CN101664308A

CN101664308A - 无线便携式心率变异监护装置

Info

Publication number: CN101664308A
Application number: CN200910307350A
Authority: CN
Inventors: 牛金海; 崔萌; 罗兰; 朱贻盛; 童善保
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2010-03-10

Abstract

一种医疗检测技术领域的无线便携式心率变异监护装置，包括：心电采集模块、数据处理模块、无线传输模块和人机交互模块，其中：数据处理模块的输入端和输出端分别连接心电采集模块和无线传输模块以接受原始心电模拟信号并输出数字心电数据，人机交互模块与数据处理模块相连接以接收数字心电数据并输出用户指令。本发明可以直接在装置上进行HRV参数的计算和显示，或者利用Zigbee协议无线传输相关数据至上位机进行后续处理。为降低无线传输的功耗，默认并不实时上传心电数据，而是在采集数据后上传非正常心电数据。与现有技术相比极大简化了外围硬件电路，使得监护装置的体积和功耗大幅度减小，更加适合随身携带。

Description

无线便携式心率变异监护装置

技术领域

本发明涉及的是一种检测技术领域的装置，具体是一种无线便携式心率变异监护装置。

背景技术

随着现代医学技术的发展，对患者进行实时的监护成为一种必然的趋势。尤其是当今世界，全球许多国家都面临着人口老龄化的压力，而老年性疾病往往需要日复一日的监控治疗，这些一般不可能一直在医院中进行，这就使得医疗设备向便携化和小型化方向发展。网络技术的发展使得患者监护不再局限于医院，在家中甚至随时随地都可以进行方便的生理参数监护。现在，大多数装置采用有线的方式进行通讯，这给使用带来了极大的不便。而无线的方式则以蓝牙方式为主流。而Zigbee是一种无线传感器网络的新技术，名称来源为蜜蜂的八字舞。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率和低成本。主要应用领域为自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备。其技术联盟成立于2001年8月，2002年下半年，美国摩托罗拉、TI以及飞利浦等许多大公司加盟Zigbee。目前联盟的成员涵盖了IT领域以及其他行业的200多家企业。Zigbee技术的基础是IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10~200米的低速连接。

据世界卫生组织2005年报告，心血管疾病已超越肿瘤成为世界人类死亡的最主要原因，占全球死亡人口的30％。对心脏健康状态进行监护是十分必要的，目前，心脏监护以心电监护为主。心电图记录心脏电生理活动，有着丰富的信息，可以进行多种疾病的诊断和预诊。心脏疾病的智能诊断是近些年来人们研究的重点和热点之一。心脏疾病的智能诊断正确性往往依赖于采集到的波形和对波形特征点的识别算法。这就要求研究人员一方面要保证模拟电路对有效信号的放大和干扰信号的抑制，另一方面要提高算法的效率。特别是在便携式仪器的研究中，往往要在算法准确性和复杂度之间做折中处理。在众多监护参数中，本发明选用近年尤为关注的心率变异(HRV，Heart Rate Variability)参数进行心电的监护。

过去20年里，人们认识到自主神经系统和心血管疾病，尤其是心脏猝死之间的密切关系。实验学证据表明，致命性的心律失常倾向和交感神经活动的加强或迷走神经活动的减弱之间有着一定的联系，这样对于自主神经活动的研究有了新的切入点。HRV即其中重要的新指标之一。HRV相对简单的测量使得其在心脏监护领域越来越受到人们的关注。HRV，作为描述瞬时心率和RR间期变异的术语已被普遍接受。HRV的改变与多种特定的病理相关：一些心脏或非心脏疾病都会表现出降低的HRV，例如心肌梗死、糖尿病神经系统疾病、心肌功能障碍、瘫痪等，心脏移植后的患者也会表现出降低的HRV。此外，β肾上腺阻断、抗心律失常药剂、东莨菪碱、溶栓以及运动等因素都被认为在HRV上有所表现。关于HRV的研究有很多，迄今为止，在临床上得到验证与承认的主要是心肌梗塞愈后的风险预测与糖尿病神经系统病变预测。

HRV的检测有多种方式，主要有时域和频域两种。时域检测是一种相对简单的计算方式。在时域检测中，HRV需要检测和计算的参数为瞬时的心率，QRS复合波以及NN间期。简单的时域计算参数包括平均NN间期、平均心率和最长和最短NN间期差异等。统计学的检测方法(时域)则针对较长时间的心电监护，对于相对较短时间的心电数据同样也可以进行统计学检测，这样可以对比不同状态下的HRV比较，例如活动、休息、运动等。

经过对现有技术的检索发现，专利公开号为CN 101278832A，申请号为200710003350.3，记载了一种远程无线心电实时监护仪，可以实施远程心电监护，采用成熟的无线网络技术使系统的稳定性得到了保证。从其中可以看出，该装置在心电采集模块仍然采用独立的元器件，在集成性上不是很好，最后装置的体积也比较大。此外GSM/GPRS网络协议频段在开发成本，功耗，复杂度上都不及Zigbee。

又经检索发现，专利公开号为CN 1552283A，申请号为03136568.X，记载了一种心率变异性分析方法与装置，介绍了一种心率变异性分析方法。详细说明了如何进行心电数据的波形识别以及HRV的参数计算。但该专利为单纯的HRV分析装置，由于其计算参数复杂，考虑的为频域HRV计算方法，无法实现片上处理。此外，作为早期的心率变异性分析装置，该装置在自动化，便携性上均存在着改进的空间。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种无线便携式心率变异监护装置，可以直接在装置上进行HRV参数的计算和显示，或者利用Zigbee协议无线传输相关数据至上位机进行后续处理。为降低无线传输的功耗，默认并不实时上传心电数据，而是在采集数据后上传非正常心电数据。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：心电采集模块、数据处理模块、无线传输模块和人机交互模块，其中：数据处理模块的输入端和输出端分别连接心电采集模块和无线传输模块以接受原始心电模拟信号并输出数字心电数据，人机交互模块与数据处理模块相连接以接收数字心电数据并输出用户指令。

所述的数字心电数据包括：心率变异性分析数据和心电数据波形。

所述的心电采集模块包括：前置差动放大电路、主级放大滤波电路、模数转换模块和偏置电压电路，其中：前置差动放大电路分别连接心电电极和主级放大滤波电路并将原始心电信号放大5倍；主级放大滤波电路的输出端与模数转换模块相连接并输出幅值放大100倍，滤除高频的模拟心电信号；偏置电压电路为模数转换模块提供偏置电压；模数转换模块接收模拟心电信号并转换为数字心电数据输出至数据处理模块。

所述的数据处理模块内设有中央处理器以进行心电信号的处理，将接收到的数字心电数据根据Zigbee协议进行调制并输出调制信号至无线传输模块。

所述的无线传输模块包括：无线射频收发器和同步并行接口，其中：无线射频收发器通过同步并行接口对无线收发进行控制，同时将收到的调制信号进行无线传输。

所述的无线射频收发器是指基于Zigbee协议的射频双工器。

所述的人机交互模块包括：段式LCD、按键和LED显示装置，其中：段式LCD与数据处理模块相连接以接收数字心电数据并显示心率变异分析数据和操作提示信息，按键和LED显示装置分别与数字局处理模块相连接以供用户选择操作输出用户指令并提示工作状态和报警信息。

本发明的工作流程如下：心电采集模块采用标准单导联方式采集用户心电信号，该信号经放大、滤波和模数转化后，在中央处理器中进行后续处理。用户可以通过按键选择将所有心电数据传输抑或只有在检测到异常波形时才传输对应时间段的心电数据，可观察相应的指示灯判断当前数据传输模式。保持心电采集状态5分钟，其间有相应的指示灯提示心率。采集结束后，段式LCD上将顺序显示HRV的时域参数以及用户健康状态。

与现有技术相比本发明集成了运算放大器、模数转换器、段式LCD驱动器和电压偏置器，同时对微控制器的引脚进行多路复用，极大简化了外围硬件电路，使得监护装置的体积和功耗大幅度减小，更加适合随身携带。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为本发明工作流程图。

图3为分析数字信号处理流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：心电采集模块1、数据处理模块2、无线传输模块3和人机交互模块4，其中：数据处理模块2的输入端和输出端分别连接心电采集模块1和无线传输模块3以接受原始心电信号并输出HRV或数字心电数据，人机交互模块4与数据处理模块2相连接以接收数字心电数据并输出用户指令。

所述的心电采集模块1包括：前置差动放大电路5、主级放大滤波电路6、模数转换模块7和偏置电压电路8，其中：前置差动放大电路5分别连接心电电极14和主级放大滤波电路6并将原始心电信号放大5倍，主级放大滤波电路6的输出端与模数转换模块7相连接并输出幅值放大100倍并滤除高频的模拟心电信号，偏置电压电路8为前置差动放大电路5和主级放大滤波电路6提供偏置电压，模数转换模块7接收模拟心电信号并转换为数字心电数据输出至数据处理模块2。

本实施例中所述的前置差动放大电路5采用INA321仪表放大器实现对心电信号的差动放大，所述的主级放大滤波电路6采用微控制器MSP430FG439内部集成的运算放大器结合外围电阻和电容实现对信号的放大和滤波，模数转换模块7采用微控制器MSP430FG439内部集成的12位模数转换器实现对放大后的信号的模数转换，偏置电压电路8采用微控制器MSP430FG439内部集成的数模转换器实现对放大电路的电压偏置。

所述的数据处理模块2中的中央处理器9对数字心电数据进行处理，将接收到的数字心电数据根据Zigbee协议进行调制并输出调制信号至无线传输模块3，本实施例中数据处理模块2采用微控制器MSP49FG439内的中央处理器实现对模数转换后的心电信号的一系列数字信号处理。

所述的无线传输模块3包括：基于Zigbee协议的无线射频收发器11及对无线收发进行控制的同步并行接口10，其中：无线射频收发器11通过同步并行接口10对无线收发进行控制，同时对调制信号进行无线传输。无线射频收发器11采用CC2500芯片实现心电数据的无线传输。

所述的人机交互模块4包括：段式LCD电路12和按键、指示灯电路13。其中：段式LCD显示HRV计算结果和操作提示信息；按键用于用户选择操作；LED提示工作状态和心电信息。

如图2所示，为本实施例基本工作流程，具体步骤如下：

开机后，对按键状态进行判断。通过按键1在无线传输所有数据和非正常数据之间切换，同时指示灯1也在亮灭状态之间切换，默认状态为灭。按下按键2，系统进入工作状态，开始心电监护：首先初始化微控制器MSP430FG439，包括运算放大器，模数转换器，段式LCD驱动，SPI传输。为采集到有效的心电数据，系统要求一段时间延时，之后段式LCD显示监护正式开始。中央处理器对模数转换后的数据进行数字信号处理，获取HRV计算所需要的参数。采集结束后，中央处理器对之前获取的参数进行处理，得到HRV监护的参数，显示在段式LCD上。在本实施例中HRV监护参数以SDNN和RMSSD为例进行数据处理的说明。测量结束后按下按键2，长按按键2关机。

如图3所示，为上述工作流程中的HRV分析数字信号处理流程，具体步骤如下：

在HRV时域检测的各个参数中，由于许多参数之间彼此相关，相关机构给出了一些必要的检测参数，本实施例中以此为参考选取了SDNN和RMSSD两个参数分别作为整个HRV的评估和HRV短期评估参数。在检测时间上，鉴于实际情况，结合相关机构和研究结果，选取5分钟的记录以满足HRV监护的要求。

在模数转换器将心电模拟信号转换为数字信号后，中央处理器对心电数据进行逐点低高通滤波，滤除50Hz工频干扰和肌电低频噪声。采用自适应阈值判断法实现R点识别，将R点的位置信息保存。同时每检测到一次R点，指示灯2亮灭一次，以此直至5分钟数据采集处理完毕。之后进行SDNN和RMSSD参数的计算，将之顺序显示在段式LCD上，保存小数点后3位。

由于HRV个体差异的特点，针对不同的用户需在使用前进行校正。取用户最初10次的测试结果的平均值作为该用户的HRV标准，在其后的测量中，会将测量值与此标准值进行比较，在出现大幅度波动时给出警告提示。

本实施例针对心电HRV计算，没有采用12导联技术而是选用标准单导联，进一步降低了装置的体积；无线发射模块采用模块化接入的方式，设计在微控制器的上方，体积得到了很好的控制。最后的装置体积可以控制在2.4mm*3.5mm*0.99mm(长*宽*高，包括段式LCD)，足够放在口袋随身携带使用。

其次，本实施例电路中所选用的3个芯片均为低功耗芯片：差动放大所用的INA321仪表放大器有低于1uA的可编程控制低功耗模式；MSP430正常运行时电流为160uA，而备用时仅为0.1uA；射频收发器选用CC2500同样基于低功耗设计。最后的装置为3V纽扣电池供电。在无线传输方面，本实施例中默认不传输所有的心电数据，只有在计算到异常情况时才会无线传输相关数据，这种智能化的设计可以进一步降低系统的总体功耗，尤其是在无线传输占了系统功耗的大部分的情况下显得十分有意义。

Claims

1.一种无线便携式心率变异监护装置，包括：心电采集模块、数据处理模块、无线传输模块和人机交互模块，其特征在于：数据处理模块的输入端和输出端分别连接心电采集模块和无线传输模块以接受原始心电模拟信号并输出数字心电数据，人机交互模块与数据处理模块相连接以接收数字心电数据并输出用户指令；

所述的心电采集模块包括：前置差动放大电路、主级放大滤波电路、模数转换模块和偏置电压电路，其中：前置差动放大电路分别连接心电电极和主级放大滤波电路并将原始心电信号放大5倍；主级放大滤波电路的输出端与模数转换模块相连接并输出幅值放大100倍，滤除高频的模拟心电信号；偏置电压电路为模数转换模块提供偏置电压；模数转换模块接收模拟心电信号并转换为数字心电数据输出至数据处理模块；

2.根据权利要求1所述的无线便携式心率变异监护装置，其特征是，所述的数字心电数据包括：心率变异性分析数据和心电数据波形。

3.根据权利要求1所述的无线便携式心率变异监护装置，其特征是，所述的无线射频收发器是指基于Zigbee协议的射频双工器。

4.根据权利要求1所述的无线便携式心率变异监护装置，其特征是，所述的无线传输模块包括：无线射频收发器和同步并行接口，其中：无线射频收发器通过同步并行接口对无线收发进行控制，同时将收到的调制信号进行无线传输。

5.根据权利要求1所述的无线便携式心率变异监护装置，其特征是，所述的人机交互模块包括：段式LCD、按键和LED显示装置，其中：段式LCD与数据处理模块相连接以接收数字心电数据并显示心率变异分析数据和操作提示信息，按键和LED显示装置分别与数字局处理模块相连接以供用户选择操作输出用户指令并提示工作状态和报警信息。