CN111248896A - 心电信号采集***及方法 - Google Patents

心电信号采集***及方法 Download PDF

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陆慧
贾廷秀
戴晓
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Abstract

本发明提供一种心电信号采集***，包括:ECG信号采集模块，配置成用于采集目标对象的ECG信号；采样点提取模块，用于从采集的ECG信号中提取一定数量的ECG信号采样点数据并向采样队列模块发送；采样队列模块，配置于上位机上，配置成将提取的ECG信号采样点数据存储到ECG信号采样队列中，若ECG信号采样队列存满时，将存储的ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送给ECG信号特征检测模块并清空所述ECG信号采样队列，否则继续进行下次采集。本发明能够为检测ECG信号的特征提供输入。

Description

心电信号采集***及方法
技术领域
本发明涉及医疗计算机辅助领域，尤其是一种心电信号采集***及方法。
背景技术
心电信号(ECG信号)是人类最早研究并应用于医学临床的生物信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并且具有较直观的规律性。ECG(electrocardiogram)信号能够对各种心率失常、心室心房肥大、心肌梗死等病症进行检查，在检测心脏疾病时起到非常重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种心电信号采集***及方法，用于采集ECG信号，能够为检测ECG信号的特征提供输入。本发明采用的技术方案是：
一种心电信号采集***，包括:
ECG信号采集模块，配置成用于采集目标对象的ECG信号；
采样点提取模块，用于从采集的ECG信号中提取一定数量的ECG信号采样点数据并向采样队列模块发送；
采样队列模块，配置于上位机上，配置成将提取的ECG信号采样点数据存储到ECG信号采样队列中，若ECG信号采样队列存满时，将存储的ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送给ECG信号特征检测模块并清空所述ECG信号采样队列，否则继续进行下次采集。
进一步地，所述ECG信号采集模块包括导联线、ECG信号采集芯片和FPGA芯片；
所述导联线用于接到人体上以感应ECG信号；
所述ECG信号采集芯片用于采样所述导联线感应到的ECG信号并进行放大和模数转换，输出ECG数字信号；
所述FPGA芯片用于处理ECG信号采集芯片输出的ECG数字信号，以提高ECG数字信号的信号质量。
更进一步地，提高ECG数字信号的信号质量的具体方法包括对ECG信号采集芯片输出的ECG数字信号至少进行基线漂移处理、增益控制和降低干扰处理。
进一步地，所述采样点提取模块还配置成每上传一帧超声图像，上传两帧超声图像间内采集到的ECG采样点数据。
进一步地，所述ECG信号采样队列的长度取决于ECG信号采样率、心动周期数和最小心率；
其中，所述ECG信号采样率为采样点提取模块每秒钟上传给上位机的ECG采样点数量；
所述心动周期数至少大于1个周期；
所述最小心率为***支持的最小心率。
更进一步地，所述最小心率为40次/分钟。
更进一步地，所述心动周期数为3～6个心动周期。
更进一步地，所述降低干扰处理至少包括带通滤波处理和平均滤波处理。
本发明提出一种心电信号采集方法，包括：
通过导联线采集目标对象的ECG信号；
从采集的所述ECG信号中提取一定数量的ECG信号采样点数据；
将提取的所述ECG信号采样点数据存储到ECG信号采样队列中；
若存储到ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据存满时，将存储的ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送出，并清空所述ECG信号采样队列，否则继续进行下次采集。
进一步地，所述ECG信号采样队列的长度取决于ECG信号采样率、心动周期数和最小心率；
其中，所述心动周期数至少大于1个周期；所述最小心率为***支持的最小心率。
本发明的优点在于：本发明能够准确获得心电信号，提高了心电信号特征检测的可靠性，对于检测心脏疾病起到了非常重要的作用。
附图说明
图1为本发明的***示意图。
图2为本发明的检测方法流程图。
图3为本发明的检测实验一示意图。
图4为本发明的检测实验二示意图。
图5为本发明的ECG导联线悬空信号示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种心电信号采集***，包括：ECG信号采集模块、采样点提取模块、采样队列模块；
ECG信号采集模块，配置成用于采集目标对象的ECG信号；
ECG信号采集模块通常包括ECG导联线、ECG信号采集芯片、FPGA芯片等；三根ECG导联线接到人体上以感应ECG信号，ECG信号采集芯片用于采样所述导联线感应到的ECG信号并进行放大和模数转换，输出ECG数字信号；FPGA芯片用于处理ECG信号采集芯片输出的ECG数字信号，以提高ECG数字信号的信号质量，例如通过基线漂移处理、增益控制和降低干扰处理，以提高信号质量；降低干扰处理至少包括带通滤波处理和平均滤波处理
采样点提取模块，用于从采集的ECG信号中提取一定数量的ECG信号采样点数据并向采样队列模块发送；采集的ECG信号通过上位机接口随超声图像一起传输至上位机；采样点提取模块配置成每上传一帧超声图像，上传两帧超声图像间内采集到的ECG采样点数据。
ECG信号采样队列的采样点数（即采样点数据的数量）必须达到一定的数量；在上位机上设置一采样队列模块，用于缓存ECG信号采样队列；将提取的ECG信号采样点数据存储到ECG信号采样队列中，若ECG信号采样队列存满时，将存储的ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送给ECG信号特征检测模块并清空所述ECG信号采样队列，否则继续进行下次采集。
ECG信号采样队列的长度取决于ECG信号采样率、心动周期数和最小心率；ECG信号采样率为采样点提取模块每秒钟上传给上位机的ECG采样点数量；对于心动周期数，至少需要大于1个周期；通常采用3～6个心动周期的心电信号；需要确定一个***设计支持的最小心率，考虑到大多数情况，这个最小心率定为40次/分钟；通过分析，可通过公式(1)确定ECG信号采样队列的长度：
采样队列的长度=60÷最小心率×心动周期数×ECG信号采样率 (1)
当上位机进行一次ECG信号采集，ECG信号采样队列满时，ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送给ECG信号特征检测模块进行ECG信号特征检测；本发明在上位机中设置ECG信号特征检测模块，进行心电信号特征检测的基本流程如下：
对ECG信号采样队列进行平滑处理；
对平滑后的ECG信号采样队列中采样点计算斜率；
检测ECG信号的有效性，排除无效信号；
搜索ECG信号采样队列中ECG信号上半部的所有波峰；
对于ECG信号上半部的所有波峰，通过波峰左右两侧斜率限定检测R波波峰；
通过R波波峰左侧的斜率数据确定Q波波峰；
通过R波波峰右侧的斜率数据确定S波波峰；
通过搜索Q波波峰左侧设定范围内采样点数据的最大值确定P波波峰；
通过搜索S波波峰右侧设定范围内采样点数据的最大值确定T波波峰。
（一）对ECG信号采样队列进行平滑处理；
本发明中，具体采用高斯滤波处理来对ECG信号采样队列进行平滑处理。
（二）对平滑后的ECG信号采样队列中采样点计算斜率；
由于ECG信号波形中的R波波峰幅值最高，故对应的R波波峰左右的斜率数据会出现正的极大值和负的极大值，并且比其它波峰左右的斜率数据的值更大；根据这一特征，可以辅助检测R波波峰的位置，提高R波检测的准确性；
（三）检测ECG信号的有效性，排除无效信号；
考虑到实际情况，存在ECG导联线悬空，接触不良等异常情况，为了避免这种情况对心电信号特征检测形成干扰，需要提前判别出来；
计算ECG信号采样队列中采样点数据的最大值与最小值的差，作为第一差值，以及计算ECG信号采样队列中采样点斜率数据中的最大值与最小值的差，作为第二差值；如果第一差值和第二差值都大于设定的相应阈值，则认为ECG信号有效，否则本次算法处理结束；
（四）搜索ECG信号采样队列中ECG信号上半部的所有波峰；
由于QRS波群在一个周期的ECG信号波形中特征最明显，QRS波群紧密连接，R波波峰向上最高，R波左侧紧连向下的Q波波峰，R波右侧紧连向下的最低S波波峰；所以优先检测出R波，是检测出其他波的基础；
搜索出ECG信号采样队列中采样点数据的所有波峰值和一个最小值，将每个波峰值Peak与最小值Min E 求差值，当求得的差值大于设定阈值ThPeak时，确定为满足条件的波峰值，得到对应的波峰位置；
（五）对于ECG信号上半部的所有波峰，通过波峰左右两侧斜率限定检测R波波峰；
由于R波波峰最高，对应的斜率数据，在R波波峰的左侧会出现正向的最大斜率数据，在R波波峰的右侧会出现负向的最大斜率数据，通过此特征，可以准确的确定R波波峰；
对于计算出的ECG信号上半部的每一个波峰，分别在波峰的左侧和右侧设定范围内对相应的斜率数据进行搜索，若同时满足波峰左侧存在斜率大于设定正向斜率阈值且右侧存在斜率小于负向斜率阈值的条件，则表示确定了R波波峰位置；
（六）通过R波波峰左侧的斜率数据确定Q波波峰；
Q波波峰是在R波波峰位置左侧的一个向下的波峰，对应的斜率数据经过0点，由于R波波峰位置已经确定，只需要从R波的波峰位置向左检测斜率数据；
从R波波峰向左侧搜索，当相邻两个采样点的斜率，满足左侧采样点的斜率小于或者等于0，并且右侧采样点的斜率大于或者等于0的条件，则确定Q波波峰位置；Q波波峰就在该两个采样点之间或在其中某个采样点（若该采样点的斜率为0）；
（七）通过R波波峰右侧的斜率数据确定S波波峰；
S波波峰是在R波波峰位置右侧的一个向下的波峰，幅值比Q波低，对应的斜率数据经过0点，由于R波波峰位置已经确定，只需要从R波的波峰位置向右检测斜率数据；
从R波波峰向右侧搜索，当相邻两个采样点的斜率，满足左侧采样点的斜率小于或者等于0，并且右侧采样点的斜率大于或者等于0的条件，则确定S波波峰位置；S波波峰就在该两个采样点之间或在其中某个采样点（若该采样点的斜率为0）；
（八）通过搜索Q波波峰左侧设定范围内采样点数据的最大值确定P波波峰；
P波波峰是在Q波波峰左侧一段区间内的采样点数据中最大值对应的波峰；所以，通过搜索Q波波峰左侧设定范围内采样点数据的最大值就可以确定P波波峰位置。
（九）通过搜索S波波峰右侧设定范围内采样点数据的最大值确定T波波峰；
T波波峰是在S波波峰右侧一段区间内的采样点数据中最大值对应的波峰；所以，通过搜索S波波峰右侧设定范围内采样点数据的最大值就可以确定T波波峰位置。
本法对于正常ECG信号，可以准确检测出P、Q、R、S、T波波峰位置，如图3所示；
对于起始波形异常的ECG信号，也能够比较准确地检测出P、Q、R、S、T波波峰位置，如图4所示；
对于ECG导联线悬空时的信号，如图5所示，上述方法未检测出有效波形，与实际情况吻合。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种心电信号采集***，其特征在于，包括:
ECG信号采集模块，配置成用于采集目标对象的ECG信号；
采样点提取模块，用于从采集的ECG信号中提取一定数量的ECG信号采样点数据并向采样队列模块发送；
采样队列模块，配置于上位机上，配置成将提取的ECG信号采样点数据存储到ECG信号采样队列中，若ECG信号采样队列存满时，将存储的ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送给ECG信号特征检测模块并清空所述ECG信号采样队列，否则继续进行下次采集。
2.如权利要求1所述的心电信号采集***，其特征在于，
所述ECG信号采集模块包括导联线、ECG信号采集芯片和FPGA芯片；
所述导联线用于接到人体上以感应ECG信号；
所述ECG信号采集芯片用于采样所述导联线感应到的ECG信号并进行放大和模数转换，输出ECG数字信号；
所述FPGA芯片用于处理ECG信号采集芯片输出的ECG数字信号，以提高ECG数字信号的信号质量。
3.如权利要求2所述的心电信号采集***，其特征在于，
提高ECG数字信号的信号质量的具体方法包括对ECG信号采集芯片输出的ECG数字信号至少进行基线漂移处理、增益控制和降低干扰处理。
4.如权利要求1、2或3所述的心电信号采集***，其特征在于，
所述采样点提取模块还配置成每上传一帧超声图像，上传两帧超声图像间内采集到的ECG采样点数据。
5.如权利要求1、2或3所述的心电信号采集***，其特征在于，
所述ECG信号采样队列的长度取决于ECG信号采样率、心动周期数和最小心率；
其中，所述ECG信号采样率为采样点提取模块每秒钟上传给上位机的ECG采样点数量；
所述心动周期数至少大于1个周期；
所述最小心率为***支持的最小心率。
6.如权利要求5所述的心电信号采集***，其特征在于，
所述最小心率为40次/分钟。
7.如权利要求5所述的心电信号采集***，其特征在于，
所述心动周期数为3～6个心动周期。
8.如权利要求3所述的心电信号采集***，其特征在于，
所述降低干扰处理至少包括带通滤波处理和平均滤波处理。
9.一种心电信号采集方法，其特征在于，包括：
通过导联线采集目标对象的ECG信号；
从采集的所述ECG信号中提取一定数量的ECG信号采样点数据；
将提取的所述ECG信号采样点数据存储到ECG信号采样队列中；
若存储到ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据存满时，将存储的ECG信号采样队列中的ECG信号采样点数据发送出，并清空所述ECG信号采样队列，否则继续进行下次采集。
10.如权利要求9所述的心电信号采集方法，其特征在于，所述ECG信号采样队列的长度取决于ECG信号采样率、心动周期数和最小心率；
其中，所述心动周期数至少大于1个周期；所述最小心率为***支持的最小心率。
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