心电信号压缩传输方法及其心电监护系统

摘要

本发明提供了一种心电信号压缩传输方法，该方法将心电信号采集模块采集到的人体心电信号在数据处理模块进行初步处理，然后传输到数据压缩编码模块进行信号互相关运算，根据互相关运算判定结果发送正常心电信号代码或异常心电信号波形数据至远程服务器，进行下一步分析处理。本发明还提供了一种心电监护系统，该系统包括心电数据采集处理设备、远程服务器和显示终端。本发明算法能够有效的减小传输的大量冗余数据，在保证监测效果的同时很大程度上减小了和服务器的数据量的交互，这对网络通信速度要求降低，也减小了对网络的依赖程度，同时也在功耗上有明显的减小，增加的终端的待机时间。

说明书

技术领域

本发明涉及心电信号的处理方法，具体的说是一种心电信号压缩传输方法及其 心电监护系统。

背景技术

心脏病是一种发病率很高且非常常见的心脏疾病，有着病情发展缓慢并隐蔽， 一旦发病病情危急的特点，严重威胁着人类的健康与生命。一般情况下，造成心 脏疾病患者猝死的主要原因是恶性心律失常和心功能衰竭等；心脏病发作时间没 有规律，这类患者在平时工作或生活中会表现出症状，但到医院做心电检查时症 状可能消失，因此，无法检测到异常心电图，导致医生不能对病情做出准确的判 断，无法进行病情诊断并且可能耽误最佳治疗时机。如果能够及时识别日常生活 中的心率失常等心脏病症状，采取有效的预防及治疗措施，能够很大程度上提高 挽救患者生命的成功率。

多年以来，由于心电信号自动分析技术的广泛应用，给众多心脏病患者的病理 检测带来了巨大便利。然而，现有的心电监护系统是将心电信号采集，处理单元 和发射装置融合于一部便携设备内，通过设备上的电极接触胸壁形成回路来采集 心电信号，然后通过移动通讯网络将心电信息发送至远端服务器进行数据处理。 该心电监护仪解决了移动状态下心电信号采集和传输问题，大大减少了时间、地 域的限制。但是，该仪器存在以下缺点：网络基础设备建设的滞后在一定程度上 影响了心电信号到远端服务器的传输速度，同时给偏远地区人们的远程监护带来 了不便。受制于设备本身的处理能力，需要不断发送心电信号到后台服务器进行 大数据的处理分析，才能得到较准确详细的诊断结果，这样信息冗余量较大，系 统功耗也比较大，不易于连续长时间进行动态监测，同时大的数据传输量也给远 端服务器的信道传输及信息处理带来很大的负担。

心电信号采集客户端的数据预处理及压缩能够显著减小发送数据流量，降低 对网络的要求，避免网络信息传输不畅带来的危险预警缺失，同时能够有效降低 客户端功耗，实现长期、动态、实时监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的心电信号压缩传输方法，以解决现有方法数 据流量大、保真度差等问题。同时，本发明还提供了该心电信号压缩传输方法所 依托的一种远程心电监护系统，以便于能够实时、高效的对病人的身体状况进行 动态监护和分析预警，及时发现发病征兆。

本发明所要提供的心电信号压缩传输方法的技术方案如下：

一种心电信号压缩传输方法，该方法是将心电信号采集模块采集到的人体心 电信号在数据处理模块进行初步处理，然后传输到数据压缩编码模块进行信号互 相关运算；

所述初步处理是：在所述数据处理模块，将通过心电信号采集模块采集到的 人体心电信号先经放大，然后进行除杂降噪；

所述信号互相关运算是：

①取初步处理后的心电信号数据中一个心动周期时长的心电信号并对其峰值 进行归一化后记作S_i，与其下一个相邻的峰值归一化后的心电信号S_i+1按公式 进行互相关运算，得到该相邻的两个心电信号的相关 系数R₁₂，将相关系数R₁₂的幅值与判断阈值进行比较；

其中，所述公式中，T_m为积分时间，T_m＝kT，k取 值为1～200间整数，T为一个心动周期时长，单位为秒；τ为S_i到S_i+1的渡越时间， 单位为秒；d为微分算子；t为时间变量，单位为秒；

②如果步骤①中计算所得R₁₂＜判断阈值，则将心电信号S_i存入数据处理模块 缓存，将S_i+1～S_i+n之间的心电信号波形数据发送到远程服务器，然后获取心电信号 S_i+n+1，按步骤①将S_i与S_i+n+1进行互相关运算；如果步骤①中计算所得R₁₂≥判断阈 值，则将心电信号S_i+1存入数据处理模块缓存,并发送一个正常心电信号代码到远 程服务器，然后按步骤①将心电信号S_i+1继续与下一个相邻的心电信号S_i+2进行互 相关运算；

其中，所述n取值为1～30之间的整数，所述判断阈值取值为0.25～0.45间的 任意一值。

本发明所述的心电信号压缩传输方法，

所述初步处理具体是：

在所述数据处理模块，将通过心电信号采集模块采集到的人体心电信号先经 放大，然后采用陷波滤波器去除50Hz或60Hz的工频信号，之后采用低通滤波器 去除100Hz以上的高频段噪声同时为截止频率提供稳定的通频带0.05Hz～100Hz；

本步骤中，所述截止频率为-40dB。

本发明所要提供的心电监护系统的技术方案如下：

一种心电监护系统，该系统包括心电数据采集处理设备、远程服务器和显示 终端：

(一)所述心电数据采集处理设备包括：

心电信号采集模块，与数据处理模块相接，用于探测并采集心电信号；

数据处理模块，与所述心电信号采集模块和数据压缩编码模块相接，用于对 心电信号进行放大及除杂降噪的初步处理及缓存心电信号；

数据压缩编码模块，与所述数据处理模块和数据传输模块相接，用于对初步 处理的心电信号数据利用信号互相关运算进行异常判断；

数据传输模块，与所述数据压缩编码模块、数据实时显示模块和远程双向通 信模块相接，用于传送正常心电信号代码和异常心电信号的波形数据至远程服务 器的远程双向通信模块，以及传送远程服务器的远程双向通信模块发送的分析结 果至数据实时显示模块；以及

数据实时显示模块，与所述数据传输模块相接，用于实时显示分析结果和报 警；

(二)所述远程服务器包括：

远程双向通信模块，与所述数据传输模块、心电信号数据库、数据分析模块 和显示终端连接，用于传送正常心电信号代码和异常心电信号的波形数据至心电 信号数据库，以及传送分析结果至数据传输模块和显示终端；

心电信号数据库，与所述远程双向通信模块和所述数据分析模块相接，用于 存储正常心电信号代码和异常心电信号的波形数据，以及存储数据分析模块的分 析结果；以及

数据分析模块，与所述心电信号数据库和所述远程双向通信模块相接，用于 对异常心电信号的波形数据进行判断分析，得到分析结果；

(三)所述显示终端与所述远程双向通信模块相接，用于查看数据分析模块 的分析结果。

本发明创新性的采用数字信号处理芯片运行异常心电检测处理算法，判别时 间序列的心电信号与前段正常心电信号的互相关性，根据多次连续周期内的心电 信号进行有效数据对比。如果发现前后数据无明显差异，表明心电正常，这时终 端只发送正常代码至服务器，如果检测到心电异常，终端将发送检测到的第一个 异常信号之后一时间段的完整心电信号到远程服务器进行数据的进一步处理，判 断异常类别，提供发病预警，这在很大程度上减小无效数据的传输，减小数据流 量的使用，降低功耗。该算法能够有效的减小传输的大量冗余数据，在保证监测 效果的同时很大程度上减小了和服务器的数据量的交互，这对网络速度要求降低， 也减小了对网络的依赖程度，同时也在功耗上有明显的减小，增加的终端的待机 时间。

附图说明

图1是本发明心电监护系统结构框图。

图2是本发明心电监护系统的心电数据采集设备硬件结构框图。

图3是本发明心电信号压缩传输算法中采用互相关算法进行异常判断流程图。

图1～图3中：1、心电数据采集设备，2、远程服务器，3、显示终端，4、电 极片，5、数据处理模块，6、数据压缩编码模块，7、数据实时显示模块，8、数 据传输模块。

图4是本发明实施例2中峰值归一化后的两个心动周期正常心电信号S_i和S_i+1。

图5是本发明实施例2中正常心电信号S_i与S_i+1的互相关运算结果。

图6是本发明实施例2中峰值归一化后的两个心动周期异常心电信号S_i+1和 S_i+2。

图7是本发明实施例2中异常心电信号S_i+1与S_i+2的互相关运算结果。

具体实施方式

实施例1：心电监护系统

如图1所示，本发明心电监护系统由心电数据采集处理设备1、远程服务器2 和显示器3构成。

心电数据采集处理设备(如图2)由心电信号采集模块(即电极片4)、数据 处理模块5、数据压缩编码模块6、数据实时显示模块7和数据传输模块8构成；

电极片4为标准三导联电极，用于探测并采集心电信号；

数据处理模块5包括高精密放大器AD8232和STM32处理器，STM32处理器包 括陷波滤波器、低通滤波器；AD8232的输入端连电极片，输出端连陷波滤波器； 陷波滤波器的输入端连接AD8232，输出端连接低通滤波器；低通滤波器的输入端 连陷波滤波器，输出端连数据压缩编码模块；数据处理模块5用于对心电信号进 行放大及除杂降噪的初步处理，并具备缓存心电信号的功能；

数据压缩编码模块6由板载DSP芯片构成，其输入端连接陷波滤波器，输出 端连接数据传输模块；数据压缩编码模块6用于对初步处理的心电信号数据利用 信号互相关运算进行异常判断，实现数据传输量的压缩；

数据传输模块8采用无线双向通信模块SIM5320，其输入端连接DSP芯片，输 出端分别连接数据实时显示模块和远程服务器；数据传输模块8用于传送正常心 电信号代码和异常心电信号的波形数据至远程服务器的远程双向通信模块，以及 传送远程服务器的远程双向通信模块发送的分析结果至数据实时显示模块；

数据实时显示模块7采用常规显示电路设计结构，并具有报警功能；数据实 时显示模块7用于实时显示分析结果和报警。

远程服务器由远程双向通信模块、心电信号数据库、数据分析模块构成：

远程双向通信模块的输入端连接数据传输模块和数据分析模块，输出端连接数 据传输模块、心电信号数据库和显示器；远程双向通信模块用于传送正常心电信 号代码和异常心电信号的波形数据至心电信号数据库，以及传送分析结果至数据 传输模块和显示终端

心电信号数据库的输入端连接远程双向通信模块和数据分析模块，输出端连接 远程双向通信模块和数据分析模块；用于存储正常心电信号代码和异常心电信号 的波形数据，以及存储数据分析模块的分析结果；

数据分析模块的输入端连接心电信号数据库，输出端连接心电信号数据库和远 程双向通信模块；用于对异常心电信号的波形数据进行判断分析，得到分析结果。

实施例2：心电信号压缩传输方法

(1)将三导联电极安放到人体相应位置，采集得到三导联心电信号，先将三 导联心电信号输入数据处理模块的高精密放大器AD8232，进行信号放大；然后输 入到STM32处理器，先通过陷波滤波器去除50Hz或60Hz的工频信号；然后通过 低通滤波器(截止频率设为-40dB)去除100Hz以上的噪声干扰，并为截止频率提 供稳定的通频带0.05Hz～100Hz，以去除一部分和心电信号极为相似的杂波并最大 限度还原原始心电波形；

(2)将步骤(1)处理后的心电信号按图3的流程进行互相关运算，互相关 运算公式为公式中，R₁₂表示相关系数，T_m为积分时 间，单位：秒(T_m＝k×T：其中k＝1；T＝1/60S，为一个心动周期时长)；τ为S_i到 S_i+1的渡越时间，单位为秒；d为微分算子；t为时间变量，单位：秒：

(2.1)获取一个心动周期时长的心电信号，将对其峰值进行归一化后的信号 记为S_i(见图4)，将S_i与其下一个相邻的峰值归一化后的心电信号S_i+1(见图4) 按公式进行互相关运算，得到S_i与S_i+1的互相关系数 R₁₂＝0.325，如图5所示，该互相关系数幅值大于判断阈值0.3，则可判定心电信号 无异常变化，发送一个正常心电信号代码OK到远程服务器，以此类推进行计算， 直至获取到心电信号S_i+q；

(2.2)获取峰值归一化后的心电信号S_i+q(见图6)，将S_i+q与其下一个相邻的 峰值归一化的心电信号S_i+q+1(见图6)进行互相关运算，得到S_i+q与S_i+q+1的互相关 系数R₁₂＝0.25，如图7所示，该值小于判断阈值0.3，则可判定后一个心动周期的 心电信号与前一个周期的正常心电信号波形有较大差异，发生异常，此时将S_i+q存入数据处理模块缓存，并将S_i+q之后30s时间段内的原始心电信号波形数据(即 S_i+q+1～S_i+q+n，n＝30)通过数据传输模块发送到远程服务器；该原始心电信号波形数 据即经步骤(1)处理后的三导联心电信号数据；

(2.3)此后，将缓存中的正常心电信号S_i+q与S_i+q+31与进行互相关运算，得到 S_i+q与S_i+q+31的互相关系数R₁₂，然后将R₁₂与判断阈值进行比较，如果R₁₂≥判断阈值， 则按步骤(2.1)进行计算，如果R₁₂＜判断阈值，则按步骤(2.2)进行计算。

(3)由步骤(2)输出的数据(原始心电信号波形数据或正常心电信号代码 OK)经远程服务器的远程双向通信模块传输，存入心电信号数据库，然后数据分 析模块按现有常规算法对存储于心电信号数据库中的原始波形数据进行异常分析 处理，并得出分析结果，分析结果一方面存储进心电信号数据库存储，监护人员 可以在显示器网页上或手机APP终端查看存储的分析结果，另一方面经远程双向 通信模块向心电数据采集设备传送，传送至心电数据采集设备的分析结果经数据 传输模块传送至数据实时显示模块，在数据实时显示模块实时查看分析结果以及 提示报警。

根据实施例2的方法对心脏病人的心电信号进行24h检测，经统计，采用本 发明的方法对异常心电信号的分辨率达85％。