一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪及其控制方法与流程

[0001]
本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪及其控制方法。


背景技术：

[0002]
心血管疾病是危害中国人生命安全的第一大杀手，尤其对于50岁以上的中老年人来说，随着生活质量的提高和生活节奏的加快，心血管的发病率也逐渐提高，心血管疾病已经成为人类健康的巨大威胁。
[0003]
现有技术中，对心电的监护一般分为：常规的心电监护、24小时心电监护仪监护、网络化动态心电监护。常规的心电监护常常用于对心血管病人，心肌梗塞等病人进行监测，在静止的状态下，人体平躺仰卧，由心电监护仪记录心电活动，历时几十秒，但是由于心电监护仪体积庞大，不能对病人进行实时、实地的监测人体心电。使用24小时心电监护仪监护，此仪器完整记录24小时心电活动，包括休息，运动，进餐，工作，学习和睡眠等不同情况下的心电图，能够发现常规ecg不易发现的心率失常和心机缺血的功能，但是，该仪器昂贵且不便于携带。网络化动态心电监护实现了对慢性心脏疾病的家庭化的长期护理，比起长期住院治疗，它更有利于病人的康复，同时还可以缓解我国医院床位的紧张，空间资源短缺的压力，但是，该方法主要由医院护士站统一进行，大部分只能在限定的区域使用患者无法了解自己的信息。
[0004]
此外，现在市面上成熟的心电监护仪体积庞大、功耗较大、价格昂贵，且需要专业人员操作，难以普及。中国专利201610364287.5公开了一种低功耗便携式心电监护系统，采用低功耗设计，体积小，采用差分阈值法检测r波计算心率，但是，使用该方法进行心电数据分析时，易受外界环境干扰，精确度不高，且该装置将心电信号传输至智能手机或服务端，在智能手机或服务端对心电信号进行分析和处理，用户离开智能手机后不能得知自身的监测数据，使用极不方便，且接收到心电数据并分析异常的耗时较长，发现监测数据异常后再进行报警等操作，实时性较差，一旦蓝牙传输过程出错或者智能手机端的数据遗失，则不能重新获取监测数据，可靠性较差。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪及其控制方法，将幅频响应与近似熵结合，判断是否出现心颤，通过去直流处理、二值化处理和阈值判断计算心率值，计算方法更科学，抗干扰能力较强，判断结果精确度高，能避免外界信号对采集的心电信号的干扰，可靠性高。
[0006]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]
一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪，包括心电信号采集模块、控制器和电源模块，所述心电信号采集模块用于采集原始信号并对所述原始信号进行预处理得到心电信号，所述电源模块用于为便携式心电自动分析仪提供工作电源，所述控制器与心电信号采
集模块和电源模块连接，所述控制器包括：处理器、显示器、通信单元、存储器和报警器；
[0008]
所述处理器用于根据心电信号计算心电参数；
[0009]
所述显示器与处理器连接，用于实时显示心电信号、心电信号对应的心电波形和心电参数；
[0010]
所述通信单元与处理器连接，用于传输心电信号和心电参数至外部设备；
[0011]
所述存储器与处理器连接，用于存储心电信号和心电参数；
[0012]
所述报警器与处理器连接，用于根据心电参数报警；
[0013]
所述心电参数包括心颤判断结果和心率值。
[0014]
进一步的，所述便携式心电自动分析仪还包括语音模块，所述语音模块与控制器连接，用于采集语音信号并将语音信号转换为控制命令传输至控制器，所述语音模块包括语音采集单元和语音识别单元。
[0015]
进一步的，所述便携式心电自动分析仪还包括定位模块，所述定位模块与控制器连接，用于采集所述便携式心电自动分析仪的位置。
[0016]
进一步的，所述心电信号采集模块包括心电采集器、第一电极、第二电极、第三电极和预处理电路，所述第一电极、第二电极和第三电极与心电采集器的输入端连接，所述预处理电路与心电采集器的输出端连接，包括前端仪表放大电路、右腿驱动电路、二阶低通滤波电路、带阻滤波放大器、一阶高通滤波器和反向加法器。
[0017]
一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪的控制方法，使用如上所述的便携式心电自动分析仪，其特征在于，包括以下步骤：
[0018]
s1：处理器获取心电信号采集模块预处理后的心电信号，将心电信号传输至显示器、存储器和通信单元，对心电信号进行数字滤波，得到滤波信号；
[0019]
s2：基于滤波信号计算幅频响应和近似熵；
[0020]
s3：根据幅频响应和近似熵计算心颤判断值；
[0021]
s4：根据心颤判断值和预设置的心颤阈值判断是否发生心颤，得到心颤判断结果，处理器将心颤判断结果传输至显示器、存储器和通信单元，根据心颤判断结果控制报警器报警；
[0022]
s5：基于滤波信号计算心率值，处理器将心率值传输至显示器、存储器和通信单元，根据心率值控制报警器报警。
[0023]
进一步的，所述步骤s1中对心电信号进行数字滤波具体为对心电信号进行fir数字滤波，滤波类型为50hz陷波滤波。
[0024]
进一步的，所述步骤s2包括以下步骤：
[0025]
s21：获取滤波信号中n个连续数据，将n个连续数据作为一个待监测数据段；
[0026]
s22：对待监测数据段中的数据进行快速傅里叶变换，得到滤波信号对应的心电频谱，获取预设置的中心频率，所述预设置的中心频率值等于外界干扰的频率；
[0027]
s23：自心电频谱中获取中心频率附近的k(k≥2)个频率点和k个频率点的幅值(a
1
、a
2
、
…
、a
k
)，计算k个频率点的平均幅值a，a即为滤波信号的幅频响应；
[0028]
s24：采用近似熵算法计算滤波信号的近似熵apen。
[0029]
进一步的，所述步骤s3中，心颤判断值j的计算公式具体为：
[0030]
j＝apen-a
[0031]
其中，j表示心颤判断值，apen表示近似熵，a表示滤波信号的幅频响应。
[0032]
进一步的，所述步骤s4中，预设置的心颤阈值记为λ，若心颤判断值大于λ，则心颤判断结果为发生心颤，报警器报警，否则，心颤判断结果为正常，报警器报警，λ的取值范围为[0.6，0.8]。
[0033]
进一步的，所述步骤s5包括以下步骤：
[0034]
s51：获取滤波信号中n个连续数据，将n个连续数据作为一个待监测数据段，对待监测数据段中的数据进行快速傅里叶变换，得到滤波信号对应的心电频谱，测量心电频谱中的直流分量幅值；
[0035]
s52：实时获取最近一段时间t内的滤波信号，记为信号段1，对信号段1内的滤波信号进行去直流处理，得到信号段2；
[0036]
s53：获取信号段2中信号的幅值，并记录信号幅值的最大值at，根据信号幅值的最大值at和预设置的比例系数kp计算二值化阈值th，具体为：
[0037]
th＝at*kp
[0038]
其中，kp的取值范围为[0.3，0.5]。
[0039]
s54：对信号段2进行二值化处理，得到信号段3，具体为：遍历信号段2，若一个信号的幅值大于二值化阈值th，则令该信号的值为1，否则，令该信号的值为0；
[0040]
s55：遍历信号段3，获取信号段3中上升沿的数量x，所述上升沿具体为值为0的信号后有连续5个值为1的信号；
[0041]
s56：上升沿的数量即时间t内的心跳次数，故计算得到心率值单位为次/分钟，处理器将心率值传输至显示器、存储器和通信单元，若心率值大于预设置的心率阈值，则报警器报警。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0043]
(1)将幅频响应与近似熵结合，判断是否出现心颤，通过去直流处理、二值化处理和阈值判断计算心率值，计算方法更科学，抗干扰能力较强，判断结果精确度高，能避免外界信号对采集的心电信号的干扰，可靠性高。
[0044]
(2)在处理器进行心颤判断和心率计算，直接显示结果，用户可以直接看到监测数据，实时性和便利性更高。
[0045]
(3)通过语音模块，用户可以更方便的控制便携式心电自动分析仪，自动化水平高，交互性更好，通过定位模块可以实现位置定位，能在紧急状态下更快的找到用户，也减少了便携式心电自动分析仪的丢失率。
[0046]
(4)使用外界干扰频率作为中心频率，并将中心频率的平均幅值作为负反馈进行心颤判断，能更好的避免外界干扰，在计算心率时，上升沿的判断标准为值为0的信号后有连续5个值为1的信号，避免了外界干扰造成的误判。
附图说明
[0047]
图1为本发明控制方法的流程图；
[0048]
图2为实施例中便携式心电自动分析仪的结构示意图；
[0049]
图3为实施例中便携式心电自动分析仪的外形图；
[0050]
附图标记：1、心电信号采集模块，2、控制器，21、处理器，22、显示器，23、通信单元，24、存储器，25、报警器，3、电源模块，4、语音模块，5、定位模块。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0052]
实施例1：
[0053]
一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪，整体结构如图2所示，包括心电信号采集模块1、控制器2、电源模块3、语音模块4和定位模块5，控制器2与心电信号采集模块1和电源模块3连接，控制器2包括处理器21、显示器22、通信单元23、存储器24和报警器25。
[0054]
本实施例中，便携式心电自动分析仪的外形图如图3所示。
[0055]
心电信号采集模块1用于采集原始信号并对原始信号进行预处理得到心电信号，具体的，心电信号采集模块1包括心电采集器、第一电极、第二电极、第三电极和预处理电路，第一电极、第二电极和第三电极与心电采集器的输入端连接，预处理电路与心电采集器的输出端连接，包括前端仪表放大电路、右腿驱动电路、二阶低通滤波电路、带阻滤波放大器、一阶高通滤波器和反向加法器。
[0056]
在实际使用时，第一电极、第二电极和第三电极为贴片式心电电极，分别与用户的右手、左手和右腿连接，再通过导线连接至心电采集器的3.5mm音频接口输入端。前端仪表电路的增益为7，108hz的二阶低通滤波电路，放大倍数为2，50hz的带阻滤波放大器，0.1hz的一阶高通滤波器，反向加法器将信号放大5倍，右腿驱动电路实质上是一个负反馈，除去输入放大器中的共模信号。本实施例中，预处理电路采用stm8s103f3p6芯片，其19号引脚pd2_ain3接心电信号采集模块1的输出端。
[0057]
控制器2包括：处理器21、显示器22、通信单元23、存储器24和报警器25。
[0058]
其中，处理器21用于根据心电信号计算心率值和其他心电参数。本实施例中，处理器21采用arm芯片。
[0059]
显示器22与处理器21连接，用于实时显示心电信号、心电信号对应的心电波形和心率；本实施例中，显示器22为oled显示器，心电信号传输至控制器2，经处理器21处理后，在oled显示器的显示屏上以波形展示，显示屏上还会显示处理器21传输的心率值、时间和其他相关心电参数等。
[0060]
通信单元23与处理器21连接，用于将心电信号、心率和心电参数等传输至外部设备；本实施例中，通信单元23包括串口转wifi通信电路和串口转usb通信电路。串口转usb电路可以采用ch340t芯片。串口转wifi通信电路内置的tcp/ip协议栈和iee802.11协议栈，能够完成用户串口到无线网络之间的转换，通过基于labview的串口转wifi数据传输可以将串口数据以无线的方式进行传输。
[0061]
使用串口转wifi通信电路将监测数据通过无线网发送至外部设备，如手机、电脑等，也可以使用串口转usb通信电路，通过数据传输线，连接便携式心电自动分析仪和外部设备，如手机，将监测数据传输至手机，在手机上也可以实时对心电信号进行处理，计算心率等。同时，也可以通过串口转wifi通信电路或串口转usb通信电路将存储器24存储的数据
导入外部设备，便于医护人员分析。
[0062]
存储器24与处理器21连接，用于存储心电信号和心率；本实施例中，使用sd卡作为存储器24。在其他实施方式中，也可以使用flash存储器等。
[0063]
报警器25与处理器21连接，用于根据心电信号和心率报警，处理器21会对心率值进行判断，若超过预设置的安全阈值，则发送脉冲信号至报警器25，同时，通信单元23将报警信息传输至外部设备。报警器25包括语音报警器和led报警灯，语音报警器可以使用蜂鸣器，通过声音报警和光线闪烁，能更加吸引用户注意。当心电数据高于或低于预设置的安全阈值，则报警，若计算出的心率超过预设定的安全阈值，则报警。在其他实施方式中，若根据心电信号的计算结果表面出现心颤、心律不齐等问题，也通过报警器25报警。安全阈值是根据用户的身体状况和医护人员的建议等设置的。
[0064]
语音模块4与控制器2连接，用于采集语音信号并将语音信号转换为控制命令传输至控制器2，语音模块4包括语音采集单元和语音识别单元，用户可以直接通过语音模块4控制便携式心电自动分析仪，使用更方便，交互性更好。可以采用ld3320芯片，在芯片内预设关键词，通过ars语音识别技术对输入的语音信号分析，识别特征参数，再与关键词对比。
[0065]
定位模块5与控制器2连接，用于采集便携式心电自动分析仪的位置，可以为gps定位器和北斗定位器。用户的监测数据异常时，报警器25报警，医护人员或家属等可以通过定位模块5定位用户的位置，此外，通过定位模块5，也减少了便携式心电自动分析仪的丢失率。
[0066]
为减少外界造成的干扰对心电数据分析结果的影响，将幅频响应与近似熵结合，判断是否出现心颤，通过去直流处理、二值化处理和阈值判断计算心率值，计算方法更科学，抗干扰能力较强。
[0067]
一种动态抗干扰便携式心电自动分析仪的控制方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0068]
s1：处理器21获取心电信号采集模块1预处理后的心电信号，将心电信号传输至显示器22、存储器24和通信单元23，显示器22显示心电信号和心电信号对应的波形图，存储器24存储心电信号，通信单元23将心电信号传输至外部设备。对心电信号进行数字滤波，得到滤波信号。具体的，对心电信号进行fir数字滤波，滤波类型为50hz陷波滤波。
[0069]
s2：基于滤波信号计算幅频响应和近似熵。
[0070]
s21：获取滤波信号中n个连续数据，将n个连续数据作为一个待监测数据段，本实施例中n＝5000，选取5000个连续数据作为一个待监测数据段，在其他实施方式中，可以根据精度需要设置不同大小的n，如n＝2000、n＝10000等。
[0071]
s22：对待监测数据段中的数据进行快速傅里叶变换，得到滤波信号对应的心电频谱，获取预设置的中心频率，预设置的中心频率为外界干扰的频率。为了计算方便，缩短快速傅里叶变换的时间，本实施例中选取前4096个点进行快速傅里叶变换，得到心电频谱，横坐标为0～1khz，纵坐标为幅值。预设置的中心频率值等于外界干扰的频率，本实施例中，外界干扰的频率为50hz，故中心频率设为50hz，在其他实施方式中，可以根据外界干扰的频率设置中心频率，如100hz等。
[0072]
s23：自心电频谱中获取中心频率附近的k(k≥2)个频率点和k个频率点的幅值(a
1
、a
2
、
…
、a
k
)，计算k个频率点的平均幅值a，a即为滤波信号的幅频响应。中心频率为50hz，
故在心电频谱的横坐标中，找到50hz处的k个频率点，本实施例中，k取5，在其他实施方式中，可以根据精度要求、待监测数据段的长度等将k设为3、10等。50hz处的5个频率点，即为待监测数据段中第204个频率点到第208个频率点，计算这5个频率点的平均幅值，记为a，即幅频响应。
[0073]
s24：采用近似熵算法计算滤波信号的近似熵apen。
[0074]
为缩短计算时间，将5000个数据点每10个取平均，得到500个数据点，对这500个数据点计算近似熵。
[0075]
设定时间序列为u(1)，u(2)，
…
，u(n1)，n1＝500，定义m维向量xi，
[0076]
xi＝{u(i)，u(i+1)，
…
，u(i+m-1)}，i＝1，2，
…
，n1-m+1。
[0077]
计算任意向量xi与其余向量xj(j＝1，2，
…
，n1-m+1，j≠i)之间的距离dij：
[0078]
dij＝max|u(i+j)-u(j+k)|，k＝0，1，
…
，m-1，两向量之间的距离为两向量对应元素的差值绝对值的最大值。
[0079]
给定阈值r＝0.2，对每个向量xi统计d
ij
≤r
×
sd(sd为序列的标准值)的数目并求出该数目与距离总数(n1-m)的比值，记为
[0080]
将取对数，再对所有的i求平均值，记为φ
m
(r)：
[0081][0082]
构建m+1维向量，重复上述步骤，得到和φ
m+1
(r)。
[0083]
由φ
m
(r)、φ
m+1
(r)求得近似熵：apen＝φ
m
(r)-φ
m+1
(r)。
[0084]
s3：根据幅频响应和近似熵计算心颤判断值。
[0085]
心颤判断值j的计算公式具体为：
[0086]
j＝apen-a
[0087]
其中，j表示心颤判断值，apen表示近似熵，a表示滤波信号的幅频响应。
[0088]
s4：心颤判断结果传输至显示器22、存储器24和通信单元23，根据心颤判断值和预设置的心颤阈值判断是否发生心颤，得到心颤判断结果。预设置的心颤阈值记为λ，若心颤判断值大于λ，则心颤判断结果为发生心颤，报警器25报警，否则，心颤判断结果为正常，报警器25报警，λ的取值范围为[0.6，0.8]，本实施例中，λ取0.6。
[0089]
s5：基于滤波信号计算心率值，处理器21将心率值传输至显示器22、存储器24和通信单元23，根据心率值控制报警器25报警。
[0090]
s51：获取滤波信号中n个连续数据，将n个连续数据作为一个待监测数据段，对待监测数据段中的数据进行快速傅里叶变换，得到滤波信号对应的心电频谱，测量心电频谱中的直流分量幅值。本实施例中，n仍为5000，为方便进行快速傅里叶变换，选取前4096个点，快速傅里叶变换后得到心电频谱，第一个频率点的幅值即为直流分量幅值。
[0091]
s52：实时获取最近一段时间t内的滤波信号，记为信号段1，对信号段1内的滤波信号进行去直流处理，得到信号段2。为尽快得到心率测量结果，同时保证精度，t取30秒，去直流处理即将滤波信号的幅值减去直流分量幅值。
[0092]
s53：获取信号段2中信号的幅值，并记录信号幅值的最大值at，根据信号幅值的最
大值at和预设置的比例系数kp计算二值化阈值th，具体为：
[0093]
th＝at*kp
[0094]
其中，kp的取值范围为[0.3，0.5]。本实施例中，kp取0.3。
[0095]
s54：对信号段2进行二值化处理，得到信号段3，具体为：遍历信号段2，若一个信号的幅值大于二值化阈值th，则令该信号的值为1，否则，令该信号的值为0。
[0096]
s55：遍历信号段3，获取信号段3中上升沿的数量x，上升沿具体为值为0的信号后有连续5个值为1的信号。相比于直接根据0-1跳变判断上升沿，避免了外界干扰造成的误判。
[0097]
s56：上升沿的数量即30秒内的心跳次数，故计算得到心率值h＝x*2，单位为次/分钟，处理器21将心率值传输至显示器22、存储器24和通信单元23，若心率值大于预设置的心率阈值，则报警器25报警。
[0098]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。