤波器422、LP1滤波器423、以及从原始经延迟 的信号中的减法425的组合等效于高通滤波。低通滤波器LP2似6是5阶滤波器,所述滤 波器具有33Hz的截止频率并且产生被延迟427的经滤波的ECG信号H,以便与来自部分三 430的结果对齐。输出信号Η准备用于心脏病专家进行解释。经滤波ECG信号Η的示例在 4 5〇处被图示。通过使用Ρ的适当值，整个PQRST波被保留并且未失真。通常，Ρ的值可以 选择为例如P = Fs/2。
[0039] 部分1410意图准备用于跳动检测器43〇的ECG信号。除了中值滤波器412经改 变以具有（N)的点值外，部分1与部分2是等同的。通过选择N的适当值，基线漂移、ρ波 以及T波也能在此部分上得到抑制；使得仅信号的QRS部分被保留作为信号B 444,以用于 进一步处理。通常，Ν的值可以选择为例如N = Fs/10。
[0040] 部分三43〇表示QRS检测器自身。为了放大QRS波的高频含量，对信号B求两次 平方幻1以产生信号C1。如下从信号C1中得到三个阈值信号。信号 C1非线性地按比例缩 放以形成信号C2。信号C2的每个采样k产生为延迟432Q个采样的以1〇为底的对数，如通 过等式（1)所指示。
[0041] C2k= logl〇(Clk) (1)
[0042]第一阈值信号是信号D。如通过等式（2)所指示，利用移动最大化433来产生信号 D的每个采样k，移动最大化幻3使用信号C1上的Μ点滑动窗口，所述采样获得以10为底 的对数并且延迟Q-M个采样。因此，信号D表示信号C1的峰值。
[0043] Dk = loglO (max (C! (k) · · · Q (k+M))) (2)
[0044]第二阈值信号是信号E。如通过等式（3)所指示，使用在信号C1上使用τ点滑动 窗口的移动平均化434来产生信号E的每个采样k,所述采样获得为以10为底的对数并且 延迟Q-T个采样。因此，信号E表示在窗口范围内的信号C1的平均值。

【权利要求】
1. 一种系统，其包括： 模拟前端模块，其经配置收集来自一个或多个导联的ECG数据并且可操作以将模拟 ECG数据转换成数字ECG数据；以及 移动消费装置，其被耦合以接收所述数字ECG数据，其中所述移动消费装置经配置以 使用滤波器执行QRS检测，所述滤波器的截止频率被实时地调适为噪声水平。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述移动消费装置进一步经配置对所述数字ECG 数据进行滤波并且实时地将经滤波的数字ECG数据发送到远程接收器。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述移动消费装置进一步经配置通过所述数字 ECG数据中的异常的分析来检测预警条件。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述移动消费装置是智能手机。
5. -种用于处理ECG数据的方法，所述方法包括： 接收包括PQRST图案的原始ECG数据采样的流； 通过使用非线性滤波器来对所述原始ECG数据进行滤波以形成经滤波的ECG数据，以 便最小化基线漂移，并且从而抑制每个PQRST图案的T波部分； 对所述经滤波的ECG数据执行非线性操作以形成扩大每个PQRST图案的R峰的经放大 的信号； 对所述经放大的信号使用移动最大值滤波器来得到第一阈值信号以及第三阈值信 号； 对所述经放大的信号使用移动均值滤波器来得到第二阈值信号； 使用滤波器对所述第三阈值信号进行滤波以形成经滤波的阈值信号，在所述滤波器 中，截止频率被动态地选择为所述第一阈值信号以及所述第二阈值信号的函数；以及 将所述经放大的信号中的采样仅当所述采样的值等于所述第一阈值信号并且超过所 述经滤波的阈值信号时识别为心跳点。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中对所述原始ECG数据进行滤波包括： 使用中值滤波器以及低通滤波器的级联来对所述原始ECG数据进行滤波； 延迟所述原始ECG数据；以及 从经延迟的原始ECG数据中减去所述低通滤波器的输出信号，以便传送经高通滤波的 数据。
7. 根据权利要求5所述的方法，其进一步包括： 使用非线性滤波器对所述原始ECG数据进行滤波，以便最小化每个PQRST图案的基线 漂移，从而形成可视ECG信号；以及 对所述可视ECG信号进行注释以指示每个心跳点。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中对所述原始ECG数据进行滤波包括： 使用中值滤波器以及低通滤波器的级联来对所述原始ECG数据进行滤波； 延迟所述原始ECG数据；以及 从所述经延迟的原始ECG数据中减去所述低通滤波器的输出信号，以便传送经高通滤 波的数据。
9. 根据权利要求5所述的方法，其中通过至少一次对所述经滤波ECG数据求平方来形 成所述经放大的信号。
10. 根据权利要求5所述的方法，其中对所述第三阈值信号进行滤波包括： 利用一阶无限脉冲响应即IIR滤波器对所述第三阈值信号进行滤波；以及 将用于所述IIR的截止频率动态选择为所述第一阈值信号的对数与所述第二阈值信 号的对数之间的差值的线性函数。
11. 根据权利要求5所述的方法，其中对所述第三阈值信号进行滤波包括： 利用一阶无限脉冲响应即IIR滤波器对所述第三阈值信号进行滤波；以及 将用于所述IIR的截止频率动态选择为所述第一阈值信号与所述第二阈值信号的比 率的线性函数。
12·根据权利要求5所述的方法，其中对所述经放大的信号使用移动最大值滤波器来 得到第一阈值信号以及第三阈值信号是将第一窗口宽度用于所述第一阈值信号并且将不 同的窗口宽度用于所述第三阈值信号。
13. -种实时地处理ECG数据的方法，所述方法包括： 用于接收来自耦合到计算机上的模拟前端的包括PQRST图案的原始ECG数据采样的流 的方式； 用于通过使用非线性滤波器来对所述原始ECG数据进行滤波以形成经滤波的ECG数 据，以便最小化基线漂移，并且从而抑制每个PQRST图案的T波部分的方式； 用于对所述经滤波的ECG数据执行非线性操作以形成扩大每个PQRST图案的R峰的经 放大的信号的方式； 用于对所述经放大的信号使用移动最大值滤波器来得到第一阈值信号以及第三阈值 信号的方式； 用于对所述经放大的信号使用移动均值滤波器来得到第二阈值信号的方式； 用于使用滤波器对所述第三阈值信号进行滤波以形成经滤波的阈值信号的方式，在所 述滤波器中，截止频率被动态选择为所述第一阈值信号以及所述第二阈值信号的函数；以 及 用于将所述经放大信号中的采样仅当所述采样的值等于所述第一阈值信号并且超过 所述经滤波阈值信号时识别为心跳点的方式。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中用于对所述原始ECG数据进行滤波的方式包 括： 用于使用中值滤波器以及低通滤波器的级联对所述原始ECG数据进行滤波的方式； 用于延迟所述原始ECG数据的方式；以及 用于从经延迟的原始ECG数据中减去所述低通滤波器的输出信号以便传送经高通滤 波的数据的方式。
15. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包括： 用于使用非线性滤波器对所述原始ECG数据进行滤波以最小化每个PQRST图案的基线 漂移，从而形成可视ECG信号的方式； 用于对所述可视ECG信号进行注释以指示每个心跳点的方式；以及 用于将经注释可视ECG信号显示在耦合到计算机上的显示器上的方式。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中通过至少一次对所述经滤波ECG数据求平方来 形成所述经放大的信号。
17. 娜权利要求13臓的方法，其中所述用于对所述第三阈值信号进行滤波的方式 包括： 丄 -、、 、 用于利用一阶无限脉冲响应即IIR滤波器对所述第三阈值信号进行滤波的方式^以及 用于将用于所述IIR的截止频率动态选择为所述第一阈值信号的对数与所述第二阐 值信号的对数之间的差值的线性函数的方式。 _ ^
18. 根据权利要求13所述的方法，其中所述用于对所述第三阈值信号进行滤波的方式 包括： 用于利用一阶无限脉冲响应即IIR滤波器对所述第三阈值信号进行滤波的方式；以及 用于将用于所述IIR的截止频率动态选择为所述第一阈值信号与所述第二阈值信号 的比率的线性函数的方式。
【文档编号】A61B5/0452GK104203091SQ201380014120
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2012年3月12日
【发明者】V·邹卡 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司