基于物联网的便携式心电监护仪实时数据处理系统及方法与流程

1.本发明属于医疗健康领域，涉及便携式心电监护仪的具体设置、数据采集、数据传输、数据处理、数据分析等，是智慧医疗的具体场景之一。


背景技术：

2.随着国内的经济增长和生活环境西方化，心脏病与癌症、脑血管疾病一同成为国人的主要死亡原因之一。代表性的心脏病的种类可分为冠状动脉疾病(coronary artery disease：cad)、心律失常(arrhythmia)、心力衰竭(heart failure)等。在这种心脏病的预诊断及预后观测中，最重要的信号为在心脏的活动中产生的心电图(electrocardiogram，ecg)信号。
3.近些年来，随着信息通信技术(information&communication technology，ict)的发展，正在创造出将医疗技术和信息通信技术融合的新技术。这种“全球健康服务”是指在现有的健康、医疗系统中融合互联网、移动设备等的信息通信技术，从而在任何时间、任何地点向用户提供关于健康的信息的服务。
4.由于医疗健康关乎生命安全，因此用户需要长时间佩戴监测设备，更涉及大量监测数据的采集、传输、处理。这就带来三个问题，一是由于电极松动脱落或用户剧烈运动会导致心率暂时性异常，进而可能导致系统误判；二是大量数据在通信传输过程中难免出现错误，作为生理参数这种现象理应被尽量避免；三是数据量过大会导致传输信道拥堵，进而影响数据时效性。


技术实现要素：

5.本发明重点针对由申请人提出的上述现有技术中的三点不足，提供一种基于物联网的便携式心电监护仪实时数据处理系统及方法。
6.本发明提供了一种基于物联网的便携式心电监护仪实时数据处理系统，包括电极测量组件、便携式心电监护仪、远程医护平台，其中，
7.所述便携式心电监护仪包括数据接口单元、信道扩展单元、显示单元、时钟单元、控制单元、存储单元、语音单元、警报单元、行为模式记录单元；
8.所述远程医护平台通过物联网网关与所述便携式心电监护仪进行数据通信；
9.所述行为模式记录单元用于记录用户当前的运动状态、身体姿势、所处环境中的一项或多项，并将行为模式以编码的形式随心电信号数据一同传输至所述远程医护平台。
10.优选的，所述电极测量组件包括呈等边三角形排列的三触点式电极片，以及连接于所述电极片的多个固定单元，所述固定单元为条带状，包括摩擦系数相对较小的滑动件以及从所述滑动件两端延伸的摩擦系数相对较大的弹性件。
11.优选的，所述用户通过所述语音单元录入其行为模式，或求助信息。
12.优选的，所述便携式心电监护仪通过所述信道扩展单元与手机相连。
13.优选的，所述信道扩展单元支持包括wifi、红外、5g、蓝牙、光纤、串口等通信手段
的一种或多种。
14.同时，本发明还提供了一种应用于便携式心电监护仪实时数据处理系统的数据处理方法，包括如下步骤：
15.s1：将所述电极片的三个触点中相对位置在最下方的触点对准用户的左锁骨中线与第一肋间交点；
16.s2：向所述便携式心电监护仪录入用户行为模式；
17.s3：对采集到的心电信号数据进行平滑滤波处理；
18.s4：利用峰度以及电位的不应期，提取r顶点；
19.s5：基于提取的r顶点峰度、电位以及rr间隔，结合设定阈值区分正常心率以及非正常心率；
20.s6：使用b样条近似对心电信号数据进行压缩，针对正常心率，在qrs区域增加节点数量，在sq段变化率小的区域以非均匀分布的方式降低节点数量；
21.s7：针对非正常心率，在p、q、r、s、t波全周期内均采用均匀分布、减少间隔的方式增加节点数量；
22.s8：将压缩处理后的心电信号数据以及编码后的行为模式等信息打包通过物联网网关传输至远程医护平台；
23.s9：将步骤s8中压缩处理后的所述心电信号数据与一预设校验数据进行编码操作，延迟一定时间后打包通过所述物联网网关传输至所述远程医护平台；
24.s10：在所述远程医护平台监测到步骤s8中的心电信号数据存在异常时，控制所述便携式心电监护仪的警报单元发出声光警报；
25.s11：所述远程医护平台将步骤s9中延迟一定时间后的数据与所述预设校验数据进行解码操作，还原出所述压缩处理后的心电信号数据，若该数据存在异常，且当前接收到的未经延迟的心电信号数据也存在异常时，采取进一步救治措施。
26.优选的，在上述步骤s2中，所述行为模式包括“睡眠”、“醒来”、“跑步”、“游泳”、“工作”、“进食”等。
27.优选的，在上述步骤s9中，所述编码操作为异或运算。
28.优选的，在上述步骤s11中，所述解码操作为异或运算。
29.优选的，在上述步骤s10中，所述便携式心电监护仪的警报单元在发出声光警报的同时，通过信道扩展单元与手机建立连接并向手机发送提示。
30.与现有技术相比，本发明围绕智慧医疗等场景有针对性的对便携式心电监护仪实时数据处理系统及方法进行改造，一方面通过对电极测量组件进行改造，在用户日常佩戴过程中极大的降低了由于电极片错位移位导致的采集错误，另一方面通过用户主动向系统告知其当前行为模式，避免了由于数据异常导致的系统误判；在数据通信过程中一般会进行校验，以确保远程接收到的数据的准确性，本发明采用了极化码思想，通过两次异或操作简单、高效的实现了数据编码与校验；并通过延迟比较，即一段时间前的状态与当前状态的相与操作，通过首次异常报警、持续异常介入救治的方式，增加了判断准确度；此外，区分正常心率以及异常心率，通过b样条近似分情况对数据进行压缩，减少了信道压力，降低了成本。
附图说明
31.图1为便携式心电监护仪实时数据处理系统框架示意图；
32.图2为本发明提出的电极测量组件结构示意图；
33.图3为便携式心电监护仪实时数据处理方法流程示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
35.实施例一：
36.如图1-2所示，本发明提供了一种基于物联网的便携式心电监护仪实时数据处理系统，包括电极测量组件、便携式心电监护仪、远程医护平台，其中，
37.所述便携式心电监护仪包括数据接口单元、信道扩展单元、显示单元、时钟单元、控制单元、存储单元、语音单元、警报单元、行为模式记录单元；
38.所述远程医护平台通过物联网网关与所述便携式心电监护仪进行数据通信；
39.所述行为模式记录单元用于记录用户当前的运动状态、身体姿势、所处环境中的一项或多项，并将行为模式以编码的形式随心电信号数据一同传输至所述远程医护平台。
40.警报单元包括led灯珠以及扬声器，可通过光学及声学方式向用户发出警报信息，确保用户接收到相应警报。
41.所述电极测量组件包括呈等边三角形排列的三触点式电极片，以及连接于所述电极片的多个固定单元1，所述固定单元1为条带状，包括摩擦系数相对较小的滑动件11以及从所述滑动件两端延伸的摩擦系数相对较大的弹性件12。滑动件11具体可以是金属柱状物，弹性件12具体可以是松紧带。固定单元1通过滚珠轴承可拆卸连接至电极片。
42.基于该种设置，当电极测量组件整体有发生位移的趋势时，首先发生位移的是摩擦系数相对较小的滑动件，滑动件在移动过程中会带动弹性件发生位移，从而避免了电极片的移动。该种设置适用于三导五导七导十二导等各种导联方式。
43.所述用户通过所述语音单元录入其行为模式，或求助信息。语音单元一方面方便了用户行为模式的输入，尤其对于老年人而言，他们并不善于输入文字，而更倾向于说。另一方面，紧急情况下，用户也可通过语音单元直接发出求助信息。
44.所述便携式心电监护仪通过所述信道扩展单元与手机相连。这种方式拓展了便携式心电监护仪的外设，用户可以通过手机方便的查阅一些便携式心电监护仪采集到的基础信息，更可通过手机控制便携式心电监护仪。此外，用户还可以通过手机直接访问远程医护平台，查阅自己的生理参数及健康状况。便携式心电监护仪与手机通过不同的网络连接到远程医护平台。
45.所述信道扩展单元支持包括wifi、红外、5g、蓝牙、光纤、串口等通信手段的一种或多种。
46.实施例二：
47.如图3所示，本发明还提供了一种应用于便携式心电监护仪实时数据处理系统的数据处理方法，包括如下步骤：
48.s1：将所述电极片的三个触点中相对位置在最下方的触点对准用户的左锁骨中线与第一肋间交点；
49.由于电极测量组件的松动绝大多数情况下发生在用户进行运动的时候，此时受重力影响电极测量组件的整体运动趋势朝下，因此在初始阶段将最下方的电极片触点作为主要采集点，上方的两个电极片触点作为辅助采集点，如果电极测量组件整体下坠，则上方的某个电极片触点可被转换为主要采集点。
50.在平时工作中三个电极片触点均作为独立的采集点采集数据，并与正常情况下测得的用户标准心电数据作比较，数据与用户标准心电数据r峰值平均电位最接近的采样点作为主要采样点。
51.本领域技术人员应当知晓，该种三触点式电极可以根据实际需要设置在多个导联位置，也可以都不设置；同时，对于不同的导联形式(三导五导七导十二导)，三触点式电极的位置有所不同。
52.s2：向所述便携式心电监护仪录入用户行为模式；
53.s3：对采集到的心电信号数据进行平滑滤波处理；
54.s4：利用峰度以及电位的不应期，提取r顶点；
55.s5：基于提取的r顶点峰度、电位以及rr间隔，结合设定阈值区分正常心率以及非正常心率；
56.该阈值为本领域基于用户体征特性的常规设定。
57.s6：使用b样条近似对心电信号数据进行压缩，针对正常心率，在qrs区域增加节点数量，在sq段变化率小的区域以非均匀分布的方式降低节点数量；
58.s7：针对非正常心率，在p、q、r、s、t波全周期内均采用均匀分布、减少间隔的方式增加节点数量；
59.s8：将压缩处理后的心电信号数据以及编码后的行为模式等信息打包通过物联网网关传输至远程医护平台；
60.现阶段心电图信号压缩方式有直接压缩方式和变换压缩方式，直接压缩方式使用数据的值来检测冗余并进行去除，包括aztec、fan、dpcm、turning-point、cortes等；变换压缩方式有傅里叶变换(ft)、沃尔什变换(wt)、卡洛南-洛伊变换技术(klt)等。
61.本发明使用b样条近似方法自适应地压缩心电图信号的方法，可以使实际数据损失最小化。b样条曲线被表示为控制点和b样条基函数的线性组合。下式表示使用针对具有n个控制点和均匀间隔h的knot向量的d阶b样条函数近似的函数g(t)。这里，ci表示控制点，b
i,d
是b样条基函数。此外，ti是b样条函数的knot向量值。
[0062][0063]ci
＝{c0，c1，
…
，cn}
[0064]
t＝{-dh，
…
，0，h，
…
，nh，
…
，(n+d)h}
[0065][0066]
s9：将步骤s8中压缩处理后的所述心电信号数据与一预设校验数据进行编码操作，延迟一定时间后打包通过所述物联网网关传输至所述远程医护平台；
[0067]
其中预设校验数据为正常情况下测得的用户标准心电数据包，且该心电数据包作为参考基准同时存储于便携式心电监护仪以及远程医护平台。
[0068]
s10：在所述远程医护平台监测到步骤s8中的心电信号数据存在异常时，控制所述便携式心电监护仪的警报单元发出声光警报；
[0069]
心电监测装置的压缩传感解码器可以使用高速复原算法来复原心电图信号，高速复原算法有orthogonal matching pursuit(omp)、basis pursuit、block sparse bayesian learning(bsbl)、least angle regression(lars)等。特别地，当恢复压缩感测的心电图信号时，bsbl算法表现出优异的性能。
[0070]
s11：所述远程医护平台将步骤s9中延迟一定时间后的数据与所述预设校验数据进行解码操作，还原出所述压缩处理后的心电信号数据，若该数据存在异常，且当前接收到的未经延迟的心电信号数据也存在异常时，采取进一步救治措施。
[0071]
有些时候，传输到远程医护平台的异常信号并非是由于用户身体异常导致的，而仅仅是一种由于客观条件的影响带来的暂时性异常。这时候需要引入延时比较，即当前与一定时间之前的数据相比，若均为异常，则可提高结果判定的可信度。另外，考虑到数据传输中存在一定几率误传，因此当前与一定时间之前的数据中的一者可以是直接传输的数据，另一者可以是经过编码解码后的数据，由此进一步提高了结果判定的准确性、可信度。该一定时间为本领域基于用户体征特性的常规设定。
[0072]
其中，在上述步骤s2中，所述行为模式包括“睡眠”、“醒来”、“跑步”、“游泳”、“工作”、“进食”等。用户通过主动告知行为模式，可以方便远程医护平台对用户作息进行良好掌握，也使得对用户心电等生理信号的分析更加科学。
[0073]
其中，在上述步骤s9中，所述编码操作为异或运算。
[0074]
其中，在上述步骤s11中，所述解码操作为异或运算。
[0075]
编码解码均通过相同的操作完成，这是异或运算的一种特性，既简化了操作，另一方面，这种数据极化也为将来多信道的扩展以及香农极限的逼近提供了基础。
[0076]
其中，在上述步骤s10中，所述便携式心电监护仪的警报单元在发出声光警报的同时，通过信道扩展单元与手机建立连接并向手机发送提示。
[0077]
这种双重警报提示可以确保用户及其家人均能够及时作出响应。
[0078]
其余出现在第一实施例中的内容在此不再赘述，但应当理解，第一实施例与第二实施例之间在技术上是互通的，技术方案与技术特征也都是共用的，不存在任何互斥之处。
[0079]
虽然上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明专利范围为限制，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。