一种低成本的PACE波检测装置及方法

摘要

本发明提供了一种低成本的PACE波检测装置及方法，该PACE波检测装置包括信号采集单元（201）、信号放大单元（202）、直流抵消及放大单元（203）、PACE波智能检测单元（204），所述信号采集单元（201）用于从人体获取心电和PACE波混合信号；所述PACE波智能检测单元（204）包括模数转换模块（2041），该模数转换模块（2041）具有低位数和高采样率。本发明的有益效果是本发明所使用的两级放大电路以及直流抵消电路配合软件巧妙的实现了低位数模数转换器对PACE波的检测，极大程度的降低了硬件成本，同时保证了高可靠性的PACE波检测。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种低成本的PACE波检测装置 及方法。

背景技术

某些心脏病患者体内植入了心脏起搏器，心脏起搏器产生电脉冲触发 心脏搏动，维持患者血液流动，以维持生命，心脏起搏器产生电脉冲在医 学上称之为PACE波。PACE波与生理电信号被测量电路同时检测，若无 法将PACE准确识别出来，将导致心电测量错误；当PACE波幅度较大时， PACE波还会被调制到呼吸波上，影响呼吸波形。

根据ANSI/AAMI EC13:2002标准，监护仪PACE波幅度为±2mV～± 700mV，极化电压输入范围为±300mV，心电信号幅度为±5mV。三者相加 信号幅度最大超过±1V，如此宽的信号幅度范围，若硬件电路对信号进行 高倍数放大，那么当PACE幅度较大时，电路就会出现饱和，导致PACE 波检测失败。因此若采用低倍数放大的方式对PACE波进行检测，就要提 高模数转换器(ADC)的位数，那么势必提高了模数转换器的成本。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种低成本的PACE波检 测装置。

本发明提供了一种低成本的PACE波检测装置，包括信号采集单元、 信号放大单元、直流抵消及放大单元、PACE波智能检测单元，所述信号 采集单元用于从人体获取具有PACE波的生理信号；

所述信号放大单元与所述信号采集单元相连，所述信号放大单元用于 对生理信号进行一级放大；

所述直流抵消及放大单元与所述信号放大单元相连，用于接收经一级 放大的生理信号；

所述PACE波智能检测单元包括模数转换模块、数模转换模块、控制 与数字信号处理模块，所述模数转换模块分别与所述信号放大单元及所述 直流抵消及放大单元相连，用于分别将所述信号放大单元和所述直流抵消 及放大单元传输的模拟的生理信号转换为数字信号；所述模数转换模块位 数为小于等于12位，所述模数转换模块采样率为大于等于4KHz；所述控 制与数字信号处理模块与所述模数转换模块相连，用于接收所述模数转换 模块输出的数字信号；

所述数模转换模块分别与所述控制与数字信号处理模块及所述直流抵 消及放大单元相连，用于接收控制与数字信号处理模块输出的具有直流偏 置信号的数字信号，并将该数字信号转换为具有直流偏置信号的模拟信号， 且将该模拟信号传输给所述直流抵消及放大单元；

所述控制与数字信号处理模块用于获取信号放大单元传输的模拟生理 信号经模数转换单元转换的数字信号，并提取该数字信号中的PACE波信 号，并判断PACE波信号强弱，若是强PACE波信号，则直接对该数字信 号进行数据处理；若是弱PACE波信号，则控制与数字信号处理模块从该 数字信号中提取直流偏置信号，并控制该直流偏置信号经数模转换模块转 换为的模拟信号、且将该模拟信号输出给直流抵消及放大单元；所述直流 抵消及放大单元用于将该经一级放大的生理信号与所述具有直流偏置信号 的模拟信号做差进行直流抵消，获得直流抵消信号，再对抵消后的信号进 行二级放大，控制与数字信号处理模块从二级放大后的直流抵消信号中的 检测PACE波信号；

在输入信号PACE的幅度[2mV,700mV]范围内设定一个幅度中间值 y，y∈[2,700]mV，在[2，y]mV范围内的PACE波信号为弱PACE波信号， 在[y,700]mV范围内的PACE波信号为强PACE波信号。

作为本发明的进一步改进，所述信号放大单元包括第一差分信号放大 模块、第一差分转单端电路模块，所述第一差分信号放大模块与所述信号 采集单元相连，所述第一差分信号放大模块用于对具有PACE波的生理信 号进行放大为差分信号；所述第一差分转单端电路模块分别与所述第一差 分信号放大模块、所述模数转换模块和所述直流抵消及放大单元相连，所 述第一差分转单端电路模块用于将差分信号转换为单端信号输出给所述模 数转换模块和所述直流抵消及放大单元。

作为本发明的进一步改进，所述信号放大单元还包括通道选择模块， 所述通道选择模块分别与所述信号采集单元、所述第一差分信号放大模块 相连，所述通道选择模块用于进行心电通道的切换，并将生理信号通过心 电通道传输给所述第一差分信号放大模块。

作为本发明的进一步改进，所述通道选择模块包括模拟开关，所述模 拟开关用于对各个心电通道进行切换。

作为本发明的进一步改进，所述直流抵消及放大单元包括减法器、第 二差分信号放大模块、第二差分转单端电路模块，所述减法器分别与所述 数模转换模块和所述信号放大单元相连，所述减法器用于将经一级放大的 生理信号与所述具有直流偏置信号的模拟信号做差进行直流抵消，获得直 流抵消信号；所述第二差分信号放大模块与所述减法器相连，用于对直流 抵消信号进行二级放大；所述第二差分转单端电路模块分别与所述信号放 大单元和所述模数转换模块相连，所述第二差分转单端电路模块用于将二 级放大后的差分信号转换为单端信号输出给所述模数转换模块。

作为本发明的进一步改进，所述控制与数字信号处理单元包括PACE 通道控制模块，所述PACE通道控制模块与所述通道选择模块相连，所述 PACE通道控制模块用于输出PACE通道的开关选择。

作为本发明的进一步改进，所述控制与数字信号处理模块包括带通滤 波模块、PACE特征参数提取模块，所述带通滤波模块与所述模数转换模 块相连，所述带通滤波模块用于对模数转换模块输出的数字信号进行数字 滤波，提取数字信号中的PACE波信号；所述PACE特征参数提取模块分 别与所述带通滤波模块和所述数模转换模块相连，所述PACE特征参数提 取模块用于对PACE波信号进行提取PACE特征参数，并将提取的PACE 特征参数传输给所述数模转换模块。

本发明还提供了一种使用所述PACE波检测装置进行检测的方法，包 括如下步骤：

A.信号采集，通过信号采集单元从人体获取具有PACE波的生理信号；

B.一级差分放大，通过信号放大单元对所述信号采集单元输出的模拟 的生理信号进行一级放大；

C.模数转换，通过模数转换模块将所述信号放大单元输出的模拟信号 转换为数字信号；

D.判断PACE波信号强弱，若是强PACE波信号，那么通过所述控制 与数字信号处理模块进行数据处理；若是弱PACE波信号，那么进行二级 放大步骤；

所述二级放大步骤包括如下步骤：

第一步：直流抵消及二级放大，所述控制与数字信号处理模块将弱 PACE波信号中的直流偏置值信号经数模转换模块转换为模拟信号、且将 该模拟信号输出给直流抵消及放大单元，并且控制与数字信号处理模块控 制所述信号放大单元将一级放大后的生理信号输出给所述直流抵消及放大 单元，所述直流抵消及放大单元用信号放大单元输出的一级放大后的生理 信号减去所述数模转换模块输出的直流偏置值进行直流抵消，获得直流抵 消信号，再对抵消后的信号进行二级放大；

第二步：模数转换，通过模数转换模块将所述直流抵消及放大单元输 出的经二级放大的模拟信号转换为数字信号；

第三步：数字信号处理，通过所述控制与数字信号处理模块对所述模 数转换模块输出的数字信号进行检测PACE波信号；

在输入信号PACE的幅度[2mV,700mV]范围内设定一个幅度中间值 y，y∈[2,700]mV，在[2，y]mV范围内的PACE波信号为弱PACE波信号， 在[y,700]mV范围内的PACE波信号为强PACE波信号。

作为本发明的进一步改进，所述数据处理包括数字滤波，滤掉高低频 噪声，滤除掉心电信号，实现对PACE波信号的提取，对提取的PACE波 信号进一步提取PACE特征参数。

作为本发明的进一步改进，所述PACE特征参数包括上升/下降沿、脉 冲宽度、PACE幅度、以及信号直流偏置。

本发明的有益效果是：本发明所使用的两级放大电路以及直流抵消电 路配合软件巧妙的实现了低位数模数转换器对PACE波的检测，极大程度 的降低了硬件成本，同时保证了高可靠性的PACE波检测。

附图说明

图1是本发明的PACE波检测装置原理框图。

图2是本发明的信号放大单元原理框图。

图3是本发明的直流抵消及放大单元原理框图。

图4是本发明的控制与数字信号处理单元原理框图。

图5是本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种低成本的PACE波检测装置，包括信 号采集单元201、信号放大单元202、直流抵消及放大单元203、PACE波 智能检测单元204，所述信号采集单元201用于从人体获取具有PACE波 的生理信号；

所述信号放大单元202与所述信号采集单元201相连，所述信号放大 单元202用于对生理信号进行一级放大；

所述直流抵消及放大单元203与所述信号放大单元202相连，用于接 收经一级放大的生理信号；

所述PACE波智能检测单元204包括模数转换模块2041、数模转换模 块2042、控制与数字信号处理模块2043，所述模数转换模块2041分别与 所述信号放大单元202及所述直流抵消及放大单元203相连，用于分别将 所述信号放大单元202和所述直流抵消及放大单元203传输的模拟的生理 信号转换为数字信号；所述模数转换模块2041位数为小于等于12位，所 述模数转换模块2041采样率为大于等于4KHz；所述控制与数字信号处理 模块2043与所述模数转换模块2041相连，用于接收所述模数转换模块 2041输出的数字信号；

所述数模转换模块2042分别与所述控制与数字信号处理模块2043及 所述直流抵消及放大单元203相连，用于接收控制与数字信号处理模块 2043输出的具有直流偏置信号的数字信号，并将该数字信号转换为具有直 流偏置信号的模拟信号，且将该模拟信号传输给所述直流抵消及放大单元 203；

所述控制与数字信号处理模块2043用于获取信号放大单元202传输的 模拟生理信号经模数转换单元转换的数字信号，并提取该数字信号中的 PACE波信号，并判断PACE波信号强弱，若是强PACE波信号，则直接 对该数字信号进行数据处理；若是弱PACE波信号，则控制与数字信号处 理模块2043从该数字信号中提取直流偏置信号，并控制该直流偏置信号经 数模转换模块2042转换为的模拟信号、且将该模拟信号输出给直流抵消及 放大单元203；所述直流抵消及放大单元203用于将该经一级放大的生理 信号与所述具有直流偏置信号的模拟信号做差进行直流抵消，获得直流抵 消信号，再对抵消后的信号进行二级放大，控制与数字信号处理模块2043 从二级放大后的直流抵消信号中的检测PACE波信号；

在输入信号PACE的幅度[2mV,700mV]范围内设定一个幅度中间值 y，y∈[2,700]mV，在[2，y]mV范围内的PACE波信号为弱PACE波信号， 在[y,700]mV范围内的PACE波信号为强PACE波信号。

信号采集单元201从人体获取具有PACE波的生理信号，该生理信号 包括心电和PACE波混合信号。

因PACE波信号和心电信号同属电信号，两者混叠，可以从原始的心 电信号中采集PACE波信号，信号采集单元201用于从人体获取心电和 PACE混合信号。

信号放大单元202把PACE波信号放大到合适的范围内，保证强PACE 波信号幅度全范围可检测。

模数转换模块2041输入端分别连接信号放大单元202和直流抵消及放 大单元203，该模数转换模块2041用于把2路模拟信号分别转换为数字信 号，具体使用哪一路信号进行数字信号处理由控制与数字信号处理模块 2043确定。

模数转换模块2041使用低位数ADC，以降低电路的成本。ANSI/AAMI EC13:2002规定需要检测的PACE波信号宽度为0.1ms～2ms，因此必须尽 可能地提高采样率。

数模转换模块2042用于把控制与数字信号处理模块2043输出的直流 偏置数字信号转换为模拟信号。

控制与数字信号处理模块2043对模数转换后的信号进行数字信号处 理，并实现电路的控制。

如图2所示，所述信号放大单元202包括第一差分信号放大模块2022、 第一差分转单端电路模块2023，所述第一差分信号放大模块2022与所述 信号采集单元201相连，所述第一差分信号放大模块2022用于对具有 PACE波的生理信号进行放大为差分信号；所述第一差分转单端电路模块 2023分别与所述第一差分信号放大模块2022、所述模数转换模块2041和 所述直流抵消及放大单元203相连，所述第一差分转单端电路模块2023 用于将差分信号转换为单端信号输出给所述模数转换模块2041和所述直 流抵消及放大单元203。

所述信号放大单元202还包括通道选择模块2021，所述通道选择模块 2021分别与所述信号采集单元201、所述第一差分信号放大模块2022相连， 所述通道选择模块2021用于进行心电通道的切换，并将生理信号通过心电 通道传输给所述第一差分信号放大模块2022；所述通道选择模块2021与 所述控制与数字信号处理单元2043相连，所述控制与数字信号处理单元 2043控制心电通道的切换。

所述通道选择模块2021包括模拟开关，所述模拟开关用于对各个心电 通道进行切换。

通道选择模块2021，为减小硬件电路的复杂程度和降低硬件成本，通 过使用模拟开关对各个心电通道进行切换，实现了一个电路完成多通道检 测的任务。

第一差分信号放大模块2022是一个差分放大器，该差分放大器对 PACE波信号和心电信号进行同步放大，不进行滤波器处理，PACE波信号 和心电信号的分离完全由软件实现，进一步节省电路结构降低成本；该差 分放大器的增益为x1。

考虑到MCU芯片一般没有信号差分输入，所以通过第一差分转单端 电路模块2023把差分信号转为单端输入信号。

如图3所示，所述直流抵消及放大单元203包括减法器2031、第二差 分信号放大模块2032、第二差分转单端电路模块2033，所述减法器分别与 所述数模转换模块2042和所述信号放大单元202相连，所述减法器用于将 经一级放大的生理信号与所述具有直流偏置信号的模拟信号做差进行直流 抵消，获得直流抵消信号；所述第二差分信号放大模块2032与所述减法器 2031相连，用于对直流抵消信号进行二级放大；所述第二差分转单端电路 模块2033分别与所述信号放大单元202和所述模数转换模块2041相连， 所述第二差分转单端电路模块2033用于将二级放大后的差分信号转换为 单端信号输出给所述模数转换模块2041。

直流抵消及放大单元203的主要作用是把弱PACE波信号进行二级放 大到合适的范围内，保证弱PACE波信号大幅度全范围可检测。

减法器2031用于减掉数模转换模块2042输出的直流值，抵消电路中 的直流分量，防止由于直流分量放大引起的电路饱和，扩大电路的动态范 围。

第二差分信号放大模块2032是一个差分放大器，该差分放大器对弱 PACE波信号和心电信号进行同步放大，不进行滤波器处理，PACE波信号 和心电信号的后续分离完全仍旧由软件实现；该差分放大器的增益为x2。

第二差分转单端电路模块2033用于把差分信号转为单端信号。

如图4所示，所述控制与数字信号处理模块2043包括PACE通道控制 模块20433，所述PACE通道控制模块20433与所述通道选择模块2021相 连，所述PACE通道控制模块20433用于输出PACE通道的开关选择。

所述控制与数字信号处理模块2043包括带通滤波模块20431、PACE 特征参数提取模块20432，所述带通滤波模块20431与所述模数转换模块 2041相连，所述带通滤波模块20431用于对模数转换模块2041输出的数 字信号进行数字滤波，滤掉高低频噪声，滤除掉心电信号，实现对PACE 波信号的提取；所述PACE特征参数提取模块20432分别与所述带通滤波 模块20431和所述数模转换模块2042相连，所述PACE特征参数提取模块 20432用于对PACE波信号进行提取PACE特征参数，并将提取的PACE 特征参数传输给所述数模转换模块2042；所述PACE特征参数包括上升/ 下降沿、脉冲宽度、PACE幅度、以及信号直流偏置。

直流偏置获取方法为：模数转换模块2041进行模数转换后的原始数据 减掉PACE波信号后，计算一段时间内信号的平均值。

如图5所示，本发明还公开了一种使用所述PACE波检测装置进行检 测的方法，包括如下步骤：

在步骤S1中，信号采集，通过信号采集单元201从人体获取具有PACE 波的生理信号；

PACE波信号检测的输入波幅度为±2mV～±700mV，范围非常的广， 本发明的方法中，在输入信号PACE的幅度[2mV,700mV]范围内设定一个 的幅度中间值y，y∈[2,700]mV，在[2，y]mV范围内的PACE波信号为弱 PACE波信号；在[y,700]mV范围内的PACE波信号为强PACE波信号。

下文所提到的强PACE波信号，弱PACE波信号特指以上范围内的特 定PACE波信号。

在步骤S2中，一级差分放大，通过信号放大单元202对所述信号采 集单元201输出的生理信号进行一级放大；

在步骤S2中，进行一级放大倍数为X1，经过一级放大后，强PACE 波信号叠加电路直流分量的混合信号既不会饱和(表现为电压幅度超过电 路的最大输出范围)，又全范围获得了更大的幅度，经过模数转换后可以获 得非常好的信号精度，直接进行数字信号处理。经过一级放大后，可以保 证强PACE波信号全范围可检测。

在步骤S3中，模数转换，通过模数转换模块2041将所述信号放大单 元202输出的模拟信号转换为数字信号；

在步骤S4中，判断PACE波信号强弱，若是强PACE波信号，那么通 过所述控制与数字信号处理模块2043进行数据处理；若是弱PACE波信号， 那么进行二级放大步骤。

在步骤S4中，软件对经过一级放大后采集到的数字信号幅度判断， 如果幅度在[2，y]内，则判断为弱PACE波信号，需要进行进一步的放大， 执行二级放大步骤；如果幅度在[y,700mV]范围内则判断为强PACE波信 号，可以直接进行数据处理。

二级放大步骤包括如下步骤：

在步骤W1中：直流抵消及二级放大，所述控制与数字信号处理模块 2043将弱PACE波信号中的直流偏置值信号经数模转换模块2042转换为 模拟信号、且将该模拟信号输出给直流抵消及放大单元203，并且控制与 数字信号处理模块2043控制所述信号放大单元202将一级放大后的生理信 号输出给所述直流抵消及放大单元203，所述直流抵消及放大单元203用 信号放大单元202输出的一级放大后的生理信号减去所述数模转换模块 2042输出的直流偏置值进行直流抵消，获得直流抵消信号，再对抵消后的 信号进行二级放大；

在步骤W2中：模数转换，通过模数转换模块2041将所述直流抵消及 放大单元203输出的经二级放大的模拟信号转换为数字信号；

在步骤W3中：数字信号处理，通过所述控制与数字信号处理模块2043 对所述模数转换模块2041输出的数字信号进行检测PACE波信号。

在输入信号PACE的幅度[2mV,700mV]范围内设定一个幅度中间值 y，y∈[2,700]mV，在[2，y]mV范围内的PACE波信号为弱PACE波信号， 在[y,700]mV范围内的PACE波信号为强PACE波信号。

所述数据处理包括数字滤波，滤掉高低频噪声，滤除掉心电信号，实 现对PACE波信号的提取，对提取的PACE波信号进一步提取PACE特征 参数。

所述PACE特征参数包括上升/下降沿、脉冲宽度、PACE幅度、以及 信号直流偏置。

在二级放大步骤中，对采集到的弱PACE波信号进行第二级放大，放 大倍数为X2，对于弱PACE波信号，由于幅度过小，即使经过一级放大， 使用低位数的模数转换器采集的信号精度仍旧不够，无法直接进行数字信 号处理；弱PACE波信号需要的二级放大倍数较大，因此在放大之前，需 要把系统的直流分量抵消掉，以提高电路的动态范围；二级放大的倍数为 X2，X2的选取需要保证y*X1*X2的幅度不大于电路的最大输出范围，并 且对弱PACE波信号经过x1*x2倍放大后，输入到低位数模数转换器后可 以获得很好的信号精度，经过二级放大后可以保证弱PACE波信号全范围 可检测。

有益效果：本发明采用软硬件结合的方式对PACE波进行检测，软件 通过多路模拟开关切换至需要检测PACE的心电通道，随之通过低倍数信 号放大单元202将信号放大(称之为第一级放大电路)，放大之后通过低位 数、高采样率的模数转换模块2041进行采集，软件对采集到的信号进行处 理，并对比PACE波特征，若符合PACE波特征，那么PACE波在第一级 放大电路便检测出来，此级仅可以采集到大幅度的PACE波。若PACE波 在第一级放大电路未被检测出来，可判断PACE波幅度较小，那么第一级 放大电路输出的信号将通过由软件控制抵消量的直流抵消及放大单元203 抵消信号中的直流分量(即极化电压)，并通过高倍数放大电路对信号进行 放大(称之为第二级放大电路)，最后通过低位数、高采样率的模数转换模 块2041进行采集，软件对采集到的信号进行处理，并对比PACE波特征， 即可获得低幅度的PACE波。第一级放大电路和第二级放大电路以及软件 的配合使用保证了PACE波在全范围内可以被检测。

本发明所使用的两级放大电路以及直流抵消电路配合软件巧妙的实现 了低位数模数转换器对PACE波的检测，极大程度的降低了硬件成本，同 时保证了高可靠性的PACE波检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 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 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。