CN100405972C - 心电无线远程监护系统 - Google Patents

Abstract

一种心电无线远程监护系统包括患者使用的心电监护仪、设立在医院的监护中心和连接它们的公共通信网络。其中心电监护仪包括数据采集、导联脱落检测、单片机处理、通信、人机交互和供电单元；其数据采集单元为三导联三通道同步心电监护，由三路相同的单导联心电信号采集电路组成，单导联心电信号采集电路由限幅保护和抗高频电路、前置级放大电路、屏蔽驱动和右腿驱动电路、单极性调整电路、第二级放大电路、一阶低通滤波器电路和二阶VCVS带阻滤波器电路组成。本系统为三导联监护，可获取绝大部分临床所需的心电信息，同时具备动态心电监护和无线远程心电监护双重功能，可大大降低心脏病的死亡率，对心脏病的早期诊断具有重要的临床意义。

Description

心电无线远程监护系统

技术领域

本发明属于医疗监护系统，特别涉及一种三导联心电无线远程监护系统。

背景技术

心电信号是人类最早研究并应用于临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有较直观的规律性，目前仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。心脏在机械收缩之前，心肌预先发生电的激动，并向全身各部位放散，从而在体表的不同部位产生电位差。通过体表把这种变动着的电位差按时间顺序描记出来的连续曲线就是心电图，常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，它一般有12个导联，反映了额面和横面上的心电位变化，可以从多个角度观察到心脏的活动情况，能对心肌梗死、早博、左前支阻塞和左后支阻塞等进行定位诊断，是心脏病诊断的重要手段之一，但是常规心电图仅记录6～100个心动周期，历时仅几秒～1分钟左右，只能获取很少有关心脏状态的信息，一个正常人一天24小时心博数达10万次以上，所以在有限的时间内，记录发生心率失常的概率是很低的，尤其是一些阵发性心率失常，即使病人有自觉症状，但在做常规心电图检查时也往往难以捕获。

由于心脏病发病时一般具有突发性、短暂性和危险性的特点，所以有必要对患者的心电图进行长时间实时监测，实现及时抢救和疾病预报，目前我国医疗资源仍然十分紧张，远程医疗、社区护理是解决这一问题的有效办法，可供心脏病人使用的便携式心电监护仪，有着广泛的应用前景。现有的心电监护系统有以下几种：

(1)动态心电图记录回放系统(HOLTER系统)：1957年，美国物理学博士NormanJ Holter首创了一种用磁带记录器对正常活动状态下的病人做长时间连续心电图记录的方法，开辟了时间全信息和环境全信息心电记录和诊断的新领域，从而在某种程度上弥补了常规心电图的不足之处。这种长时间连续记录的心电图称为动态心电图，它是心电学的一个分支，通过便携式记录器连续监测、记录人体24h或更长时间的心电动态变化信息，再经过计算机系统回放、处理和分析，再由打印机输出心电图，通过动态心电图能够发现短暂性或一过性的异常心电变化，对心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心率失常治疗的评价以及心率失常和生理关系的研究具有重要意义，从而为临床诊断、治疗及研究提供重要的客观依据。1961年，以德玛公司的产品为代表，美国最先将动态心电图技术应用到临床，以后很快在发达国家得到普及。自1978年我国开始引进此项技术以来，临床应用逐步深入，已从大医院逐步向中小医院普及，成为心血管疾病诊断领域中的实用、高效、无创、安全、准确、可重复性强的重要检查方法。传统式的HOLTER系统包含两部分：一部分是带在病人身上的慢速磁带记录盒；另一部分是回放分析系统。此类HOLTER系统中，马达变速、需定期保养和更换是磁带记录的一大难题。1985年后，出现了固态HOLTER系统，以美国HP公司为代表，它是把心电信号转换成数字信号后存储在芯片上，避免了马达引起的一些问题；但是这类HOLTER系统，记录盒内存有限，可能丢失大量信息。

(2)电话传送心电图监测系统(Trans-Telephonic Monitoring，TTM)

1960年，美国及加拿大的医疗中心相继开创了冠心病监护病房和加强护理病房，通过长时间的示波监护及血流动力学监测对病人进行治疗，但是，面对数量庞大、分布环境复杂的院外患者，HOLTER和CCU等还是无法解决问题，20世纪70年代，美国研制成功了利用电话传送心电图的监测系统，该系统是以微机为基础的心电传输/接收和心电数据库管理系统，通过电话传输心电信息和计算机处理实现对病人的心电监护，病人使用记录/发射器可通过电话向监测中心传输心电数据，医生根据心电信号改变和患者诉说的病情，向患者提供诊断与治疗意见，为院外心脏病人的长期心电监测和治疗提供了方便。

(3)无线实时传送心电图监护系统

TTM系统是一种微型、轻便、价格便宜、易操作、不受时间、地域限制的心电监护工具，它对偶发和可疑有心律失常症者有良好的的监测效果，然而，该装置也有一些缺点：不能捕捉非常短暂的心律失常，不能发现无症状心律失常或段变化，需要有电话才能和TTM中心联系等。

面向移动的心电监护系统可以解决这些问题，国外开展此项研究比较早，欧美等国家早在上个世纪90年代中期，在2G数字移动网刚开始投入运营就开始了相关研究，在美国就有多所大学进行了基于移动通信技术的远程医疗系统的研究，其中开展较早的并取得一定成果的有美国马里兰州立大学进行的Mobile Telemedicine Testbed项目，该项目开始于1996年，主要是研究利用移动通信技术在急救车上向急救中心传输病人的重要生理信息的可行性和实用性，为了保证有足够的带宽，其使用了一个2～8台GSM手机构成的手机阵列作为通信平台，该系统已在临床试用，并取得了比较理想的效果；欧洲大部分国家采用的是移动通信这一平台来进行远程医疗，一是欧洲本来就拥有很发达的移动通信网络，技术处于国际领先地位，二是因为欧洲的地理环境决定其可以采用移动通信方式来进行远程医疗；在澳大利亚一公司已经开发出掌上心电监护仪，并已通过美国FDA(美国食品与药品管理局)认证；而在亚洲，新加坡的南洋理工大学也开展了类似的研究项目，用于急救车上的心电数据传输；国内有的心电传输方案是将心电信息经过调制后变成音频信息，经手机发送到有线电话上，再解调，从技术上说，这与TTM没有区别。还有的公司采用的方案是采集器+发送器(PDA或手机)，这必然导致其价格昂贵，且PDA或手机的其他功能对于绝大部分患者根本没有必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三导联心电无线远程监护系统。

本发明由患者使用的心电监护仪、设立在医院的监护中心和连接它们的公共通信网络三部分组成。心电监护仪包括数据采集单元、导联脱落检测单元、单片机处理单元、通信单元、人机交互单元和供电单元；监护中心包括一台连接在Internet上的服务器计算机、交换机和多个与服务器计算机联网的工作站计算机以及电话、打印机组成；公共通信网络包括有GSM、GPRS和Internet等。监护仪和监护中心的无线通信方法采用了客户端/服务器的体系结构，客户端为用户使用的监护仪，服务器为监护中心，监护仪通过GPRS无线接入Internet和监护中心进行数据通信；监护仪具备USB接口，可通过其将存储的心电图传输到计算机中；监护仪还可用于拨打监护中心等的电话。

本发明中的心电监护仪主要具有如下4个功能：

1.三导联三通道同步心电信号的采集与显示

三导联三通道同步心电图是指对三个导联的心电信号同时采集、同时放大并同步记录或发送，与采用三导联体系的单导联心电图相比，它能更准确地反映心脏的活动情况。监护仪具备液晶显示屏，可以选择显示其中一个导联的心电图。

2.无线发送与接收

当患者感觉心前区不适或头晕时，按动相应按键，该监护仪将会把按键之前的二十秒和之后的二十秒的心电数据无线发送到监护中心，监护中心全天候有医生坐诊，患者发送的心电数据会得到他们的立即处理，处理之后监护中心会将诊断结果发送到监护仪，并显示在液晶屏上，患者可以根据医生的指导用药或采取自救措施。

3.心电图连续记录与传输

该监护仪具备的HOLTER功能支持长达24小时(可以扩充到48小时或72小时)的心电图连续记录，记录的数据可以通过USB高速上传到PC机用于对患者的心电图进行HOLTER分析。

4.紧急情况下的呼救功能

该监护仪内置的无线通信模块支持GSM手机通话功能，患者需要在监护中心注册紧急呼叫号码并导入到监护仪内。当患者遇到紧急情况，可以呼叫事先注册的电话，告之方位信息等。

心电监护仪在外观上包括有：心电导联线、液晶屏、6个按键、MiniUSB接口、电源开关、话筒、听筒。

监护仪的心电数据采集单元采用的是三导联三通道同步心电监护，对三个导联的心电信号同时采集、同时放大并同步记录或发送，它由三路相同的单导联心电信号采集电路组成。如图3所示，单导联心电信号采集电路由限幅保护和抗高频电路、前置级放大电路、屏蔽驱动和右腿驱动电路、单极性调整电路、第二级放大电路、一阶低通滤波器电路和二阶VCVS带阻滤波器电路组成，其电路之间的联接如图4所示：前端以连接检测点电极的导联线为检测输入端，直接将信号联接到限幅保护和抗高频电路，该电路输出经前置差动放大后输出端联接到屏蔽驱动和右腿驱动，该输出端经单极性调整，又联接第二级放大器输入端，第二级放大器输出经一阶低通滤波器连接到二阶带阻滤波器输入端，其输出为放大了的心电信号，将其连接到单片机处理单元的A/D转换部分。

监护仪的导联脱落检测单元电路的连接如图5所示：前端以连接检测点电极的导联线为检测输入端，其中一个信号端作为人体地，另外两个信号端分别连接两个放大器，两放大器输出端同时接入下一放大器，其输出再经两极放大器后联接到双三极管驱动器，输出端即为脱落信号，将其连接到单片机处理单元。

监护仪的单片机处理单元如图2所示，它以采用ARM体系结构的处理器为核心，在处理器的扩展存储器接口分别扩展了SDRAM和NAND FLASH，其中SDRAM用来存储运行时的程序代码和作为数据缓冲区，NAND FLASH用于存储程序代码和心电数据。单片机处理单元的A/D转换模块对输入的放大了的心电信号进行采样并量化。三路导联脱落信号分别连接到三个GPIO接口。

监护仪的通信单元如图2所示，它包含MC35 GPRS模块和USB通信模块两部分。MC35GPRS无线通信模块与单片机处理单元之间通过串口和GPIO连接，MC35 GPRS模块同时连接SIM卡、话筒、听筒和天线。MC35 GPRS模块内部不需要含有TCP/IP协议栈。

监护仪的人机交互单元如图2所示，它包含液晶、键盘和蜂鸣器。其中液晶与单片机处理单元的GPIO口连接，通过几个GPIO口仿液晶的串行通信时序。键盘包含六个按键，分别对应6个GPIO接口。蜂鸣器连接到一个GPIO接口。

监护仪的供电单元如图6所示，它采用单节可充电锂电池供电。电路的连接关系为：首先通过升压电路将电池电压升高到4.3V，然后分为4路，一路直接供给MC35 GPRS模块，一路经过输出为3.3V的降压电路将电压稳定在3.3V供给I/O单元和模拟电路。另外两路分别经过两个输出为1.8V的降压电路将电压稳定在1.8V然后分别供给CPU的内核和职守单元。模拟电路的地和数字电路的地采用单点共地的方法连接。

监护仪的工作原理如下：单片机处理单元对数据采集单元送来的心电信号进行A/D转换，然后将心电图显示在液晶上，同时将数据存储在数据缓冲区中，若用户需要记录，则首先将数据压缩，然后通过文件系统以文件的形式记录在NAND FLASH中。若用户需要无线发送，则首先将数据压缩，然后通过LWIP对数据进行TCP/IP打包，然后通过PPP软件对数据进行PPP打包，最后通过AT指令将数据发送给MC35 GPRS模块继而发送到监护中心的服务器计算机中。若患者需要紧急呼叫，则可以选择预拨打的电话并通过AT指令将命令发送给MC35 GPRS模块进行呼叫。

为实现监护仪的功能，监护仪嵌入了6个功能模块，具体介绍如下：

(1)监护仪的控制模块：监护仪的控制模块负责控制监护仪的启动和运行，其执行流程如图15所示，步骤如下：

步骤1.监护仪通电；

步骤2.运行系统初始化模块；

步骤3.操作系统、文件系统初始化；

步骤4.运行图形用户界面模块；

步骤5.提示插入USB电缆，并开始倒计时；

步骤6.如果倒计时结束前没有检测到插入USB电缆，则跳到步骤8；

步骤7.如果倒计时结束前检测到插入了USB电缆，则进入USB通信模块；

步骤8.等待用户的按键操作；

步骤9.监护仪断电。

(2)监护仪的USB通信模块：PC机可通过USB配置监护仪内的ID号和电话，并可通过USB读取监护仪中存储的心电数据。实现的方法为：在软件上定义了4个命令，分别为：配置监护仪，读取文件列表，读取文件内容和删除文件。配置监护仪就是可以通过PC机对监护仪进行配置，配置信息包含：用户ID号，监护中心的网络地址，急救中心、监护中心和家属的电话等；读取文件列表为：监护仪将首先通过文件系统提供的扫描文件的函数获得监护仪中存储的心电数据的文件列表，并将此表传输到PC中；读取文件内容为，USB传输软件将每个文件打开，将其内容读出并传输到PC机中；删除文件为将监护仪内存储的心电数据删除。USB通信模块的执行流程如图16所示，步骤如下：

步骤1.读取PC机发送的命令；

步骤2.如果不是“配置”命令，跳到步骤4；

步骤3.将“配置信息”写入监护仪中，跳到步骤1；

步骤4.如果不是“读文件列表”命令，跳到步骤6；

步骤5.将“文件列表”传输给PC机，跳到步骤1；

步骤6.如果不是“读文件内容”命令，跳到步骤8；

步骤7.将“文件内容”传输给PC机，跳到步骤1；

步骤8.如果不是“删除”命令，跳到步骤1；

步骤9.将监护仪中存储的心电文件删除，跳到步骤1。

(3)监护仪的心电数据记录模块：当患者需要记录时按【记录】键，监护仪开始记录心电图，再次按此键，将停止记录。每次记录的心电数据都以3个文件的形式储存，分别对应3个导联。再次记录，就会另外再生成三个文件。NAND FLASH被文件系统划分为两个区，第一个区用于存放程序代码，另一个区用于存储心电数据。心电数据记录模块的执行流程如图17所示，步骤如下：

步骤1.根据实时时钟信息，创建新的记录心电数据的文件；

步骤2.采集10秒的心电数据；

步骤3.调用心电数据压缩模块压缩心电数据；

步骤4.将数据写入文件中；

步骤5.如果现在结束记录，跳到步骤7；

步骤6.跳到步骤2；

步骤7.关闭文件。

(4)监护仪的心电数据压缩模块：在记录或发送之前，都采用了无损压缩的方法对心电图进行了压缩以节约空间和时间。这里采用的压缩算法为自适应的算术编码LZARI。心电数据压缩模块的执行流程如图18所示，步骤如下：

步骤1.开辟一个数据压缩临时缓冲区；

步骤2.将输入的心电数据移位，然后将其放入临时缓冲区中；

步骤3.调用LZARI压缩模块压缩数据；

步骤4.释放数据压缩临时缓冲区。

(5)监护仪的心电数据无线发送并接收诊断结果模块：监护仪启动后首先会与监护中心建立TCP连接，连接建立以后，监护仪会时刻保存患者最近20秒的心电数据，当患者按【发送】键时，监护仪会继续采集20秒的心电数据，然后，将按键之前保存的20秒心电数据和按键之后采集的20秒的心电数据压缩后通过TCP连接发送到监护中心，并等待监护中心返回诊断结果，当监护仪收到诊断结果以后，会将诊断结果显示在液晶屏上。心电数据无线发送并接收诊断结果模块的执行流程如图19所示，步骤如下：

步骤1.将前20秒的压缩过的心电数据放到发送缓冲区中；

步骤2.再采集20秒的心电数据，压缩后添加到发送缓冲区中；

步骤3.调用无线发送模块，将发送缓冲区中的数据发送到监护中心；

步骤4.如果接收到了“诊断结果”，跳到步骤6；

步骤5.等待片刻，跳到步骤4；

步骤6.显示诊断结果在监护仪液晶屏幕上。

(6)监护仪的紧急呼叫模块：用户首先按【呼叫】键，进入呼叫界面，然后按【翻页】键选择要呼叫的电话，然后再次按【呼叫】键，就拨打了那个选择了的电话。电话号码是事先通过USB配置到监护仪内的，监护仪不提供可输入数字的按键，通过串口向MC35发送特定的AT指令，即可实现电话功能。紧急呼叫模块的执行流程如图20所示，步骤如下：

步骤1.进入呼叫界面；

步骤2.选择电话号码；

步骤3.呼叫选择的电话号码；

步骤4.对方接听进入通话状态；

步骤5.挂断电话。

如图1所示，监护中心的物理组成包含有：一台服务器计算机、多个工作站计算机、交换机、电话以及打印机。连接关系为：服务器计算机外部连接Internet，内部连接到局域网，多个工作站计算机也分别都连接到局域网，打印机在局域网上共享。监护中心运行的监护软件也包括服务器端版本和工作站端版本。在服务器计算机上安装有Windows操作系统、数据库和监护中心软件服务器端版本，在每个工作站计算机上安装有Windows操作系统和监护中心软件工作站端版本。

监护中心主要具有如下2个功能：

1.处理监护仪无线发送的心电数据

2.处理监护仪通过USB上传的数据

监护中心处理监护仪无线发送的心电数据的工作原理如下：服务器计算机通过Internet与监护仪进行远程通信，将接收数据存储到数据库同时分发给各个工作站计算机进行处理，工作站计算机由医生操作，工作站计算机将接收到的心电图显示在屏幕上，医生根据心电图输入诊断结果，并通过局域网发送给服务器计算机，服务器计算机再通过Internet将结果发送给监护仪；如图21所示，监护中心对监护仪无线发送的数据的处理按下列步骤执行：

步骤1.服务器计算机将数据传给某个工作站计算机，并同时存入数据库；

步骤2.工作站计算机将接收到的数据进行解压缩；

步骤3.在工作站计算机的屏幕上显示接收到的心电图；

步骤4.医生根据心电图输入诊断结果；

步骤5.将诊断结果发送给服务器计算机，并存入数据库；

步骤6.服务器计算机将诊断结果再发送给监护仪。

监护中心处理监护仪通过USB上传的数据的工作原理如下：工作站计算机通过USB读取监护仪中的数据，并存入服务器计算机中的数据库。数据读取完毕后，工作站计算机将对心电数据解压缩并进行自动分析并分类，然后显示分类后的心电图给医生。医生根据心电图输入诊断结果并打印给患者。如图22所示，监护中心对监护仪通过USB上传的数据的处理按下列步骤执行：

步骤1.某工作站计算机通过USB读取监护仪中的数据，并存入到数据库；

步骤2.将接收到的数据解压缩；

步骤3.对心电图进行自动分类；

步骤4.显示分类后的心电图；

步骤5.医生填写诊断结果；

步骤6.将诊断结果打印给患者。

其中对心电图进行自动分类的原理如下：首先采用差分阈值算法对心电图的特征点(P、Q、R、S、T、J)检测，并提取特征值，然后根据临床心电图学和心脏病诊断学，将特征与病症进行联系，完成了心电图的分析和分类，提取的特征值、判断依据及病症由下表给出。

心电分析的判定依据

本发明与已有技术比较有如下优点：无线通信模块内部不需具备TCP/IP协议，使无线模块的成本大大降低。采用NAND FLASH存储心电数据，成本低、容量大。该心电监护仪同时具备24小时动态心电监护和无线远程心电监护双重功能，并且是心电采集与发送的一体机，该心电监护仪为三导联监护，可以监护和诊断常见心脏疾病，体积小巧、智能化程度高、性能可靠、价格低廉、操作方便、可以获取绝大部分临床所需的心电信息。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图，

图2为本发明监护仪组成结构图，

图3为本发明单导联心电信号采集电路和脱落检测电路原理框图，

图4为本发明三导联中标II导联心电信号采集电路原理图，

图5为本发明三导联中标II导联脱落检测电路原理图，

图6为本发明供电单元原理框图，

图7为本发明供电单元的电池电压转换成4.3V的线路原理图，

图8为本发明的供电单元由4.3V转换成3.3V的线路原理图，

图9为本发明的供电单元由3.3V转换成1.8V的线路原理图，

图10为本发明监护仪中单片机S3C2410与存储器NAND FLASH的电路连接图，

图11为本发明监护仪中单片机S3C2410与存储器SDRAM的电路连接图，

图12为本发明监护仪中单片机S3C2410与MC35的电路连接及MC35与SIM卡、话筒、听筒的电路连接图，

图13为本发明监护仪中单片机S3C2410与USB接口的电路连接图，

图14为本发明监护仪中单片机S3C2410与液晶显示器MOBI2006LCD的电路连接图，

图15为本发明监护仪控制模块执行流程图，

图16为本发明监护仪USB通信模块执行流程图，

图17为本发明监护仪心电数据记录模块执行流程图，

图18为本发明监护仪心电数据压缩模块执行流程图，

图19为本发明监护仪心电数据无线发送并接收诊断结果模块执行流程图，

图20为本发明监护仪紧急呼叫模块执行流程图，

图21为本发明监护中心对监护仪无线发送的数据的处理流程图，

图22为本发明监护中心对监护仪通过USB上传的数据的处理流程图，

图23为本发明监护仪嵌入式软件的总体结构图，

图24为监护仪网络连接成功显示图标，

图25为监护仪网络连接失败显示图标，

图26为监护仪心电图显示界面状态图标，

图27为监护仪发送工作状态图标，

图28为监护仪记录工作状态图标，

图29为监护仪存储空间标志，

图30为监护仪紧急呼叫界面状态图标。

具体实施方式

本发明的心电无线远程监护系统如图1所示，由患者使用的心电监护仪，设立在医院的监护中心和连接它们的公共通信网络构成。监护中心包括一台连接在Internet上的服务器计算机、交换机和多个与服务器计算机联网的工作站计算机以及电话、打印机，公共通信网采用GPRS、Internet；监护仪和监护中心的无线通信方法采用了客户端/服务器体系结构。

本系统采用的三导联为V1，V5和标II，具体为：V1导联第一个电极位于胸骨右缘第四肋间，第二个电极位于左侧锁骨中点下方，第三个电极位于右腋中线第五肋间；V5导联第一个电极位于左侧腋前线第五肋间，第二个电极位于右侧锁骨中点下方，第三个电极位于右腋中线第五肋间；标II导联第一个电极位于左侧中线肋弓下，第二个电极位于右侧锁骨中线下偏右，第三个电极位于右腋中线第五肋间。三导联心电信号的采集共需要7个在人体上的检测点，一个导联对应2个点，另外1个点做为三个导联共用的信号地，也就是说，一个导联需要三个检测点做为输入端，如图3所示为单导联心电信号采集与脱落检测原理框图，图4、图5为以标II导联为例的心电信号采集与脱落检测电路图。对另外的两个导联(V1，V5)分别采用与标II导联相同的电路，仅将输入端换成对应的导联的三个检测点，输出即为对应的导联的心电信号和脱落信号，这样实现了三导联心电信号的采集与脱落检测。心电信号采集部分采用的放大器型号为LM324，如图4所示，导联脱落检测部分前面的两个放大器为LM358，后面采用的也是LM324，采用的三极管型号为9013，如图5所示。由于A/D转换为单极性，这里采用了单极性调整电路，心电信号的采样频率为200Hz，采样位数为10位。

监护仪，如图2所示，采用Samsung公司的基于ARM920T内核的S3C2410芯片作为核心，它包含了NAND FLASH控制器、USB DEVICE、UART、RTC、ADC和丰富的GPIO。通过扩展存储器接口扩展了64M字节的NAND FLASH以及16M字节的SDRAM，通过GPIO口连接键盘、LCD、蜂鸣器、导联脱落信号线和MC35模块的部分信号线，通过UART1连接SIEMENS公司的MC35模块，MC35模块连接SIM卡、话筒、听筒和天线。模拟板将放大之后的心电信号线与S3C2410的A/D转换接口连接。监护仪采用可充电锂电池供电，如图6所示，各个元件统一由供电单元提供电源。具体连接关系为，如图7、图8、图9、图10、图11所示：利用S3C2410的NAND FLASH控制器扩展了一片64M×8bit的NANDFLASH，S3C2410在BANK6扩展了一片8M×16bit的SDRAM。S3C2410内部集成了USBDEVICE控制器，按照USB的接口标准，直接连接到外部的USB主设备即可。系统中采用了SIEMENS公司的MC35作为GPRS无线通信模块，S3C2410的异步串行通信接口和GPIO接口连接MC35的部分信号线。MC35另外连接SIM卡、话筒、听筒和天线；该监护仪使用的液晶模块为深圳蓬远公司的MOBI2006低功耗128×64点阵液晶模块。数据通信方式为串行通信方式，工作电压为3.3V，使用S3C2410的I/O口仿LCD的串行通信时序。监护仪具有6个按键用于用户操作，分别为“记录”、“翻页”，“发送”，“呼叫”、“显示心电图”和“显示诊断结果”，它们分别与S3C2410的6个GPIO连接，蜂鸣器则与S3C2410的一个GPIO相连接。供电单元首先采用StepUp DC-DC的电源芯片(这里采用的是MAX1703)将电池电压升高到4.3V，然后再利用3.3V的LDO(这里采用的是LP3871)将电压稳定在3.3V和1.8V的LDO(这里采用的是MAX882)将电压稳定在1.8V。4.3V的电压供MC35使用，3.3V的电压用于I/O和模拟电路，而1.8V的电压用于CPU内核和职守单元。模拟地和数字地采用了“单点共地”的设计方法。S3C2410内部的实时时钟采用单节纽扣电池对它单独供电，关机状态下时钟信号不消失。复位电路采用了IMP811复位芯片对CPU进行复位。S3C2410连接两个外部晶振，一个是12MHz的无源晶振，另一个为32768Hz的实时时钟晶振。

监护仪单片机处理单元里的嵌入式软件的总体结构如图23所示，采用分层和模块化的设计方法，底层为硬件平台，在设备驱动层编写了各个设备的驱动程序，在系统软件层，采用了嵌入式操作系统内核μC/OS-II完成任务调度和任务间通信，采用了嵌入式文件系统YAFFS存储心电数据文件，采用了嵌入式TCP/IP协议栈LWIP在Internet上传输数据，在应用程序层，设计并编写了8个任务，采用消息队列的方式实现任务之间的通信，协同工作，实现了心电监护仪的全部功能。

其中监护仪的控制模块负责控制监护仪的启动和运行，其执行流程如图15所示，步骤如下：

步骤1.监护仪通电；

步骤2.运行系统初始化模块；

步骤3.操作系统、文件系统初始化；

步骤4.运行图形用户界面模块；

步骤5.提示插入USB电缆，并开始倒计时；

步骤6.如果倒计时结束前没有检测到插入USB电缆，则跳到步骤8；

步骤7.如果倒计时结束前检测到插入了USB电缆，则进入USB通信模块；

步骤8.等待用户的按键操作；

步骤9.监护仪断电。

监护仪的USB通信模块的执行流程如图16所示，步骤如下：

步骤1.读取PC机发送的命令；

步骤2.如果不是“配置”命令，跳到步骤4；

步骤3.将“配置信息”写入监护仪中，跳到步骤1；

步骤4.如果不是“读文件列表”命令，跳到步骤6；

步骤5.将“文件列表”传输给PC机，跳到步骤1；

步骤6.如果不是“读文件内容”命令，跳到步骤8；

步骤7.将“文件内容”传输给PC机，跳到步骤1；

步骤8.如果不是“删除”命令，跳到步骤1；

步骤9.将监护仪中存储的心电文件删除，跳到步骤1。

监护仪的心电数据记录模块的执行流程如图17所示，步骤如下：

步骤1.根据实时时钟信息，创建新的记录心电数据的文件；

步骤2.采集10秒的心电数据；

步骤3.调用心电数据压缩模块压缩心电数据；

步骤4.将数据写入文件中；

步骤5.如果现在结束记录，跳到步骤7；

步骤6.跳到步骤2；

步骤7.关闭文件。

监护仪的心电数据压缩模块的执行流程如图18所示，步骤如下：

步骤1.开辟一个数据压缩临时缓冲区；

步骤2.将输入的心电数据移位，然后将其放入临时缓冲区中；

步骤3.调用LZARI压缩模块压缩数据；

步骤4.释放数据压缩临时缓冲区。

监护仪的心电数据无线发送并接收诊断结果模块的执行流程如图19所示，步骤如下：

步骤1.将前20秒的压缩过的心电数据放到发送缓冲区中；

步骤2.再采集20秒的心电数据，压缩后添加到发送缓冲区中；

步骤3.调用无线发送模块，将发送缓冲区中的数据发送到监护中心；

步骤4.如果接收到了“诊断结果”，跳到步骤6；

步骤5.等待片刻，跳到步骤4；

步骤6.显示诊断结果在监护仪液晶屏幕上。

监护仪的紧急呼叫模块的执行流程如图20所示，步骤如下：

步骤1.进入呼叫界面；

步骤2.选择电话号码；

步骤3.呼叫选择的电话号码；

步骤4.对方接听进入通话状态；

步骤5.挂断电话。

监护中心对监护仪无线发送的数据的处理按下列步骤执行：

步骤1.服务器计算机将数据传给某个工作站计算机，并同时存入数据库；

步骤2.工作站计算机将接收到的数据进行解压缩；

步骤3.在工作站计算机的屏幕上显示接收到的心电图；

步骤4.医生根据心电图输入诊断结果；

步骤5.将诊断结果发送给服务器计算机，并存入数据库；

步骤6.服务器计算机将诊断结果再发送给监护仪。

监护中心对监护仪通过USB上传的数据的处理按下列步骤执行：

步骤1.某工作站计算机通过USB读取监护仪中的数据，并存入到数据库；

步骤2.将接收到的数据解压缩；

步骤3.对心电图进行自动分类；

步骤4.显示分类后的心电图；

步骤5.医生填写诊断结果；

步骤6.将诊断结果打印给患者。

使用本发明的心电远程监护系统，首先确认导联线、电池、SIM卡等安装正确无误后，可以启动监护仪。打开本机右侧电源开关，液晶的背光灯首先点亮，片刻以后，屏幕显示欢迎界面，同时提示“USB数据传输”，如果在8秒钟以内仪器没有检测到通过USB连接到PC机，则监护仪进入一般工作状态。

开机倒记时结束后，监护仪首先会自动寻找GPRS网络，并与监护中心建立连接。网络连接成功后将在液晶屏上显示，图标如图24所示，若网络连接失败，液晶屏将显示错误信息，状态图标如图25所示。

拨号连接过程结束以后，监护仪将进入空闲状态，此时液晶屏进入心电图显示界面，状态图标如图26所示。

当液晶屏处在非心电图显示界面时按【心电图】键，液晶屏将进入心电图显示界面。再次按【心电图】键，液晶屏将进入待机界面。

在心电图显示界面下液晶屏动态显示当前心电波形图(默认为V1导联)并自动计算当前心率大小。由于屏幕大小限制，液晶屏上只能显示一个导联的心电图。通过按动【翻页】键，可以在三个导联中循环切换显示。

若患者在使用过程中出现导联脱落，监护仪会发出报警声，并在液晶屏上显示导联脱落，提示患者检查导联连接情况。

在任意时刻按【发送】键，监护仪将进入发送工作状态，此时状态标志如图27所示，监护仪会将当前时刻之前二十秒和之后二十秒的心电数据无线发送至心电监护中心，发送数据结束后(所需时间视网络状况不同)，监护仪将自动退出发送工作状态，回到空闲状态，此时状态标志如图26所示。

监护中心全天候有专业医师坐诊，接收到用户无线发送的心电数据后，会及时做出诊断并回复诊断结果信息给患者。监护仪接收到诊断结果以后，液晶屏会自动切换到查看诊断结果界面。同时有“嘀嘀”的提示音提示患者接收到了诊断结果。患者可以通过按【翻页】键查看全部内容。

此外，在任意时刻按【诊断】键，也会让液晶屏进入查看诊断结果界面，此时查看的结果为自本次开机以来最近的一次收到的诊断结果，如果没有收到过诊断结果，则显示内容为“暂无诊断记录”。

在任意时刻按【记录】键，监护仪将进入记录工作状态，状态标志如图28所示，此时监护仪会将当前采集的心电图保存在仪器内置的存储器内，再次按动【记录】键将终止本次记录，回到空闲状态，状态标志如图26所示。记录持续的最长时间为24小时。在记录过程中存储空间标志，如图29，将随存储数据量的增加而动态增加，若存储空间满了，监护仪将发出“嘀嘀”的警告声，并自动退出记录工作状态。

在紧急情况下(例如心脏病突发)可以利用监护仪直接拨打预存的电话号码，预存的号码包括急救中心、监护中心以及家人电话。

在任意时刻按【呼叫】键，液晶屏将进入紧急呼叫界面，状态标志如图30所示。此时，可通过【翻页】键切换到预拨打的电话上，再次按【呼叫】键，监护仪将进入紧急呼叫工作状态，此时监护仪将终止其他一切工作并断开网络连接，待对方摘机以后，即可进入通话状态。

利用监护仪提供的高速USB接口可以将存储的心电数据上传至PC机，PC机也可以通过USB配置监护仪中的电话等。

监护中心的服务器计算机安装SQL Server 2000数据库和监护中心服务器端版本软件，监护中心的工作站计算机安装监护中心工作站端版本软件。

监护仪可出租或出售给心脏病患者，监护中心可以在国内各医院建立。

Claims (2)

1.一种心电无线远程监护系统，由患者使用的心电监护仪、设立在医院的监护中心和连接它们的公共通信网络三部分组成，监护仪和监护中心的无线通信方法采用了客户端/服务器的体系结构，客户端为监护仪，服务器为监护中心，监护仪通过GPRS无线接入Internet和监护中心进行数据通信，采用的是TCP/IP协议，监护仪另外具备USB接口，可通过其与监护中心的工作站计算机连接将内部存储的数据上传到计算机，心电监护仪的上网是：采用MC35模块作为无线调制解调器，采用了运行在单片机处理单元内的LWIP程序实现TCP/IP协议，运行的PPP程序作为数据链路层协议，MC35模块仅完成物理层的功能，传输心电图采用的是无差错的TCP协议，所采用的公共通信网络为GPRS网络，或CDMA网络或其他可以提供无线接入Internet服务的公共网络，监控中心包括一台连接在Internet上的服务器计算机、交换机和多个与服务器计算机联网的工作站计算机以及电话、打印机，其特征在于心电监护仪包括数据采集单元、导联脱落检测单元、单片机处理单元、通信单元、人机交互单元和供电单元：其数据采集单元为三导联三通道同步心电监护，由三路相同的单导联心电信号采集电路组成，单导联心电信号采集电路由限幅保护和抗高频电路、前置级放大电路、屏蔽驱动和右腿驱动电路、单极性调整电路、第二级放大电路、一阶低通滤波器电路和二阶VCVS带阻滤波器电路组成，其电路之间的联接是：前端以连接检测点电极的导联线为检测输入端，直接将信号联接到限幅保护和抗高频电路，该电路输出经前置差动放大后输出端联接到屏蔽驱动和右腿驱动，该输出端经单极性调整，又联接第二级放大器输入端，第二级放大器输出经一阶低通滤波器连接到二阶带阻滤波器输入端，其输出为放大了的心电信号，将其连接到单片机处理单元的A/D转换单元；其导联脱落检测单元电路为：前端以连接检测点电极的导联线为检测输入端，其中一个信号端作为人体地，另外两个信号端分别连接两个放大器，两放大器输出端共同接入下一放大器，其输出再经两极放大器后联接到双三极管驱动器，输出端即为脱落信号，将其连接到单片机处理单元；其单片机处理单元采用基于ARM体系结构的处理器为核心，包含A/D转换单元、SDRAM、NAND FLASH、I/O接口、实时时钟、晶振电路和复位电路，另在单片机处理单元中嵌入了控制模块、USB通信模块、心电数据压缩模块、心电数据记录模块、心电数据无线发送并接收诊断结果模块及紧急呼叫模块；其通信单元包含MC35模块和USB接口，其中MC35模块与单片机间通过串口和GPIO连接，MC35模块另外连接SIM卡、话筒、听筒和天线；其人机交互单元包含液晶、键盘和蜂鸣器，它们均与单片机的GPIO连接；其供电单元采用单节可充电锂电池供电，采用输出分别为4.3V、3.3V和1.8V的电源芯片将其输出电压稳定在4.3V、3.3V和1.8V供其他电路使用。

2.权利要求1所述的心电无线远程监护系统的控制方法，其特征在于该方法包括心电监护仪控制模块、USB通信模块、心电数据记录模块、心电数据压缩模块、心电数据无线发送并接收诊断结果模块和紧急呼叫模块，各模块的执行步骤如下：

(1)心电监护仪控制模块包括以下步骤：

步骤1.监护仪通电；

步骤2.运行系统初始化模块；

步骤3.操作系统、文件系统初始化；

步骤4.运行图形用户界面模块；

步骤5.提示插入USB电缆，并开始倒计时；

步骤6.如果倒计时结束前没有检测到插入USB电缆，则跳到步骤8；

步骤7.如果倒计时结束前检测到插入了USB电缆，则进入USB通信模块；

步骤8.等待用户的按键操作；

步骤9.监护仪断电；

(2)USB通信模块包括以下步骤：

步骤1.读取PC机发送的命令；

步骤2.如果不是“配置”命令，跳到步骤4；

步骤3.将“配置信息”写入监护仪中，跳到步骤1；

步骤4.如果不是“读文件列表”命令，跳到步骤6；

步骤5.将“文件列表”传输给PC机，跳到步骤1；

步骤6.如果不是“读文件内容”命令，跳到步骤8；

步骤7.将“文件内容”传输给PC机，跳到步骤1；

步骤8.如果不是“删除”命令，跳到步骤1；

步骤9.将监护仪中存储的心电文件删除，跳到步骤1；

(3)心电数据记录模块包括以下步骤：

步骤1.根据实时时钟信息，创建新的记录心电数据的文件；

步骤2.采集10秒的心电数据；

步骤3.调用心电数据压缩模块压缩心电数据；

步骤4.将数据写入文件中；

步骤5.如果现在结束记录，跳到步骤7；

步骤6.跳到步骤2；

步骤7.关闭文件；

(4)心电数据压缩模块包括以下步骤：

步骤1.开辟一个数据压缩临时缓冲区；

步骤2.将输入的心电数据移位，然后将其放入临时缓冲区中；

步骤3.调用LZARI压缩模块压缩数据；

步骤4.释放数据压缩临时缓冲区；

(5)心电数据无线发送并接收诊断结果模块包括以下步骤：

步骤1.将前20秒的压缩过的心电数据放到发送缓冲区中；

步骤2.再采集20秒的心电数据，压缩后添加到发送缓冲区中；

步骤3.调用无线发送模块，将发送缓冲区中的数据发送到监护中心；

步骤4.如果接收到了“诊断结果”，跳到步骤6；

步骤5.等待片刻，跳到步骤4；

步骤6.显示诊断结果在监护仪液晶屏幕上；

(6)紧急呼叫模块按下列步骤执行：

步骤1.进入呼叫界面；

步骤2.选择电话号码；

步骤3.呼叫选择的电话号码；

步骤4.对方接听进入通话状态；

步骤5.挂断电话。

Images