用于心肺系统相位同步分析的系统和方法

用于心肺系统相位同步分析的系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于心肺系统的相位同步分析的系统和方法，用于评估心率与呼吸同步的程度，即心肺耦合强度；该系统包括心电信号采集模块、心电信号预处理模块、心电信号R波峰检测模块、呼吸信号采集模块、呼吸信号预处理模块、呼吸信号波峰检测模块和相位同步分析模块；其中，心电信号采集模块采集心电信号；心电信号R波峰检测模块采用基于小波变换的R波检测算法检测R波峰；呼吸信号采集模块采集呼吸信号；呼吸信号波峰检测模块采用阈值法检测呼吸波峰点；相位同步分析模块基于相位同步图计算心肺同步时间，作为心肺耦合强度的量化指标。
【专利说明】用于心肺系统相位同步分析的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于心率与呼吸相位同步分析的系统和方法。
【背景技术】
[0002]心血管系统和呼吸系统受到神经和体液的调控，以各自的节律工作，维持了人体正常的生命活动。但它们之间并不是相互独立没有影响的，而是密切配合，共同完成生理功倉泛。
[0003]在中枢的调节和控制下，呼吸活动和心脏活动一样有自己的运动节律，而且这种节律的深度和频率会随着机体内外的环境而改变。同时，节律性呼吸不仅受到中枢的调控，还受到来自呼吸器官本身以及血液循环等其他器官感受器传入冲动的反射性调节，例如化学感受性呼吸反射、肺牵张反射和呼吸肌本体感受性反射。
[0004]呼吸过程由外呼吸(包括肺通气和肺换气)、内呼吸(即组织细胞和毛细血管血液之间的气体交换过程)、气体在血液中的运输三个环节组成，呼吸运动通过这三个环节使人体获取新陈代谢所需要的02，向外界排出代谢产物co2。其中，后两个环节均在血液循环系统中完成，因此，呼吸运动是在神经和体液的调控下以及心血管系统的协调配合下完成的。同时，呼吸运动又会通过神经和体液的调节来影响心血管系统的活动。呼吸性窦性心率不齐是呼吸影响心血管系统活动的很好的例子。
[0005]心血管系统受到神经调节、体液调节和自身调节，这些调节是通过各种反射来实现的，调节的因素很多，调节的过程也很复杂。以下以窦性心率不齐为例，描述呼吸过程中，各种影响因素调节心血管系统活动的过程。
[0006]人体在做吸气运动时，胸廓扩张，这一活动使支气管和细支气管的平滑肌层中的肺牵张感受器兴奋，发放冲动并将冲动传入到呼吸中枢。中枢将传入的信息进行整合，抑制迷走神经的活动，增强交感神经活性，从而使心率加快，血压升高。
[0007]血压升高后，位于颈动脉窦和主动脉弓血管外膜下的动脉压力感受器兴奋，发放冲动并将冲动传入到中枢，中枢再次将传入信息整合后，增强迷走神经的活性，抑制交感神经的活性，使心率减慢，血压降低；与此同时，血压升高引起心房和心室的血容量增多，使位于心房、心室和肺循环大血管壁的心肺感受器兴奋，它们发放的冲动经中枢整合后，进一步降低交感神经活性，增强迷走神经活性，使心率减慢，血压下降。
[0008]心率减慢引起血液中的PO2 (氧分压)降低，PCO2升高，H+浓度升高，颈动脉体和主动脉体化学感受器感受到这些变化，发放冲动并传入中枢，使呼吸加快，心率加快。
`[0009]上述这些感受器的活动与神经中枢共同作用，调节呼吸和心血管系统的活动，使心率与呼吸同步。研究心血管系统和呼吸系统的同步在本领域具有重要的意义。

【发明内容】

[0010]本发明的目的在于提供一种用于心肺系统相位同步分析的系统和方法。
[0011]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。[0012]一种用于心肺系统的相位同步分析的系统，所述系统包括心电信号采集模块、心电信号预处理模块、心电信号R波峰检测模块、呼吸信号采集模块、呼吸信号预处理模块、呼吸信号波峰检测模块和相位同步分析模块；
[0013]心电信号采集模块采集心电信号；
[0014]心电信号预处理模块包括基线漂移处理模块和数字滤波模块，数字滤波模块进行低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60HZ的陷波处理；
[0015]心电信号R波峰检测模块采用基于小波变换的R波检测算法检测R波峰，基于小波变换的R波检测算法采用了支持紧支集且具有一阶消失矩的二次B样条小波，二次B样条小波的等效滤波器系数如下:
[0016]Ii1=0.3750，h2=0.1250，h3=0.0000
[0017]g!=0.5798，g2=0.0869，g3=0.0061
[0018]hk=lvk，gd—k,若 k>3, hk=gk=0,
[0019]呼吸信号采集模块采集呼吸信号；
[0020]呼吸信号预处理模块对呼吸信号进行滤波；所述呼吸信号预处理模块使用Chebyshev低通滤波器滤除高频噪声和干扰，设置截止频率fc=0.04Hz,通带纹波
0.01dB;所述呼吸信号预处理模块在低通滤波的基础上，再对呼吸信号做自适应滤波；使用Widrow-Hoff LMS算法来实现自适应滤波器，取Ν=71，μ =-0.0001，其中N和μ为Widrow-Hoff LMS算法中自适应滤波器的参数；
[0021]呼吸信号波峰检测模块采用阈值法检测呼吸信号的波峰点；
`[0022]相位同步分析模炔基于相位同步图计算心肺同步时间，作为心肺耦合强度的量化指标。
[0023]R波检测过程如下:
[0024]I)特征尺度的选择:
[0025]选用21-24四个尺度，采用二次B样条小波，把心电信号进行四层分解，得到小波变换成分,2i/(i =】，13，4)和光滑信号Syl./ ;
[0026]2) R波模极大值列的确定:
[0027]检测4个尺度上的模极大值列，以减小噪声以及高P波和高T波对R波检测的影响；
[0028]通过以下步骤确定R波对应的模极大值点:
[0029](I)从尺度24的小波变换结果中找出大于阈值ε 4的模极大值点，得到这些点的
位置集合.1?4 ；
[0030](2)从尺度23的小波变换结果中，在1%4邻域内，邻域选为左右各10个点，找出
大于阈值ε 3且与η:处模极大值点同符号的模极大值点，将其位置定为4.若< 附近有几个模极大值点，则选最大的一个；若这个点(指所述最大的一个)的幅值小于1.2倍其它几个模极大值点的幅值，则选最靠近<的点；若<邻域内没有与4处模极大值点同符号的模
极大值点，则令为O ;得到所有这些点位置的集合!< “=1…雾} 5[0031](3)使用步骤(2)的方法，找到尺度22、〗1上的模极大值点位置的集合和
{% Il-1-Jvl *
[0032]其中，不同的尺度采用的不同的幅度阈值{ ε i，ε 2，ε 3，ε 4}是根据最新检测到的小波变换模极大值来刷新的，刷新公式为:
[0033]
[0034]则為.+1= Aj ?
[0035]否则=0.8754* 4- 0.125)
[0036]而&=0.3Jf1 j=l, 2，3，4
[0037]其中，\W2jf(ni)\代表检测到的小波变换模极大值；
[0038]3)奇异点奇异度的计算:
[0039]令(?)= (nk)，假设 a 为 Lipschitz 指数的上限;令 a ~log2aJ+1 (nk) -1og2Bj (nk)；
通过四层小波分解，可以得到％馮和B3 ;在R波峰点处必定有&1>0,且通常情况下％>0，而且即使32<0时，a.+a,必定会大于O ;对于大多数R波，通常有％〈()而且^+?+? ( O,而对于高频噪声和剧烈干扰，B1 ^ O, Ei2 ^ O, B3 ^ 0，且^+?+? ( O ;因此，从^+?+?的值不能分辨R波、高频噪声
和干扰，而4+?有很好的分辨效果;所以，本算法在检测R波时选用了 B^a2，并令, =若
a’ >0，贝IJ相应的模极大值点是R波峰值点所对应的;若a’突然减小变为负值，则相应的模极大值点一定是噪声或干扰所对应的，应删除相应的模极大值列;
[0040]4)去除孤立的和多余的模极大值列:
[0041 ] (I)删除孤立的模极大值列；
[0042]R波在每个特征尺度上都对应于一对模极大值列，即正极大值-负极小值对；这两个模极大值点的间距在尺度21上比R波的宽度小为尺度21上^,/0)的一个正极大
值点，?1 (k * O为同一尺度上％/(?)的负极小值点，若^和nl(k本”间距大于给定的阈值
120ms，则力孤立模极大值点，应将其删除；
[0043](2)删除多余的模极大值列；
[0044]多余的模极大值列可以使用下面的准则来删除:
[0045]选择QRS波的能量主要集中的尺度23上的模极大值来判别；设两个负极小值点分别为Minl和Min2，其幅值分别为Al和A2，而它们与相应的正极大值点的距离分别为LI和L2 ；
[0046]准则1:若告>1.2菩，则Min2是多余模极小值点；
[0047]准则2:若 —^ > 1.2—""，则Minl是多余申旲极小值点；[0048]准则3:否则，若Mini，Min2在该正极大值的同侧，那么离该正极大值远的是多余模极大值点；若Mini，Min2在该正极大值点的两侧，那么该正极大值点后的那一点为多余
占.[0049]5) R波峰点检测:
[0050]检测出正极大值-负极大值对的过零点的位置得到R波峰点的位置。
[0051]在检测到一个R波之后，把其后200ms内的极值都忽略。
[0052]先对前30秒内所检测的RR间期进行平均，得到最近一段时间的平均心动周期T，若本次检测的RR间期大于1.5T，则在此间期内在尺度23上用0.5 ε 3检测模极大值；若此区间内的一对正极大值-负极小值对点之间的间隔小于140ms，则认为有漏检，检测它们之间的零交叉点，并用3点的时移修正，得到重检的R波。
[0053]呼吸信号采集模块采用呼吸绑带换能器测量呼吸运动，该呼吸绑带换能器测量呼吸时胸腔或腹腔运动；呼吸信号采集模块包括前置集成模块，用于对所述呼吸信号进行放大、模/数转换等处理。
[0054]心电信号采集模块采用一次性氯化银电极作为传感器，包括三个心电导联，心电信号采集模块包括前置集成模块，用于对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、模/数转换等处理。
[0055]使用基于庞加莱截面的方法获得相角，即以呼吸信号的峰值点作为呼吸周期的分界点，通过在两个峰值点之间作线性插值获得呼`吸信号的相位。
[0056]在每次出现R尖峰的时刻观察呼吸信号的相位，即可获得相位同步图，即心肺同步图；检测第i个和第i+m个观测点处循环相对相位的差值是否在一个比较小的阈值范围内；如果连续k个点，其中k ^ 2m，满足下式条件，就认为这段时间两个系统是相位同步的:
[0057]3Λ>?|Ψ?+β1 —i G {1,,,,,1 + 1:-1 |0<l< ATr-1fc + 1}, (6)
[0058]式中，Nr是所有观测点的数目，Ψ?+Π1, Wm是循环相对相位；
[0059]在检测出来的代表相位同步的观测点位置上做标记，根据标记的观测点算出总的相位同步时间。
[0060]一种用于心肺系统的相位同步分析的方法，所述方法包括下列步骤:
[0061]采集心电信号；
[0062]对心电信号进行基线漂移处理、低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60ΗΖ的陷波处理；
[0063]采用基于小波变换的R波检测算法检测R波峰，基于小波变换的R波检测算法采用了支持紧支集且具有一阶消失矩的二次B样条小波，二次B样条小波的等效滤波器系数如下:
[0064]Ii1=0.3750，h2=0.1250，h3=0.0000
[0065]g!=0.5798，g2=0.0869，g3=0.0061
[0066]hk=lvk，gk=_g卜k,若 k>3, hk=gk=0,
[0067]采集呼吸信号；
[0068]对呼吸信号进行滤波；使用Chebyshev低通滤波器滤除高频噪声和干扰，设置截止频率fc=0.04Hz，通带纹波0.01dB ;在低通滤波之后，再对呼吸信号做自适应滤波；使用Widrow-Hoff LMS算法来实现自适应滤波器，取Ν=71，μ =-0.0001，其中N和μ为Widrow-HoffLMS算法中自适应滤波器的参数；
[0069]采用阈值法检测呼吸信号的波峰点；
[0070]基于相位同步图计算心肺同步时间，作为心肺耦合强度的量化指标。
[0071]R波检测过程如下:
[0072]I)特征尺度的选择:
[0073]选用21^4四个尺度。采用二次B样条小波，把心电信号进行四层分解，得到小波变换成分％./(./ = 1，2，3，4)和光滑信号S24/ ;
[0074]2) R波模极大值列的确定:
[0075]检测4个尺度上的模极大值列，以减小噪声以及高P波和高T波对R波检测的影响；
[0076]通过以下步骤确定R波对应的模极大值点:
[0077](I)从尺度24的小波变换结果中找出大于阈值ε 4的模极大值点，得到这些点的
位置集合WU..,V B
[0078](2)从尺度23的小波变换结果中，在》丨邻域内，邻域选为 < 左右各10个点，找出大
于阈值ε 3且与<处模极大值点同符号的模极大值点，将其位置定为^。若< 附近有几个模极大值点，则选最大的一个；若这个点的幅值小于1.2倍其它几个模极大值点的幅值，则选最靠近的点；若<邻域内没有与《?处模极大值点同符号的模极大值点，则令Iif为O ;得
到所有这些点位置的集合W U…Λ `}；
[0079](3)使用步骤(2)的方法，找到尺度22、21上的模极大值点位置的集合|4..λ }和
[0080]其中，不同的尺度采用的不同的幅度阈值{ ε i，ε 2，ε 3，ε 4}是根据最新检测到的小波变换模极大值来刷新的，刷新公式为:
[0081]若|r2//(n/和24%
[0082]则Αψ%: A"'，
[0083]否则A;1'' = 0.875.4； +0.125 k,/(n/ )|
[0084]而Sj= OJAJ'*1 j=l, 2，3，4
[0085]其中，|,2,/(4)|代表检测到的小波变换模极大值；
[0086]3)奇异点奇异度的计算:
[0087]令<2/0!) =)，假设 a 为 Lipschitz 指数的上限;令 a ~log2aJ+1 (nk) -1og2Bj (nk)；
通过四层小波分解，可以得到％馮和B3 ;在R波峰点处必定有&1>0,且通常情况下％>0，而且即使32<0时，a.+a,必定会大于O ;对于大多数R波，通常有％〈()而且^+?+? ( O,而对于高频噪声和剧烈干扰，B1 ^ O, Ei2 ^ O, B3 ^ 0，且^+?+? ( O ;因此，从^+?+?的值不能分辨R波、高频噪声和干扰，而4+?有很好的分辨效果;所以，本算法在检测R波时选用了斗為，并令
【权利要求】
1.一种用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于:所述系统包括心电信号采集模块、心电信号预处理模块、心电信号R波峰检测模块、呼吸信号采集模块、呼吸信号预处理模块、呼吸信号波峰检测模块和相位同步分析模块； 心电信号采集模块采集心电信号； 心电信号预处理模块包括基线漂移处理模块和数字滤波模块，数字滤波模块进行低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60HZ的陷波处理； 心电信号R波峰检测模块采用基于小波变换的R波检测算法检测R波峰，基于小波变换的R波检测算法采用了支持紧支集且具有一阶消失矩的二次B样条小波，二次B样条小波的等效滤波器系数如下:
Ii1=0.3750, h2=0.1250, h3=0.0000
g^0.5798, g2=0.0869, g3=0.0061
hk=h卜k，gk=_S1-k> 右 k〉3, hk=gk=0, 呼吸信号采集模块采集呼吸信号； 呼吸信号预处理模块对呼吸信号进行滤波；所述呼吸信号预处理模块使用Chebyshev低通滤波器滤除高频噪声和干扰，设置截止频率fc=0.04Hz，通带纹波0.01dB ;所述呼吸信号预处理模块在低通滤波的基础上，再对呼吸信号做自适应滤波；使用Widrow-HofT LMS算法来实现自适应滤波器，取Ν=71，μ =-0.0001，其中N和μ为Widrow-Hoff LMS算法中自适应滤波器的参数； 呼吸信号波峰检测模块采用阈值法检测呼吸信号的波峰点； 相位同步分析模炔基于相位同步图计算心`肺同步时间，作为心肺耦合强度的量化指标。
2.如权利要求1所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于R波检测过程如下: 1)特征尺度的选择: 选用2^24四个尺度，采用二次B样条小波，把心电信号进行四层分解，得到小波变换成分= 1，2，3，4)和光滑信号S2>/ ; 2)R波模极大值列的确定: 检测4个尺度上的模极大值列，以减小噪声以及高P波和高T波对R波检测的影响； 通过以下步骤确定R波对应的模极大值点: (O从尺度24的小波变换结果中找出大于阈值ε 4的模极大值点，得到这些点的位置集合 (2 )从尺度23的小波变换结果中，在4邻域内，邻域选为<左右各10个点，找出大于阈值ε3且与V处模极大值点同符号的模极大值点，将其位置定为B夂若 < 附近有几个模极大值点，则选最大的一个；若这个点的幅值小于1.2倍其它几个模极大值点的幅值，则选最靠近的点；若％4邻域内没有与《?处模极大值点同符号的模极大值点，则令η〗为O ;得到所有这些点位置的集合丨I(3)使用步骤(2)的方法，找到尺度22、〗1上的模极大值点位置的集合丨4 |4+、丨和
3.如权利要求2所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于在检测到一个R波之后，把其后200ms内的极值都忽略。
4.如权利要求3所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于先对前30秒内所检测的RR间期进行平均，得到最近一段时间的平均心动周期T，若本次检测的RR间期大于1.5T，则在此间期内在尺度23上用0.5 ε 3检测模极大值；若此区间内的一对正极大值-负极小值对点之间的间隔小于140ms，则认为有漏检，检测它们之间的零交叉点，并用3点的时移修正，得到重检的R波。
5.如权利要求1-4中任一项所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于呼吸信号采集模块采用呼吸绑带换能器测量呼吸运动，该呼吸绑带换能器测量呼吸时胸腔或腹腔运动；呼吸信号采集模块包括前置集成模块，用于对所述呼吸信号进行放大、模/数转换等处理。
6.如权利要求1-5中任一项所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于，该心电信号采集模块采用一次性氯化银电极作为传感器，包括三个心电导联，心电信号采集模块包括前置集成模块，用于对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、模/数转换等处理。
7.如权利要求1-6中任一项所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于，使用基于庞加莱截面的方法获得相角，即以呼吸信号的峰值点作为呼吸周期的分界点，通过在两个峰值点之间作线性插值获得呼吸信号的相位。
8.如权利要求1-7中任一项所述的用于心肺系统的相位同步分析的系统，其特征在于，在每次出现R尖峰的时刻观察呼吸信号的相位，即可获得相位同步图，即心肺同步图；检测第i个和第i+m个观测点处循环相对相位的差值是否在一个比较小的阈值范围内；如果连续k个点，其中k ^ 2m，满足下式条件，就认为这段时间两个系统是相位同步的:
9.一种用于心肺系统的相位同步分析的方法，其特征在于所述方法包括下列步骤: 米集心电信号； 对心电信号进行基线漂移处理、低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60ΗΖ的陷波处理； 采用基于小波变换的R波检测算法检测R波峰，基于小波变换的R波检测算法采用了支持紧支集且具有一阶消失矩的二次B样条小波，二次B样条小波的等效滤波器系数如下:
10.如权利要求9所述的用于心肺系统的相位同步分析的方法，其特征在于，在每次出现R尖峰的时刻观察呼吸信号的相位，即可获得相位同步图，即心肺同步图；检测第i个和第i+m个观测点处循环相对相位的差值是否在一个比较小的阈值范围内；如果连续k个点，其中k > 2m，满足下式条件，就认为这段时间两个系统是相位同步的:
【文档编号】A61B5/0456GK103876733SQ201410090721
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】张建保, 谢琳 申请人:西安交通大学