基於高頻心電的心臟自主神經評估系統

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基於高頻心電的心臟自主神經評估系統自主神經系統與心血管疾病的發病密切相關，實時自主神經系統的監護對心血管疾病的早期篩查、治療及預後有重要意義。由於傳統自主神經系統的評估方法無法實現實時、連續評估心臟自主神經活性，皮膚交感神經活性（SKNA）和心電圖（ECG）的同步非侵入性採集（neuECG）已成為自主神經系統實時評估的新方法。但是該方法因缺乏專用的信號採集評估設備而存在一定的局限性。基於此，本設計提出了一種新型基於高頻neuECG的便攜式監測系統。同時，本文基於實驗室已有專利，設計出了一個基於雲構架的監護方案，可實現遠程醫療及智能監測。

目錄

簡介

本團隊已提出第一個專門為neuECG監護而設計的專用設備，可同時監測ECG和高頻的SKNA信號，並能夠實現初步的實時數據分析和傳輸，但其噪聲水平較高及數據分析的單一性限制了其應用和推廣。本研究中，針對SKNA信號的特點，對原型機的前端進行了改進以降低系統底噪，並設計了自適應PLI濾波器和離群值剔除來抑制信號中的偽影。在數據分析時，加入心率變異性分析的相關指標，與SKNA數據計算相結合實現了對自主神經系統的綜合評估。

通過性能實驗，對本系統與Powerlab參考系統的底噪和信號相關性進行了比較。結果表明，相比於參考系統，本系統具有更低的系統底噪，為。此外，兩個系統的eSKNA的相關係數為0.83，心率變異性的相關係數為0.99，表明本系統與參考系統具有良好的相關性。此外，利用臨床實驗驗證了該系統的有效性和魯棒性。結果顯示，本系統在麻醉注射前後均能顯著反映交感神經活性的變化（p<0.01），說明在該應用場景中本系統的可行性優於基於心率變異性的裝置（p=0.40）。臨床試驗證明，本系統在臨床應用中實現了與參考系統的相當的性能，對自主神經系統評估具有令人滿意的性能。

關鍵詞：醫療監護，自主神經，低噪聲，NeuECG，HRV

第二章 方案論證與系統設計

該系統由一個小型便攜式數據採集設備和一個基於PC機的信號處理和軟件分析平台組成。便攜式數據採集裝置是系統的核心部件。該設備可以同時記錄ECG和SKNA，並將採集到的數據通過有線或無線傳輸到數據分析軟件進行顯示和進一步處理。該便攜式設備還包括一個作為臨時數據存儲的本地SD卡。該設備使用傳統的一次性銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極。

本系統可將採集到的數據存儲至本地SD卡，也可通過藍牙無線傳輸、USB傳輸至PC處理平台對數據進行分析和顯示。在實際應用場景中，本系統可依託實驗室團隊搭建的基於雲架構的穿戴式心電監護系統及其監護方法[46]，可將設備接入互聯網，與醫生實現遠程交互，為醫生提供診斷輔助。此外，還可藉助於雲服務，搭建病人數據中心，實現病人的長程疾病追蹤。

2.1 硬件設計

數據採集裝置由AFE電路、微控制器、電源管理電路和用戶界面組件組成。圖2-1中的黃色虛線框顯示了數據採集系統的主要組成部分。生物電位信號採集採用低噪聲AFE。微控制器控制數據的採集、存儲和傳輸。該系統有一個雙按鈕用戶界面來控制採集的開始/停止和定時同步。系統狀態顯示在OLED屏幕上，包括系統剩餘電池容量、採樣頻率、數據記錄開始時間和實時波形。

2.2 軟件設計

數據分析系統採用美國國家儀器公司的LabVIEW作為軟件開發平台。HRV分析是評估自主神經系統的常規方法，一般基於5分鐘窗口進行評估[39]。作為自主神經系統指標，HRV可以定量評價心臟交感神經和迷走神經的張力和平衡。SKNA可以實時反映交感神經活動的變化。因此，在軟件框架中進行HRV分析和SKNA計算，對自主神經系統進行研究。軟件流程如圖2-3所示，數據分析軟件界面如圖2-4所示。

2.3 基於雲構架的監護方案

以自主神經評估系統為核心，以實驗室現有專利設計為依託，形成了一個基於雲構架的監護方案。本方案中，自主神經評估系統可將數據分析結果通過網絡傳輸至雲服務器中，並傳輸至醫生端瀏覽器。醫生經醫生端瀏覽器可以查看自主神經系統評估結果，給出準確、專業的醫生判斷，得到醫生最後結論，提供醫生治療或保健建議，並上傳至雲平台服務器進行存儲。醫生端瀏覽器根據醫生診斷結論自動生成動態自主精神系統活性評估報告同時上傳雲平台服務器，雲平台服務器將動態自主精神系統活性評估傳達給智能手機APP即用戶。用戶可以根據動態心電報告及時就醫，根據醫生建議及時治療。

當監測系統的評估出危險信號時，智能手機APP會連續記錄5分鐘的neu信號同步上傳至雲平台服務器，雲平台服務器緊急處理上傳信號，將自動標註結果發送到醫生端瀏覽器。醫生端瀏覽器得到此信號後彈出黃色閃爍提醒信息等待醫生處理，醫生處理時根據情況的嚴重程度給與合理的建議並通過雲平台服務器反饋給用戶，用戶可以根據醫生建議將neu數據選擇性的歸檔保存。

當用戶自我感覺心臟不舒服時，使用智能手機APP上的短時持續記錄心電數據功能進行數據分析、生成自動分析報告並上傳至雲平台服務器，雲平台服務器不加處理直接傳輸給醫生端瀏覽器，醫生端瀏覽器收到消息後提醒醫生查看，醫生可以隨時查看給出醫療建議並選擇歸檔。

用戶可以上傳醫生隨訪記錄(患者病史)和家庭健康檔案(多個家庭成員、共享健康信息、家庭整體健康狀況評估等)至雲平台服務器，雲平台服務器使用大數據智能分析，得出用戶可能攜帶的遺傳心臟類病症，提出系統化建議，提出用戶體檢方式、種類和時間規劃等針對性建議。如病症特殊或嚴重，雲平台服務器將家庭健康數據發送至醫生端瀏覽器以求獲得專業性建議。家庭健康檔案還包括家庭成員使用該系統時的所有心電數據分析，雲平台服務器利用該數據提供對比分析親屬關聯關係，分析家庭對個人健康的影響，為個人和家庭提供針對性的保健指導，並將指導意見發送至家庭每個用戶智能手機APP端，實現個人和家庭健康狀態的持續性跟蹤。