CN101972141A - 面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明基于中西医结合的原则，揭示了一种面向基层医疗的心脑血管疾病远程监护系统，包括信号采集模块、信号处理模块及通过网络互联的无线通信模块、移动终端及远程服务器；特点在于该信号采集模块、信号处理模块和无线通信模块集成为相对被监护者便携的可佩带终端，且信号采集模块至少包括：心电图电极，采集并通过其导联线传输用户的心电图波形数据；脉象传感器，用于采集一定量的与医生指觉特征对应的脉象时间序列波形的脉象数据，两者均输出连接至信号处理模块。本发明突出了传统文化特色和学科交叉的特点，是中西医结合的具体形式和有效途径，并引入无线通信模块，为实时进行病例实验提供了精确、及时的体征数据，强调经验的重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种远程监护系统和便携式心电监护仪，尤其涉及一种对人体心电图、脉象等生命特征信号进行检测、存储、分析及无线传输的远程监护系统，该监护系统主要针对基层医疗机构和院外的应用。
背景技术
随着我国国民经济持续快速发展，人民群众的生活水平越来越高，对身体健康也日益关注。但是，由于饮食习惯及老龄化程度的增加，心脑血管疾病等已成为我国的常见病、多发病。对这些数量庞大的慢性病进行及时、有效的监护、预防和治疗，是当前我国医疗保健服务体系要解决的主要问题，而这不是单纯依靠传统的中心医院加大投入就能奏效的，需要把传统的以中心医院为中心的医疗模式，转换成专家与计算机辅助诊断相结合、以病人/家庭为中心、以乡村、社区医疗服务为单位的新的全民保健模式。“无线化”、“便携式”、“网络化”是大势所趋，例如用于心、肺音的听诊，脑电图、心电图识别的无线便携式设备，达到使医院减缓拥挤、降低开支，帮社区改善服务、加强内涵，让百姓便于就医、监护及时的目的。
近年来，国内外已开展以掌上计算机、移动电话和个人计算机作为操作平台，将蓝牙无线通信技术应用于生命特征信号监护或诊断系统的研究。目前，国内若干机构已开始涉足这一领域，但大多处于试验和起步阶段。
已有基本系统如图1所示由采集、移动通信集成模块，掌上计算机，个人计算机以及远程服务器等部分组成。采集、移动通信集成模块的检测传感器位于检测对象身上，与采集模块之间通过导联线连接。采集模块完成信号采集、滤波、放大、模数转换等，它与掌上计算机通过蓝牙无线通信协议连接，掌上计算机完成信号显示、数据储存、参数识别与分析以及与远程服务器、个人计算机数据通信等功能。其中该个人计算机主要用作患者自我掌控身体状况，而远程服务器主要用于并行数据的接收、存储，以供大型医疗机构的专家进行实验调用、分析之用。
目前国内外已开发出一些心电生理特征监护的便携式终端，但它们普遍存在一些问题：
(1)数据采集模块和分析处理模块采用电缆连接方式，患者只能在有电话或计算机的场合才能进行生命特征信号远程传输；
(2)缺乏网络连接和通讯功能，因而，社区医疗机构不能通过通信网络远程获得医院、专家医生的医疗指导；
(3)不能方便地与计算机进行数据通信，因而难以利用日益普及的计算机的强大的信息处理能力，不能保留数字化记录作为医疗证据，也不能被进一步深入分析以及输入健康信息系统建立电子病历；
(4)有的存储空间十分有限，因而，难以满足实践应用中对较长时间保存多条心电记录的需要；
(5)所提供的实时分析功能比较单一，也没有提供很好的历史数据回放、统计、报告等功能，难以满足医务人员对生命特征信号作全面、深入分析的要求。
发明内容
鉴于上述现有掌上型移动远程心电监护系统的诸多不足，本发明的目的旨在提供一种面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，解决基层医疗资源匮乏，配套完善程度低的现状，以及普通家用患者监护无法及时得到专家的诊疗、指导。
本发明的上述目的，其实现的技术解决方案是：
面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，包括信号采集模块、信号处理模块及通过网络互联的无线通信模块、远程服务器及调用终端，其特征在于：所述信号采集模块、信号处理模块和无线通信模块集成为相对被监护者便携的可佩带终端，且所述信号采集模块的采集单元至少包括心电图电极，采集并通过其导联线传输用户的心电图数据；脉象传感器，用于采集一定量的与医生指觉特征对应的脉象时间序列波形的脉象数据，心电图电极与脉象传感器均输出连接至信号处理模块；所述信号处理模块具有依赖经验、根据信号采集模块所得数据模拟医生思维过程、获得疾病分类结果、并结合中西医理论给出处方药膳或休息/运动指导这类参考建议的智能化微处理器。
进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中所述可佩带终端的信号采集模块还包括心音传感器、血压计、酶电极传感器和血氧饱和度传感器中的一种或一种以上的采集单元。
进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中可佩带终端的信号处理模块的智能化微处理器为具逻辑运算能力的单片计算机，所述单片计算机通过串行数据总线及多通道模数转换器与信号采集模块各采集单元相连，且所述单片计算机的通信端口与无线通信模块信号相接。
更进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中可佩带终端的信号处理模块还包括与单片计算机互联的存储模块以及与单片计算机输出相连的USB接口模块，用于将采集的所得数据同步到个人计算机上。
更进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中所述单片计算机的输入端还分别与数字温度传感器和控制按键单元相连；且其输出相连有显示、报警模块，以及通过D/A转换、功率放大电路相连的耳机接口。
进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中所述远程服务器为远程心电图中心或医疗中心的数据库存储中心，其中所述远程心电图中心的远程服务器至少划分为正常心电图系及异常心电图系两部分，而所述医疗中心的远程服务器存储设有以个人为单位实时接收并存储的健康档案，所述健康档案以个人身份特征为索引，至少包含个人正常或异常的心电图、心音、血压及血糖数据；所述远程服务器与无线通信模块指向性对接，实时接收来自无线信道的心电图波形数据和脉象数据。
面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，包括信号采集模块、信号处理模块及通过网络互联的无线通信模块、远程服务器及调用终端，其中信号采集模块、信号处理模块和无线通信模块集成为相对被监护者便携的可佩带终端，其特征在于：所述信号采集模块所采集的心脑血管特征信号经信号处理模块进行转换接收、依赖经验模拟医生思维过程、获得疾病病状分类结果、并结合中西医理论给出处方药膳或休息/运动指导这类参考建议；并通过无线通信模块籍由网络传输至远程服务器存储。
进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中所述网络包括移动通信网络或因特网。
进一步地，前述面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其中所述经信号处理模块输出的结果数据集参考建议输出至可佩带终端的显示、报警模块，同时通过无线通信网络并行传输至远程服务器存储。
本发明远程监控系统的应用实施，其有益效果在于：
面对社会发展和百姓的切身问题，提出符合我国医疗建设发展要求的、面向基层医疗机构的便携式多功能诊疗终端及其网络服务系统理念；突出了中国传统文化特色和学科交叉的特点，是计算机科学、生物医学工程、生命科学、医学的崭新交融和应用；在计算机应用方面，不局限于传统专家系统的设计方法，重视医学专家诊断思维过程的刻画和临床经验的模拟；经典逻辑和统计学习方法相结合，强调形态、经验在特征识别中的重要意义，既面向实际问题，又针对学科发展。
附图说明
图1现有技术一种可佩带医疗终端及其网络构成的系统框图；
图2是本发明远程监控系统一优选实施例的模块功能划分框图；
图3是图2所示实施例采集器的功能示意图；
图4是由图3所示采集器采集得到的使用者脉象的波形示意图；
图5是本发明可佩带终端中信号处理模块的连接电路图。
具体实施方式
本发明研发主要针对在基层医疗机构和家庭可对人体生命特征信号(如心电图、心音、脉像图等)进行检测、监护、诊断、存储与无线传输的便携式移动终端，并对信号作识别、显示、分析和报警的软件，以及相应的基于因特网和无线通信网络的数据交互和内容服务环境，具有使用方便、接口简单、价格低廉等特点，可实现无论何时、无论何地对人进行监护、会诊的目标，满足建设社区医疗服务体系的需要。包括：多用途生命特征信号检测设备；短程无线通信和长距离无线通信结合的网络通信软件；基于医生经验的生命特征信号的计算机辅助识别方法；远程医疗中心服务软件；心电图、脉象等数据库。
如图2和图3所示，是本发明远程监控系统一实例的模块功能划分框图及其采集器的功能示意图。从图中所示可以清楚看到：该面向基层医疗的心脑血管远程监控系统包括信号采集模块、信号处理模块及通过网络互联的无线通信模块、远程服务器及调用终端，其中信号采集模块、信号处理模块和无线通信模块集成为相对被监护者便携的可佩带终端，且信号采集模块至少包括：用于采集并通过其导联线传输用户的心电图波形数据心电图电极；及用于采集一定量的与医生指觉特征对应的脉象时间序列波形的脉象数据脉象传感器。该心电图电极与脉象传感器均输出连接至信号处理模块(如图3所示)。在实际应用中，该可佩带终端作为直接面向监护对象的设备，还包括滤波与放大电路、模数转换器、输入按键、显示、报警终端及智能化微处理器，经处理后的监测数据经由USB接口或其它无线短距离通信接口传输到掌上计算机或网络传输至远程服务器，其中远程服务器为远程心电图中心或医疗中心的数据库存储中心。
当采集所得的数据进入到可佩带终端或调用终端后，一方面经可佩带终端的信号处理模块依赖经验、根据信号采集模块所得数据模拟医生思维过程、获得疾病分类结果、并结合中西医理论给出处方药膳或休息/运动指导这类参考建议；另一方面经调用终端的处理器同时调用心电图中心远程服务器中的数据进行分析处理、软件滤波、QRS检测、异常心电检测等逻辑运算，并通过界面显示给基层医疗机构的操作者，最终将运算的结果通过无线通信模块结合移动通信网络控制模块与远程监护服务器进行数据交互。值得一提的是，该可佩带终端还存储有同步程序的软件，以便在需要的情况下与PC计算机进行数据同步等。
在PC计算机端，经同步、蓝牙或其它无线通信手段接收到来自采集器及掌上计算机的监护数据后，一方面通过同步程序可交付给PC机的数据库之中，以备计算机对监护者进行生命体征情况的界面化监护、管理病人的心电信息，以及进一步的离线分析；另一方面也可单独通过互联网与远程服务器交互数据。
如图3和图5所示，本发明的研究重点旨在功能的逐步增加，不限于传统的心电图监护，而结合中西医多方面的优点，将包括脉象、心音、常规的血糖、血压等监护手段相融合，并集成无线通信和可佩带模块，使针对心律失常、脑中风等常见疾病的药理实验的参考数据更完善。
采集器是实现生命特征信号的现场采集和传输的重要终端设备。对采集器的基本要求是：及时对采集到的生命特征信号进行滤波和压缩等预处理，以减少存储器占用量和数据传输开销。为降低成本，这些任务一般采用单片计算机完成。然而，限于单片机的资源、运算能力和运行速度限制，不少算法无法使用。高性价比的信号采集器的研制一直是一个热点问题。通过研究信号的特点发现，巧妙地组织存储器资源，可使数据运算量和存储器开销大大减少，实现数据滤波和压缩，且能达到实时采集与处理所需的运算速度，并大大提高了采集精度。
该可佩带终端的信号处理模块的智能化微处理器为具逻辑运算能力的单片计算机，可选的具体型号有MSP430F2618(80pins)。所述单片计算机通过串行数据总线及多通道模数转换器(Ti的四通道12位ADS8341)与信号采集模块各采集单元(图5中所示包括心音传感器、酶电极传感器、压力传感器及血氧饱和度传感器)相连，且单片计算机的通信端口与无线通信模块(蓝牙模块或其它支持无线通信协议的模块)信号相接。
此外，该信号处理模块还包括与单片计算机互联的存储模块；该单片计算机的输入端还分别与数字温度传感器和控制按键单元相连；且其输出相连有显示、报警模块，以及通过D/A转换、功率放大电路相连的耳机接口。
再者，虽未图示，但该单片计算机还输出相连的USB接口模块，用于将采集的所得数据同步到个人计算机上；
通过单片计算机及智能软件对各硬件模块进行控制，完成生命特征信号的放大、A/D转换和无线传输。主控模块是整个采集软件的核心，它控制所有硬件资源，包括系统时钟、中断资料(外部中断和时钟中断)、端口资源(串口)，调用硬件控制模块进行数据的采集处理和发送。另有主控模块分配单片机各端口资源给放大芯片和A/D转换芯片，用于数据传输并对其进行控制。
通过移动通信模块将生命特征信号通过移动通信网络发送给远程服务器，也能通过该模块接收来自服务器的报告和诊治建议。将同时支持GSM/GPRS、CDMA、3G移动通信网络协议。进一步的工作包括：
第一，将省掉蓝牙通信模块而使原来的两方面的硬件同一设计，并增加硬件功能类似的心音、脉象等生命特征信号采集器，将它们都集成于一体。
第二，患者数据、生命特征信号数据、操作员数据、监护报告等，能够与个人计算机进行同步处理。个人计算机端应用程序提供对保存的异常事件进行回放、统计、趋势分析、报告、打印等功能，还能够传输数据给远程服务器，并能接收远程服务器的结论和诊治建议。
第三，服务器通过移动通信网络或因特网接收通过无线传输得来的生命特征信号，并能回传由医生作出的会诊结论和诊治建议。
第四，中医认为，心脏搏动的强弱、脉络的弛张等是引起脉象变化的根源，脉象与心血管状况的关系密切。因此要研究融合脉像和心电图信息的常见心脏疾病的分类方法，以期提高面向社区医疗的计算机辅助心血管疾病诊断的可靠性和实用性。
以下便通过一个实例及其临床数据简述中医诊断规则：
由于脉诊客观化研究没有像心电图的MIT那种的标准数据库，所以在获取原始脉图信号之前，必须考虑如何获得有效的、对实验结果具有说服力的数据。要保证数据的全面性要准备三组数据：正常数据(无疾病者的脉象)、脑中风(脑中风病人的脉象)数据，非脑中风数据(非脑中风病人的脉象)(这点在远程服务器中可以对数据库进行不同疾病种类的划分实现)。通过采集仪器以事先确定好的方式在医生的协助下获取脉象，与此同时，应由医生给出切脉诊断，并作详细记录，作为对照数据。
特征获取与脉象识别分类的前提是规则的获取，从名老中医经验出发，反复交流整理出脑中风病所表现的脉象特征，将名老中医的经验客观化。脑中风病症和一些脉象特征如下：
病症：脑动脉粥样硬化，高血压小动脉硬化等引起的偏瘫、失语和神经功能的障碍。
脉象：病脑侧寸及对侧关、尺脉无力、脉沉、细、涩。健脑侧寸脉及对侧关尺脉弦。
说明：弦风脉静止时发生，晨起发生多见，有高血压、糖尿病史，40岁以上，脑脊液正常，
相关脉象判别规则参见图4：
沉脉：H1在150g以下时最高，波群最清晰，H1正常范围
细脉：H1＜8mm；H4/H1＜0.55
涩脉：T1：0.09～0.16s；主峰角：28～50°H3、H5不明显或消失
弦脉：主峰角＞42°H5＜0.5mm；H3/H1＞0.7；H4＞6mm；H4/H1＞0.5；T1＞0.09s；流入角＜8°。根据整理的相关规则，提取脑中风疾病相关的特征，例如H1、H4、T1等等。
其中H1为主波幅值、H3为重搏前波幅值、H4为降中峡幅值、H5为重搏波幅值、T1为急性射血期时值。
本发明的独特性表现在以下几个方面：
(1)多生命特征采集的可佩戴无线终端，多个功能终端可集成在一起也可单独使用，并结合短程无线通信和个人通信网络，支持医疗、健康信息化(如电子病历)；
(2)在计算机辅助诊断方面，不局限于传统的专家系统的设计方法，强调医学专家诊断思维过程的模拟，从专家经验(隐性知识)获取、机器学习等多个方面构建计算机辅助诊断模型；
(3)从实际问题和需求提炼科学问题，突出了中国传统文化特色和学科的交叉，经典逻辑和统计学习方法的结合，社区医院和医疗服务中心(三甲医院)服务的一体。
Claims (10)
1.面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，包括信号采集模块、信号处理模块及通过网络互联的无线通信模块、远程服务器及调用终端，其特征在于：所述信号采集模块、信号处理模块和无线通信模块集成为相对被监护者便携的可佩带终端，且所述信号采集模块的采集单元至少包括心电图电极，采集并通过其导联线传输用户的心电图数据；脉象传感器，用于采集一定量的与医生指觉特征对应的脉象时间序列波形的脉象数据，心电图电极与脉象传感器均输出连接至信号处理模块；所述信号处理模块具有依赖经验、根据信号采集模块所得数据模拟医生思维过程、获得疾病分类结果、并结合中西医理论给出处方、药膳或休息/运动指导这类参考建议的功能的智能化微处理器。
2.根据权利要求1所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述可佩带终端的信号采集模块还包括心音传感器、血压计、酶电极传感器和血氧饱和度传感器中的一种或一种以上的采集单元。
3.根据权利要求1所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述可佩带终端的信号处理模块的智能化微处理器为具逻辑运算能力的单片计算机，所述单片计算机通过串行数据总线及多通道模数转换器与信号采集模块各采集单元相连，且所述单片计算机的通信端口与无线通信模块信号相接。
4.根据权利要求3所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述信号处理模块还包括与单片计算机互联的存储模块，且单片计算机的输入端还分别与数字温度传感器和控制按键单元相连。
5.根据权利要求3所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述信号处理模块的单片计算机还输出相连有显示、报警模块，以及通过D/A转换、功率放大电路相连的耳机接口。
6.根据权利要求3所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述可佩带终端的信号处理模块还包含一个与单片计算机输出相连的USB接口模块，用于将采集所得数据同步到个人计算机上。
7.根据权利要求1所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述远程服务器为远程心电图中心或医疗中心的数据库存储中心，其中所述远程心电图中心的远程服务器至少划分为正常心电图系及异常心电图系两部分，而所述医疗中心的远程服务器存储设有以个人为单位实时接收并存储的健康档案，所述健康档案以个人身份特征为索引，至少包含个人正常或异常的心电图、心音、血压及血糖数据；所述远程服务器与无线通信模块指向性对接，实时接收来自无线信道的心电图波形数据和脉象数据。
8.权利要求1所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，包括信号采集模块、信号处理模块及通过网络互联的无线通信模块、远程服务器及调用终端，其中信号采集模块、信号处理模块和无线通信模块集成为相对被监护者便携的可佩带终端，其特征在于：所述信号采集模块所采集的心脑血管特征信号经信号处理模块进行转换接收、依赖经验模拟医生思维过程、获得疾病病状分类结果、并结合中西医理论给出处方药膳或休息/运动指导这类参考建议；并通过无线通信模块籍由网络传输至远程服务器存储。
9.根据权利要求8所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述网络包括移动通信网络或因特网。
10.根据权利要求8所述的面向基层医疗的心脑血管特征信号实时感知与监护系统，其特征在于：所述经信号处理模块输出的结果数据集参考建议输出至可佩带终端的显示、报警模块，同时通过无线通信网络并行传输至远程服务器存储。
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