专利名称：一种动态心电和运动记录与分析系统的制作方法对于难以通过仪器短时间监测捕获的异常生理信号，医生需要一种可以长时间连 续记录生理参数和相关状态的设备。另外，心律失常等心脏异常事件不但具有偶发性，而且 往往只在日常生活中伴随使用者的某种特殊活动发生，而在医院的静态环境下很少发生， 因此急需一种可长时间记录生理特征，并同时记录使用者日常活动的医疗设备。Holter作 为一种动态心电图记录系统，记录使用者M-48小时内连续的心电图信号，并通过使用者 手工记录的方式记录使用者的活动信息。医生可以通过回放和分析软件查看使用者的心脏 异常事件以诊断使用者潜在的心脏疾病。人体的各个器官是相互影响的，心脏的活动是一个不断与与自主神经系统 (Autonomic Nervous System ANS)控制和人体运动系统动态交互过程，心电图信号与被测 者的活动类型、活动强度、以及心情高度相关。很多心脏异常事件往往发生在使用者活动类 型转变或活动强度增强的情景下，而传统的Holter只是记录单一的心电图信号，并要求使 用者记录当天的活动内容。使用者的活动记录难以与心电图配准，使用者记录往往带有主 观和模糊因素，更坏的情况是有的甚至不能记录，或忘记记录。这样，在很多情景下，医生无 法确定使用者发生心律失常事件的具体情景，从而无法给出准确的诊断。另一方面，运动信 息本身也是人体一种重要的健康指标。增加了运动信息的检测、分类和度量，无疑将为医生 的诊断提供更有用的信息。例如，运动异常，明显缺乏运动，各种运动状态下的心电图变化，寸。为了在人们的日常生活中记录心电图以及相关的活动及心情，有不少相应的工作 和发明。例如美国公布的发明2009(^99207是一种获取人们心电图的微型系统。美国专 利5036856则是一种检测心电图、活动心情的设备。活动和心情信号的记录可以与Holter 的心电图信号记录分别进行，然后把这三种信号相关，或这三种信号的记录同时存在于一 个设备中。中国公布的发明“具有人体运动状态及姿态检测功能的动态心电图仪”，申请号 200910232292. O完全与美国专利5036856类似，也提出了检测运动和姿态信号。上述专利或公布的发明，仅仅提出了检测和记录心电图的同时，检测活动和心情 信号，它们提出了记录这些信号的电路和记录设备的大体的结构，并没有提出检测这些信 号的传感器在人体上的放置位置，也没有提出如何对这些信号进行处理和分析的方法，更 没有提出如何相关、融合和分析这些信号的方法。也就是说，由于心脏的活动是通过与自主 神经系统、运动系统交互交互完成的，要研究和诊断心脏的状态和疾病，人们必须同时记录 和分析心脏、运动和心情。要达到这一目标，有四个重要工作1)用什么传感器、放置在身 体的哪个部位；幻记录设备的组成；；3)心电图、运动和心情信号的处理和分析。这里，不同 的传感器设置将要求不同的分析方法。4)多种传感器数据和信息的融合和分析方法。这是把这一医疗设备走向应用的关键。以上这些发明和专利，仅仅涉及了上述4点中的第2点， 没有涉及更为重要的其它3点。中国专利200710119869. 8“一种身体体征动态监测系统”，全面地涉及了上述4个 重要方面，提出了实时监测人体心电图和其它生理信息的同时，监测当时“情景”的理念。并 定义了“情景”的三个方面，即运动、环境和心理，提出了有情景多传感器信息融合的基本方 法，以及从监测设备到提供医疗服务的服务器系统框架。但该专利并没有具体涉及本发明 所涉及的具体内容，即传感器设置和穿戴方法、运动分类和分析，以及和以运动为条件的 心电图分析方法和系统软件。
本发明提出的动态心电和运动记录与分析系统包括心电图和运动传感器单元， 数据获取、存储和传输单元，还包括分析和软件单元；其中所述心电图和运动传感器单元 (100)包括心电图传感器电极(101)和运动传感器(102)。进一步，所述心电图和运动传感器单元的心电图传感器电极可以为金质、银质、贴 片、导电布；所述心电图和运动传感器单元的运动传感器可以是加速度计、陀螺仪、磁力计、 计步器、肌电传感器。作为本发明的一个显著特征，所述运动传感器与心电图传感器电极可以封装在一 起，也可以单独使用；运动传感器放置位置可以在躯干和两个大腿、两个小腿上；心电图传 感器电极可按常规心电图电极位置放置，也可根据需要放在其它位置。所述数据获取、存储和传输单元包括信号放大器、模数转换器、时钟、微处理器、存 储装置和数据传输模块。所述分析方法和软件单元包括心电自动分析模块、运动分类和强 度分析模块、活动情景下综合分析模块，以及评估和报告模块。上述动态心电和运动记录与分析系统所使用的一种分析方法，包括心电信号分 析、运动状态分析和运动情景的心电综合分析三部分。所述心电信号分析包括以下步骤(1).对心电图信号进行去噪声和去基线漂移处理，然后进行QRS波形结构的检 测，获得心率信号；(2).基于QRS波结构，进一步检测ST段、ρ波、T波等典型心电图子波，对心电图 波形的形态进行分析，从而检测到早搏、ST段上抬和下移等异常波形。所述运动状态分析包含对运动类型间时间相关的分类和运动速度的估计，包括以 下步骤(1).首先使用HR低通滤波器将从三维加速计数据中分离重力加速度和被测者 活动加速度；(2).用三种特征分别描述被测者活动强度，身体姿态和过渡活动，这些特征分别 为信号幅度面积，加速计轴与重力方向的夹角和累积变化量；(3).构建活动类型时间相关性模型，表现为类型间转移图，对人体躺、起身、坐、躺 下、起立、站、坐下、走、跑9种最为常见的活动采用状态转变结构，并通过概率决策模型来 进行活动分类决策。分析方法和软件单元进一步提出了两个以运动为条件的心电分析方法一是考虑了运动的心率变异性分析。这种新型的心率变异性度量，可以直接应用于一些疾病，如心肌 缺血等的预测。另一个是运动情景下心率和心电图形态变化监测方法。使用它，我们可以 提高有氧运动的效率，警示运动中可能导致猝死的心律失常的出现。这种“动态心电和运动 记录与分析系统”提供了全新的日常情景下心电监测和状态分析方法，将分析结果自动提 供给医生，家人或使用者本人，使得医生能够进行更为准确的进行诊断，使用者能够及时了 解自己的身体状况。同时，动态心电和运动记录与分析系统体积小，重量轻，能够满足长时 间记录过程中佩带舒适的要求。动态心电和运动记录与分析系统还包括运行于计算装置的分析方法和软件单元。 该软件用于录入使用者个人信息，读取和回放记录装置的心电图信号，分析使用者心电图 信号的基本参数和异常事件，并自动检测某个特殊时间点对应的用户运动类型和强度，检 测运动异常，如摔倒，以及异常时的心电图信号反映，计算各种运动强度下的心电图参数以 及它们随运动强度的变化。该软件还提供用户操作接口，供医生查看、修改、更正检测结果， 同时显示和打印最终检测报告。根据本发明该方面的一个实施例，新一代动态心电记录与分析系统中的分析方法 和软件单元通过USB通信口读取数据获取、存储和传输单元的信号，也可以通过无线通信， 实时从数据获取、存储和传输单元中取得信号，对检测到的心电图和运动数据进行实时分 析，实现用户心脏系统的实时监测、分析、预警和建议。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明在传感器设置和穿戴方法、运动分 类和分析，以及以运动为条件的心电图分析方法上等发明实现了创新，由此产生了 “动态心 电和运动记录与分析系统”或称“新一代Holter”。具体来说有以下几点(1).传感器设置和穿戴方式灵活，运动传感器与心电图传感器电极可以封装在一 起，也可以单独使用，心电图传感器电极可按常规心电图电极位置放置也可按需要放置。(2).考虑了人体运动前后关联的特性，对人体躺、起身、坐、躺下、起立、站、坐下、 走、跑9种最为常见的活动进行高精度的运动分类。(3).增加考虑了运动情景下的心率变异性分析，及相应的度量，可以直接应用于 诊断。(4)提出了一种运动情景下心率和心电图形态变化分析方法，可用于有氧运动的 监测、优化和异常状态预警。图1是本发明的逻辑方框图。其中，100为心电图和运动传感器单元，200为数据 获取、存储和传输单元，300为分析方法和软件单元，301为300中的心电图自动分析模块， 302为运动分类和运动强度估计模块，303为基于运动情景的综合分析模块。图2是本发明的一个实施例中的心电电极的佩戴位置图。其中101为心电电极， 102为加速度传感器等运动传感器，210为带子。图3是本发明的另一个实施例中的心电电极的佩戴位置图。其中101为心电电极， 102为加速度传感器等运动传感器，210为带子。图4是为运动分类处理流程图。图5是人体9种最为常见的活动(躺，起身，坐，躺下，起立，站，坐下，走，跑)的状态转变拓扑结构。图6是对图1的方框图进一步细化后的系统组成框图。 对本发明做进一步的说明。图2示出了用于在日常生活中记录动态心电图信号与运动信号的分析系统的佩 带图。动态心电图记录装置包括两个以上的诸如电极101之类连接到人体体表的心电图电 极传感器、附属在至少一个心电电极101上的运动传感器102，数据获取、存储和传输单元 200以及一条方便长时间穿戴的佩带210。这里，三个心电图电极分别安放在如图中的胸部 位置，以测量常规心电图的Vl和V4导联。其中右肩胛位置是参考点。心电图电极使用常 规的电极片，并贴到相应的位置。人体姿态和运动往往表现在躯干的方位和运动上。因此， 我们把运动传感器附着在Vl电极上，可以测量躯干的方位和运动。为了小型、重量轻、宜穿 戴，将运动传感器与心电电极一起封装，以便方便和牢固地贴到胸前。这样，数据获取、存储 和传输单元200用带子210挂在胸前，也可以别在腰间。图3示出用于在日常生活中记录动态心电图信号和运动信号的另一种结构和佩 戴图。图中以Vl和V5两个导联为例，心电电极分别附着在胸前的Vl和V5位置，以及右肩 胛参考点位置。这里，运动传感器直接放置在数据获取、存储和传输单元200之中。为了使 运动传感器能测量躯干的方位和运动，把获取、存储和传输单元200以一条方便长时间穿 戴的佩带210束在胸前。图2和图3中所示的结构示出了 Vl和V5两个导联情况。按照常规心电图电极位 置的结构或其它合理的结构，我们完全可以根据需要，方便地实现1到12个导联的结构。图2和图3分别示出了把运动传感器与心电图电极一起贴在胸前，和将运动传感 器放入数据获取、存储和传输单元200之中束在胸前的两种结构和方法，来采集人体躯干 的方位和运动，从而推导人体运动类型和运动强度。运动传感器也可以放置于躯干的其它 部位，或放置于头上。也可以同时放置多组运动传感器于身体的不同的部位，共同推导出人 体运动类型和强度。为了推导人体运动，运动传感器的放置有如下几种形式1)单组运动传感器，放置于躯干或头上。若置于躯干，使用测量出的方位，则可推 导出人体的各种姿态，如坐、躺、走、跑、摔等。使用运动传感器的动态变化水平，可以推导出 人体运动的某些参数，如运动强度，步行与跑步的步频。2)多组运动传感器分别放置在躯干、两个大腿上，或在躯干和两个大腿、两个小 腿、和两个脚上放置运动传感器。从测量到的运动信息，推导出人体各种姿态和步态。由于 信息比较齐全，推导出的姿态种类比较多，也比较精确。3)进行上述运动分类和运动强度估计所用的运动传感器102可以使用单一种类 的加速计或陀螺仪，也可以同时使用加速计和陀螺仪，也可以同时使用加速计、陀螺仪和磁 力计。有时候，也使用计步器、肌电传感器等等。在本发明的一个实施例中，运动传感器102是一个微机电(MEMQ的小型集成加速 计。它在图2中与1个电极一起贴在胸前，在图3中放在数据获取、存储和传输单元200之 中佩戴在胸前。该传感器能够同时感应人体运动产生的加速度和地球重力加速度，并将感 应的信号转换为电信号传输至模数转换器以转换成数字数据供分析软件读取和检测使用者的运动类型和活动水平。图2中的数据获取、存储和传输单元200挂在使用者胸部，，数据获取、存储和传输 单元200也可以根据实际需要佩带在人体的其他部位。在本发明的实际应用中可以采用多种心电图信号采集电极传感器，如金质、银质、 贴片、导电布、等，通过多种方式与人体连接。连接的位置按照心电图测量标准，记录1到12 导联的心电图参数。一种动态心电和运动记录与分析系统的方框图示于图6。其中心电图和运动传感 器单元100中的心电电极传感器101和运动信号传感器102分别将心电信号和运动信号转 换为模拟电信号，输入数据获取、存储和传输单元200中。经信号放大器201的去噪和放大 后，被模数转换器202转换成数字数据输入到微处理器204。微处理器204将数字数据存 储到存储装置205中。时钟203用于提供存储时间和产生数据采样时间间隔。输入数据获 取、存储和传输单元200的供电由电池或其他便携电源提供。有的情况下，运动传感器102的输出已经是数字信号。在这样的情况下，运动传感 器102的数字信号可以直接输入到微处理器204中。输入数据获取、存储和传输单元200的数据传输206有两种形式一种是诸如USB 等标准有线数据接口。当与主计算机的主USB 口连接时，存储装置205中的数据被读入心电 图和运动分析方法和软件单元300中。另一种形式是无线通信，如蓝牙。微处理器204将 数字数据存储到存储装置205中的同时，也将数据打上时间标记，送往无线传输模块206， 并由无线传输模块送往心电图和运动分析方法和软件单元300，进行实时分析和处理。心电图和运动分析方法和软件单元300存在于主计算机中，如通常的动态心电图 机的主机。此时，心电图和运动分析方法和软件单元300通过USB标准接口读入M-48小 时记录的所有数据，进行批处理和分析，产生检测报告。心电图和运动分析方法和软件单元300也可以通过无线传输方式，自数据获取、 存储和传输单元200不断获得数据，进行实时处理和分析。检测可能的异常，向本人、家属、 或医生报警。心电图和运动分析方法和软件单元300包括心电图自动分析模块301，运动分类 和度量模块302，综合分析模块303，评估和报告模块304。心电图自动分析模块301首先对心电图信号进行去噪声和去基线漂移处理。其后 进行QRS波形结构的检测。由此，获得了心率。基于QRS波结构，进一步检测ST段、ρ波、T 波等典型心电图子波，对心电图波形的形态进行分析。从而检测到早搏、ST段上抬和下移 等异常波形。运动分类和强度模块302获得运动传感器数据后，从运动数据中提取方位、强度、 和变化特征度量，并经过分类器作运动分类。运动强度表现为运动传感器数据的波动。波 动的程度和频率即为运动强度的度量。心电图和运动信息的综合分析模块303，以运动类型和强度为条件，对心电图参数 进行各种分析。这包括静态和各种运动强度下的心率变异性，心率变异性随运动强度和时 间的变化；心率和心电图形态随运动的变化的监测，特别是ST段随运动强度的上抬或下移 量的监测，对运动猝死的预防具有重要意义。评估和报告模块304根据应用要求，对多方面的指标和场景进行评估。例如，当发现摔到时，能否自己起来，有无伴随心电图异常，等，都是综合评估的重点。又例如，将心率 变异性(HRV)在几个月甚至几年的时间区间的变化进行评估。如果心率变异性突然变小， 可能预示某种疾病。按照动态心电图诊断要求，生成报告。报告内容包括心电图和运动的 主要参数，典型的波形和参数，异常波形检测结果和典型的异常数据，心率变异性，心电图 参数随运动强度的变化曲线和统计数据，等。根据本发明的一个方面，一个示范性实施例为用于记录和分析使用者心电图和运 动情景的方法和系统。该系统记录使用者的1到12个导联的心电图信号，也可以记录血氧 饱和度、呼吸、血压、等生理参数。根据本发明该方面的一个实施例，动态心电图记录与分析系统包括响应用户身体 运动类型和强度的传感器，例如加速计、陀螺仪等惯性感应装置，或感应肌肉活动电信号的 传感器。本发明同时提出了一种心电图自动分析方法，该方法包括了心电图中的噪声去 除，QRS波定位，R-R间期和心率计算和室性早搏的自动检测。由于动态心电图伴随着被测者的日常活动，而日常活动在一定程度上会给心电图 带来干扰，为了准确分析被测者心电图，本发明在自动检测心电图之前，对被测者的心电图 信号进行了噪声去除处理。噪声去除处理采用了心电图自动处理领域广泛使用的离散小波 变换方法。离散小波变换将不需要的基线漂移和高频率噪声移除后，可以使得心电信号的 分析更为准确可靠。考虑到心电信号的多样性和动态变化性，本发明中的QRS波定位方法采用了自适 应门限检测方法，对长时间记录的被测者心电图数据分成小的时间段依次处理。该方法不 依赖于被测者自身的心电图特征而能够准确定位其QRS波位置。同时，在噪声去除后的心 电图信号做了进一步处理，以抑制心电图复波中幅值较大的P波和T波，并凸显QRS波中的 R波，进一步提高检测的正确率。自适应门限的门限定义如(1)式所示。PS = TP_PN X RPeakVa lue+TP_PS X PSPN = FP_ PN X noi sePeakValue+FP_PN X PNTh = PN+ λ (PS-PN)(1)其中，PS为QRS波的R波峰值更新量，PN为其他杂波峰值更新量；TP_PN，TP_PS, FP_PN，FP_PN和λ均为常数；RPeakValue为当前检测得到的R波峰值，noisePeakValue为 当前检测得到的杂波峰值；Th为判决门限值，若有新的R波峰值高于该值，则认为该峰值为 当前检测心电图段的R波。在检测得到R波位置之后，就可以根据相邻两个R波之间的时间间隔计算RR间 期。得到RR间期之后，就可以按照医学上计算心率的方法得到被测者的心率，如式(2)所 示，其中HR为被测者心率，单位为“次/分钟”，RRInterval为相邻两个R波之间的时间间 隔，单位为“秒”。


本发明公开了一种动态心电和运动记录与分析系统，用于自动检测使用者活动和进行活动情景下的心电分析。该系统除包括心电图和运动传感器单元，数据获取、存储和传输单元外还还包括分析和软件单元。运动传感器与心电图传感器电极可以封装在一起，也可以单独使用；该系统记录和自动检测使用者日常的物理运动，如躺、坐、走、跑、摔、坐起、站起、坐下、躺下等，并给出相应的活动强度；自动分析心电图；当检测到心电图异常或者活动异常时会给出相应标记，存储当时相应的所有原始信号和分析结果，提示医护人员。该系统给出使用者在不同的活动强度下的心率变异性，以及心率变异性随活动类型、活动强度、和时间的变化。该系统也给出了分析心率和心电图形态随运动强度和持续时间变化的方法，可用于运动和训练中的有氧运动优化和训练安全。