无线远程心电监测系统及方法与流程

本发明属于心电监测的技术领域，特别涉及无线的心电监测系统及监测方法。

背景技术：

心脏疾病大致可以分为以下几大类：冠心病；心脏瓣膜病；心肌病；心肌炎；先天性心脏病；肺心病；心包疾病；高血压；心律失常等。其中冠心病中又分为心绞痛型，心肌梗死型，心律失常型，衰竭型和心肌病型等类型。瓣膜病也有很多种，最常见的为风湿性心瓣膜病。先心病中也有很多类型。心肌病中有扩张性心肌病，肥厚性心肌病，限制型心肌病，致心律失常型心肌病。

心脏病的危害是不言而喻，尤其它的突发性、猝死性，目前已经成为危害人类健康的一大杀手。心脏病发作的时候，病人会出现胸口疼痛，除此之外，心脏病的危害也有很多。心脏病发作有可能是渐进性的，在发作前几周先出现心绞痛。但它也可能在毫无预兆下猝然发作。心脏病的致死率非常高，因心脏疾病而死亡的人，比罹患其他疾病而死亡的人要多。在心脏疾病致死的病例中，以心脏病发作而死亡的情况最常见，但在心脏疾病发作的病例中，只有1/3是致命性的，其他至少有2/3是非致命性的。

心电图检测技术发展已经有一段历史了，1957年美国首先创造了动态心电图，当时在世界引起了轰动。所谓动态心电图就是长时间记录病人在活动时候的心电状况。该方法改变过去无法实现时间环境全信息化这一缺陷，实现了时间、环境全信息记录与诊断。它只能针对医院里面的人进行监控，对于外面的人群就无法实现了。所以到了70年代，美国又研究了利用电话来传送心电图的监测系统，简称ttm。病人通过电话传送信息，医生根据传来的心电信号和患者的诉说，向病患提供治疗意见，该方法确实解决了院外心脏病患者。但是也存在局限性，因为患者需要ttm专用的电话才能实现这功能。

随着信息的发展，无线时代已经成为社会发展趋势。因此在ttm的基础上迎来了一个新的时代，利用无线传输实现心电监护。无线传输确实便捷，但是成本比较高，所以不利于仪器的普及。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种无线远程心电监测系统及方法，该系统及方法实现基本的人体生命特征数据的采集，给医生提供心脏病监控的必要数据，以达到辅助医生的功能。

本发明的另一个目的在于提出一种无线远程心电监测系统及方法，该系统及方法结构简单，易于实现，且体积小，便于携带。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种无线远程心电监测系统，其特征在于所述系统包括有若干个传感器，所述传感器分别进行心电信号检测、呼吸频率检测、血压的检测、血氧信号的采集，所述传感器连接于信号处理电路，所述信号处理电路连接于蓝牙模块，通过蓝牙模块将采集的数据传输给手机等智能终端。

传感器进行心电信号检测、呼吸频率检测、血压的检测，以及血氧信号的采集，采集到的数据传输给信号处理电路，将患者的血氧，呼吸，血压，体温等信息经过ad采样，经蓝牙传输到手机，手机通过4g网络或者wifi与云平台连接，实时将心电等信息传输云平台，以供医生随时调取观察分析，诊断病情。

该无线远程心电监测系统的每个传感器都具有独立的功能，能够独立测出各自所需要的数据，然后通过蓝牙或串口接口将数据传给手机进行数据处理.这样设计的目的是减少传感器与手机的关联性，方便后期的维护。

进一步，对于每个传感器来说，信号采集过程中采用三导联获取信号。目的是为了便捷，同时尽可能保证信息的获取质量。

更进一步，传感器三导联的电极名称是rl、v1、v2，其中rl位于右下肢，v1位于肋间隙胸骨右缘，v2位于肋间隙胸骨左缘。

所述信号处理电路包括有放大电路、模数转换电路和滤波电路。

进一步，通过导联获得的微弱信号，需对其进行放大。本发明采取三级放大电路来放大心电信号，第一级采用差分放大电路，目的是抑制共模千扰，电路中采用高阻抗来保护原始信号，第二级采用带通滤波器进行滤波，第三级采用同比例放大电路进行放大。

所述蓝牙传输单元主要是由蓝牙组成，通过蓝牙技术实现了移动设备和固定设备之间的连接。蓝牙采用由atrie公司开发的蓝牙模块btm-204b，该蓝牙模块的体积非常小，能够有效地减小本发明的体积，便于携带。

一种无线远程心电监测方法，其特征在于该方法先通过导联从人体体表采集心电信号，再对信号进行放大和滤波，然后再进行模数转换，接下来由串口发送给蓝牙传输单元，最后由蓝牙传输将信号传输给后端移动处理单元进行数据分析、显示和存储。

进一步，滤波中，采用数字滤波的方法来滤出心电信号的工频千扰；具体地说，采用离散型小波变换可以很方便的将信号进行小波分解和重建。

更进一步，小波分解和重建分为以下三个步骤：

(1)一维信号的小波分解；选择一个小波并确定分解的层次，然后进行分解计算；

(2)小波分解高频系数的阈值量化；对各个分解尺度下的高频系数选择一个阈值进行软阈值量化处理，保留有用信息，去除噪声成分；

(3)一维小波重构；根据小波分解的最底层低频系数和各层高频系数进行一维小波重构。

更进一步，小波函数采用db4小波，db小波系是小波函数中常用的一个系，该函数具有dbn系列，n值一般选取1到10。

更进一步，在小波分解和重构之前，先选择带通滤波，只限定适合心电信号通过的带宽，选取0.5～35hz的带通滤波。

然后就是对心电信号的检测，从心电信号波qrs波群中的r波峰入手，先确定r波峰值点，然后根据各波段与r波峰值点的距离参数范围来检测整个心电信号是否正常。

进一步，利用小波变换来检测r峰值点，具体地说，通过mexican小波函数实现对r峰值点的检测；且在检测中，检测信号峰值的奇异点的位置时最好采用趋近于0时的尺度定位，因为在零尺度下得到的模极大值与原始波形的奇异点很接近，又因为采用mexican小波函数，它具有对称性，因此原始信号在小波变换的过程中仍保持极大值。

本发明所实现的无线远程心电监测系统及方法，能够实时地获取人体的心电信号、呼吸频率、血压、血氧信号，实现基本的人体生命特征数据的采集，并及时通过蓝牙模块传输给手机等移动终端或云平台，给医生提供心脏病监控的必要数据，以达到辅助医生的功能。

同时，该系统结构简单，易于实现，体积小，便于携带。

附图说明

图1是本发明实施的结构示意图。

图2是本发明实施的差分放大电路图。

图3是本发明实施的带通滤波器电路图。

图4是本发明实施的同比例放大电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示，为本发明所实现的无线远程心电监测系统，图中所示，所述系统包括有若干个传感器，所述传感器分别为心电信号传感器、呼吸频率传感器、血压传感器、血氧信号传感器，进行心电信号检测、呼吸频率检测、血压的检测、血氧信号的采集，所述传感器连接于信号处理电路，所述信号处理电路连接于蓝牙模块，通过蓝牙模块将采集的数据传输给手机等智能终端。

传感器进行心电信号检测、呼吸频率检测、血压的检测，以及血氧信号的采集，采集到的数据传输给信号处理电路，将患者的血氧，呼吸，血压，体温等信息经过ad采样，经蓝牙传输到手机或云平台，手机或云平台通过4g网络或者wifi与云平台连接，实时将心电等信息传输云平台，以供医生随时调取观察分析，诊断病情。

无线远程心电监测系统中的每个传感器都具有独立的功能，能够独立测出各自所需要的数据，然后通过蓝牙或串口接口将数据传给手机进行数据处理.这样设计的目的是减少传感器与手机的关联性，方便后期的维护。

对于每个传感器来说，信号采集过程中采用三导联获取信号。目的是为了便捷，同时尽可能保证信息的获取质量。传感器三导联的电极名称是rl、v1、v2，其中rl位于右下肢，v1位于肋间隙胸骨右缘，v2位于肋间隙胸骨左缘。

通常情况下，图1中的信号处理电路包括有放大电路、模数转换电路和滤波电路。

由于通过导联获得的微弱信号，需对其进行放大。由于心电幅度为mv量级，因此需要放大上千倍才能被观察到，并且人体本身内阻比较大，因此一个高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。本发明采取三级放大电路来放大心电信号，第一级采用差分放大电路，如图2所示，目的是抑制共模千扰，电路中采用高阻抗来保护原始信号，第二级采用带通滤波器进行滤波，如图3所示，第三级采用同比例放大电路进行放大，如图4所示。

所述蓝牙传输单元主要是由蓝牙组成，通过蓝牙技术实现了移动设备和固定设备之间的连接。蓝牙采用由atrie公司开发的蓝牙模块btm-204b，该蓝牙模块的体积非常小，能够有效地减小本发明的体积，便于携带。

本发明所实现的方法，先通过导联从人体体表采集心电信号，由于信号微弱并伴随千扰，所以对信号进行放大和滤波，然后再进行模数转换，接下来由串口发送给蓝牙传输单元，最后由蓝牙传输将信号传输给后端移动处理单元(android处理单元)进行数据分析、显示和存储。

采集来的常规心电信号有个显著特点，就是很微弱，其频带范围在0.05-100hz，但是心电信号的主要能量就存放在此频带。因此如何对周围环境噪声的强千扰下，有效的对心电信号进行检测，这就必须要求我们要对噪声千扰进行抑制。在心电信号中的噪声千扰主要存在工频千扰、呼吸过程中引起的基线漂移、电极接触噪声千扰以及运动伪迹千扰等。

采集心电信号时，因为周围用的电压的频率为50hz，该频率的电压会以电磁波形式进行辐射，该辐射必定会对采集的心电信号进行千扰，把这种千扰称之为心电信号的工频千扰。从心电信号的频段和工频千扰的频率来看，刚好工频千扰的频率位于采集的心电信号频段中间，因此要将工频千扰信号抑制，避免它对心电信号的千扰，因此采用数字滤波的方法来滤出心电信号的工频千扰。

具体地说，采用离散型小波变换可以很方便的将信号进行小波分解和重建。小波变换的数字滤波的关键就是在不同尺度下分解信号并对应不同的频带。对信号去噪实质上是抑制信号中的无用部分，增强信号中有用部分的过程。一维信号的消噪过程主要分为以下三个步骤：

(1)一维信号的小波分解。选择一个小波并确定分解的层次，然后进行分解计算。

(2)小波分解高频系数的阈值量化：对各个分解尺度下的高频系数选择一个阈值进行软阈值量化处理，保留有用信息，去除噪声成分。

(3)一维小波重构：根据小波分解的最底层低频系数和各层高频系数进行一维小波重构。

小波分解和重构，核心是基小波的选择。

①基小波的选取

小波函数不是唯一的，是任一的。而傅立叶变换则不同，他是唯一的。我们在选取小波函数的不同必然会导致不同的结果。经过实验验证，采用db4小波滤出来的波形效果相对较好。

db小波系是小波函数中常用的一个系，该函数具有dbn系列，n值一般选取1到10，要是n取得更大，那么波形就大了，不利于检测。dbn中的n就是这个小波函数的消失矩，消失矩越大，它的支撑长度就越大，通常是支撑长度不少于2n-1的。消失矩大，小波函数光滑，支撑长度长。但其傅立叶变换恰好相反，消失矩小的话，其频域支撑长度长且光滑性好；消失矩大，滤波器的长度越长。

②频域的明确

心电信号的频带在0～100hz，而主要能量集中在5～45hz。其中qrs波群中心频率一般在17hz左右(该频率也被称为qrs波群的特征频率)，其带宽约10hz。而p波、t波、以及基线漂移等的频带都是在qrs波群频带的低端以外，尤其基线漂移的频带基本都低于1hz。至于工频干扰是50hz，而肌电干扰在5～2khz间。所以我们可以先选择带通滤波，只限定适合心电信号通过的带宽，一般选取0.5～35hz的带通滤波。

③小波通带的确定

经过试验，db4小波的通带频率响应分别为：尺度1的带宽为125～250hz，尺度2的带宽为62.5～125hz，尺度3的带宽为31.25～62.5hz，尺度4的带宽为15.625～31.25hz，尺度5的带宽为7.8125～15.625hz，尺度6的带宽为3.90625～7.8125hz，尺度7的带宽为1.953125～3.90625hz，尺度8的带宽为0.9765625～1.953125hz，尺度9的带宽为0.48828125～0.9765625hz，尺度10的带宽为0.244140625～0.48828125hz。

根据噪声干扰的带宽和采用db4小波对心电信号进行10个尺度下的分解的带宽，我们得知第9尺度的带宽为0.48828125#0.9765625hz，而基线漂移的带通小于1hz，可见基线漂移的能量主要集中在该尺度，所以只要将该尺度的系数设置为0，对其进行强制性消除就可以了。肌电干扰信号的能量主要集中在第1尺度，而心电信号的能量主要集中在第3、4尺度，所以可以将第1尺度的系数设置为0，对其进行强制性消除噪音。由于工频干扰信号带通覆盖在第2、3尺度，而这两个尺度聚集了一定量的心电信号，所以不能采取上面强制的方法，将尺度参数设置为0，只能采取确定阈值的方法消除噪音。干扰被消除后，就对过滤后的信号进行重组。

然后就是对心电信号的检测。心电信号波主要是由p波、qrs波群以及t波等主要波形组成，因此计算机要检测和识别心电信号，就必须对主要波形进行检测和识别，其中qrs波群中r波峰是整个波形中最高点，所以可以抓住心电信号的这一特点，从r波峰入手。

对r波峰值的检测：r波峰可以说是心电信号的焦点，要确定整个心电信号，就必须先确定r波峰值点，然后根据各波段与r波峰值点的距离参数范围来检测整个心电信号是否正常。要获取r峰值，可以采用传统的方法滤波，将非qrs波群的信号全部滤除，只留下qrs波群。对干扰信号的频率范围与心电信号的频率范围进行比较，不难发现干扰信号与qrs波群的频率范围严重交叠，因此要要得到完全的qrs波群几乎不可能，因此该方法只能得到大致qrs波群，那么这种情况下必然会导致大概率的误检或漏检。

根据上述分析明确了低通或高通滤波来检测r波峰可行性很低，因此需要寻求一种新的方法来检测。从心电图中我们不难发现r波峰值是整个心电图中的标志，该峰值点是心室除极时候产生的电位突变，有它的独特性。小波变换具有时空局部化特性，可以利用小波变换来检测r峰值点。

r波峰值点刚好是突变信号点，符合小波变换的应用。根据各个小波系的特点以及不断的实验，发现mexican小波系对于定位和精度有着优越性，所以我们选用mexican小波函数。

由于噪音和心电信号的频率交集比较宽，因此可以多选取几个尺度进行，因为这样才能便于信号的获取，不会丢失。

r峰值点定位：根据小波变换的原理，信号的奇异点不管时间还是空间都是沿模的极大值线上。因此检测奇异点的位置时最好采用趋近于0时的尺度定位。因为在零尺度下得到的模极大值与原始波形的奇异点很接近。又因为采用mexican小波函数，它具有对称性，因此原始信号在小波变换的过程中仍保持极大值。

信号峰值的奇异点与小波变换的各尺度小的模极大值存在对应关系，不难看出尺度越大奇异点位置与模的极值位置差距越大，所以一般采用将近0尺度进行检测其位置。

心电信号除了qrs波群之外，其余的波形相对平缓，所以可以通过确定r波峰的位置后，再来分析其它波形就方便多了。可以根据与r波峰的距离来确定p波、t波以及qrs波群的起止点，从而找到了各种波的宽度以及pr间期、st间期等心电参数。

因此，本发明所实现的无线远程心电监测系统，能够实时地获取人体的心电信号、呼吸频率、血压、血氧信号，实现基本的人体生命特征数据的采集，并及时通过蓝牙模块传输给手机等移动终端或云平台，给医生提供心脏病监控的必要数据，以达到辅助医生的功能。

同时，该系统结构简单，易于实现，体积小，便于携带。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。