基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統的製作方法
2023-10-08 03:46:34 1
專利名稱：基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫療器械技術領域的系統，具體是一種基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統。
背景技術：
據世界衛生組織(WHO)統計顯示，腦病患者急劇上升，已居各類疾病的前幾位。在我國，每年新發完全性腦中風120-150萬人，死亡者80-100萬人，存活者中約75％致殘，5年內復發率高達41％。由於心臟驟停，窒息等原因引起的腦損傷稱為缺血性腦病(ischemic encephalopathy)。缺血缺氧5分鐘即可造成神經元的死亡。儘管機體存在一系列的代償調節機制(如腦底動脈環的存在可使局部缺血區域得到一定的補償；缺血缺氧時腦血管擴張，全身其它血管收縮以進行血液重新分配等)，但這種調節機制有一定的限度，一旦超過此極限，即可造成神經損傷。已有研究表明心率變異(HRV信號)可作為急性腦缺血缺氧程度的指標。
目前市場上對於腦缺血缺氧的監護和判斷最有可能實現並能用於臨床的腦損傷診斷手段是CT、磁共振和腦血流圖。但採集的不方便和儀器的昂貴，不可能成為一個家用預報預警的手段。在診斷眾多腦疾病時腦電圖並不能被臨床醫生有效、方便地利用。而對腦中風病人的預防醫學研究一直是個空白。對於一些特別是早期和低度腦缺血缺氧的病人來說，CT、磁共振和腦血流圖卻不一定能夠反映出來。市場上還有很多儀器用於心臟的監護和治療，但是卻沒有方便的用於腦缺血缺氧的監護和判斷的儀器。目前的很多監護和治療儀器是關於心電的檢測，測量和處理的，有的已經具備了很多功能，但是也有很多不足之處。
經對現有技術的文獻檢索發現，如中國發明專利心血管疾病監護儀(專利公開號CN1488315)提出了一種主要基於心電信號、同時考慮血壓信號、血糖信號、血氧飽和度信號來對心血管疾病進行監護的方法。該發明通過外部多個傳感器接收信號，微處理器管理信號存儲、接收、發信，提供了一種能在家庭、社區醫療點和醫院內部利用心電信號對心臟病患者進行實時監護的方法。但該發明卻忽視了微處理器的高速處理功能，沒有利用微處理器的高速處理功能分析心電信號，沒有提出利用心電信號分析，用於腦缺血缺氧的監護，同時此發明的傳感器很多，不利於患者心電信號的測量和攜帶的方便性。本發明的目的在於克服上述現有技術的不足之處，基於心電的檢測、通過數位訊號處理器對心電信號進行處理和判斷，適用於腦缺血缺氧狀態的監護。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，使其利用數位訊號處理器快速處理的能力，將HRV信號的提取方法及對HRV信號的非線性分析嵌入到數位訊號處理器中，在數位訊號處理器晶片裡面嵌入非線性方法計算的非線性特徵量並顯示出來，通過對特徵量的判斷，來預測腦缺血缺氧，從而起到了預報和預警的作用。
本發明是通過以下技術方案實現的。本發明包括信號提取模塊、心電信號數字處理模塊、外部通信及存儲模塊。信號提取模塊接受三個體表電極的心電信號，將接收到的模擬電信號作信號的放大、隔離、模擬濾波處理，處理後的心電信號作為心電信號數字處理模塊的信息輸入，心電信號數字處理模塊對輸入的信號進行模數轉換、數字濾波、心率變異信號提取、非線性參數計算，閾值判斷，而後心電數位訊號處理模塊將處理後的信號傳送給外部通信及存儲模塊。外部通信及存儲模塊負責信號的顯示、存儲、通信功能。
所述信號提取模塊包括五個子模塊傳感器接口模塊、信號初級放大模塊、信號隔離模塊、信號模擬濾波模塊、信號二級放大模塊；傳感器接口模塊與信號初級放大模塊相連，傳感器接口模塊的三個體表電極與人體接觸，傳送人體心電信號給信號初級放大模塊；信號初級放大模塊與信號隔離模塊連接，信號初級放大模塊接受與人體接觸的三個體表電極的心電信號，將心電信號放大以便心電信號順利地通過信號隔離模塊，信號隔離模塊與信號模擬濾波模塊相連，信號隔離模塊負責人體電環境與外部電環境的隔離，信號經過信號隔離模塊之後，濾去了直流分量，進入信號模擬濾波模塊，信號模擬濾波模塊將混雜在信號中的高頻噪聲、工頻幹擾濾除掉，儘可能地還原出真實信號。信號模擬濾波模塊與信號二級放大模塊相連，信號模擬濾波模塊將濾波處理後的信號傳遞給信號二級放大模塊，信號二級放大模塊負責將信號進一步的放大。
所述心電信號數字處理模塊，包括信號A/D採樣模塊、數字濾波降噪模塊、醫用信號處理模塊、外部接口管理模塊；信號A/D採樣模塊對信號提取模塊傳遞過來的模擬信號進行模數轉換，將模擬信號通過至少1KHZ的採樣率，轉化成數位訊號，信號A/D採樣模塊與數字濾波降噪模塊相連，數字濾波降噪模塊將通過信號A/D採樣模塊後的數位訊號進行傅立葉變化和反變化，對信號進行數字濾波；數字濾波降噪模塊與醫用信號處理模塊相連，醫用信號處理模塊將數字濾波後的信號用醫用信號處理算法進行處理，用以預測腦缺血缺氧狀態。外部接口管理模塊與信號A/D採樣模塊相連，負責將信號A/D採樣模塊取得的原始心電數位訊號通過外部通信及存儲模塊存儲起來，同時外部接口管理模塊也與醫用信號處理模塊相連，將醫用信號處理模塊處理的結果通過外部通信及存儲模塊顯示、發送出去。
所述外部通信及存儲模塊包括LCD顯示模塊，RAM數據存取模塊，通訊接口模塊；LCD顯示模塊、RAM數據存儲模塊、通訊接口模塊分別與心電信號數字處理模塊獨立相連，LCD顯示模塊將心電信號數字處理模塊信號處理結果通過LCD顯示出來；RAM數字存儲模塊負責實時的心電原始信號的數據存儲；通訊接口模塊則通過藍牙、USB等接口，負責與外部通信功能。
本發明的特點是，儀器成本低，輕便，可移植性強，不需要PC機就可以對結果進行分析和處理。通過從心電信號中提取心率變異信號，對心率變異信號進行相關的非線性處理，根據相關的非線性特徵量判斷腦是否處於缺血缺氧狀態，可以起到預警作用。如果需要察看記錄的心電信號，可以通過PC機將外接存儲的數據調出來進行觀察。
圖1為本發明系統結構框圖。
圖2為本發明信號提取模塊中信號初級放大模塊和信號二級放大模塊使用的放大器結構框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
現有研究認為，人體的心電信號受到交感神經和副交感神經的影響，在人的大腦處於缺血缺氧狀態時，人體的心電信號會表現出相關的特徵來。通過從心電信號中提取心率變異信號，對心率變異信號進行相關的非線性處理方法，可以得到相關的非線性特徵量。這些非線性特徵量對於腦是否處於缺血缺氧狀態可以起到判斷和預警作用。本發明設計將對腦缺血缺氧狀態表現明顯的李氏指數、去趨勢分析等分線性算法植入硬體系統中，以實現高速的處理和判斷。
如圖1-2所示，本實施例包括以下組成部件1、信號提取模塊。此模塊由傳感器接口模塊、信號初級放大模塊、信號隔離模塊、信號模擬濾波模塊、信號二級放大模塊組成。
a)傳感器接口模塊與信號初級放大模塊相連，傳感器接口模塊有三個體表電極，三體表電極與人體相接觸，將心電信號傳送給信號初級放大模塊。
b)信號初級放大模塊接受與人體接觸的三個體表電極的心電信號。微弱的心電信號進入信號初級放大模塊後，被放大到滿足後面的信號隔離模塊對輸入信號的要求。一般信號初級放大模塊將原始信號放大10-100倍左右。
c)信號初級放大模塊與信號隔離模塊相連。心電信號在初級放大模塊被放大到10-100倍左右後，接著進入信號隔離模塊。同時信號初級放大模塊與信號隔離模塊的前半部分是人體地設置，由隔離電源供電。
d)信號隔離模塊與信號模擬濾波模塊相連。信號隔離模塊將整個系統與外接供電環境和人體電環境隔離，一般隔離電壓達到5000V左右，信號隔離模塊同時濾掉直流分量部分。信號隔離模塊有高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低溫漂的工作性能。
e)信號模擬濾波模塊與信號二級放大模塊相連。心電信號通過信號隔離模塊以後進入信號模擬濾波模塊。信號模擬濾波電路模塊將混雜在信號中的高頻噪聲、工頻幹擾濾除掉。信號模擬濾波模塊通過模擬濾波器儘可能的還原出真實信號。
f)信號二級放大模塊與心電信號數字處理模塊相連。二級放大模塊接受心電信號數字處理模塊的調控，具有自適應放大倍數功能，將心電信號進一步放大。
信號初級放大模塊和信號二級放大模塊都需要用到生物電放大器，而對於生物電放大器的選擇好壞直接影響到後面信號是否檢測得到。為此對於生物電放大器我們要求1、高輸入阻抗，2、高共模抑制比，3、低噪聲、低漂移，4、足夠大的放大倍數及低功耗。根據這些要求，為了實現信號初級放大模塊和信號二級放大模塊功能，由圖2所示，我們選擇了Burr-Brown公司的高精密低功耗儀用放大器INA128，該晶片就是為醫療器械領域量身定做的，特別是心電等生理信號檢測與採集，可以極大地體現出它的優勢。其主要電氣性能為(1)高輸入阻抗差模1010||2 Ω//pF；共模1011||9 Ω//pF；(2)高共模抑制比增益為10時，最小100dB；增益為100時，最小120dB；(3)低噪聲不超過10nV/Hz;]]>(4)低漂移溫漂係數最大±0.5±20/G μV/℃，偏移電壓最大±1±100/GμV；(5)8管腳精簡封裝，小巧靈便。
2、心電信號數字處理模塊。此模塊通過接收從信號提取模塊進入的模擬信號，通過模塊內部的A/D轉換功能，將模擬信號轉換成數位訊號並進行數位訊號處理，並將結果通過與外部通信存儲模塊相連，把信號顯示出來。該模塊包含信號A/D採樣模塊、數字濾波降噪模塊、醫用信號處理模塊、外部接口管理模塊四個小模塊a)信號A/D採樣模塊。模擬信號通過信號提取模塊進入心電信號數字處理模塊，首先第一步先進入信號A/D採樣模塊。信號A/D採樣模塊一般為集成在DSP數位訊號處理器內部的10-bit的連續逼近式模數轉換器ADC，其將外部輸入的模擬信號轉換為待處理的數位訊號，避免了外接ADC器件的需要。一般要求該ADC在一個時刻可以對最多4路模擬輸入的一個做採樣，並用10-bit的數字形式表示。
b)數字濾波降噪模塊。模擬信號通過信號A/D採樣模塊變成數位訊號以後，數字濾波降噪模塊對數位訊號進行處理，通過快速傅立葉變換和反變換算法對數位訊號進行分析，將信號進行均勻和去高頻毛刺處理。
c)醫用信號處理模塊。平滑的信號進入醫用算法處理模塊，此模塊有三個功能①心率變異信號提取功能，從平滑的信號中通過插值、選值算法，得出心率變異信號，用於計算非線性算子參數；②非線性算子計算功能，通過讀取心率變異信號參數，經李氏指數，去波動分析算法得到非線性算子參數；③腦缺血缺氧監護預警功能，通過將非線性算子參數與正常的閾值比較，用於預測腦缺血缺氧狀態。
d)外部接口管理模塊，此模塊分別與信號A/D採樣模塊、醫用信號處理模塊獨立相連，通過外部通信及存儲模塊，控制信號的存儲，發送等狀態。
3、外部通信及存儲模塊。外部通信及存儲模塊包含LCD顯示模塊，RAM數據存取模塊，通訊接口模塊三個小模塊；RAM數據存儲模塊將通過心電信號數字處理模塊以後的信息存儲起來，以便日後查詢，重新計算使用，同時為了患者方便，LCD顯示模塊，可以讓患者實時的觀測信號結果，了解自身的情況，通訊接口模塊包含USB和藍牙功能，可以滿足整個系統與外部進行通信的要求。
a)RAM數據存儲模塊，心電信號數字處理模塊與RAM數據存儲模塊相連，將經過A/D採樣模塊的原始心電信號存入RAM之中，以便醫生日後察看、評估；b)LCD顯示模塊與心電信號數字處理模塊相連，心電信號數字處理模塊將其醫用信號處理模塊的心率變異參數、非線性算子參數、預警值通過外部接口管理模塊在LCD顯示模塊顯示出來；c)通訊接口模塊，通信接口模塊含有USB和藍牙接口功能，USB接口用於與外部PC機連接，外部PC機可以調出存儲在RAM模塊的信號，藍牙接口則可以與網關等其它器件通過無線方式連接，向外發射預警信號。
權利要求
1.一種基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵在於包括信號提取模塊、心電信號數字處理模塊、外部通信及存儲模塊；信號提取模塊接受安裝在系統的三個體表電極的心電信號，將接收到的模擬電信號作信號的放大、隔離、模擬濾波處理，處理後的心電信號作為心電信號數字處理模塊的信息輸入，心電信號數字處理模塊對輸入的信號進行模數轉換、數字濾波、心率變異信號提取算法、非線性參數計算，閾值判斷，而後心電數位訊號處理模塊將處理後的信號傳送給外部通信及存儲模塊，外部通信及存儲模塊負責信號的顯示、存儲、通信。
2.根據權利要求1所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述信號提取模塊包括五個子模塊傳感器接口模塊、信號初級放大模塊、信號隔離模塊、信號模擬濾波模塊、信號二級放大模塊；傳感器接口模塊與信號初級放大模塊相連，傳感器藉口模塊有三個體表電極，傳送心電信號給信號初級放大模塊，信號初級放大模塊與信號隔離模塊連接，信號初級放大模塊接受與人體接觸的三個體表電極的心電信號，將心電信號放大以便心電信號順利地通過信號隔離模塊，信號隔離模塊與信號模擬濾波模塊相連，信號隔離模塊負責人體電環境與外部電環境的隔離，信號經過信號隔離模塊之後，濾去了直流分量，進入信號模擬濾波模塊，信號模擬濾波模塊將混雜在信號中的高頻噪聲、工頻幹擾濾除掉，還原出真實信號，信號模擬濾波模塊與信號二級放大模塊相連，信號模擬濾波模塊將濾波處理後的信號傳遞給信號二級放大模塊，信號二級放大模塊負責將信號進一步的放大。
3.根據權利要求2所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述信號二級放大模塊，放大倍數屬於程控可調的，受到後面心電信號數字處理模塊的控制，根據後面心電信號數字處理模塊對A/D轉換的要求，改變放大倍數。
4.根據權利要求1所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述心電信號數字處理模塊，包括信號A/D採樣模塊、數字濾波降噪模塊、醫用信號處理模塊、外部接口管理模塊；信號A/D採樣模塊對信號提取模塊傳遞過來的模擬信號進行模數轉換，將模擬信號轉化成數位訊號，信號A/D採樣模塊與數字濾波降噪模塊相連，數字濾波降噪模塊將通過信號A/D採樣模塊後的數位訊號進行傅立葉變化和反變化，對信號進行數字濾波；數字濾波降噪模塊與醫用信號處理模塊相連，醫用信號處理模塊將數字濾波後的信號用醫用信號處理算法進行處理，用以預測腦缺血缺氧狀態；外部接口管理模塊與信號A/D採樣模塊相連，負責將信號A/D採樣模塊取得的原始心電數位訊號通過外部通信及存儲模塊存儲起來，同時外部接口管理模塊也與醫用信號處理模塊相連，將醫用信號處理模塊處理的結果通過外部通信及存儲模塊顯示、發送出去。
5.根據權利要求4所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述醫用信號處理模塊，實現三項操作①心率變異信號提取從平滑的信號中通過插值、選值算法，得出心率變異信號參數，用於預測非線性算子參數；②非線性算子計算通過讀取心率變異信號參數，經李氏指數，去波動分析算法得到非線性算子參數；③腦缺血缺氧監護預警通過將非線性算子參數與正常的閾值比較，用於預測腦缺血缺氧狀態。
6.根據權利要求1所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述外部通信及存儲模塊包括LCD顯示模塊、RAM數據存取模塊、通訊接口模塊；LCD顯示模塊、RAM數據存儲模塊、通訊接口模塊分別與心電信號數字處理模塊獨立相連，LCD顯示模塊將心電信號數字處理模塊信號處理結果通過LCD顯示出來；RAM數字存儲模塊負責實時的心電原始信號的數據存儲；通訊接口模塊負責與外部通信功能。
7.根據權利要求6所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述LCD顯示模塊，與心電信號數字處理模塊相連，心電信號數字處理模塊將其內部的醫用信號處理子模塊的心率變異參數、非線性算子參數、預警值在LCD顯示模塊顯示出來。
8.根據權利要求6所述的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，其特徵是，所述通訊接口模塊，含有USB和藍牙接口，USB接口用於與外部PC機連接，外部PC機通過USB接口調出存儲在RAM數據存儲模塊的信號，藍牙接口則通過無線方式連接外圍設備，向外發射預警信號。
全文摘要
一種醫療器械技術領域的基於心率變異信號的腦缺血缺氧監護系統，包括信號提取模塊、心電信號數字處理模塊、外部通信及存儲模塊；信號提取模塊接受安裝在系統的三個體表電極的心電信號，將接收到的模擬電信號作信號的放大、隔離、模擬濾波處理，處理後的心電信號作為心電信號數字處理模塊的信息輸入，心電信號數字處理模塊對輸入的信號進行模數轉換、數字濾波、心率變異信號提取算法、非線性參數計算，閾值判斷，而後心電數位訊號處理模塊將處理後的信號傳送給外部通信及存儲模塊，外部通信及存儲模塊負責信號的顯示、存儲、通信。本發明的特點是，儀器成本低，輕便，可移植性強，不需要PC機就可以對結果進行分析和處理。
文檔編號H04L12/00GK101032396SQ20071003912
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月5日 優先權日2007年4月5日
發明者朱貽盛, 吳文慶, 邱意弘 申請人:上海交通大學