一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置

1.本发明属于医学信号检测与处理技术领域，具体涉及一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置。


背景技术：

2.心电图能反映人体心脏电活动过程(代表整个心脏电激动的综合过程)，对心脏基本功能以及其病理研究方面具有重要的参考价值，可以分析与鉴定各种心律失常，也可以反应心肌受损的状况和心房、心室的功能结构情况。心电图是治疗心血管疾病的主要依据，具有诊断可靠、方法简便、对病人无损害的有点，在现代医学中变得越来越重要。
3.在目前的临床应用中，人体体表生物电信号的采集广泛使用ag/agcl湿电极来实现的，为了采集过程中的噪声干扰，保证皮肤和电极间的良好接触，这类电极通常需要使用导电胶来降低接触阻抗，导电胶很容易干燥固化，降低了采集效果。并且在使用湿电极前，通常需要对皮肤进行体毛刮剃、酒精擦拭等预处理，因而给受试者和操作的医师都带来了不便。
4.随着监管机构的批准和相关技术的进步，长时间持续监测人体健康状态的可穿戴设备已成为可能。干电极一般采用接触式电极，一些干电极的导电部分采用金属材料制成，柔韧性不佳，与皮肤的接触面会随着人体运动改变而改变，接触面的改变会降低信号质量，在某些情况下甚至会对人体带来损伤。另外一些干电极采用了在导电部分和基底之间添加泡沫材料，此种方法虽然保证了电极和皮肤之间的良好接触，但是增加了电极的厚度，长久佩戴容易给患者造成不适感。所以本发明提出了一种多层柔性生物电干电极，采用多层结构，通过丝网印刷技术实现，具有良好的柔韧性和可定制性。
5.可穿戴心电监测设备通常会记录到各种类型的噪声可总结为五种：(1)由肌电信号引起的运动干扰；(2)有皮肤形变引起的运动干扰来自于皮肤内层和外层之间的电势差；(3)金属与皮肤之间的移动引起的运动干扰；(4)由导线移动引起的运动干扰；(5)由外界静电引起的干扰。
6.运动伪影是最难消除的噪声类型，因为其频谱通常与心电信号的非常重要的频谱成分重叠，通常是由于患者或者电极的运动引起的瞬时(但不是阶跃)基线漂移，人们日常的运动干扰会使得穿戴式心电监测设备无法提供具有诊断质量的心电信号，为了准确的诊断心脏病，我们需要对尽可能的减少运动的干扰以保证心电信号的质量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提出一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置，用于远程长时间监测患者心电信号与心音信号，其核心结合了自适应滤波技术、丝网印刷技术、导联放置技术，能够克服现有的受到运动伪影干扰的一种可自适应滤除噪声的多层柔性生物电干电极。
8.本发明内容及主要技术特点如下：
9.(1)本发明所公开的一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置，该装置包括：生物电信号采集柔性干电极、胸阻抗检测电路、三轴加速度传感器、自适应滤波器及自供电模块，且前三个部分相对独立，互相没有连接，其中，生物电信号采集柔性干电极包括心电信号采集电极和心音信号采集电极，均由织物基底层、聚二甲硅氧烷(pdms)弹性薄膜层、可拉伸密封层、碳-银混合物(印刷电路)的柔性传感层构成，并通过丝网印刷技术分层实现的柔性干电极、胸阻抗检测电路和三轴加速度传感器的集成；
10.该方法是最小均方(lms)的自适应噪声滤波器，首先，采用参考输入信号为胸阻抗变化信号和三轴加速度信号，该参考输入信号与心电信号无关但与噪声强相关的信号；然后，将采集到的心电信号、心音信号、胸阻抗变化信号与三轴加速度信号一起传输到自适应滤波器中即可滤除生物电检测过程中的测量噪声。该自适应滤波器满足功耗低、硬件实现简单的要求，可用于不同生物电检测环境下的自适应噪声滤除。
11.(2)本发明所公开的一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置，其特征在于：所述的多层柔性干电极使用时要三个配套使用，其中两个电极作为胸阻抗检测的必备条件，分别放置在患者的左右两胸靠下位置同时也是i导联的位置，剩余的一个电极放置在患者的左腋下作为参考电极用于初步减弱工频干扰。
12.(3)本发明所公开的一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置，其特征在于：所述的多参数信号采集电极具有多层结构，从外层到内侧分别为织物基底层、聚二甲硅氧烷(pdms)弹性薄膜层、碳-银混合物(印刷电路)以及柔性传感层。其中外层指的是远离人体皮肤的方向，内侧指的是靠近人体皮肤的方向。
13.(4)本发明所公开的一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置，其特征在于：所述的自供电模块是采用锂离子电池和汗液生物电池，其中汗液生物电池作为一种自产能装置，以微生物组织作为催化剂，通过人体汗液产生的乳酸作为底物为生物电池供电，从而延长了可穿戴心电监测装备的监测时间。
14.(5)本发明所公开的一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置，其特征在于：所述的装置采用的无线传输模块为蓝牙模块或2.4g无线传输模块。通过无线传输模块可将经过自适应滤波后的心电信号和心音信号压缩打包一起传输到手机或者计算机中，用于将心电信号和心音信号等生理参数显示出来，并利用智能终端的数据分析能力进行初步的分析诊断。同时智能终端将收到的心电信号和心音信号上传至云服务器，云服务器将所述的健康数据进行进一步的分析生成健康数据报告，并返回至智能终端。
附图说明
15.图1是本发明一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置的结构示意图。
16.图2是本发明一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置应用实例的正反图。
17.图3是本发明一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置的滤除噪声效果对比图。
18.图4是本发明一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置的自适应滤波器算法框架图。
19.具体实施方法
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参考附图对本发明进一步详细说明。应当理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
21.参考图1,表示了基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置的具体的结构，总体分为三层：
22.(1)最内侧也是紧贴皮肤的一层为多参数信号采集电极，可以监测患者的心电信号和心音信号，将心电信号与心音信号相结合，可以更好的分析人体的心脏健康情况，使得心脏健康监测更加准确。
23.(2)第二层为胸阻抗检测电路，他监测由呼吸引起的人胸部电阻抗的变化，在每个呼吸周期中，空气呼吸量的增加会降低人体胸部的电导率。因为要监测胸阻抗变化最少需要两个电极实现，所以本发明需要至少三个电极，其中两个作为胸阻抗检测电路的必备条件，剩余的一个作为参考电极，初步降低工频干扰。
24.(3)第三层为三轴加速度传感器，该传感器可以精确检测人体运动特征参数，具有微型、低功耗、高分辨率的特点。它能在各种变化的环境下检测静态、动态加速度以及水平方向的倾角变化等，满足于心电信号无关但与运动噪声强相关的条件。
25.图2为一种基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置的具体结构示意图。其中心电胸带由1.有弹性的织物基底、2.两个所述的可自适应滤除噪声的多层柔性生物电干电极、3.印刷电路、4.参考电极、5.心电采集器底座、6.松紧调节扣和7.锁扣构成。监测心电信号时病患需要将心电胸带佩戴在胸部靠下的位置，与标准i导联位置一致，4.参考电极位于右臂腋下，将心电采集器安装在心电采集器底座上即可对病患的心电信号进行实时监测。
26.图3为健康人佩戴上安装有基于柔性生物电干电极的自适应噪声滤除方法及装置后，对他扭腰状态下的心电信号监测滤波前后效果对比图。
27.所述的自适应滤除噪声采用的是自适应滤波器，算法框架如图4所示，其中需要心电信号和心音信号作为主输入信号d(k)，包含期望信号x(k)和噪声n(k)。参考输入信号s(k)与噪声n(k)有关，但与信号x(k)不相关。参考信号s(n)输入到自适应滤波器中产生输出y(k)，表示尽可能接近噪声n(k)的副本。自适应滤波器的系数根据所选的自适应算法不断变化。随后将该滤波信号输出y(k)从主输入d(k)中减去，以获得估计的期望信号x
‘
(k)，如等式所示：
[0028]”[0029]
e(k)＝x(k)＝x(k) n(k)-n(k)
[0030]
e(k)即为滤波后的信号，n
‘
(k)为噪声n(k)的精确副本。
[0031]
如此便可得到滤除掉运动噪声的心电信号和心音信号。