专利名称：一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种长时间动态心电记录仪技术，具体涉及一种带运动信息采集的长时间 动态心电记录装置。属于医疗监测仪器。
背景技术：
医学临床对阵发性心脏病诊断过程中，采用长时间动态心电记录系统(Holter)来记 录病人一段时间内(通常为24小时)的心电信号，然后由医生在分析所记录的动态心电 信号基础上对病人的病情做出判断，是一种成熟的心脏病诊断手段。但是，目前在此过程 中长期以来却存在着一个无法解决的问题，就是如何正确区分运动性的心肌缺血与器质性 心肌缺血？这是因为对于心脏正常的个体来说，在运动量较大时，如快步走、爬楼梯等大 负荷运动的情况下，由于人体的应急反应、心功能储备等原因，也会出现心脏供血不足， 在心电图上表现出ST段压低的现象，这种心电图与有心脏病的个体的ST段压低比较类似， 因此，给临床上对心电图的判读和确诊带来了一定干扰，容易造成误诊。
要消除这种误诊，目前临床上由病人对佩戴HoIter过程中的运动情况记日记，然后辅 以医生的事后调查询诊来进行剔除。然而，这种方法受病人的文化水平、责任心和习惯等 的影响较大，具有非常多的主观因素。心脏每分钟产生70 80个心电波群，而这种人工 方式记录的时间精度较差，难以做到运动情况和心电波群在记录时间上的精确对应，远不 能满足临床诊断的要求。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能实时同步监测病人运动 信息与心电图的装置，对自由活动病人的运动信息和心电信号进行全天24小时的监测， 并在数据回放时提供同步运动信息及心电信息的长时间动态心电记录装置。
本发明的目的是这样实现的 一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置，其特 征在于，该装置包括心电信号采集模块、运动量采集模块、多路开关、A/D转换电路、单 片机、键盘与显示单元接口、时钟电路、Flash卡、通信单元与上位PC机；
其中，心电信号采集模块，包括导联装置、预处理电路、前置放大电路、主放大电路、
低通滤波电路、高通滤波电路和50Hz陷波电路，该模块用于采集人体的心电信号；
运动信号采集模块，由三维加速度传感器、前置放大电路和滤波电路组成；三个加速
度传感器正交地组合成一个三维加速度传感器，该模块用于测量人体的运动信号； 多路开关，用于快速切换采样通道；
A/D转换电路，用于将采集到的模拟心电以及运动信号转换成数字信号； 单片机，主要用于控制电路的工作，以及将采集到的信号存储到Flash卡中； 键盘与显示单元接口，用于提供人机界面；
时钟电路，用于为单片机提供准确的时钟，便于运动信号于心电信号的同步； Flash卡，用于存储心电信息以及运动信息； 通信单元，用于单片机与上位PC机的通信。
该装置在单片机的控制下，人体的心电信号由心电信号采集模块采集，与运动信号采 集模块采集的同步运动信号经多路高速电子开关送入到A/D转换器中进行模数转换，并将 转换好的数字信号存入Flash卡中，以及同步显示在LCD显示屏上；此过程中单片机通过 系统分时来分别控制A/D转换和多路开关的选通，实现多路同步信号的采集。
相比现有技术，本发明具有如下特点
1、 采用运动传感器自动记录受试者的运动状态，运动传感器采集的运动信号与病人 心电信号在单片机的控制下，进行同步记录并存储在存储卡上，两者在时间上精确对应， 精度能达到毫秒级。
2、 系统分析软件具有运动分析功能，能自动把运动传感器输入的运动信号进行分析， 提取出其中的诸如功量、运动频率和幅度等运动信息。
3、 可正确应用长时间动态心电记录系统(Holter)来正确区分运动性心肌缺血和器质 性心肌缺血的能在病人佩戴Holter过程中精确计量病人运动量，将病人心电图和运动情况 相对应，从而解决目前临床Holter在ST段判读上的不足，消除对心肌缺血的误诊。
4、 本发明能对自由活动的病人进行全天24小时的监测，提供实时的运动信息及心电 同步资料，可以指导病人进行适量的运动，提高心血管病的阳性检出率而使病人没有危险， 为治疗和研究心血管疾病提供更丰富的资料。
图1是本发明的系统结构原理方框图2是本发明数据采集工作流程图3是三维加速度传感器的安装示意图4是运动信号采集模块的结构图5是一种心电信号采集模块的预处理电路；
图6是一种心电信号采集模块的前置放大电路；
图7是一种心电信号采集模块的主放大电路和低通滤波器;
图8是一种心电信号采集模块的50Hz陷波电路；
图9A是一种ST段变化图谱；
图9B是图9A的加速度变化图谱；
图10A是另一种ST段变化图谱；
图10B是图10A同步的加速度变化图谱。
具体实施例方式
如图1所示，本发明所提供的一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置，该装 置核心包括心电信号采集模块、运动信号采集模块、多路开关、A/D转换电路、单片机、 键盘与显示单元接口、时钟电路、Flash卡、通信单元与上位PC机；还包括采用现有成熟 技术的电源电路及外壳等常规部件，在此不累述，图中也省略。
其中，(1)心电信号采集模块由导联装置、预处理电路、前置放大电路、主放大电路、 低通滤波电路、高通滤波电路和50Hz陷波电路等部分组成。
心电信号采集模块的导联装置由Mason-Likar改进肢体导联和Wilson电阻网络组成， 接受来自导联电极的心电信号。心电信号采集模块的预处理电路如图5所示，由运算放大 器A和电阻R1组成，它的作用是提高输入阻抗，降低输出阻抗，起到一个缓冲作用。
心电信号采集模块的前置放大电路如图6所示，由仪用放大器AD620和电阻Rg组成， 放大倍数A4+49.4k/Rg。该前置放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗，噪声小，抗干扰 能力强的特点。其中，49.4k是一个常数，k代表1000，是电阻阻值常用表达方式。
心电信号釆集模块的主放大电路和低通滤波器如图7所示，由运算放大器A和电阻R1， R2， R3和电容C1组成，转折频率设定在160Hz,放大倍数A=1+R2/R1 。
心电信号采集模块的高通滤波器用于滤除低频信号的干扰，采用一阶RC高通滤波电 路，转折频率设定在0.07Hz。
心电信号采集模块的50Hz陷波电路，是一个带阻滤波器，主要用于滤除工频干扰。采
用了两个运算放大器A、 B及三个电阻R1、 R2、 R3和三个电容C1、 C2、 C3组成的典型
的双T网络，如图8所示。
(2)运动信号采集模块由加速度传感器、前置放大电路和滤波电路组成。
运动信号采集模块的加速度传感器用于测量运动信号，采用IC SENSOR公司的压阻 型加速度传感器3031，三个加速度传感器正交地组合成一个三维加速度传感器。其安装方 式如图3。运动信号采集模块的前置放大电路采用与心电信号采集模块的前置放大电路相 同的结构。所述运动信号采集模块的滤波电路为一低通滤波电路，用于抑制由电路产生的 高频干扰，采用一阶RC低通滤波电路，转折频率设定在20Hz。
(3) 多路开关，用于快速切换采样通道，可采用CD4051。
(4) A/D转换电路，用于将采集到的模拟心电以及运动信号转换成数字信号，可采用 模数转换芯片MAX197，采样率为100ksps，采样精度为12位。
(5) 单片机，主要用于控制电路的工作，以及将采集到的信号存储到Flash卡中，采 用MSP430系列单片机。
(6) 键盘与显示单元接口，用于提供人机界面。
(7) 时钟电路，用于为单片机提供准确的时钟，便于运动信号于心电信号的同步， 采用时钟芯片DS1302。
(8) Flash卡用于存储心电以及运动信息，采用公知市售产品。
(9) 通信单元，用于单片机与上位PC机的通信，采用USB通信电路。 本发明系统工作流程如下在单片机的控制下，人体的心电信号由心电信号采集模块
采集，与运动信号采集模块采集的同步运动信号经多路高速电子开关送入到A/D转换器中 进行模数转换，并将转换好的数字信号存入Flash卡中，以及同步显示在LCD显示屏上。 此过程中单片机通过系统分时来分别控制A/D转换和多路开关的选通，实现多路同步信号 的采集。本发明的数据采集工作流程，参见图2。在一次使用完毕后，取出系统的Flash 卡并放入读卡器并连接在计算机上，Flash卡上所保存的心电信号和运动信号由上位机软件 读入并进行分析。
心电同步运动信号采集模块由加速度传感器、前置放大器、滤波电路构成。对于本系 统，由于人体运动加速度信号的有效范围是-6g 6g、 0Hz 20Hz，选择加速度传感器时必须 符合此有效范围。同时为了较完整地反映人体的运动情况，三维加速度传感器比单维加速 度传感器更合适，前者能够采集人体的三维运动信息。本系统采用三个IC SENSOR公司 的压阻型加速度传感器3031正交地组合成一个三维加速度传感器。3031采用表面封装形 式，其尺寸小，阻尼可调，且频带宽，灵敏度高，内置防震装置。三维加速度传感器的安 装方式参见图3所示。
运动信号采集模块的结构参见图4所示，X、 Y和Z方向放置的加速度传感器分别对 应一路前置放大电路，运动加速度信号经前置放大电路放大后送入滤波电路进行滤波，滤
除信号中的高频干扰，滤波器上限截止频率设定为20Hz。滤波后的三路运动信号与数字部 分的多路开关相连，由单片机控制进行选通，读取该方向上的运动信号数据。
运动信号与心电信号的同步与后处理A/D转换后的同步心电信号和运动信号存储在 系统的Flash卡中，在一次使用过程中，完成病人数据采集工作后，医生取出Flash卡，揷 入读卡器内在计算机上进行回放。由于心电信号与运动信号按顺序进行存放，则在相邻存 储地址上读出的心电信号与运动信号数据为同一时刻下所记录的生理参数信息，它们在时 间轴上严格对应。
数据采集时间按下式进行计算<formula>formula see original document page 8</formula> (1)
式中r为待求的数据采集时间，单位为s; 为心电信号(或是运动信号参数)在数据 序列上的位置；r。为开始数据记录的时间，单位为s; /为数据采样的频率，单位为Hz。
按式(l)建立统一时间坐标后，就能把运动信号与心电信号进行同步，在同一个时间坐标内 描绘出来，这样当出现异常心电事件时，医生能査询对应的运动参数，从而做出正确诊断。 病人运动累积量按式(2)、 (3)、 (4)、 (5)进行计算<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
<formula>formula see original document page 8</formula> (3)<formula>formula see original document page 8</formula> (4)<formula>formula see original document page 8</formula>(5)
其中，『为运动累积功量，单位为J".&; A、 fly、 ^分别为对应方向上的加速度，
单位为m/^; ^、『,、^分别为对应方向上计算得到的运动累积功量。
如图9A所示是一段最大绝对ST变化图谱，图9A纵坐标代表ST段变化幅值，单位 为mv，横坐标没有标刻度，因为是24小时数据中截取的一段，横坐标代表时间，图9B
纵坐标代表综合加速度，单位m"2，横坐标代表与图9A同步的时间。ST段幅度变化的
每一个数据都是该时间点上ST段电位与零电位的差值。在传统的Holter诊断系统中，当
医生遇到这种情况的时候就很难区分是运动性心肌缺血还是器质性心肌缺血，但是如果有
同步的运动信息，就可以很快确定。如图9B所示，是图9A的同步运动信息加速度变化图
谱，由图中可以看出，随着加速度的增加，ST段压低出现增多，随着加速度的减小，ST
段压低出现减少，从而可以判断是由于运动引起的ST段压低，则可以判定是运动性心肌
缺血。图IOA和图IOB为另外一段最大绝对ST变化图谱及同步的加速度变化图谱，从图 中可以看出当出现ST段压低的时候，加速度没有明显变化，说明不是由于运动引起的ST 段压低，从而可以判断是器质性心肌缺血。因此，有了同步的运动信息以后，就可以解决 目前临床Holter在ST段判读上的不足，消除对心肌缺血的误诊。
本发明在一次采样过程中，将同一时间采集到的运动信号和心电信号进行A/D转换， 它们的时间间隔等同于一次A/D转换的时间间隔，因此，精度能达到毫秒级。该装置用于 采集同步的运动信号与心电信号，并利用这种同步信号区别运动性心肌缺血和器质性心肌 缺血，从而消除对心肌缺血的误诊。
权利要求
1.一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置，其特征在于，该装置包括心电信号采集模块、运动量采集模块、多路开关、A/D转换电路、单片机、键盘与显示单元接口、时钟电路、Flash卡和通信单元与上位PC机；心电信号采集模块，该模块用于采集人体的心电信号；它包括导联装置、预处理电路、前置放大电路、主放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路和50Hz陷波电路；运动信号采集模块，由加速度传感器、前置放大电路和滤波电路组成；三个加速度传感器正交地组合成一个三维加速度传感器，该模块用于测量人体的运动信号；多路开关，用于快速切换采样通道；A/D转换电路，用于将采集到的模拟心电以及运动信号转换成数字信号；单片机，主要用于控制电路的工作，以及将采集到的信号存储到Flash卡中；键盘与显示单元接口，用于提供人机界面；时钟电路，用于为单片机提供准确的时钟，便于运动信号于心电信号的同步；Flash卡，用于存储心电以及运动信息；通信单元，用于单片机与上位PC机的通信；该装置在单片机的控制下，人体的心电信号由心电信号采集模块采集，与运动信号采集模块采集的同步运动信号经多路高速电子开关送入到A/D转换器中进行模数转换，并将转换好的数字信号存入Flash卡中，以及同步显示在LCD显示屏上；此过程中单片机通过系统分时来分别控制A/D转换和多路开关的选通，实现多路同步信号的采集。
2. 根据权利要求1所述的一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置，其特征在 于，所述心电信号采集模块的导联装置，由Mason-Likar改进肢体导联和Wilson电阻网 络组成，接受来自导联电极的心电信号；心电信号采集模块的预处理电路，由运算放大器A和R1组成，用于提高输入阻抗， 降低输出阻抗；心电信号采集模块的前置放大电路，由仪用放大器AD620和电阻Rg组成，放大倍数 A=l+49.4k/Rg;心电信号采集模块的主放大电路和低通滤波器，由运算放大器A和电阻R1， R2， R3 和电容C1组成，转折频率设定在160Hz，放大倍数A4+R2/R1;心电信号采集模块的高通滤波器用于滤除低频信号的干扰，采用一阶RC高通滤波电 路，转折频率设定在0.07Hz;心电信号采集模块的50Hz陷波电路，是一个带阻滤波器，主要用于滤除工频干扰； 采用了两个运算放大器A、 B及三个电阻R1、 R2、 R3和三个电容C1、 C2、 C3组成双T 网络。
3.根据权利要求1所述的一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置，其特征在 于，该装置用于采集同步的运动信号与心电信号，并利用这种同步信号区别运动性心肌缺 血和器质性心肌缺血。
全文摘要
本发明提供一种带运动信息采集的长时间动态心电记录装置，由心电信号采集模块、运动量采集模块、多路开关、A/D转换电路、单片机、键盘与显示单元接口、时钟电路、Flash卡、通信单元与上位PC机构成。它能对自由活动病人的运动信息和心电信号进行全天24小时的监测，并在数据回放时提供同步运动信息及心电信息。本发明采用运动传感器自动记录受试者的运动状态；在单片机的控制下，运动传感器采集的运动信号能与病人心电信号能进行同步记录并存储在存储卡上，两者在时间上精确对应，精度能达到毫秒级；后期的系统分析软件具有运动分析功能，能自动对运动传感器输入的信号进行分析。
文档编号A61B5/0432GK101352336SQ20081007007
公开日2009年1月28日 申请日期2008年8月1日 优先权日2008年8月1日
发明者侯长军, 焱 张, 彭承琳, 轩 李, 罗小刚, 霍丹群 申请人:重庆大学