CN109907745A - 连续心率血压心电监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续心率血压心电监测仪，检测仪主要选取NRF52832芯片作为主控MCU，安装相应的硬件电路，传感器分为内环和外环，内环部分集成了4个绿色LED以及2个高灵敏度光感IC，而且高灵敏度光感IC涂有纳米涂层。外环部分有俩个电极，内置高精度前置放大电路，有效提升了数据采集的稳定度。采集信号经滤波放大后输入至控制器芯片中进行数据处理，并通过NRF52832主控模块自带的蓝牙功能将血压信息和心电图上传至手机APP中进行显示，手机APP对接收的数据进行分析，给出初步的诊断结果；本发明结构简单，使用方便，检测准确灵敏，可以准确持续的测量血压和心电信号。

Description

连续心率血压心电监测仪

技术领域

本发明连续心率血压心电监测仪，属于心率血压心电监测技术领域。

背景技术

心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一，而心电信号(electrocardiogram，ECG)是心脏电活动在体表的综合反映，正常的血压是血液循环流动的前提，血压过低过高(低血压、高血压)都会造成严重后果，因此，临床心电图检查和血压监测对于检测和诊断心脏疾病和其他血管疾病具有重要意义，并且从生命信息科学的角度也具有重要的研究价值。

目前，心电信号检测需要患者前往医院，由指定的医师进行检测，医师依次在身体上贴上6个或12个电极片，依次测量各点心电信号，最后生成报表，整个检测过程需要大约15分钟左右。而且，检测仪器体积庞大，操作过程繁琐，病人需要在静息的状态下平躺，整个检测过程费时费力。如果想要测量血压，需要医师用血压计进行测量，将充气带绑在手臂上，血压测量过程需要5分钟，且只能单次测量，没法持续监测人体血压信息。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了连续心率血压心电监测仪，该监测仪结构简单，体积小巧，支持动态测量，数据异常报警功能，制作成本低，并且有效提升了数据采集的稳定度。

本发明通过以下技术方案实现：

连续心率血压心电监测仪，包括中央控制器、电源模块、两个心电信号采集模块和两个血压传感器，所述中央控制器和电源模块分别设置于第一遮光圆环和第二遮光圆环的内侧面，并通过电气连接带连接；

第一心电信号采集模块和第一血压传感器设置于第一遮光圆环内侧面，第二心电信号采集模块和第二血压传感器设置于第二遮光圆环内侧面，所述中央控制器通过控制电路连接第一心电信号采集模块和第一血压传感器，所述第二心电信号采集模块和第二血压传感器通过电气连接带和控制电路连接中央控制器；

所述血压传感器为光电血压传感器，包括内环和外环，所述内环集成4个绿色LED以及2个高灵敏度光感IC，所述高灵敏度光感IC与皮肤接触的表面涂有对应波长的纳米涂层，所述外环设置有两个电极，内置高精度前置放大电路；

所述心电信号采集模块包括绝缘海绵顶层、嵌设于绝缘海绵中心与皮肤接触面上的电极探头和设置于绝缘海绵内部的高精度放大电路，所述电机探头通过高精度放大电路连接中央控制器；

所述中央控制器包括主控模块和数据处理模块，所述主控模块采用NRF52832芯片，所述中央控制器的数据处理模块采用QRS波群检测算法；

所述光电血压传感器将接收到的模拟信号经滤波放大后转化为数字信号，传输给数据处理模块；所述心电信号采集模块将采集到的模拟信号转化为数字信号传输给数据处理模块，所述数据处理模块的心电信号识别采用K-近邻算法；

所述数据处理模块将处理后的数据，通过主控模块自带的蓝牙功能，将血压信息和心电图上传至手机APP中进行显示，手机APP对接收的数据进行分析，给出初步的诊断结果。

所述QRS波群检测算法采用移动窗口积分算法实现。

所述移动窗口积分算法通过以下步骤实现：

1）选择通频带为5-20Hz的带通滤波器，将QRS波群的信号滤出，微分后再平方；再作移动窗口积分，积分所得的信号既包含QRS波群的斜率信息，又包含QRS波群的宽度的信息；

经过窗口积分法对ECG波形的处理，判断出，在QRS波附近，上升沿的起点就是QRS波的起点，上升沿的终点是就是QRS波的终点；

2）然后应用两种阈值进行检测，一是对带通滤波器滤波后的信号进行阈值检测，另一个是对移动窗口积分后的信号进行阈值检测；

所述阈值检测是指，对积分图形上各点斜率的判断过程，当斜率r在范围[1.5,3]时，可初步判断为QRS波的起点，当斜率r在范围[1，1.5]时可初步判断为QRS波的终点；

3）阈值的大小随信号的波动不断调整。

所述电源模块采用纽扣电池进行供电。

所述第一遮光圆环和第二遮光圆环的材质是一次性黑色棉布圆环，与皮肤接触的面上附有水凝胶贴片，所述水凝胶贴片两面都具有粘性，是一种高分子网络体系，通过感知外界环境中光、电、压力的微小的变化，产生相应的物理结构变化。

所述K-近邻算法包括以下步骤：

1）收集心电图数据，获得一个大样本数量的心电图数据集合，称为训练样本集，所述本集中每个数据都存在标签，即知道样本集中每个数据与其所属分类的关系；

2）输入没有标签的新数据后，将新数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较，然后通过马氏距离算法提取样本集中特征最相似数据的分类标签；选择样本数据集中前k个最相似的数据；

所述马氏距离表示数据的协方差距离，是一种有效的计算两个样本集的相似度的方法；

3）选择k个最相似数据中出现次数最多的数据进行分类，作为新数据的分类；

4）新的心电图数据存进训练样本集里面。

优选地，所述k小于20。

优选地，所述k为15。

使用所述的心率血压心电监测仪进行连续心率血压心电监测的方法，包括如下步骤：

1）将第一遮光圆环A点，第二遮光圆环分别贴附在B点，两个血压传感器和两个心电信号采集模块紧贴皮肤，所述A点位于胸骨左缘5肋间隙，所述B点位于胸骨左缘5肋与左锁骨的中央点；

2）在A，B两点采集信号，经滤波放大后输入至中央控制器芯片中传给数据处理模块，数据处理模块将得到的数据处理为血压数值和心电图数据，然后传给中央控制器；所述数据处理模块的心电信号处理采用QRS波群检测算法；

3）由中央控制器自带的蓝牙功能将数据传送给手机APP，用户随时查看监测数据。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种连续心率血压心电监测仪，结构简单，体积小巧，支持动态测量，数据异常报警功能，制作成本低；检测仪主要选取NRF52832芯片作为主控MCU，并设计安装相应的硬件电路，其中我们设计的传感器分为内环和外环，内环部分集成了4个绿色LED以及2个高灵敏度光感IC，而且接收端涂有对应波长的纳米涂层。外环部分有俩个电极，内置高精度前置放大电路，有效提升了数据采集的稳定度。

采集信号经滤波放大后输入至控制器芯片中进行数据处理，并通过NRF52832主控模块自带的蓝牙功能将血压信息和心电图上传至手机APP中进行显示，手机APP对接收的数据进行分析，给出初步的诊断结果；本发明结构简单，使用方便，检测准确灵敏，可以准确持续的测量血压和心电信号。

通过K-近邻算法，可以快速准确的识别心电图中的信息，依据庞大的心电图数据库、高效的识别算法和自我学习能力，我们设计的心电图诊断***心电信息诊断的准确度达到了90%。

采用移动窗口积分算法实现的QRS波群检测算法减少由于T波其有更多高频分量而引起的假阳性，阈值的大小随信号的波动不断调整，这样可提高检测的可靠性，特别可以防止噪声引起的假阳性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中央控制器的电路图；

图3为本发明心电信号采集模块的电路图；

图4为本发明光电血压传感器的电路图；

图5为本发明数据处理模块的电路图；

图6为本发明电源模块的电路图；

图7为本发明使用吸附点示意图；

图8为本发明APP显示界面；

图9为K-近邻算法心电信号识别流程图；

图10为QRS波群检测算法流程图。

图11为R波的检测示意图。

图12为光电血压传感器结构示意图。

图13为心电信号采集模块结构示意图。

图中：1-遮光圆环、2-中央控制器、3-心电信号采集模块、4-血压传感器、5-电气连接带、6-电源模块、11-第一遮光圆环、12-第二遮光圆环、31-第一心电信号采集模块、32-第二心电信号采集模块、33-绝缘海绵、34-电极探头、35-高精度放大电路、41-第一血压传感器、42-第二血压传感器、43-绿色LED、44-高灵敏度光感IC、45-引脚。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

如图1所示，

1.连续心率血压心电监测仪，包括中央控制器2、电源模块6、两个遮光圆环1（第一遮光圆环11和第二遮光圆环12）、两个心电信号采集模块3（第一心电信号采集模块31和第二心电信号采集模块32）和两个血压传感器4(第一血压传感器41和第二血压传感器42)，所述中央控制器2和电源模块6分别设置于第一遮光圆环11和第二遮光圆环12的内侧面，并通过电气连接带5连接；

所述电源模块采用纽扣电池进行供电，所述纽扣电池选择3V CR2032锂锰电池，电池尺寸(Max.Size):Φ20.0X3.2mm；

所述第一遮光圆环11和第二遮光圆环12的材质是一次性黑色棉布圆环，一次性棉布材质使用时安全卫生舒适；与皮肤接触的面上附有水凝胶贴片，所述水凝胶贴片两面都具有粘性，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，通过感知外界环境中光、电、压力的微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构变化，在一定程度上放大了皮肤的动态变化特征。

第一心电信号采集模块31和第一血压传感器41设置于第一遮光圆环11内侧面，第二心电信号采集模块32和第二血压传感器42设置于第二遮光圆环12内侧面，所述中央控制器2通过控制电路连接第一心电信号采集模块31和第一血压传感器41，所述第二心电信号采集模块32和第二血压传感器42通过电气连接带5和控制电路连接中央控制器2；

所述血压传感器4为光电血压传感器，包括内环和外环，如图12所示，所述内环集成4个绿色LED 43以及2个高灵敏度光感IC 44，所述高灵敏度光感IC 44与皮肤接触的表面涂有对应波长的纳米涂层，所述外环内设置有两个电极，内置高精度前置放大电路，所述外环设置6个引脚45，用于光电数据传输；所述引脚连接中央控制器2；

如图13所示，所述心电信号采集模块3包括绝缘海绵顶层33、嵌设于绝缘海绵33中心与皮肤接触面上的电极探头34和设置于绝缘海绵33内部的高精度放大电路35，所述电机探头34通过高精度放大电路35连接中央控制器2；

所述中央控制器包括主控模块和数据处理模块，所述主控模块采用NRF52832芯片，所述中央控制器的数据处理模块采用QRS波群检测算法；

所述光电血压传感器将接收到的模拟信号经滤波放大后转化为数字信号，传输给数据处理模块；所述心电信号采集模块将采集到的模拟信号转化为数字信号传输给数据处理模块，所述数据处理模块的心电信号识别采用K-近邻算法；

所述数据处理模块将处理后的数据，通过主控模块自带的蓝牙功能，将血压信息和心电图上传至手机APP中进行显示，手机APP对接收的数据进行分析，给出初步的诊断结果。

手机APP对接收的数据进行分析，将传感器通过蓝牙传回来的数字信号转换为APP里的图片和文字，结果更加形象直观。并且将实测数据存储在手机里面，可以进行单次（1分钟）、短时（一小时）、长时（6小时）的测量数据综合分析，测量结果更加准确可靠。

所述QRS波群检测算法采用移动窗口积分算法实现，所述移动窗口积分算法通过以下步骤实现：

1）选择通频带为5-20Hz的带通滤波器，将QRS波群的信号滤出，微分后再平方；再作移动窗口积分，积分所得的信号既包含QRS波群的斜率信息，又包含QRS波群的宽度的信息；

图11中为对R波的检测示意图，经过窗口积分法对ECG波形的处理，可以清晰的判断出，在QRS波附近，上升沿的起点就是QRS波的起点，上升沿的终点是就是QRS波的终点；

2）然后应用两种阈值进行检测，一是对带通滤波器滤波后的信号进行阈值检测，另一个是对移动窗口积分后的信号进行阈值检测；

所述阈值检测是指，对积分图形上各点斜率的判断过程，当斜率r在范围[1.5,3]时，可初步判断为QRS波的起点，当斜率r在范围[1，1.5]时可初步判断为QRS波的终点；

3）阈值的大小随信号的波动不断调整。

所述K-近邻算法包括以下步骤：

1）收集心电图数据，获得一个大样本数量的心电图数据集合，称为训练样本集，所述本集中每个数据都存在标签，即知道样本集中每个数据与其所属分类的关系；

2）输入没有标签的新数据后，将新数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较，然后通过马氏距离算法提取样本集中特征最相似数据的分类标签；选择样本数据集中前k个最相似的数据；

所述马氏距离表示数据的协方差距离，是一种有效的计算两个样本集的相似度的方法；

3）选择k个最相似数据中出现次数最多的数据进行分类，作为新数据的分类；

4）新的心电图数据存进训练样本集里面。

优选地，所述k小于20。

优选地，所述k为15。

使用所述的心率血压心电监测仪进行连续心率血压心电监测的方法，包括如下步骤：

1）将第一遮光圆环A点，第二遮光圆环分别贴附在B点，两个血压传感器和两个心电信号采集模块紧贴皮肤，所述A点位于胸骨左缘5肋间隙，所述B点位于胸骨左缘5肋与左锁骨的中央点；

2）在A，B两点采集信号，经滤波放大后输入至中央控制器芯片中传给数据处理模块，数据处理模块将得到的数据处理为血压数值和心电图数据，然后传给中央控制器；所述数据处理模块的心电信号处理采用QRS波群检测算法；

3）由中央控制器自带的蓝牙功能将数据传送给手机APP，用户随时查看监测数据。

本发明提供的一种连续心率血压心电监测仪，结构简单，体积小巧，支持动态测量，数据异常报警功能，制作成本低；检测仪主要选取NRF52832芯片作为主控MCU，并设计安装相应的硬件电路，其中我们设计的传感器分为内环和外环，内环部分集成了4个绿色LED以及2个高灵敏度光感IC，而且接收端涂有对应波长的纳米涂层。外环部分有俩个电极，内置高精度前置放大电路，有效提升了数据采集的稳定度。

采集信号经滤波放大后输入至控制器芯片中进行数据处理，并通过NRF52832主控模块自带的蓝牙功能将血压信息和心电图上传至手机APP中进行显示，手机APP对接收的数据进行分析，给出初步的诊断结果；本发明结构简单，使用方便，检测准确灵敏，可以准确持续的测量血压和心电信号。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.连续心率血压心电监测仪，其特征在于，包括中央控制器、电源模块、两个心电信号采集模块和两个血压传感器，所述中央控制器和电源模块分别设置于第一遮光圆环和第二遮光圆环的内侧面，并通过电气连接带连接；

第一心电信号采集模块和第一血压传感器设置于第一遮光圆环内侧面，第二心电信号采集模块和第二血压传感器设置于第二遮光圆环内侧面，所述中央控制器通过控制电路连接第一心电信号采集模块和第一血压传感器，所述第二心电信号采集模块和第二血压传感器通过电气连接带和控制电路连接中央控制器；

所述血压传感器为光电血压传感器，包括内环和外环，所述内环集成4个绿色LED以及2个高灵敏度光感IC，所述高灵敏度光感IC与皮肤接触的表面涂有纳米涂层，所述外环设置有两个电极，内置高精度前置放大电路；

所述心电信号采集模块包括绝缘海绵顶层、嵌设于绝缘海绵中心与皮肤接触面上的电极探头和设置于绝缘海绵内部的高精度放大电路，所述电机探头通过高精度放大电路连接中央控制器；

所述中央控制器包括主控模块和数据处理模块，所述中央控制器的数据处理模块采用QRS波群检测算法；

所述光电血压传感器将接收到的模拟信号经滤波放大后转化为数字信号，传输给数据处理模块；所述心电信号采集模块将采集到的模拟信号转化为数字信号传输给数据处理模块，所述数据处理模块的心电信号识别采用K-近邻算法；

所述数据处理模块将处理后的数据，通过主控模块自带的蓝牙功能，将血压信息和心电图上传至手机APP中进行显示，手机APP对接收的数据进行分析，给出初步的诊断结果。

2.根据权利要求1所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述QRS波群检测算法采用移动窗口积分算法实现。

3.根据权利要求2所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述移动窗口积分算法通过以下步骤实现：

1）选择通频带为5-20Hz的带通滤波器，将QRS波群的信号滤出，微分后再平方；再作移动窗口积分，积分所得的信号既包含QRS波群的斜率信息，又包含QRS波群的宽度的信息；

经过窗口积分法对ECG波形的处理，判断出，在QRS波附近，上升沿的起点就是QRS波的起点，上升沿的终点是就是QRS波的终点；

2）然后应用两种阈值进行检测，一是对带通滤波器滤波后的信号进行阈值检测，另一个是对移动窗口积分后的信号进行阈值检测；所述阈值检测是指，对积分图形上各点斜率的判断过程；

3）阈值的大小随信号的波动不断调整。

4.根据权利要求1所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述电源模块采用纽扣电池进行供电。

5.根据权利要求1所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述第一遮光圆环和第二遮光圆环的材质是一次性黑色棉布圆环，与皮肤接触的面上附有水凝胶贴片，所述水凝胶贴片两面都具有粘性，是一种高分子网络体系，通过感知外界环境中光、电、压力的微小的变化，产生相应的物理结构变化。

6.根据权利要求1所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述K-近邻算法包括以下步骤：

1）收集心电图数据，获得一个大样本数量的心电图数据集合，称为训练样本集，所述本集中每个数据都存在标签，即知道样本集中每个数据与其所属分类的关系；

2）输入没有标签的新数据后，将新数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较，然后通过马氏距离算法提取样本集中特征最相似数据的分类标签；选择样本数据集中前k个最相似的数据；

3）选择k个最相似数据中出现次数最多的数据进行分类，作为新数据的分类；

4）新的心电图数据存进训练样本集里面。

7.根据权利要求6所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述k小于20。

8.根据权利要求7所述的连续心率血压心电监测仪，其特征在于，所述k为15。