心电图中实时qrs持续时间的测量的制作方法

心电图中实时qrs持续时间的测量的制作方法
【专利摘要】本发明公开了通过接收包括PQRST模式周期的滤波过的ECG数据样本流，可以在移动设备中处理ECG数据(902，904)。确定在滤波过的ECG数据中的PQRST模式的R点(906)。样本的一部分选自R点周围的滤波过的ECG数据(908)。然后通过使用由移动设备执行的应用程序处理所选择的样本的部分，来确定PQRST模式的QRS持续时间(910)。
【专利说明】心电图中实时QRS持续时间的测量

【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及心电图信号的分析，并且具体涉及为此目的的低成本消费设备的 使用。

【背景技术】
[0002] 心电图是心脏在一段时间内的电活动的经胸廓（整个胸腔或者胸部）的处理，由 附到皮肤外表面的电极检测并且由身体外部的设备记录。由这个无创过程所产生的记录被 称为心电图（也称为ECG或者EKG)。心电图（ECG)是记录心脏电活动的检测。
[0003] ECG被用于测量心跳的速率和规律性、房室的大小和位置、心脏的任何损害的存 在、以及用于调解心脏的药物或者设备（例如起搏器）的影响。
[0004] ECG设备检测并放大在每次心跳期间当心肌去极化时所引起的皮肤上微小的电改 变。静止时，每个心脏细胞具有遍及外壁（或者细胞膜）的负电荷（膜电位）。（通过大量 的正离子，Na+和Ca++)增加负电荷至零被称作去极化，这激活细胞中的机能使细胞收缩。 在每次心跳，健康心脏将具有去极化波的有序前进，去极化波由窦房结中的细胞触发、通过 心房传播、穿过"内在传导通路"并且接着在全部心室中传播。这个被检测为在心脏的任意 两侧所放置的两个电极之间的电压的微小上升和下降，并且在屏幕或者图纸上作为波状线 显示。此显示表明心脏整个的节律以及心肌的不同部分的薄弱。
[0005] 通常，使用两个以上的电极，并且它们可以被组合成多个对，例如，左臂（LA)电 极、右臂（RA)电极以及左腿（LL)电极形成三对LA+RA，LA+LL，以及RA+LL。来自每对的 输出被称为引线（lead)。每个引线被认为从不同角度监测心脏。不同类型的ECG是指由 多个引线记录的ECG，例如，3-引线、5-引线或者12-引线ECG(有时简称为"12-引线"）。 12-引线ECG大约同时记录12个不同的电信号，并且这些电信号经常被用作ECG的一次性 (one-off)记录，传统上作为纸张副本被打印出来。3-引线ECG和5-引线ECG往往被连续 监测并且仅在适当的监测设备上才能看到，例如，在手术期间或者在救护车中被运送时。依 赖于所使用的设备，3-引线ECG或者5-引线ECG可以是或者不是任何永久性记录。
[0006] 几项研究表明QRS的持续时间高于?120毫秒（msec)是病理标志，并且与各种心 肌疾病相关。以精确的形式测量QRS波群（心室去极化）的持续时间具有挑战性，尤其是 有噪声的心电图。通常，临床医生在打印的图纸ECG上或者检测器屏幕上手动地测量QRS 持续时间。有些临床医生使用用于此类分析的基于软件（SW)的计算机，但是软件不能实时 地测量持续时间；ECG首次被记录，并且接着使用专用的ECG分析工具进行后处理（例如， 来自通用电气的MAC 1600 Marquette 12SL ECG分析程序）。
[0007] 用于测量QRS持续时间的另一系统是侵袭性的，并且适用于心脏起搏器。另一系 统使用QRS波所表现的高频部分，并且不能严格地实时操作，因为它需要求取几次心跳的 平均值。
[0008] 通常有两种类型现有的心脏检测器：1)具有有限能力的健身便捷式检测器，例 如，仅检测心率，而没有ECG波形、没有预警以及较差的QRS检测器性能；2)医用级监测器， 其实际上不是便携式的，虽然具有良好性能并且提供预警。医用级设备例如ECG、EMG(肌 电图）、EEG(脑电图）的费用对于消费者仍然是昂贵的。一些现有的解决方案可具有良好 的性能，但是这些解决方案却不是实时的。一些其他解决方案是便携和实时的，但是性能低 下，例如，健身心率监测器。医用级设备具有合理的性能并且通常可实时操作，但是它们并 非足够紧凑以便作为便携式设备使用，并且是昂贵的。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 图1是示出在移动ECG系统内本发明的实施例的框图；
[0010] 图2-3示出由图1的移动ECG系统分析的ECG图；
[0011] 图4是由图1的ECG系统实现的实时ECG滤波器的示意图；
[0012] 图5是示出用于确定QRS持续时间的过程的图；
[0013] 图6是示出图5的过程的图形表示的图；
[0014] 图7-8示出导致病理QRS形状的QRS持续时间；
[0015] 图9是示出通过ECG系统的ECG分析的操作的流程图；
[0016] 图10示出被显示在移动消费设备上的ECG ;
[0017] 图11不出使用移动手机的移动ECG系统的另一实施例；以及
[0018] 图12-13示出移动ECG系统的其他实施例。
[0019] 根据附图以及以下【具体实施方式】，本实施例的其他特征将是明显的。

【具体实施方式】
[0020] 已经实验确定QRS持续时间和QRS波形形状上存在的上升/下降拐点之间具有关 联。可以使用一阶导数检测拐点，并且可以使用直线等式来截段（intercept)表示标准化 (normalized) QRS波形的基线。接着可以针对每个QRS波型基于直线等式的X-轴线交叉计 算QRS持续时间。这使得该解决方案对噪声有很好的健壮性；因此，不需要计算逐次搏动的 平均。因此，每一次搏动的持续时间可以被精确地实时测量。
[0021] 示例实施例提供一种在ECG监测期间实时精确测量每次心脏搏动的QRS持续时间 的系统。这些实施例可以在噪声的环境中运行良好，因此可以被使用在流动监测期间或者 健身活动期间用于产生实时预警。例如，在运动序列期间，如果对于一个或多个心跳来说， QRS持续时间高于120毫秒，可以产生警报。
[0022] 实施例使用正常和异常的PQRST形式两者的各种类型的ECG提供了非常良好的 QRS精度测量。
[0023] 实施例可以易于被封装在例如使用开放OS(操作系统）应用框架的监测应用中。
[0024] 因为存在DC偏移和各种干扰信号，ECG信号的测量是具有挑战性的。对于典型电 极，这种可能性能够高达300毫伏。干扰信号包括来自电力源的50/60-Hz干扰、由于病人 移动导致的运动伪影、来自电外科手术设备、除颤脉冲、起搏脉冲、其他监测设备的射频干 扰等。本发明的实施例允许具有较高检测性能的心脏异常的实时处理和分析，因此，在可能 由例如身体运动、摩擦或者电极变形、所检测的人员的健康等引起的退化条件下能够产生 实时预警。
[0025] 可以在低成本的移动健康ECG监测设备中提供实施例。例如，实施例可以被实施 在智能手机、个人数据助理（PDA)、平板电脑、笔记本电脑、个人计算机等中。这些设备可以 被用于个人反馈和通知，并且还可以经由蜂窝网络或者其他无线网络被链接，以支持用于 远程医疗的消费者医疗市场。其他实施例可被实施在医用设备中，用于使用在例如医生的 诊室或者医院中。
[0026] 实施例可以接收并且过滤ECG信号，并且进行如本文简要描述的的QRS检测，并 且该 QRS 检测的更多细节在名为 "Real Time QRS Algorithm Based on Adaptive IIR Filtered Threshold"的美国专利申请13/434, 725中，该美国专利申请通过引用合并于此。 该实施例使用通过IIR(无限脉冲响应）滤波器被耦合到自适应滤波阈值的几个级联滤波 器，其中IIR滤波器的截止频率适于实时地从原始信号对数缩放到噪声水平。然而，本发明 的其他实施例可以在使用其他已知或者后来发展的技术过滤和标准化的ECG信号上进行 如本文所述的QRS持续时间测量。
[0027] 图1示出移动ECG系统100内的实施例。模拟前端部分110耦合到引线组120,引 线组（lead) 120耦合到正在被监测的主体（subject) 130。监测的主体130通常是人类；然 而，本发明的实施例可以被用于监测其他类型的主体，例如，动物、鸟或者爬行动物。监测引 线120包括被附到主体130上的各点的多个引线。通常，3、5、7或者12根引线用于ECG监 测；然而，本发明的实施例不限于任何特定数目的引线。
[0028] 模拟前端部分110可以包括用于从引线组120、在每个输入上的EMI (电磁干扰） 和低通滤波、以及可以包括高通滤波的△- Σ模数转换器112选择各种信号的多路复用器 111。右腿驱动（RLD)信号113可以源自所选的输入信号中的一个或多个的组合。
[0029] 标准检测通常需要0. 05-30HZ之间的信号频率。诊断监测需要来自0. 05-1000HZ 的频率。使用高输入阻抗仪表放大器（INA)可以抵消一些50Hz/60Hz共模干扰，INA去除 了两个输入的共有的AC线噪声。为了进一步抑制电力线噪声，信号可以由放大器反相并且 通过右腿被驱动回到病人内。仅几个微型放大器（amps)或更少放大器被要求实现显著的 CMR改进，并且保持在UL544限制内。此外，50/60HZ数字陷波滤波器可被用于进一步减小 这种干扰。
[0030] 模拟部分110可以被实现在单个集成电路中，例如，具有内置可编程增益放大器 (PGA)、内部参考以及机载振荡器的一系列多通道同时采样的24位Λ-Σ模数转换器（ADC) 的 ADS1294/6/8/4R/6R/8R。ADS1294/6/8/4R/6R/8R 包含医学心电图（ECG)和脑电图（EEG) 应用中通常要求的全部特征。ADS129X设备被详细描述在数据表SBAS459I中，SBAS459I可 从德州仪器公司获得，其于2012年1月被修订，SBAS459I通过引用合并于此。
[0031] 当使用低分辨率（16位）ADC时，信号需要被显著地放大（通常为100x-200x)，以 达到需要的分辨率。当使用高分辨率（24位）Λ- Σ ADC时，信号需要适度的增益，例如， 0-5x。因此，需要消除DC偏移的第二增益级和电路可以被移除。这导致面积和成本的整体 下降。△ Σ方法保存信号的整个频率内容，并且为数字后处理提供丰富的灵活性。
[0032] 信号处理部分140被耦合以接收来自模拟部分110的数字ECG数据150的流。数 字信号处理器（DSP)Hl耦合到可以存储定义各种信号处理算法的指令的非易失性存储器 144。随机存取存储器（RAM) 143可以由DSP 141使用，用于在执行各种信号处理算法的同 时数据的存储。显示器驱动器142可以是管理在显示器器件145上显示的图形用户界面 (GUI)的微型控制单元（MCU)，显示器器件145可以例如是液晶显示屏（LCD)或者现在已知 或者后来发展的任何其他显示器器件。DSP 141和MCU 142可以被实现在单个IC中，例如， 从德州仪器公司可购得的OMAP?处理器器件。其他实施例可以使用现在已知或者以后 开发的处理器或者信号处理器的其他实施方式。例如，各种类型片上系统（SoC) IC可以包 含例如2个到16或者更多的DSP内核。
[0033] 可以提供支持USB (通用串行总线）、RS232的一个或多个有线接口 146或者其他 类型的有线接口用于将处理的ECG信号传送到另一系统以进一步诊断（evaluation)。可以 提供支持ZigBee、Bluetooth的一个或多个无线接口 147或者其他类型的无线接口用于将 处理的ECG信号传送到另一系统以进一步诊断。此外，也可以提供无线接口 147用于将处 理的ECG信号经由蜂窝电话或者数据网络发送到远程系统。
[0034] 电源管理逻辑102、时钟、温度传感逻辑以及风扇控制逻辑也可以被包括在ECG系 统100中，用于为模拟系统110和DSP系统140提供电源和温度控制。
[0035] 注意在信号处理部分140内所包含的大部分或者所有组件现在可用在移动手机 例如智能手机中，该移动手机可以被编程以提供需要的信号处理。以前，ECG、EMG以及EEG 装置的成本对于消费类设备来说价格过高。将模拟前端部分110耦合到智能手机在智能 手机被编程以进行ECG处理时可以提供成本有效的医学监测设备，这将在以下更详细地描 述。
[0036] 图2示出说明典型的心跳周期的图200。像其他的生物医学信号一样，ECG被认为 是非平稳过程。ECG的平均值和标准偏差随时间变化。然而，ECG包含能够被解释为伪确定 性模式（被称作PQRST模式）的有用信息。在每次心跳期间健康心脏将具有去极化的波的 有序前进，去极化波的有序前进由窦房结中的细胞触发、通过心房传播、穿过"固有传导通 路"然后在全部散至心室中。正常的ECG(EKG)由P波、QRS波群以及T波组成。T波反应 心室的快速去极化的阶段。
[0037] 图3是示出在约50秒的时间里接收自模拟部分110 (参考回至图1)的原始ECG 数据150的序列的图形300。在这个实施例中，模数（ADC)代码值是基于24位的转换器的。 其他实施例可以基于不同的ADC转换器的精度使用不同的值。噪声、伪影、来自身体其他肌 肉的EMG(肌电图）干扰、呼吸、来自电力线的60Hz干扰等可能使简单的ECG分析变得困难。 为了保留PQRST信息，可能需要提供接近3Hz到30Hz的带宽。在一些实施例中，高达大约 1000Hz的带宽可以增加精确度。
[0038] 图4是由图1的ECG系统实现的实时ECG滤波器400的示意图。每个QRS波的健 壮性检测对ECG序列的进一步数字处理是重要的。检测器即使当信噪比退化时也应当工 作。在这个实施例中，ECG滤波器被分为三部分：部分1 410带通滤波器、部分2 420带通 滤波器以及部分3 430 QRS检测器。返回参考图1，原始ECG 150的流接收自模拟前端部分 110。通常，如有关图3所讨论的，原始ECG 150的流将包括干扰和畸变。本文所描述的实 时ECG滤波器的实施例根据包括48个记录、每个记录30分钟的基于文件的MIT-BIH数据 库来检测。这是广泛用于测试QRS检测算法的参考基准。类似于使用更复杂的非实时算法 的医疗级装置，本文所描述的实施例推导99. 7%的灵敏度和99. 9%的阳性（positive)预 测性。
[0039] 部分2 420旨在提供用于心脏病专家解读的带通滤波的ECG。在这个实施例中，由 模拟前端110使用250Hz的采样频率记录原始数据ECG。在另一实施例中，可以使用更高或 者更低的采样频率。使用中值滤波器（P点）422以非线性的方式对ECG原始数据滤波，使得 所有高频成分被去除，然后通过低通滤波器LPl 423传输，目的是为了去除剩余的中值滤 波器噪声。同一 ECG原始数据被延迟424 P样本，并且从中减去425 LPl滤波器423的输 出，使得ECG的基线漂移被抑制。根据原始延迟信号的中值滤波器422、LPl滤波器423以 及减法425的组合等同于高通滤波。低通滤波器LP2 426是具有33Hz的截止频率的5阶 滤波器，并且产生被延迟427的已滤波的ECG信号H，目的是为了与来自部分3 430的结果 对准。输出信号H准备好用于心脏病专家解读。已过滤的ECG信号H的示例被说明在450 处。通过使用适当的P值，全部PQRST波被保留并且没有被畸变。通常，P值可以被选择为 例如 P = Fs/2。
[0040] 部分1 410旨在为心跳检测器430准备ECG信号。部分1除了中值滤波器412被 改变成具有（N)点值之外与部分2相同。通过选择适当的N值，基线漂移、P波以及T波也 在这部分被抑制；使得仅信号的QRS部分被保留用于作为信号B 444进一步处理。通常，N 值可以被选择为例如N = Fs/10。
[0041] 部分3 430代表QRS检测器自身。为了放大QRS波的高频内容，信号B被平方两 次以产生信号C1。从信号Cl三个阈值信号推导如下。非线性缩放信号Cl以形成信号C2。 信号C2的每个样本k产生为如等式（1)所示的Cl延迟Q样本，以10为底取对数。
[0042] C2K = IoglO (CIk) (1)
[0043] 第一阈值信号是信号D。如等式（2)所示，利用在信号Cl上使用M点滑动窗口的 移动最大433,以10为底取对数，并且延迟Q-M样本，从而产生信号D的每个样本k。因此， 信号D表不信号Cl的峰值。
[0044] Dk = IoglO (max (C1 (k). . . C1 (k+M))) (2)
[0045] 第二阈值信号是信号E。如等式（3)所示，利用在信号Cl上使用T点滑动窗口的 移动平均434,以10为底取对数，并且延迟Q-T样本，从而产生信号E的每个样本k。因此， 信号E表示在窗口范围内的信号Cl的平均值。

【权利要求】
1. 一种用于在移动设备中处理ECG数据的方法，所述方法包括： 由所述移动设备接收包括PQRST模式周期的滤波过的ECG数据样本流； 在滤波过的ECG数据中确定PQRST模式的R点； 从所述R点周围的所述滤波过的ECG数据选择样本的一部分； 利用由所述移动设备执行的应用程序通过处理选择的所述样本的一部分，推导所述 PQRST模式的QRS持续时间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中推导QRS持续时间包括： 将所述样本的一部分标准化至基线； 通过获得标准化的样本的一部分的第一导数，确定上升拐点和下降拐点； 从所述标准化的样本的一部分和所述上升拐点中最大的一个，产生第一直线函数； 从所述标准化的样本的一部分和所述下降拐点中最大的一个，产生第二直线函数； 从在所述基线与所述第一直线函数的交点和所述基线与所述第二直线函数的交点之 间的时间差，获取所述QRS持续时间。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中推导QRS持续时间还包括： 将非线性函数在确定所述上升和下降拐点之前应用到所述标准化的样本的一部分，以 形成降低噪声的样本的一部分；以及 将来自所述降低噪声的样本的一部分的所述上升和下降拐点投映到所述标准化的样 本的一部分，用于产生所述第一和第二直线函数。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性函数针对所述标准化的样本的一部分 的每个样本x是xN。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中推导QRS持续时间还包括通过缩放因子Z缩放所 述QRS持续时间，其中Z是N的函数。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中获取QRS持续时间还包括在标准化所述样本的一 部分之前，进行所述样本的一部分的M因子内插。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中选择样本的一部分包括在小于所述PSRST模式周 期的周期时间的一半的时间段内的所述R点周围选择样本序列。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中选择样本的一部分包括从所述R点周围的300ms 或者更小的窗口中选择样本序列。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中推导给定PQRST模式的所述QRS持续时间是通过 仅处理该PQRST模式的所述选择的样本的一部分来完成。
10. 根据权利要求1所述的方法，还包括当所述QRS持续时间超过阈值时，经由所述移 动设备上的用户界面提供警报。
11. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 由被耦合到所述移动设备的模拟前端接收包括PQRST模式周期的原始ECG数据样本 流；以及 通过滤波原始ECG数据来最小化基线漂移，以形成所述滤波过的ECG数据。
12. -种系统，其包括： 模拟前端模块，其被配置为收集来自一个或多个引线的ECG数据，并且可操作地将模 拟的ECG数据转换为数字ECG数据；以及 移动设备，其耦合用于接收所述数字ECG数据； 其中所述模拟前端可操作用于： 接收包括PQRST模式周期的原始ECG数据样本流；以及 滤波原始ECG数据以形成滤波过的ECG数据，以最小化基线漂移；并且 其中所述移动设备被配置为： 在所述滤波过的ECG数据中确定PQRST模式的R点； 从所述R点周围的所述滤波过的ECG数据选择样本的一部分；以及 通过处理选择的样本的一部分，推导所述PQRST模式的QRS持续时间。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中所述移动设备被配置为通过执行应用程序推导 所述QRS持续时间，该应用程序完成包括以下步骤的方法： 将所述样本的一部分标准化至所述基线； 通过获得标准化的样本的一部分的第一导数确定上升拐点和下降拐点； 从所述标准化的样本的一部分和所述上升拐点中最大的一个，产生第一直线函数； 从所述标准化的样本的一部分和所述下降拐点中最大的一个，产生第二直线函数；以 及 从所述基线与所述第一直线函数的交点和所述基线与所述第二直线函数的交点之间 的时间差，推导所述QRS持续时间。
14. 根据权利要求13所述的系统，所述方法进一步包括： 在确定所述上升和下降拐点之前，将非线性函数应用到所述标准化的样本的一部分， 以形成降低噪声的样本的一部分；以及 将来自所述降低噪声的样本的一部分的所述上升和下降拐点投映到所述标准化的样 本的一部分，用于产生所述第一和第二直线函数。
15. 根据权利要求13所述的系统，其中所述非线性函数针对所述标准化的样本的一部 分的每个样本x是以及 其中推导QRS持续时间还包括通过缩放因子Z缩放所述QRS持续时间，其中Z是N的 函数。
16. 根据权利要求13所述的系统，其中推导QRS持续时间还包括在标准化所述样本的 一部分之前，完成所述样本的一部分的M因子内插。
17. 根据权利要求12所述的系统，其中选择样本的一部分包括在小于所述PSRST模式 周期的周期时间的一半的时间段内，在R点周围选择样本序列。
18. 根据权利要求12所述的系统，还包括当所述QRS持续时间超过阈值时，在所述移动 设备上经由用户界面提供警报。
19. 根据权利要求12所述的系统，其中所述移动设备是智能手机。
20. -种具有存储在其中的计算机可读指令的计算机可读非暂时性存储介质，所述计 算机可读非暂时性存储介质在由计算机执行时实时完成处理ECG数据的方法，所述方法包 括： 接收包括PQRST模式周期的滤波过的ECG数据样本流； 在滤波过的ECG数据中确定PQRST模式的R点； 从所述R点周围的所述滤波过的ECG数据选择样本的一部分；以及 利用由所述移动设备执行的应用程序通过处理选择的所述样本的一部分，推导所述 PQRST模式的QRS持续时间。
【文档编号】A61B5/0452GK104363824SQ201380029740
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年6月10日 优先权日:2012年6月19日
【发明者】V·邹卡 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司