CN101297753A - 基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，有管理中心，由监护病人节点和汇聚节点构成的传感器网络节点，以及数字处理终端，监护病人节点与汇聚节点之间进行通信；各汇聚节点之间进行通信；汇聚节点、数字处理终端及管理中心之间相互进行通信。监护病人节点有依次相连的传感输入单元、数据处理单元、数据传输单元，以及电源单元；汇聚节点有相连的数据处理单元、数据传输单元，以及电源单元。本发明将无线传感器网络与心电监护数字化结合在一起，只要随身携带一个监护病人节点，就可有效地预知发病率，为临床分析病情提供重要客观依据。实现了标准3导联同步心电图、心率变异性等检查集于一体，可显示出同一心动周期在不同方位、不同导联上的完整图形。

Description

基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统

技术领域

本发明涉及一种心电监护系统。特别是涉及一种将无线传感器网络技术与心电监护数字化建设结合在一起，构建医院的心电图数字化网络建设的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统。

背景技术

近几年来，我国医院数字化建设取得长足进步，不少医院已从以财务管理为核心的管理信息系统向以病人为中心的临床信息系统方向发展，并逐步建成了临床医生工作站、PACS和LIS等具有临床性质的信息系统。但作为常规检查的心电图，其数字化建设却没有引起足够的重视。目前医院具有的常规心电图监护仪或心电工作站普遍存在着体积庞大、功能单一、使用不方便和不便携带等缺点。心电图的临床应用已有百年历史，至今心电图仍是临床诊断心血管疾病的主要辅助手段，尤其是在缺血性心脏病以及各种心律失常的诊断方面具有独特的作用。但心电图临床应用的局限性也是明显的：

(1)在缺血性心脏病的诊断中，其特异性和敏感性都不令人十分满意。

①约半数以上的稳定性心绞痛病人静息心电图正常；

②约20～40％的急性心肌梗塞病人虽有典型的胸痛而无即时心肌梗塞的心电图表现；

③心肌梗塞的心电图诊断符合率仅为86.9％，侧壁心梗诊断符合率更差，仅为25％。

(2)体表心电图在判断某些复杂心律失常方面也存在一定的困难，有时体表心电图是难以做出鉴别的。

(3)体表心电图不能精确地判断房室阻滞时，其阻滞部位是房室结或是在希氐束。

(4)体表心电图无助于对心脏某些特殊电生理现象的研究，如隐匿性传导、超常期传导等。

(5)常规静息心电图记录时间太短，难于捕捉到一过性的心律失常及ST-T改变。

另外常规心电图记录仪是医生诊断心脏疾病的主要手段之一，但它仅能记录短暂心搏情况。由于在相当多的情况下难以记录到即刻发作时的心电图改变，导致无法作出正确的诊断和治疗。因此对病人进行长时间的心电监护也有着极其重要的临床价值。

美国GMP无线医疗公司开发了LIFESYNC无线心电图监护系统，它由电极、导连线、病人用收发器和监视器用收发器构成，实现了无线监护，但它并不是基于无线传感器网络，采用的是2.4GHz蓝牙技术，另外心电波形显示必须借助于VGA或LCD显示器。

英国Numed Holding有限公司开发了PocketView ECG产品，PocketView ECG心电图监护系统实现了基于PDA的显示和查询的，但PDA与导连线之间是通过控制器盒来进行连接，也不支持无线传感器网络，而且PocketView ECG必须配合PDA使用，不便病人随身携带存储心电数据。

国内调研结果是已见的有关医疗监护无线传感器网络方面的文献报道中，但它们有的在无线通信方面采用的是蓝牙技术，而不是基于无线传感器网络；有的仅仅是设计了个人医疗便携式设备，用于患者平时生理参数的采集，不具备无线传输功能，类似于Hotler；有的虽采用了无线传感器网络技术进行生理参数的采集和监护，但它们都采用了现成血氧测量模块、心电采集模块，通过模块提供的TTL电平的异步串口与上位机通讯采集数据，这些采集模块电路板尺寸一般在10cmx10cm，所以设备体积大，技术含量低，而且无线通信技术采用的是非IEEE 802.15.4(Zigbee)标准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种将无线传感器网络技术与心电监护数字化建设结合在一起，构建医院的心电图数字化网络建设的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，包括有管理中心，还设置有由监护病人节点和汇聚节点构成的传感器网络节点，以及数字处理终端，其中，监护病人节点与汇聚节点之间进行通信；各汇聚节点之间进行通信；汇聚节点、数字处理终端及管理中心之间相互进行通信。

所述的监护病人节点与汇聚节点之间是采用IEEE 802.15.4无线通信技术进行通信。

所述的各汇聚节点之间是采用IEEE 802.11b/g无线通信技术进行通信。

所述的汇聚节点、数字处理终端及管理中心之间是采用IEEE 802.11b/g无线通信技术相互进行通信。

所述的监护病人节点包括有依次相连的传感输入单元、数据处理单元、数据传输单元，以及向传感输入单元、数据处理单元、数据传输单元提供电源的电源单元。

所述的传感输入单元包括有依次相连的导联线输入、前置放大电路、高通滤波电路、陷波滤波电路及低通滤波电路。

所述的汇聚节点包括有依次相连的数据处理单元、数据传输单元，以及向数据处理单元、数据传输单元提供电源的电源单元。

本发明的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统具有如下特点：

(1)将无线传感器网络技术与心电监护数字化建设结合在一起，改变传统心电图的运行模式，构建医院的心电图数字化网络建设。只要随身携带一个监护病人节点，就可有效地预知发病率，既可以作为医院病人监护用，也可以作为家庭随身记录心电数据供医生诊断。

(2)心电监护系统属于无创性检查技术，它由单纯心电的时域分析变为多域分析，分析面更加扩大和深入，弥补了常规心电图检查技术的不足，使心电图检查技术不断丰富和完善。本发明中的节点除可以为住院病人实施监护外，也可以作为心血管疾病患者的便携式微型动态心电记录仪，它可以记录普通心电图检测时病人不易出现的短暂异常心电活动，为临床分析病情提供重要客观依据。

(3)心电监护系统实现标准3导联同步心电图、心率变异性等检查集于一体，可以显示出同一心动周期在不同方位、不同导联上的完整图形，弥补了单导心电图机的缺陷，显著增加心电信息量，另外由单纯心电的时域分析变为多域分析，分析面更加扩大和伸入。这些指标的综合分析可为临床医师早期冠心病的诊断，复杂的心律失常分析以及对于心源性心脏猝死的预测等提供了确切、可靠的客观依据。

附图说明

图1是本发明的系统构成示意图；

图2是本发明的监护病人节点设置图；

图3是本发明的监护病人节点构成示意图；

图4是本发明的汇聚节点构成示意图；

图5是前置放大电路原理图；

图6是0.05Hz高通滤波电路原理图；

图7是50Hz陷波滤波电路原理图；

图8是100Hz低通滤波电路原理图；

图9是MSP430F1612单片机电路；

图10是无线收发电路原理图；

图11是电源电路原理图。

其中：

1：管理中心                    2：监护病人节点

3：汇聚节点                    4：传感器网络节点

5：数字处理终端                21：传感输入单元

22：数据处理单元               23：数据传输单元

24：电源单元                   211：导联线输入

212：前置放大电路              213：高通滤波电路

214：陷波滤波电路              215：低通滤波电路

32：数据处理单元               33：数据传输单元

34：电源单元

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本发明的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，包括有管理中心1，还设置有由监护病人节点2和汇聚节点(sink节点)3构成的传感器网络节点4，以及数字处理终端(PDA)5，其中，监护病人节点2与汇聚节点3之间进行通信；各汇聚节点3之间进行通信；汇聚节点3、数字处理终端5及管理中心1之间相互进行通信。其中，所述的监护病人节点2与汇聚节点3之间是采用IEEE 802.15.4无线通信技术进行通信；所述的各汇聚节点3之间是采用IEEE 802.11b/g无线通信技术进行通信；所述的汇聚节点3、数字处理终端5及管理中心1之间是采用IEEE 802.11b/g无线通信技术相互进行通信。

上述的数字处理终端5可以有用个人数字处理终端PDA(掌上电脑)或计算机。

如图2所示，监护病人节点2是通过导联线与分别设置在病人身上不同位置处的传感器相连

如图3所示，所述的监护病人节点2包括有依次相连的传感输入单元21、数据处理单元22、数据传输单元23，以及向传感输入单元21、数据处理单元22、数据传输单元23提供电源的电源单元24。

如图4所示，汇聚节点(Sink节点)3包括有依次相连的数据处理单元32、数据传输单元33，以及向数据处理单元32、数据传输单元33提供电源的电源单元34。Sink节点与监护病人节点2相比只是去掉了传感输入部分，而数据处理单元32、数据传输单元33和电源单元34与监护病人节点2中的数据处理单元22、数据传输单元23和电源单元24结构完全相同。Sink节点只负责接收各监护病人节点2传送来的数据并将其通过802.11b/g传送给管理中心1，在医生或护士查询病人心电信息时将历史或当前数据发送给PDA(数字处理终端5)，sink节点一般设置在护士站里。

图9所示的是本发明中的数据处理单元22的电路原理图。

图10所示的是本发明中的数据传输单元23。

图11所示的是本发明中的电源单元24的电路原理图。

如图9、图10所示，本发明的数据处理单元22选用TI公司的超低功耗嵌入式CPUMSP430F1612，数据传输单元23主要由低功耗、短距离的无线通信模块CC2420组成。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，节点软件部分采用专门为无线传感器网络设计的操作系统TinyOS，TinyOS基于组件结构驱动的特点使系统具有快速反应、开销小的优点。TinyOS的组件库里包括了网络协议和分布式传感器驱动以及数据采集工具，这些组件都可以作为进一步开发的基础。本项目设计的无线传感网络的实现将基于TinyOS提供的一些基础的功能模块。节点软件可设定采样速率控制A/D采样，对采集来的ECG信号进行峰值检测和运算，软件也可动态调整A/D转换的参考电压以得到最佳A/D转换动态范围，并将12位A/D转换数字增加四位二进制数字编码成为两字节，按一定规则去掉连续重复的数据以增加存储空间，并可加入时间标记和动态调整系数等参数，将这些数据全部存储于存储器中或通过无线传输单元传输给sink节点3。

如图3所示，所述的传感输入单元21包括有依次相连的导联线输入211、前置放大电路212、0.05Hz高通滤波电路213、陷波滤波电路214及低通滤波电路215。

其中：

所述的前置放大电路212如图5所示，前置放大电路212将通过导联线输入211输入的病人的信号进行放大后送入高通滤波电路213。

所述的高通滤波电路213如图6所示，高通滤波电路213将经过放大的病人的信号经0.05Hz的高通滤波后送入陷波滤波电路214。

所述的陷波滤波电路214如图7所示，陷波滤波电路214将经过0.05Hz的高通滤波后的病人的信号又进行50Hz的陷波滤波后送入低通滤波电路215。

所述的低通滤波电路215如图8所示，低通滤波电路215将经过50Hz的陷波滤波后的病人的信号又进行100Hz低通滤波后送入数据处理单元22。

本发明的PDA作为个人数字处理终端在本发明中构成面向医疗应用的个人数字助理系统，它通过与外界通信获取相关的心电监护信息，使用专门设计的程序按一定规则恢复去掉的连续重复的数据，再根据医生的需要通过各种算法实现心电、心音及颈动脉信号采样显示。本发明采用型号为DELL Axim X51的掌上电脑，其工作处理包括有：

数字滤波器实现信号的数字滤波及预处理；特征点分析识别，采用二进小波变换多分辨率算法及神经网络算法实现心电信号P、Q、R、S、T波各特征点的识别，区分第一心音、第二心音点以及颈动脉波的U、P、D点，鉴别高频心电图上的扭结、切迹点等；频谱分析，实现心电频谱分析功能，心室晚电位信号的频域分析功能；波形分类，实现心律失常的辨析及分类；手动定标，在自动算法结果出现偏差的情况下实现人工辅助分析，并实现在QT间期分析、心室晚电位分析、心率变异性分析中实现异常波形的人工辅助剔除；打印输出，实现数据打印及诊断结论的打印输出。

基于传输范围及传输速率等方面的考虑，在设计中PDA拟采用IEEE 802.11b/g无线通信技术。

本发明依照应用模式的不同，通常可以简单地将无线自组织网络(包括传感器网络和Ad-hoc网络)分为主动(proactive)和响应(reactive)两种类型。主动型传感器网络持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据；而响应型传感器网络只是在被观测变量发生突变时才传送数据。

这两种应用模式都将应用在设计中，对于响应型传感器网络，我们定义硬、软两个门限值，以确定是否需要发送监测数据。当监测数据第一次超过设定的硬门限时，节点用它作为新的硬门限，并在接着到来的时隙内发送它。在接下来的过程中，如果监测数据的变化幅度大于软门限界定的范围，则节点传送最新采集的数据，并将它设定为新的硬门限。通过调节软门限值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡。而对于主动型传感器网络，监护病人节点将以恒定速率发送监测数据给sink节点，sink节点再传送给PDA或计算机。

心电信息管理中心是整个心电图信息管理的核心，其主要是负责所有心电图信息的存储和管理。管理软件由面向对象的编程工具Microsoft公司的VC++及Borland公司的Delphi混合编程，功能包括有：

主菜单包括以下分析功能：模板编辑、页扫描、趋势图、QT变异、房颤/房扑、心率变异性、ST段分析等。

病例库：可对病例数据进行查询、删除、导入、导出等操作。点击“服务器”按钮，可对任意正在监护的病人数据进行分析。

模板编辑：将24小时的数据按不同的心律失常事件分类，包括：室早模板、室上早模板、结性模板等。

页扫描：可以观察24小时的全览图，也可选择观察任意时间的心电图。

QT和QTc分析：QTc大于450ms为异常

趋势图：显示了24小时心率、ST段、QT、室早、室上早、停搏以及SDNN趋势图。

心率变异性分析：包括时域、频域和Lorenz散点图分析。

打印输出：实现数据打印及诊断结论的打印输出。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，包括有管理中心(1)，其特征在于，还设置有由监护病人节点(2)和汇聚节点(3)构成的传感器网络节点(4)，以及数字处理终端(5)，其中，监护病人节点(2)与汇聚节点(3)之间进行通信；各汇聚节点(3)之间进行通信；汇聚节点(3)、数字处理终端(5)及管理中心(1)之间相互进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，其特征在于，所述的监护病人节点(2)与汇聚节点(3)之间是采用IEEE 802.15.4无线通信技术进行通信。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，其特征在于，所述的各汇聚节点(3)之间是采用IEEE 802.11b/g无线通信技术进行通信。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，其特征在于，所述的汇聚节点(3)、数字处理终端(5)及管理中心(1)之间是采用IEEE 802.11b/g无线通信技术相互进行通信。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，其特征在于，所述的监护病人节点(2)包括有依次相连的传感输入单元(21)、数据处理单元(22)、数据传输单元(23)，以及向传感输入单元(21)、数据处理单元(22)、数据传输单元(23)提供电源的电源单元(24)。

6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，其特征在于，所述的传感输入单元(21)包括有依次相连的导联线输入(211)、前置放大电路(212)、高通滤波电路(213)、陷波滤波电路(214)及低通滤波电路(215)。

7.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的标准三导联心电监护系统，其特征在于，所述的汇聚节点(3)包括有依次相连的数据处理单元(32)、数据传输单元(33)，以及向数据处理单元(32)、数据传输单元(33)提供电源的电源单元(39)。

Images