专利名称：基于节律模式的便携式心电诊断监测设备的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗器械领域，涉及一种新型的基于基于节律模式的便携式心电诊断监测 设备。
背景技术：
从1903年恩特霍文(W. Einthoven)第一次记录下人体的心电图(ECG)至今一个多 世纪，心电图作为心脏功能评价和心血管疾病诊断的基本手段，由于其方便快捷、收费低 廉己经得到广泛使用。心电信号处理分析手段也已取得了长足进步。由对常见心电图的自 动分析，发展到体表多导心电图的描记，及由其逆向求解心肌动作电位激发波前，以及心 电图中微电势的分析，如晚电位、高频电位等。近几十年来心跳节律变异(HRV)信号， 成为心电图信号处理中又一前沿研究热点。
然而在实际应用中，存在以下问题ECG波形幅度易受干扰；特定波形起始截止点检 测存在误差。同时，分析参数众多且缺少统一标准和范围。目前检索到的同类设备和医生 所用的主要还是基本的参数如心率，和目测典型波形形态的异常来辅助诊断。心电图定量 分析参数用于临床诊断的功能和自动化诊断的功能没有能够得到完全发挥。因此挖掘与生 理、病理状态密切相关的特异性参数，并将其应用于临床心脏功能评价和疾病辅助诊断设 备中具有重要的实践意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的技术方案如下
一种基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，包括ECG信号采集模块、信号前端处 理模块、A/D转换模块、主处理器、数据存储单元和显示模块；ECG信号釆集模块釆集的 信号经信号前端处理模块处理后，再经A/D转换模块后传入主处理器；主处理器分别和数
据存储单元、显示模块连接;.主处理器完成特征提取和分类诊断。
所述信号前端处理模块包括一级放大电路、二级放大滤波电路、工频陷波电路；心电
信号经一级放大、二级放大后，再经工频陷波得到1±0. IV的ECG信号；所述一级放大
电路是10倍放大的仪表放大器；二级放大滤波电路是运放芯片构成的100倍放大滤波电
路；工频陷波电路是50Hz陷波器。
4ECG信号采集模块采用模拟V5导联，即正极在左胸第4肋间腋中线处，负极置于胸 骨上缘的导联方式。主处理器通过PIO 口完成数据采集。所述一级放大电路还连接有右腿 共模负反馈电路(即右腿驱动电路)进行进一步共模干扰抑制。
所述显示模块是液晶显示模块。本装置还包括无线收发模块；所述液晶显示模块通过 PIO口与主处理器接口；所述无线收发模块与主处理器之间通过SPI接口通信；主处理器 对无线收发芯片进行参数配置和数据传送；无线传输的工作分为用户端注册过程和数据 传输过程。
本设备还设有数据存储功能所述数据存储单元与主处理器通过SPI接口通信；数据 存储单元采用通用的快闪记忆存储卡，如SD卡。
SPI接口是串行外围接口； PIO是并行传输接口。
主处理器根据心跳节律变异模式，完成特征提取和分类诊断。歩骤是，从采集的心电
图ECG信号提取R波峰位置，得到节律间期信号；再提取节律变异模式，统计其分布规
律，并通过指标定量描述其分布规律；然后根据变异模式分布，建立多维空间模型，对未 知数据进行分类。
本发明的有益效果是
本发明是基于嵌入式技术的便携式心电图检测系统，体积小，功耗低，便于随身携带， 长期记录心电图信号。采用通用的快闪记忆存储卡存储心电图数据，体积小、重量轻、容 量大、成本低。另外，系统还具备无线数据传输功能。采用心脏节律信号作为对象，不易 受噪声和测量精度的影响。所基于的特征参数心脏节律变异的模式分布与生理状态、病理 状态密切相关，具有明确的物理意义，以及简单的描述形式，对特定状态具有特异性分布， 使用短时数据就可以产生稳定的结果，适合临床使用。算法简单，便于基于单片机、ARM 等微控制器系统实现。
图l为设备工作原理结构框图2为设备硬件的结构框图3为前端模拟放大模块框图
图4为分类系统原理图
图5为主处理器中的程序流程图具体实施方案
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步说明。
本设备工作原理结构框图如图1所示。其中包括心电图获取模块(主要完成心电图 采集)、存储与显示、无线传输；心跳节律信号、节律变异模式分布特征提取；定义指标 以定量描述模式分布特征；构建多维空间模型进行分类、输出结果。 其具体实施方案如下-
1. 硬件系统的结构框架见图2。从人体用导联电极获取心电信号，检测前端对其进行 放大和滤波处理，得到一定频率范围和幅值的信号，经过模数转换器处理，变换后的数字 信号通过特定接口送至主处理器。本例中采用嵌入式技术的ARM处理器，完成心电波形 显示、数据保存、无线传输以及数据分析和报警。由于通用的ARM处理器都可以用于本 设备，在此对主处理器就不作进一步限制了。
2. ECG信号获取采用模拟V5导联(即正极在左胸第4肋间腋中线处，负极置于胸骨 上缘的导联方式)，同时用右腿驱动抑制50Hz工频干扰。 一级放大(IO倍)采用高精度、 低功耗仪表放大器，普通运放芯片构成二级放大(100倍)、工频陷波(50Hz)，得到幅度为 1V左右的ECG信号，如图3。由于所述导联、放大电路、工频陷波器和右腿共模负反馈 电路(即右腿驱动电路)以及它们的连接方式在现有技术中都很常见，在此就不作进一步 限制了。
3. 无线收发模块采用收发一体芯片作为主芯片，本例中选用PTR8000。该芯片的功能 有，多频点多频段，可用于多点的无线传输；低电压供电，GFSK调制，可跳频，并带有 载波检测、地址匹配、数据就绪输出。内置通信协议和CRC校验。主处理器可通过特定 接口 (如SPI接口)对无线收发芯片进行参数配置和数据传送。为了实现点对多点的数据 传输，即一个服务端对数个用户端的工作方式，并且满足嵌入式系统的响应和空间要求， 无线传输的工作分为用户端注册过程和数据传输过程。 一个通用的控制通道，用于服务 端给用户端发送命令和请求应答，以及用户端向服务端发送请求；多个数据通道，每个用 户对应不同的数据通道，用于向服务端传送数据。
4. 数据存储采用通用的快闪记忆存储卡(如SD卡)。尺寸小，重量轻，记忆容量大， 数据传输速度快，具备数据资料的保护功能，支持热插拔，具有极大的移动灵活性以及很 好的安全性。
5. 主处理器通过特定接口 (如PIO口)采集、显示，对获得心电图ECG进行节律提 取。检测连续采集的心电图相邻R波的间隔获得心跳节律信号i^(/)，表示第/次和第/+1次心跳之间的时间间隔。其过程如下
①取搜索窗宽约1.5个周期个周期左右，对釆样的心电数据找出斜率最大值；②该斜
率最大值记为MaxSlopeGate;以MaxSlopeGate的位置为起点，向后寻找一定窗范围(约 一个QRS波宽左右)内幅度最大值，其对应的位置为R波的初步位置；③计算该R波位 置和前次R波位置的RR间期值，若该间期小于RR间期门限最小值MinRRInternal或大于 RR间期门限最大值MaxRRInternal，则认为寻找的R波存在多检或漏检，剔除该位置，调 整搜索窗宽，若为漏检，则縮小搜索窗宽，若为多检，则增大搜索窗宽，再次搜索，直到 找到的R波位置的间期符合要求，或未发现新位置转入④；④以寻找到的当前R波位置作 为基准向后推移半个QRS波宽左右，取下一个窗宽(约1.5个周期左右)数据，返回步骤 ①，寻找下一个R波位置。
(所述门限值是根据正常人第/次和第/+1次心跳之间的时间间隔的范围而定，例如， 对于正常人可取门限值MinRRInternaK300ms， MaxRRInternal=2000ms)
6.提取节律变异模式。本发明提出使用三种符号代表心率变异的方向信息，具体符号 序列的构造方法如下当i / W〉i i^+7, xW记为0;当7^(7;=/ / (7十/人x「仏记为1;当 i i^tKi i^+7) ， x0记为2; / = l，2,3,..,iV —1 。设定字长宽度为m，构造向量序列
= [x(/),x(/ + 1),..，x(/ + (w — 1))],/ = 1,2,..，iV — w 。定义指标定量描述模式分布特征，统计 每种模式出现的概率p ，对所有可能组合形式的分布几率求信息熵 卿m) = -1>, log2 A。
以二维fe间模型说明分类思想如下，如图4:
在二维空间有两个类别已知的向量,a2)和向量0互化》2)，以及待判类别的向量 Of(c,，c。 。Of与07、(9亙之间的夹角分别为《和/ 。若"</ ，则认为Of更加靠近OZ， 也就是在性质上Of与OZ相近。若其中，向量OZ、 O亙分别代表了A、 B两类向量的重 心位置，则可以断定C点属于A类；反之，则属于B类。
cos" = ~j 「 cos ;g = 7 r
+. ^c!2 + c, 》2 + 622. ^c'2 + d
其中a,A，c, (i=l， 2)分别为A、 B、 C各点的平面坐标值。
C点判别如下当《</ 时， cosa-cos->0， C点属于A类；当">^ 时， cosa-cos">0， C点属于B类。
主处理器还可以将年龄因素作为单独特征输入；将受检对象年龄作为标准选取不同的分类集。
例如图5所示的主处理器的工作过程心电图获取，R波峰提取以获得心跳节律信号， 提取节律变异模式，构建多维空间模型。读取年龄信息，50岁以下，计算与年轻健康组(例
如o:i"表示)和疾病组(例如O亙表示)间的夹角余弦COS，落入COS最大的组；50岁以 上，计算与年老健康组和疾病组间的夹角余弦COS，落入COS最大的组。
本设备最后在屏幕上显示分类诊断结果。正常则显示正常；心动过速，心动过缓、期 前收縮、漏搏等轻微病情，提醒患者休息或服药或向医生咨询；心衰、危险性心律失常、
室颤、停搏，警告超过30s心电仍无变化则立刻发送存储心电请求急救。此期间病人可以
根据自身感觉状态，按动警告键发出帮助请求。
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权利要求
1、一种基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，包括ECG信号采集模块、信号前端处理模块、A/D转换模块、主处理器、数据存储单元和显示模块，其特征是ECG信号采集模块采集的心电信号连接信号前端处理模块，再经A/D转换模块后传入主处理器，主处理器分别和数据存储单元、显示模块连接；主处理器从采集的心电图ECG信号提取R波峰位置，得到节律间期信号；主处理器完成特征提取和分类诊断提取节律变异模式，统计其分布规律，并通过指标定量描述其分布规律；然后根据变异模式分布，建立空间模型，对未知数据进行分类。
2、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是所述信号 前端处理模块包括一级放大电路、二级放大滤波电路、工频陷波电路；所述ECG信号采 集模块采集的信号经一级放大电路和二级放大滤波电路后，再经工频陷波电路后得到1± 0. IV的ECG信号；所述一级放大电路是10倍放大的仪表放大器；二级放大滤波电路是运放芯片构成的100倍放大滤波电路；工频陷波电路是50Hz陷波器；所述一级放大电路还连接有右腿共模负反馈电路即右腿驱动电路进行进一步共模干扰抑制。
3、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是还包括无 线收发模块；所述无线收发模块与主处理器之间通过SPI接口通信，主处理器对无线收发 芯片进行参数配置和数据传送，无线传输的工作分为用户端注册过程和数据传输过程。
4、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是所述显示 模块是液品显示模块，所述液晶显示模块通过PIO 口与主处理器接口通信。
5、 根据权利要求2所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是所述ECG 信号采集采用模拟V5导联，即正极在左胸第4肋间腋中线处，负极置于胸骨上缘的导联 方式；主处理器通过PIO 口与A/D转换模块连接，即主处理器通过PIO 口完成数据采集。
6、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是所述数据 存储单元与主处理器通过SPI接口通信，数据存储单元采用通用的快闪记忆存储卡，实现 数据存储功能。
7、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是主处理器 从采集的心电图ECG信号提取R波峰位置得到节律间期信号的方法是-① 取搜索窗宽，对采样的心电数据找出斜率最大值；② 该斜率最大值记为MaxSlopeGate;以MaxSlopeGate的位置为起点，向后寻找一定 窗范围内幅度最大值，其对应的位置为R波的初步位置；③ 计算该R波位置和前次R波位置的RR间期值，若该间期小于RR间期门限最小值 MinRRInternal或大于RR间期门限最大值MaxRRIntemal，则认为寻找的R波存在多检或 漏检，剔除该位置，调整搜索窗宽，若为漏检，则縮小搜索窗宽，若为多检，则增大搜索 窗宽，再次搜索，直到找到的R波位置的间期符合要求，或未发现新位置转入④；④ 以寻找到的当前R波位置作为基准向后推移半个QRS波宽左右，取下一个窗宽数 据，返回步骤①，寻找下一个R波位置。
8、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是所述主处 理器提取节律变异模式，统计其分布规律，并通过指标定量描述其分布规律，歩骤包括-符号序列构造记为2;; !' = 1,2,3，..,W-1;设定字长宽度为w,构造向量序列 邵)=["(/)，x(/ + 1)""x(/ + (m -1))]，/ = 1，2,.., TV - w ,-定义指标定量描述模式分布特征统计每种模式出现的概率/7，对所有可能组合形式的分布几率求信息熵<formula>formula see original document page 3</formula>
9、 根据权利要求1所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是主处理器根据变异模式分布，建立多维空间模型，对未知数据进行分类，方法如下设在二维空间有两个类别已知的向量， )、向量C^(6, ，62 )和待判类别的向量(9f(Cl,c2); Of与Ci 、 (9亙之间的夹角分别为a和y5;向量OZ、 0亙分别代表了A、B两类向量的重心位置；若"<^，则认为OC更加靠近OZ，即在性质上Of与OZ相近， 则可以断定C点属于A类；反之，则C点属于B类。
10、 根据权利要求l所述的基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，其特征是主处理器 还将年龄因素作为单独特征输入，将受检对象年龄作为标准选取不同的分类集。
全文摘要
一种基于节律模式的便携式心电诊断监测设备，包括ECG信号采集模块、信号前端处理模块、A/D转换模块、主处理器、数据存储单元和显示模块。ECG信号采集模块采集的心电信号连接信号前端处理模块，再经A/D转换模块后传入主处理器，主处理器分别和数据存储单元、显示模块连接；主处理器从采集的心电图ECG信号提取R波峰位置，得到节律间期信号；主处理器完成特征提取和分类诊断提取节律变异模式，统计其分布规律，并通过指标定量描述其分布规律；然后根据变异模式分布，建立空间模型，对未知数据进行分类。本设备解决了现有技术中存在的问题，采用心脏节律信号作为对象，不易受噪声和测量精度的影响；使用短时数据就可以产生稳定的结果，适合临床使用。
文档编号A61B5/0402GK101449971SQ200810242889
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者侯凤贞, 卞春华, 吴旭辉, 宁新宝, 范爱华, 范虎伟, 马千里 申请人:南京大学