专利名称：一种动态心电和运动记录与分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于生理、身体参数测试领域，具体涉及记录与使用者日常动态情景高度相关的心电图信号记录与分析装置。
背景技术：
对于难以通过仪器短时间监测捕获的异常生理信号，医生需要一种可以长时间连续记录生理参数和相关状态的设备。另外，心律失常等心脏异常事件不但具有偶发性，而且往往只在日常生活中伴随使用者的某种特殊活动发生，而在医院的静态环境下很少发生， 因此急需一种可长时间记录生理特征，并同时记录使用者日常活动的医疗设备。Holter作为一种动态心电图记录系统，记录使用者M-48小时内连续的心电图信号，并通过使用者手工记录的方式记录使用者的活动信息。医生可以通过回放和分析软件查看使用者的心脏异常事件以诊断使用者潜在的心脏疾病。人体的各个器官是相互影响的，心脏的活动是一个不断与与自主神经系统 (Autonomic Nervous System ANS)控制和人体运动系统动态交互过程，心电图信号与被测者的活动类型、活动强度、以及心情高度相关。很多心脏异常事件往往发生在使用者活动类型转变或活动强度增强的情景下，而传统的Holter只是记录单一的心电图信号，并要求使用者记录当天的活动内容。使用者的活动记录难以与心电图配准，使用者记录往往带有主观和模糊因素，更坏的情况是有的甚至不能记录，或忘记记录。这样，在很多情景下，医生无法确定使用者发生心律失常事件的具体情景，从而无法给出准确的诊断。另一方面，运动信息本身也是人体一种重要的健康指标。增加了运动信息的检测、分类和度量，无疑将为医生的诊断提供更有用的信息。例如，运动异常，明显缺乏运动，各种运动状态下的心电图变化，寸。为了在人们的日常生活中记录心电图以及相关的活动及心情，有不少相应的工作和发明。例如美国公布的发明2009(^99207是一种获取人们心电图的微型系统。美国专利5036856则是一种检测心电图、活动心情的设备。活动和心情信号的记录可以与Holter 的心电图信号记录分别进行，然后把这三种信号相关，或这三种信号的记录同时存在于一个设备中。中国公布的发明“具有人体运动状态及姿态检测功能的动态心电图仪”，申请号 200910232292. O完全与美国专利5036856类似，也提出了检测运动和姿态信号。上述专利或公布的发明，仅仅提出了检测和记录心电图的同时，检测活动和心情信号，它们提出了记录这些信号的电路和记录设备的大体的结构，并没有提出检测这些信号的传感器在人体上的放置位置，也没有提出如何对这些信号进行处理和分析的方法，更没有提出如何相关、融合和分析这些信号的方法。也就是说，由于心脏的活动是通过与自主神经系统、运动系统交互交互完成的，要研究和诊断心脏的状态和疾病，人们必须同时记录和分析心脏、运动和心情。要达到这一目标，有四个重要工作1)用什么传感器、放置在身体的哪个部位；2)记录设备的组成；3)心电图、运动和心情信号的处理和分析。这里，不同的传感器设置将要求不同的分析方法。4)多种传感器数据和信息的融合和分析方法。这是把这一医疗设备走向应用的关键。以上这些发明和专利，仅仅涉及了上述4点中的第2点， 没有涉及更为重要的其它3点。中国专利200710119869. 8“一种身体体征动态监测系统”，全面地涉及了上述4个重要方面，提出了实时监测人体心电图和其它生理信息的同时，监测当时“情景”的理念。并定义了“情景”的三个方面，即运动、环境和心理，提出了有情景多传感器信息融合的基本方法，以及从监测设备到提供医疗服务的服务器系统框架。但该专利对于如何基于上述信息进行运动情景下的综合分析并没有具体涉及。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是提供了一种能用于记录和分析使用者心电图信号、同时自动检测使用者日常活动类型和强度、并提供心电图和运动融合分析的装置及系统。为解决上述问题，本实用新型提出的动态心电和运动记录与分析装置，包括心电图和运动传感器单元100，数据获取、存储和传输单元200，其特征在于还包括分析软件单元300，其中所述心电图和运动传感器单元100包括心电图传感器电极101和运动传感器 102。其进一步特征在于所述心电图和运动传感器单元100的心电图传感器电极101 为金质、银质、贴片、导电布；所述心电图和运动传感器单元100的运动传感器102为速度计、陀螺仪、磁力计、计步器、肌电传感器。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述心电图传感器电极101与所述运动传感器102封装在一起；心电图传感器电极101可按常规心电图电极位置放置也可放按需要放置；运动传感器102放置位置可以在躯干和两个大腿、两个小腿上。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述分析方法和软件单元300包括心电自动分析模块301、运动分类和强度分析模块302、活动情景下综合分析模块303和分析报告模块304。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述心电自动分析模块301用于心电图信号去噪声和去基线漂移处理，QRS波形结构的检测，检测ST段、ρ 波、T波等典型心电图子波，以及室性早搏自动检测。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析系统，其特征在于所述运动分类和强度分析模块302考虑了人体运动前后关联的特性，用于人体躺、起身、坐、躺下、起立、站、 坐下、走、跑9种最为常见的活动进行高精度的运动分类。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述的活动情景下综合分析模块303考虑了运动情景下的心率变异性分析，及相应的度量，用于诊断，以及运动情景下心率和心电图形态变化分析，也用于有氧运动的监测、优化和异常状态预警。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于分析软件单元 300用于数据读取，心电图查看、回放和自动分析，心率计算、心律失常分析、心率变异性分析、心肌缺血分析、人体运动分类与强度指示、以及结合人体运动情景信息分析心脏状态。进一步的所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述分析方法和软件单元300通过无线通信，实时从所述数据获取、存储和传输单元200中取得信号，对检测到的心电图和运动数据进行实时分析，实现用户心脏系统的实时监测、分析、预警和建议。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是本实用新型在传感器设置和穿戴方法、运动分类和分析，以及以运动为条件的心电图分析上等方面实现了创新，由此产生了 “动态心电和运动记录与分析装置”或称“新一代Holter”。具体来说有以下几点(1).传感器设置和穿戴方式灵活，运动传感器与心电图传感器电极可以封装在一起，也可以单独使用，心电图传感器电极可按常规心电图电极位置放置也可放在右肩胛，单组运动传感器放置位置可以在躯干和两个大腿、两个小腿上。(2).考虑了人体运动前后关联的特性，对人体躺、起身、坐、躺下、起立、站、坐下、 走、跑9种最为常见的活动进行高精度的运动分类。(3).增加考虑了运动情景下的心率变异性分析，及相应的度量，可以直接应用于诊断。(4)包括了运动情景下心率和心电图形态变化分析，可用于有氧运动的监测、优化和异常状态预警。
图1是本实用新型的逻辑方框图。其中，100为心电图和运动传感器单元，200为数据获取、存储和传输单元，300为分析软件单元，301为300中的心电图自动分析模块，302 为运动分类和运动强度估计模块，303为基于运动情景的综合分析模块，304为评估和报告模块。图2是本实用新型的一个实施例中的心电电极的佩戴位置图。其中101为心电电极传感器，102为加速度传感器等运动传感器，210为带子。图3是本实用新型的另一个实施例中的心电电极的佩戴位置图。其中101为心电电极，102为加速度传感器等运动传感器，210为带子。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步的说明。图2示出了用于在日常生活中记录动态心电图信号与运动信号的分析系统的佩带图。动态心电图记录装置包括两个以上的诸如电极101之类连接到人体体表的心电图电极传感器、附属在至少一个心电电极101上的运动传感器102，数据获取、存储和传输单元 200以及一条方便长时间穿戴的佩带210。这里，三个心电图电极分别安放在如图中的胸部位置，以测量常规心电图的Vl和V4导联。其中右肩胛位置是参考点。心电图电极使用常规的电极片，并贴到相应的位置。人体姿态和运动往往表现在躯干的方位和运动上。因此， 我们把运动传感器附着在Vl电极上，可以测量躯干的方位和运动。为了小型、重量轻、宜穿戴，将运动传感器与心电电极一起封装，以便方便和牢固地贴到胸前。此时，数据获取、存储和传输单元200用带子210挂在胸前，也可以别在腰间。图3示出用于在日常生活中记录动态心电图信号和运动信号的另一种结构和佩戴图。图中以Vl和V5两个导联为例，心电电极分别附着在胸前的Vl和V5位置，以及右肩胛参考点位置。这里，运动传感器直接放置在数据获取、存储和传输单元200之中。为了使运动传感器能测量躯干的方位和运动，把获取、存储和传输单元200以一条方便长时间穿戴的佩带210束在胸前。图2和图3中所示的结构示出了 Vl和V5两个导联情况。按照常规心电图电极位置的结构，我们完全可以根据需要，方便地实现1到12个导联的结构。图2和图3分别示出了把运动传感器与心电图电极一起贴在胸前，和将运动传感器放入数据获取、存储和传输单元200之中束在胸前的两种结构和方法，来采集人体躯干的方位和运动，从而推导人体运动类型和运动强度。运动传感器也可以放置于躯干的其它部位，或放置于头上。也可以同时放置多组运动传感器于身体的不同的部位，共同推导出人体运动类型和强度。为了推导人体运动，运动传感器的放置有如下几种形式1)单组运动传感器，放置于躯干或头上。若置于躯干，使用测量出的方位，则可推导出人体的各种姿态，如坐、躺、走、跑、摔等。使用运动传感器的动态变化水平，可以推导出人体运动的某些参数，如运动强度，步行与跑步的步频。2)多组运动传感器可分别放置在躯干、两个大腿上，或在躯干和两个大腿、两个小腿、和两个脚上放置运动传感器。从测量到的运动信息，推导出人体各种姿态和步态。由于信息比较齐全，推导出的姿态种类比较多，也比较精确。3)进行上述运动分类和运动强度估计所用的运动传感器102可以使用单一种类的加速计或陀螺仪，也可以同时使用加速计和陀螺仪，也可以同时使用加速计、陀螺仪和磁力计。有时候，也使用计步器、肌电传感器等等。在本实用新型的一个实施例中，运动传感器102是一个微机电(MEMS)的小型集成加速计。它在图2中与1个电极一起贴在胸前，在图3中放在数据获取、存储和传输单元 200之中佩戴在胸前。该传感器能够同时感应人体运动产生的加速度和地球重力加速度，并将感应的信号转换为电信号传输至模数转换器以转换成数字数据供分析软件读取和检测使用者的运动类型和活动水平。图2中的数据获取、存储和传输单元200挂在使用者胸部，，数据获取、存储和传输单元200也可以根据实际需要佩带在人体的其他部位。在本实用新型的实际应用中可以采用多种心电图信号采集电极传感器，如金质、 银质、贴片、导电布、等，通过多种方式与人体连接。连接的位置按照心电图测量标准，记录 1到12导联的心电图参数。心电图和运动分析软件单元300存在于主计算机中，如通常的动态心电图机的主机。此时，心电图和运动分析软件单元300通过USB标准接口读入M - 48小时记录的所有数据，进行批处理和分析，产生检测报告。心电图和运动分析软件单元300也可以通过无线传输方式，自数据获取、存储和传输单元200不断获得数据，进行实时处理和分析。检测可能的异常，向本人、家属、或医生报警。心电图和运动分析软件单元300包括心电图自动分析模块301，运动分类和度量模块302，综合分析模块303，评估和报告生成模块304。心电图自动分析模块301首先对心电图信号进行去噪声和去基线漂移处理。其后进行QRS波形结构的检测。由此，获得了心率。基于QRS波结构，进一步检测ST段、ρ波、T 波等典型心电图子波，对心电图波形的形态进行分析。从而检测到早搏、ST段上抬和下移等异常波形。提出了室性早搏自动检测方法。室性早搏作为心脏功能异常的一种表现，具有鲜明的特征，例如QRS宽度增大，R波幅值增高，RR间期缩短等。本发明提出的室性早搏自动检测方法同时采用了模板匹配和特征融合的方法，该方法经试验证明具有很高的正确率和实用价值。运动分类和强度模块302获得运动传感器数据后，首先使用HR低通滤波器将从三维加速计数据中分离重力加速度和被测者活动加速度；用三种特征分别描述被测者活动强度，身体姿态和过渡活动，这些特征分别为信号幅度面积，加速计轴与重力方向的夹角和累积变化量；构建活动类型时间相关性模型，表现为类型间转移图，对人体躺、起身、坐、躺下、起立、站、坐下、走、跑9种最为常见的活动采用状态转变结构，并通过概率决策模型来进行活动分类决策，以取得高的运动分类精度。运动强度表现为运动传感器数据的波动。波动的程度和频率即为运动强度的度量。运动情景下心电综合分析模块303包括考虑了运动情景的新型的心率变异性度量，可以直接应用于如心肌缺血等疾病的监测和预警。在运动情景下进行心率变异性分析包括以下步骤1)对ECG进行处理，获得QRS波位置；2)计算(Normal to Normal) NN 间隔序列；3)对NN间隔序列进行去基线处理；对NN间隔序列进行去奇异值处理；4)对运动类型和运动强度进行计算；5)根据运动类型和运动强度对NN间隔序列进行分段，不同运动类型，不同运动强度的数据归为一类；6)对NN间隔序列进行以上的时间和频域和其他HRV指标计算；7)对计算的HRV指标添加有运动状态和强度指示的参考值运动情景下综合分析模块(303 )还包括运动情景下心率和心电图形态变化监测方法，根据运动类型和运动强度不同和ECG波形和心率的变化情况定义各种量化评估指标以及参考值，这些指标包括基于运动强度的心率、ST段波形、QT长度、QRS宽度度量。这些指标反映了运动中心血管系统状态，对优化运动锻炼和训练效果、检测心律失常、预防运动猝死有重要意义。评估模块304根据应用要求，对多方面的指标和场景进行评估。例如，当发现摔到时，能否自己起来，有无伴随心电图异常，等，都是综合评估的重点。又例如，将心率变异性 (HRV)在几个月甚至几年的时间区间的变化进行评估。如果心率变异性突然变小，可能预示某种疾病。报告生成模块305，按照动态心电图诊断要求，生成报告。报告内容包括心电图和运动的主要参数，典型的波形和参数，异常波形检测结果和典型的异常数据，心率变异性，心电图参数随运动强度的变化曲线和统计数据等。根据本实用新型的一个方面，一个示范性实施例为用于记录和分析使用者心电图和运动情景的方法和系统。该系统记录使用者的1到12个导联的心电图信号，也可以记录血氧饱和度、呼吸、血压、等生理参数。根据本实用新型该方面的一个实施例，动态心电图记录与分析系统包括响应用户身体运动类型和强度的传感器，例如加速计、陀螺仪等惯性感应装置，或感应肌肉活动电信号的传感器。分析软件集成了数据读取，心电图查看、回放和自动分析，心率计算、心律失常分析、心率变异性分析、心肌缺血分析、人体运动分类与强度指示、以及结合人体运动情景信息分析心脏状态等功能。本实用新型的新一代动态心电记录与分析系统心电图性能与当前医用的Holter相当，且具有Holter不具备的运动情景记录和分析功能。为检测常规ECG 不易发现的心律失常和心肌缺血等，为临床分析病情、确立诊断、判断疗效提供客观依据。分析软件由如下模块组成数据录入模块、数据处理模块、统计模块、报告管理模块、报告打印模块以及显示模块。各模块功能如下1.数据录入模块可从记录仪的存储单元如SD卡中读取保存的心电图和加速度数据，并按照软件定义的格式存储在计算机存储设备中。2. 数据处理模块数据处理包含心电图预处理、心律失常分析、ST段分析、心率变异性(HRV)分析以及运动状态和强度分析。各处理和分析的内容如下·2.1心电图预处理。包括对心电图的去噪处理以及R波位置检测。2. 2心律失常分析。对经过预处理的心电图信号心律失常分析，包括最小心率、最大心率、平均心率、室性异常检测和次数统计、二联律检测、成对室性异常统计、成串室性异常统计、室性心动过速检测、室上性心动过速检测、室上性心动过缓检测、停搏检测等。其中，用于判别心律失常的指标和门限可设置。2. 3 ST段分析。对经过预处理的心电图信号进行S-T段检测，并根据设置的指标， 判别S-T段抬高和降低。以辅助做心肌缺血分析。2. 4 HRV分析。根据心电图预处理结果中的R波检测结果，做心率变异性分析，包括昼、夜的分析以及基于运动情景的心率变异性的分析结果。2.5运动状态和强度分析。对数据读取模块读入的加速度数据进行分析，识别用户的运动状态，计算运动强度，识别运动异常(如摔倒)，并计算行走和奔跑过程中的步伐频率。3.统计模块对数据处理模块的结果进行统计分析，软件系统中的统计内容包括3. 1心率失常分小时统计对每一个小时中的心跳次数、心律失常检测的异常次数进行统计。3. 2心率-运动状态对比统计统计了各运动状态下的平均心率、室性异常及发生次数、室上性异常及发生次数、心率随运动状态的变化情况、运动状态的改变统计等。3.3 S-T段统计S_T抬高或降低的次数、发生时间、高度、持续时间、期间心率等，以及S-T段高度随运动强度的变化等。3. 4条带统计维护在数据处理中检测到的异常数据以及人工标注的位置及当时的信号，称之为条带，可供用户查询。4.报告管理模块在数据库和文件系统中管理和维护用户信息、报告信息等。5.显示模块与用户交互的界面，包括报告管理界面、数据读取和处理向导、各统计界面、信号/条带查看和编辑界面、打印管理界面等。6打印模块使用户可以通过打印机讲检查结果通过普通打印机打印为纸质文档，以方便存档和携带。可打印的内容有报告基本信息、心律失常分小时统计信息、S-T段抬高/降低统计、HRV统计、运动统计以及条带。该软件系统的使用步骤简述如下1)将采集完毕数据的记录仪通过USB数据线连接至计算机。2)通过软件系统的新建报告向导从记录仪中读取并处理数据，包括a)选择要处理的数据文件并做心电图预处理及运动状态和强度检测；b)设置或选择默认心律失常参数，做心律失常检测；c)从原始心电图信号中选择S-T段分析的基准，设置或选择默认参数，做S-T段检测；d)统计分析后，完成心电图处理，并生成报告。3)完成后即生成一次完整的报告。在此步骤中可查看处理结果，可对处理结果进行修改和人工校准，可以选择打印报告，可填写诊断结论等。
权利要求1.一种动态心电和运动记录与分析装置，包括心电图和运动传感器单元(100)，数据获取、存储和传输单元(200)，其特征在于还包括分析软件单元(300)，其中所述心电图和运动传感器单元(100)包括心电图传感器电极(101)和运动传感器(102)。
2.根据权利要求1所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述心电图和运动传感器单元(100)的心电图传感器电极(101)为金质、银质、贴片、导电布；所述心电图和运动传感器单元(100)的运动传感器(102)为速度计、陀螺仪、磁力计、计步器、肌电传感器。
3.根据权利要求1或2所述的动态心电和运动记录与分析装置，其特征在于所述心电图传感器电极(101)与所述运动传感器(102)封装在一起；心电图传感器电极(101)可按常规心电图电极位置放置也可放按需要放置；运动传感器(102)放置位置在躯干和两个大腿、两个小腿上。
专利摘要本实用新型公开了一种动态心电和运动记录与分析装置，用于自动检测使用者活动和进行活动情景下的心电分析。该系统除包括心电图和运动传感器单元，数据获取、存储和传输单元外还还包括分析和软件单元。运动传感器与心电图传感器电极可以封装在一起，也可以单独使用；该装置记录和自动检测使用者日常的物理运动和相应的活动强度；自动分析心电图；分析不同的活动强度下的心率变异性，以及心率变异性随活动类型、活动强度、和时间的变化；并分析心率和心电图形态随运动强度和持续时间变化的方法；当检测到心电图异常或者活动异常时会给出相应标记，存储当时相应的所有原始信号和分析结果，提示使用者、家人和医护人员。
文档编号A61B5/0432GK202027572SQ20112002169
公开日2011年11月9日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者冀连营, 吴健康, 李爱光, 王韶峰 申请人:无锡微感科技有限公司