CN103027675B - 新型便携式三导联实时无线心电监测系统及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型便携式三导联实时无线心电监测系统，主要由心电采集电极1、心电采集模块2、数据处理模块3、无线模块4、电源模块5、控制台上位机6组成。心电采集电极1拾取人体表的微弱心电信号(通常为几个mV)，送入心电采集模块2，经过放大滤波等处理后，由数据处理模块3进行采样和数字信号处理，然后经由无线模块4发送入无线网络并最终发送到控制台上位机6。上位机获得数据后，利用QRS复波检测算法标出Q、R、S点并显示在电脑屏幕上。还提供相应的分析方法。本发明解决了现有心电图机不能实时监测，现有实时监护装置成本过高，现有心电分析算法过于复杂等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及人体健康监护领域中心电信号参数的采集和无线传输技术，并包含了心电信号的数字处理方法，具体是一种新型便携式三导联实时无线心电监测系统及分析方法。
背景技术
心电图作为人体生命体征的重要组成部分，现已广泛应用于疾病检测、病人监护等各个医疗领域。在传统的疾病诊断领域，医生通过体表标准12导联心电图对患者进行诊断，最常见于心血管疾病，例如心率失常、心肌梗塞等。24h动态心电图一般被应用于重症监护病房中，实时监测重症病人的生命体征。但是这两种心电图仪均有自身的弱点，例如传统标准12导联心电图仪体积较大且不能实时监测，而重症监护室中所用的动态心电图仪价格昂贵。因此，这两种心电图仪均不适用于普通病房和个人家庭所用。
心脏本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上，使身体各部位在每一次心动周期中也都发生有规律的电变化活动。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心脏电变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图(用ECG表示)。正常心电图上的每个心动周期中出现的波形曲线改变是有规律的，国际上规定把这些波形分别称为P波、QRS波、T波，有时在T波后，还出现一个小的U波。P波由心房除极产生，其幅度代表心房激动产生的电势的大小。QRS综合波由心室除极产生，反映心室除极的电活动。典型的QRS波群包括三个紧密相连的电位波动:第一个向下的波为Q波，以后是高而尖峭的向上的R波，最后是一个向下的S波。但在不同导联中，这三个波不一定都出现。T波代表未被抵消的心室复极的电位差。由于心脏激动的电势大部分被抵消，因此T波显得比较微弱，其幅度不低于同一导联R波的1/10，T波异常表示心肌缺血或损伤。U波是T波之后0.02-0.045可能出现的一个低而宽的波，方向一般与T波一致。
心电信号分析中比较重要的是QRS复波的检测部分。目前，QRS复波检测算法包括小波算法、几何匹配算法、边坡矢量波形(SVW)算法等。这些方法虽然在检测QRS复波时具有较高的成功率，但存在算法复杂度高的缺点。
发明内容
为了克服现有心电监护仪器价格高、体积大、不适合普通病房和病人家庭监护的缺点，本发明提供一种低成本便携式三导联无线心电监测系统，该系统具有使用简便、成本低、体积小等诸多优点，适合于医院普通病房和病人家庭监护应用。同时，为了克服现有心电分析算法复杂度高等缺点，本发明提供一种心电分析方法，该方法在能够有效识别心电QRS复波的前提下，同时具有算法简单的特点，适合嵌入式系统应用。
本发明首先设计了一种低成本低功耗的无线心电监测系统，该系统具有电路简单实用、功耗低、成本低等诸多优点，能够完成对病人心电体征数据的实时监测。本系统适用于医院普通病房监护和个人家庭监护等用途。本发明还同时提出了一种心电分析方法，尤其是QRS复波的检测算法，本算法复杂度低且检测成功率高，解决了
根据本发明的一个方面，提供一种新型便携式三导联实时无线心电监测系统，包括心电采集电极1、心电采集模块2、数据处理模块3、无线模块4、电源模块5和控制台上位机6，其中，心电采集电极1、心电采集模块2、数据处理模块3、无线模块4、以及控制台上位机6依次连接，其中：心电采集电极1用于拾取人体表的微弱心电信号，送入心电采集模块2，经过放大滤波等处理后，由数据处理模块3进行采样和数字信号处理，然后经由无线模块4发送入无线网络并最终发送到控制台，电源模块5负责将外接电源转换为系统电源和参考电压。
优选地，所述心电采集电极有3个，其中两个为信号提取电极，一个为右腿驱动电极。
优选地，所述心电采集模块2包括输入缓冲级7、右腿驱动电路13，还包括依次连接的前置仪表放大级8、高通滤波器9、中间放大级10、低通滤波器11、工频陷波器12，所述心电采集电极1的两个信号提取电极与所述输入缓冲级7的输入端相连，所述输入缓冲级7的输出端与所述前置仪表放大级8的输入端相连，所述工频陷波器12的输出端与所述数据处理模块3的AD输入端相连，所述输入缓冲级7的输出端相加后连接到所述右腿驱动电路13的输入端，所述右腿驱动电路13的输出端与所述心电采集电极1的右腿驱动电极相连。
优选地，工频陷波器12为50Hz工频陷波器。
优选地，所述电源模块5负责将外接电源转换为供心电采集模块2使用的5V电源和1.3V、2.5V参考电压、以及供数据处理模块3和无线模块4使用的3.3V电源。
优选地，所述心电采集模块2采用单电源低功耗设计，所述心电采集模块2的中间参考电压通过电源分压加电压跟随器形式实现，所述输入缓冲器7和右腿驱动电路13采用TI公司的低功耗运放TL064，所述前置仪表放大器8采用ADI公司的微功耗仪表放大器AD8236，所述高通滤波器9、中间放大级10、低通滤波器11采用TI公司的LMV324运算放大器。
根据本发明的另一个方面，还提供一种新型便携式三导联实时无线心电监测分析方法，包括步骤：利用控制台上位机对接收到心电数据，首先进行差分处理，然后经过低通滤波和阈值处理，再通过R波检测找到R点，然后找到与此R点对应的Q、S点，最终标记出Q、R、S点并显示在电脑屏幕上。
在一个优选方案中，本发明的上述目标是这样实现的：所述新型便携式三导联实时无线心电监测系统包括心电采集电极、心电采集模块、数据处理模块、一对多无线模块、电源、上位机软件。其中：心电采集处理模块包括模拟信号放大滤波电路、信号采样、数字信号处理部分。模拟信号放大滤波电路包含输入缓冲器、前置仪表放大、高通滤波器、中间放大级、低通滤波和50Hz工频陷波器。此部分仪表放大器和运算放大器均采用5V单电源供电，由电源模块提供。信号采样和数字信号处理部分采用低功耗低成本的ARM Cortex-M3单片机实现。电源部分将外部输入电源转换为5V和3.3V稳压电源供模拟电路和数字电路使用。整个系统可采用干电池或锂电池供电。上位机软件包含QRS复波检测算法、心电波形显示、心电数据库等部分。
心电采集电极采集人体皮肤表面的心电信号，传输至心电采集模块，依次经过输入缓冲、仪表放大、高通滤波、中间放大、低通滤波和50Hz工频陷波，经AD采样后进入数据处理模块，然后通过无线模块发送到无线网络中，最终由控制台的PC机进行波形显示、QRS复波检测、数据库处理等工作。
本发明提出的便携式实时无线心电检测系统，其心电采集电极的数量为3个，其中两个作为信号采集用，另一个作为右腿驱动电极使用，以提高电路的共模抑制能力。电极位置可根据需要放置。
本发明提出的便携式三导联实时无线心电检测系统，其心电采集模块均采用单电源低功耗设计，其中间参考电压通过电源分压加电压跟随器形式实现，既能满足参考电压的要求，又达到了低成本低功耗的目的。输入缓冲器和右腿驱动电路部分采用TI公司的低功耗运放TL064，前置仪表放大器采用ADI公司的微功耗仪表放大器AD8236，后面各级放大、滤波电路采用TI公司的LMV324运算放大器。
本发明提出的便携式实时无线心电检测系统，其数据处理模块主要由STM32F103微处理器实现。心电采集模块将经过放大、滤波后的心电信号送入微处理器的AD接口进行数据采样，微处理器内部对数据进行进一步的处理，最终通过无线模块发送到无线网络中。数据处理模块完全采用3.3V供电。
本发明提出的便携式实时无线心电检测系统，其电源模块负责把外接电源转换为5V和3.3V稳压电源供模拟电路和数字电路使用，并提供稳定的1.3V和2.5V参考电压作为心电采集电路的中间参考电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出了一种低成本、低功耗、便携式实时无线心电检测系统，解决了现有心电图机不能实时监测或是成本和功耗过高而不适合便携式应用的缺点。本发明同时提出一种心电QRS复波检测算法，此算法简便可靠，解决了现有算法过于复杂的缺点。本系统适合于医院普通病房监护或家庭个人监护。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的系统框图；
图2为心电采集模块结构框图；
图3为QRS复波检测算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1所示为本发明的系统结构框图，包括心电采集电极1、心电采集模块2、数据处理模块3、无线模块4、电源模块5、控制台上位机6。
心电采集电极1共由3个电极组成，其中两个为信号电极，一个为右腿驱动电极。信号电极负责拾取体表心电信号，右腿驱动电极负责反馈人体共模电压以提高电路的共模抑制能力。使用时，信号电极可根据测量的标准心电导联数据不同而放置在相应的位置，右腿驱动电极则可放置在方便安放的位置。
心电采集电极1拾取人体表的微弱心电信号(通常为几个mV)，送入心电采集模块2，经过放大滤波等处理后，由数据处理模块3进行采样和数字信号处理，然后经由无线模块4发送入无线网络并最终发送到控制台上位机6。控制台上位机6获得数据后，利用QRS复波检测算法标出Q、R、S点并显示在电脑屏幕上。电源模块5负责将外接电源转换为电路需要的电源和参考电压，其中5V电源和1.3V、2.5V参考电压供心电采集模块2使用，3.3V电源供数据处理模块3和无线模块4使用。
图2所示为本发明心电采集模块2的结构示意图，包括输入缓冲级7、前置仪表放大级8、高通滤波器9、中间放大级10、低通滤波器11、工频陷波器12、右腿驱动电路13。两个心电信号电极分别与该输入缓冲级7的输入端相连，两个输入缓冲级7的输出端分别连接到前置仪表放大级8的两个输入端，该前置仪表放大级8的输出端与高通滤波器9的输入端相连，高通滤波器9的输出端与中间放大级10的输入端相连，该中间放大级10的输出端与低通滤波器11的输入端相连，该低通滤波器11的输出端与工频陷波器12的输入端相连，该工频陷波器12的输出端连接到数据处理模块3的AD接口。另外，为提高电路的共模抑制效果，由两个输入缓冲级7的输出相加后连接到右腿驱动电路13的输入端，该右腿驱动电路13的输入端连接到右腿驱动电极。
图3所示为本发明的QRS复波检测算法的流程图。上位机在接收到心电数据后，首先进行差分处理，然后经过低通滤波和阈值处理，再利用相应的算法找到R点，然后找到与此R点对应的Q、S点，最终标记出Q、R、S点并显示在电脑屏幕上。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (1)
1.一种新型便携式三导联实时无线心电监测系统，其特征在于，包括心电采集电极(1)、心电采集模块(2)、数据处理模块(3)、无线模块(4)、电源模块(5)和控制台上位机(6)，其中，心电采集电极(1)、心电采集模块(2)、数据处理模块(3)、无线模块(4)、以及控制台上位机(6)依次连接，其中：心电采集电极(1)用于拾取人体表的微弱心电信号，送入心电采集模块(2)，经过放大滤波处理后，由数据处理模块(3)进行采样和数字信号处理，然后经由无线模块(4)发送入无线网络并最终发送到控制台，电源模块(5)负责将外接电源转换为系统电源和参考电压；
所述心电采集电极有3个，其中两个为信号提取电极，一个为右腿驱动电极；
所述心电采集模块(2)包括输入缓冲级(7)、右腿驱动电路(13)，还包括依次连接的前置仪表放大级(8)、高通滤波器(9)、中间放大级(10)、低通滤波器(11)、工频陷波器(12)，所述心电采集电极(1)的两个信号提取电极与所述输入缓冲级(7)的输入端相连，所述输入缓冲级(7)的输出端与所述前置仪表放大级(8)的输入端相连，所述工频陷波器(12)的输出端与所述数据处理模块(3)的AD输入端相连，所述输入缓冲级(7)的输出端相加后连接到所述右腿驱动电路(13)的输入端，所述右腿驱动电路(13)的输出端与所述心电采集电极(1)的右腿驱动电极相连；
工频陷波器(12)为50Hz工频陷波器；
所述电源模块(5)负责将外接电源转换为供心电采集模块(2)使用的5V电源和1.3V、2.5V参考电压、以及供数据处理模块(3)和无线模块(4)使用的3.3V电源；
所述心电采集模块(2)采用单电源低功耗设计，所述心电采集模块(2)的中间参考电压通过电源分压加电压跟随器形式实现，所述输入缓冲级(7)和右腿驱动电路(13)采用TI公司的低功耗运放TL064，所述前置仪表放大级(8)采用ADI公司的微功耗仪表放大器AD8236，所述高通滤波器(9)、中间放大级(10)、低通滤波器(11)采用TI公司的LMV324运算放大器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150520 Termination date: 20171228 |