CN113925514A - 一种便携式多导联ecg采集***及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种便携式多导联ECG采集***及其数据处理方法，属于医疗检测设备技术领域。包括右腿驱动电极、调理电路、右腿驱动电路、压缩感知编码器、远程终端解码器和若干采集电极；若干采集电极布置在胸部导联位置，右腿驱动电极布置在人体皮肤上，右腿驱动电极与右腿驱动电路连接，右腿驱动电路和若干采集电极分别与调理电路连接，调理电路与压缩感知编码器连接，压缩感知编码器与远程终端解码器通信互联。本发明能够实现多导联ECG采样的同时将数据极大程度地压缩，大幅提高信号传输的速度，降低***功耗和存储压力，使ECG采集设备的更小型化和低功耗化。
Description
技术领域
本发明属于医疗检测设备技术领域，具体涉及一种便携式多导联ECG采集***及其数据处理方法。
背景技术
传统的信号采样方式符合奈奎斯特采样定理，即要求采样频率必须大于实际信号最高频率的两倍才能保证无失真采样而且采样时必须以固定采样频率实行等间隔采样。该方式采样结果的数据规模往往十分巨大，不便于传输和储存而且增加了***的能耗负担。自然界中大部分信号都是稀疏的或经一定变换后具有一定稀疏性，压缩感知采样方法正是利用信号的这一特性，通过不等间隔的亚采样方式将原始信号投影到低维空间实现压缩，并且压缩信号可以通过极大似然估计等方法无失真地还原成原始信号。该方法可以实现信号采样和压缩同步进行，而且可以将数据压缩数十倍，很大程度上提高数据传输的速度，降低了硬件功耗、存储压力和数据冗余度等。
便携式多导联ECG采集***是实现患者全天候ECG检测的重要手段，对心血管疾病的防治具有重要意义。这就要求该类设备具有传输速度快，功耗低，信息存储大等特点，而传统的基于奈奎斯特采样定理的采样方式已经逐渐成为便携式ECG采集设备发展的一大制约瓶颈。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种便携式多导联ECG采集***及其数据处理方法，能够实现多导联ECG采样的同时将数据极大程度地压缩，大幅提高信号传输的速度，降低***功耗和存储压力，使ECG采集设备的更小型化和低功耗化。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种便携式多导联ECG采集***，包括右腿驱动电极、调理电路、右腿驱动电路、压缩感知编码器、远程终端解码器和若干采集电极；
若干采集电极布置在胸部导联位置，右腿驱动电极布置在人体皮肤上，右腿驱动电极与右腿驱动电路连接，右腿驱动电路和若干采集电极分别与调理电路连接，调理电路与压缩感知编码器连接，压缩感知编码器与远程终端解码器通信互联。
优选地，调理电路包括仪用差分放大电路和带通滤波电路，若干采集电极分别与仪用差分放大电路连接，仪用差分放大电路分别与带通滤波电路和右腿驱动电路连接，带通滤波电路与压缩感知编码器连接。
优选地，带通滤波电路为二阶有源带通巴特沃斯滤波电路，下限截止频率为0.5Hz，上限截止频率为30Hz。
进一步优选地，若干采集电极之一与仪用差分放大电路的负极连接，其余采集电极与仪用差分放大电路的正极连接。
进一步优选地，仪用差分放大电路的放大倍数为500～2000。
优选地，右腿驱动电路的输出为幅值50～100mV的工频正弦信号。
优选地，压缩感知编码器通过无线通信模块与远程终端解码器通信互联。
本发明公开的上述便携式多导联ECG采集***的数据处理方法，包括：
若干采集电极将采集到的信号输入调理电路，右腿驱动电路将信号的共模干扰信号的幅值反相放大后经右腿驱动电极反馈回人体皮肤；经调理电路处理后的信号在压缩感知编码器内进行压缩，并将压缩后的信号传输至远程终端解码器，远程终端解码器利用压缩采样匹配跟踪算法将压缩后的信号重构为稀疏域信号进而恢复成为原始的信号。
优选地，压缩感知编码器包括MCU和压缩感知算法，每次MCU输入一定长度的P通道ECG信号S，S∈RN*P，P为采集电极的数量-1，第i列数据表示第i通道的原始ECG信号；然后由MCU构造一个大小为M*N(M<<N)的高斯随机矩阵Φ，其中所有元素
均服从均值为0、方差为1/M的高斯分布；ECG信号S经过矩阵Φ之后可以得到压缩信号Y＝ΦS，Y∈RM*P，压缩信号Y中的每一个元素yi,j都是由原始信号元素si,j和测量矩阵元素
相乘累加得到，包含了原始ECG信号S的全局信息。
进一步优选地，远程终端解码器将压缩信号Y重构并恢复成原始ECG信号，远程终端解码器存有N*N维的正交基稀疏变换矩阵Ψ，通过稀疏变换S＝ΨX将原始ECG信号S变换为稀疏性更高的稀疏域信号X，稀疏域信号X的稀疏度为K，并存在如下关系Y＝ΦS＝ΦΨX＝ΘX，即可以将重构过程转化为求解最优问题X＝argmin||X||1，s.t.Y＝ΘX；通过压缩采样匹配跟踪算法求解并重构出X的逼近值
进一步地根据
恢复成原始ECG信号
压缩信号Y的长度M确定方式如下：选取已有的一段ECG信号，令K从0开始以5％为步长增加至1，对每一次K赋值时进行一次压缩感知和重构，恢复并计算对应K值下的均方根误差
取PRD最小值对应的K值与原始ECG信号的长度N的乘积为压缩信号长度M。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种便携式多导联ECG采集***，通过采集电极采集信号，调理电路对信号进行处理，右腿驱动电路将信号的共模干扰信号的幅值反相放大后经右腿驱动电极反馈回人体皮肤，大幅提高放大电路的共模抑制比；压缩感知编码器对信号进行压缩，远程终端解码器将压缩后的信号重构为稀疏域信号进而恢复成为原始的信号。本发明能够以较高的压缩率实现多导联ECG信号的压缩感知，有利于ECG采集设备的更小型化和低功耗化，大幅降低信息存储压力，符合便携式医疗设备和分布式远程医疗和大数据数字医疗等新型医疗模式的发展要求。
进一步地，调理电路包括仪用差分放大电路和带通滤波电路，能对信号进行差分放大和滤波。
更进一步地，带通滤波电路为二阶有源带通巴特沃斯滤波电路，下限截止频率为0.5Hz，上限截止频率为30Hz，能够消除采集信号中的直流偏置、低频漂移以及高频噪声。
更进一步地，仪用差分放大电路的放大倍数为500～2000倍，该数值能够提升ECG信号的幅值水平，保证ECG信号能够被MCU有效采集。
进一步地，右腿驱动电路的输出为幅值50～100mV的工频正弦信号，能够抵消人体表面的工频共模干扰，提升调理电路的共模抑制比。
进一步地，压缩感知编码器通过无线通信模块与远程终端解码器通信互联，通信便捷。
本发明公开的上述便携式多导联ECG采集***的数据处理方法，前端低功耗的MCU按照一定的时间间隔以固定的采样频率获取间隔期内的多通道ECG信号的同时对原始ECG信号进行数十倍的压缩编码，并将压缩后的信号无线传输至终端设备；终端设备的解码器利用压缩采样匹配跟踪算法(Compressive Sampling Matching Pursuit，CoSaMP)将压缩信号重构为稀疏域信号进而恢复出原始信号。本发明能够以较高的压缩率实现多导联ECG信号的压缩感知，有利于ECG采集设备的更小型化和低功耗化，大幅降低信息存储压力，符合便携式医疗设备和分布式远程医疗和大数据数字医疗等新型医疗模式的发展要求。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1为V1胸导联电极；2为V2胸导联电极；3为V3胸导联电极；4为V4胸导联电极；5为V5胸导联电极；6为V6胸导联电极；7为右腿驱动电极；8为调理电路；9为右腿驱动电路；10为压缩感知编码器；11为远程终端解码器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，为本发明的便携式多导联ECG采集***，包括右腿驱动电极7、调理电路8、右腿驱动电路9、压缩感知编码器10、远程终端解码器11和若干采集电极。
若干采集电极布置在胸部导联位置，右腿驱动电极7布置在人体皮肤上，右腿驱动电极7与右腿驱动电路9连接，右腿驱动电路9和若干采集电极分别与调理电路8连接，调理电路8与压缩感知编码器10连接，压缩感知编码器10与远程终端解码器11通信互联。
在本发明的一个较优的实施例中，调理电路8包括仪用差分放大电路和带通滤波电路，若干采集电极分别与仪用差分放大电路连接，仪用差分放大电路分别与带通滤波电路和右腿驱动电路9连接，带通滤波电路与压缩感知编码器10连接。
优选地，带通滤波电路为二阶有源带通巴特沃斯滤波电路，下限截止频率为0.5Hz，上限截止频率为30Hz。优选地，若干采集电极之一与仪用差分放大电路的负极连接，其余采集电极与仪用差分放大电路的正极连接。优选地，仪用差分放大电路的放大倍数为500～2000。
在本发明的一个较优的实施例中，右腿驱动电路9的输出为幅值50～100mV的工频正弦信号。
在本发明的一个较优的实施例中，压缩感知编码器10通过无线通信模块与远程终端解码器11通信互联。
上述便携式多导联ECG采集***的数据处理方法，包括：
若干采集电极将采集到的信号输入调理电路8，右腿驱动电路9将信号的共模干扰信号的幅值反相放大后经右腿驱动电极7反馈回人体皮肤；经调理电路8处理后的信号在压缩感知编码器10内进行压缩，并将压缩后的信号传输至远程终端解码器11，远程终端解码器11利用压缩采样匹配跟踪算法将压缩后的信号重构为稀疏域信号进而恢复成为原始的信号。
压缩感知编码器10包括MCU和压缩感知算法，每次MCU输入一定长度的P通道ECG信号S，S∈RN*P，P为采集电极的数量-1，第i列数据表示第i通道的原始ECG信号；然后由MCU构造一个大小为M*N(M<<N)的高斯随机矩阵Φ，其中所有元素
均服从均值为0、方差为1/M的高斯分布；ECG信号S经过矩阵Φ之后可以得到压缩信号Y＝ΦS，Y∈RM*P，压缩信号Y中的每一个元素yi,j都是由原始信号元素si,j和测量矩阵元素
相乘累加得到，包含了原始ECG信号S的全局信息。
远程终端解码器11将压缩信号Y重构并恢复成原始ECG信号，远程终端解码器11存有N*N维的正交基稀疏变换矩阵Ψ，通过稀疏变换S＝ΨX将原始ECG信号S变换为稀疏性更高的稀疏域信号X，稀疏域信号X的稀疏度为K，并存在如下关系Y＝ΦS＝ΦΨX＝ΘX，即可以将重构过程转化为求解最优问题X＝argmin||X||1，s.t.Y＝ΘX；通过压缩采样匹配跟踪算法求解并重构出X的逼近值
进一步地根据
恢复成原始ECG信号
压缩信号Y的长度M确定方式如下：选取已有的一段ECG信号，令K从0开始以5％为步长增加至1，对每一次K赋值时进行一次压缩感知和重构，并计算对应K值下的均方根误差
取PRD最小值对应的K值与原始ECG信号的长度N的乘积为压缩信号长度M。下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：
本实施例的基便携式多导联ECG采集***包括多导联调理电路8、压缩感知编码器10、无线数据传输器、远程终端解码器11、数据存储器和电源。
多导联ECG调理电路包括6个ECG采集电极(分别为V1胸导联电极1、V2胸导联电极2、V3胸导联电极3、V4胸导联电极4、V5胸导联电极5和V6胸导联电极6)，1个右腿驱动电极7，ECG信号放大电路，带通滤波电路和右腿驱动电路9。6个ECG采集电极分别布置于人体标准V1,V2,V3,V4,V5,V6胸部导联位置；ECG信号放大电路包含五个仪用差分放大电路，每个差分放大电路的正极输入信号分别于V2～V6导联对应，所有差分放大电路的负极输入信号均为V1导联，差分放大倍数为1000；带通滤波电路为二阶有源带通巴特沃斯滤波电路，下限截止频率和上限截止频率分别为0.5Hz和30Hz；右腿驱动电路9将输入信号的共模干扰信号的幅值反相放大至50mV左右，经右腿驱动电极7反馈回人体皮肤，大幅提高放大电路的共模抑制比，共模干扰由各差分放大电路输入中点信号叠加合成。
压缩感知编码器10包括低功耗MCU和压缩感知算法。每次MCU输入一定长度的五通道ECG信号S，S∈RN*5，第i列数据即表示第i通道的原始ECG信号；然后由MCU构造一个高斯随机矩阵Φ并记为测量矩阵，矩阵大小为M*N(M<<N),其中所有元素
均服从均值为0，方差为1/M的高斯分布；最终原始信号S经过测量矩阵Φ之后可以得到压缩信号Y＝ΦS，Y∈RM*5，压缩信号Y中的每一个元素yi,j都是由原始信号元素si,j和测量矩阵元素
相乘累加得到，包含了原始ECG信号S的全局信息。
远程终端解码器11可以在计算机终端或移动终端将压缩信号Y重构并恢复出ECG信号，解码器存有N*N维的正交基稀疏变换矩阵Ψ，其性质是可以通过稀疏变换S＝ΨX将原始ECG信号S变换为稀疏性更高的稀疏域信号X。稀疏域信号X的稀疏度为K，并存在如下关系Y＝ΦS＝ΦΨX＝ΘX，即可以将重构过程转化为求解最优问题X＝argmin||X||1，s.t.Y＝ΘX；通过压缩采样匹配跟踪算法
(CoSaMP)求解并重构出X的逼近值
进一步地根据
恢复出原始
ECG信号
压缩信号的长度M快速确定方式如下，选取被测试者已有的一段ECG信号，令K从0开始以5％为步长增加至1，对每一次K赋值时进行一次压缩感知和重构并计算对应K值下的均方根误差
取PRD最小值对应的K值与原始ECG信号的长度N的乘积为压缩信号长度M。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (10)
1.一种便携式多导联ECG采集***，其特征在于，包括右腿驱动电极(7)、调理电路(8)、右腿驱动电路(9)、压缩感知编码器(10)、远程终端解码器(11)和若干采集电极；
若干采集电极布置在胸部导联位置，右腿驱动电极(7)布置在人体皮肤上，右腿驱动电极(7)与右腿驱动电路(9)连接，右腿驱动电路(9)和若干采集电极分别与调理电路(8)连接，调理电路(8)与压缩感知编码器(10)连接，压缩感知编码器(10)与远程终端解码器(11)通信互联。
2.根据权利要求1所述的便携式多导联ECG采集***，其特征在于，调理电路(8)包括仪用差分放大电路和带通滤波电路，若干采集电极分别与仪用差分放大电路连接，仪用差分放大电路分别与带通滤波电路和右腿驱动电路(9)连接，带通滤波电路与压缩感知编码器(10)连接。
3.根据权利要求2所述的便携式多导联ECG采集***，其特征在于，带通滤波电路为二阶有源带通巴特沃斯滤波电路，下限截止频率为0.5Hz，上限截止频率为30Hz。
4.根据权利要求2所述的便携式多导联ECG采集***，其特征在于，若干采集电极之一与仪用差分放大电路的负极连接，其余采集电极与仪用差分放大电路的正极连接。
5.根据权利要求2所述的便携式多导联ECG采集***，其特征在于，仪用差分放大电路的放大倍数为500～2000。
6.根据权利要求1所述的便携式多导联ECG采集***，其特征在于，右腿驱动电路(9)的输出为幅值50～100mV的工频正弦信号。
7.根据权利要求1所述的便携式多导联ECG采集***，其特征在于，压缩感知编码器(10)通过无线通信模块与远程终端解码器(11)通信互联。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的便携式多导联ECG采集***的数据处理方法，其特征在于，包括：
若干采集电极将采集到的信号输入调理电路(8)，右腿驱动电路(9)将信号的共模干扰信号的幅值反相放大后经右腿驱动电极(7)反馈回人体皮肤；经调理电路(8)处理后的信号在压缩感知编码器(10)内进行压缩，并将压缩后的信号传输至远程终端解码器(11)，远程终端解码器(11)利用压缩采样匹配跟踪算法将压缩后的信号重构为稀疏域信号进而恢复成为原始的信号。
9.根据权利要求8所述的便携式多导联ECG采集***的数据处理方法，其特征在于，压缩感知编码器(10)包括MCU和压缩感知算法，每次MCU输入一定长度的P通道ECG信号S，S∈RN*P，P为采集电极的数量-1，第i列数据表示第i通道的原始ECG信号；然后由MCU构造一个大小为M*N(M<<N)的高斯随机矩阵Φ，其中所有元素
均服从均值为0、方差为1/M的高斯分布；ECG信号S经过矩阵Φ之后可以得到压缩信号Y＝ΦS，Y∈RM*P，压缩信号Y中的每一个元素yi,j都是由原始信号元素si,j和测量矩阵元素
相乘累加得到，包含了原始ECG信号S的全局信息。
10.根据权利要求9所述的便携式多导联ECG采集***的数据处理方法，其特征在于，远程终端解码器(11)将压缩信号Y重构并恢复成原始ECG信号，远程终端解码器(11)存有N*N维的正交基稀疏变换矩阵Ψ，通过稀疏变换S＝ΨX将原始ECG信号S变换为稀疏性更高的稀疏域信号X，稀疏域信号X的稀疏度为K，并存在如下关系Y＝ΦS＝ΦΨX＝ΘX，即可以将重构过程转化为求解最优问题X＝argmin||X||1，s.t.Y＝ΘX；通过压缩采样匹配跟踪算法求解并重构出X的逼近值
进一步地根据
恢复成原始ECG信号
压缩信号Y的长度M确定方式如下：选取已有的一段ECG信号，令K从0开始以5％为步长增加至1，对每一次K赋值时进行一次压缩感知和重构，恢复并计算对应K值下的均方根误差
取PRD最小值对应的K值与原始ECG信号的长度N的乘积为压缩信号长度M。
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