CN102160785B - 一种12导联无线实时心电监护和分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种12导联无线实时心电监护和分析系统，包括完全同步并行的12导联心电无线实时采集单元，12导联心电无线实时接收单元和上位机组成。12导联心电无线采集单元和无线接收单元通过工作在ISM频段的高速无线链路进行通信。无线采集单元不间断的并行同步采集12导联心电数据，并通过无线链路实时发送给配对的无线接收单元。无线接收单元将数据通过USB或者串口发送给上位机。上位机完成心电波形的实时动态显示、实时分析以及存储或者转发。本发明适用于病房，社区卫生站或者家庭的无线12导联心电监护。

Description

一种12导联无线实时心电监护和分析系统

技术领域

本发明涉及医疗仪器领域，具体涉及一种12导联无线实时心电监护和分析系统。

背景技术

心电信号是目前监测心脏状况最重要的手段之一，通过多导联体系获取心电信号在体表的分布，来反映心脏的运动变化情况，能对多种心脏疾病进行诊断。而12导联心电是目前临床所广泛使用的心电监测方法，通过10个电极来获取被检测者3个肢体导联，3个加压导联和6个胸导联的心电信号，能全面、准确的反应心脏运动变化情况，全面的获取心脏各种参数信息。

现有的12导联同步心电信号监测技术中，各导联的心电信号获取是通过多路选择开关先后顺序的选通各路心电信号，然后对其进行采集，并非心脏在同一时刻在体表不同方向上表现出来的电信号，通过这种方式采集到的12导联心电信号，各导联的心电信号之间会存在延迟，并不是严格意义上的同步采集。由此可能导致多导联心电的诊断出现一定的偏差。到目前为止，还没有看到有文献或专利来描述12导联心电并行同步采集的方法。

12导联心电信号的获取往往是通过有线的方式，即10根或更多的导联线一边连接被测者体表，一边连接到监护仪上。监护仪对实时采集的心电信号进行动态的波形显示，并计算，分析，进行辅助诊断或给出报警信号。被检测者往往要求躺在病床上进行心电监测。而心脏疾病往往具有突发性、短暂性和很大的危险性，因此心脏病患者或潜在的患者必须要进行长时间的心电实时监测才能准确获得心脏信息，达到及时报警，及时预防和及时治疗的效果。长时间的卧床监测12导联的心电信号对病人来说是极其不方便的，不仅给患者带来严重的不舒适感，同时限制病人的移动，影响正常的生活。

从已有的文献和资料来看，采用无线方式获取心电信号的方案主要有以下两种：

一是通过便携式的Holter采集心电信号，患者可随身携带Holter随意走动，Holter采集到一定的心电信号后，通过电脑联网或者手机联网的方式远程发送给服务器(或者医院的终端)，这种方案解决了患者不能移动的问题，但是Holter采集的信号往往是一段时间的心电信号，不具有即时性，我们无法完全实时动态的在远程获取完整的心电数据，显示完整的心电波形，因此不能即时和准确的对病人的心脏异常做出诊断。

二是通过GSM/GPRS/3G/4G等方式将心电信号实时采集，并实时发送给互联网。这种方式也能一定程度的解决病人无法移动的问题，而且能将数据发送到任意的远程端点。但是，上述电信/通信网络往往也不具有准确的实时性，而且带宽有限，通常无法进行大量数据连续的发送，而且还会受到当前基站网络信号等多种限制，因此很难实时连续的无线发送采集到的心电信号到数据接收端。当病人已经在医院病房或者社区医疗站监护的情况下，也无须通过上述两种方式实现远程的数据采集，而只需要将采集的心电数据能无线的从患者身上发送到同一环境内内的动态监视设备中。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种12导联无线实时心电监护和分析系统，该系统具有12导联心电并行同步采集、低功耗和使用方便的特点。

本发明提供的一种12导联无线实时心电监护和分析系统，其特征在于，该系统包括采集单元，接收单元和上位机；

采集单元包含依次串行连接的电极接口、同步采集电路、控制器和无线发射模块；心电信号通过电极接口输入到同步采集电路，控制器控制同步采集电路按照设定的采样率工作，并将采集到的数据发送给无线发射模块，无线发射模块将接收的数字信号调制为电磁波发送出去；

接收单元包括依次串行连接的无线接收模块、控制器和接口模块；控制器用于对无线接收模块进行配置，控制无线接收模块接收空中的电磁波信号，解调出数字信号，并将无线接收模块接收到的数据打包，发送给接口模块；

上位机接收接口模块的数据，并对接收到的数据进行分析处理，存储心电数据，并实时动态显示结果数据。

本发明的优点和本发明的贡献是：用户可以在一定的监护环境中如医院病房或者楼层，在社区卫生站或者在家里，随身携带无线12导联的心电采集模块，进行实时心脏监护，不间断的采集完整全面的心电数据，并通过无线通信模块将数据发送给同一环境中的实时显示和分析设备。用户携带的采集模块体积小，功耗低，重量轻。用户使用该采集模块可完全并行同步的采集12路心电信号，并完全通过无线链路发送给远端12导联无线心电接收单元，可以实现72小时的连续监护。

上位机能动态的显示患者的心电波形并进行实时的分析、计算、存储以及通过广域网进行转发。

本发明使得用户能并行同步的采集12导联心电信号，并可以在12导联心电监护过程中自由移动，而不影响正常生活。

附图说明

图1表示本发明无线12导联心电监护和分析系统的总体结构图。

图2表示本发明中采集单元中12导联心电并行同步采集电路结构图。

图3表示本发明中采集单元中控制器部分结构图。

图4表示本发明中接收单元结构图。

图5表示本发明中上位机分析处理的流程图。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，本发明主要包括采集单元100，接收单元200和上位机300。

采集单元100包含电极接口110、同步采集电路120、控制器130和无线发射模块140。

电极接口110、同步采集电路120、控制器130和无线发射模块140依次串行连接。

心电信号通过电极接口110输入到同步采集电路120，控制器130控制同步采集电路120按照设定的采样率工作，并将采集到的数据发送给无线发射模块140，无线发射模块140将输入的数字信号调制为电磁波发送出去。

接收单元200包括无线接收模块210、控制器220和接口模块230。

无线接收模块210，控制器220和接口模块230依次串行连接。控制器220控制无线接收模块210接收空中的电磁波信号，解调出数字信号，并将数字信号输入接口模块230。接口模块230可以是USB或者串口收发模块。

上位机300接收接口模块230的数据，并对接收到的数据进行分析处理和显示。

如图2，同步采集电路120包含射极跟随器121，威尔逊网络122，电阻网络123，以及12路并列的信号处理模块124，由于对12路心电信号的前端信号处理模块124是相同的，都是由仪表放大器1240，高通滤波器1241，低通滤波器1242，运算放大器1243和模数转换器1244依次串连，因此本说明书只对12路中心电信号的其中一路信号的处理过程做说明。射级跟随器121的RA、LA、LL的输出端与威尔逊网络122相连，威尔逊中心点、RA、LA、LL、V1、V2、V3、V4、V5和V6与电阻网络123相连。电阻网络123与仪表放大器1240，高通滤波器1241，低通滤波器1242，运算放大器1243和模数转换器1244依次串连。

心电信号从使用者体表通过心电导联线引入到电极接口110，电极接口110包含了RA，LA，RL，LL，V1，V2，V3，V4，V5和V6导联至少共10个信号接入点。RA，LA，LL，V1，V2，V3，V4，V5和V6流入由运算放大器构成的射极跟随器121，提高心电信号的输入阻抗。其中RA，LA和LL的信号输入威尔逊网络122，得到威尔逊中心点，该点电压通过反向射极跟随器输出到RL，作为右腿驱动。威尔逊中心点、RA、LA、LL、V1、V2、V3、V4、V5和V6输入到电阻网络123，得到需要检测的1到12导联共12路心电信号。

12路心电信号并行的输入到各自对应的信号处理模块124中，12路的信号处理模块功能一样。每一路独立的首先输入高共模抑制比的仪表放大器1240进行差分放大，然后输入到一阶无源CR高通滤波器1241滤去直流分量和低频分量，降低心电信号的基线漂移等干扰。然后输入到由运算放大器构成的二阶低通滤波器1242滤去电路中的高频噪声。低通滤波器在对信号进行滤波的同时，也对信号通过运算放大器1243进行二级放大，然后将最后放大的信号送入模数转换器(ADC)1244的输入端。

如图3，一共12路的模数转换器(ADC)1244并行与控制器130连接，控制器130与无线发射模块140相连。

在本实施例中控制器130选用FPGA。12路心电信号通过前端调理电路后输入到对应的模数转换器，控制器130分别通过SPI总线与12路模数转换器相连，并为每路模数转换器提供采样时钟和转换时钟，通过SPI总线的片选信号CS和时钟信号CLK送给模数转换器。控制器130并行同步的将模数转换器的数据通过模数转换器的数据脚取回控制器130内部。在控制器130内部设置12个16位的接收寄存器，用于接收存放一次模数转换器采样之后，12路心电的转换结果，共12*16位。控制器130可以通过改变采样时钟来的控制改变模数转换器的采样速率。例如控制器130每0.5ms或者1ms或者2ms启动模数转换器采样一次，则对应的心电信号的采样率分别为2KSps，1Ksps和500Sps。

无线发射模块140在上电之后，控制器130对其进行配置，确定其发送方式。然后控制器130通过SPI总线的MOSI将内部寄存器存放的上一次的采样数据串行发送给无线发射模块140，无线发射模块立刻将接收的数据装载入无线发送缓冲区，并实时将数据调制为电磁波，通过天线发送出去。无线发射模块140每T秒接收一次来自于控制器130的数据，并在下一次接收到控制器130送来数据之前，将发送缓冲区的12*16位的数据发送出去。这样实现了心电数据的立即采集，立即发送，保证了心电数据传输没有延迟，确保远端上位机能无线获取实时的心电数据，从而动态显示实时的心电波形和辅助诊断结果。

如图4，无线接收单元200包含无线接收模块210，控制器220和接口模块230。

无线接收模块210，控制器220和接口模块230依次连接。在本实施例中，控制器选用FPGA。

无线接收模块210上电后，控制器220首先对无线接收模块210进行配置，确定无线接收方式。然后无线接收模块210开始搜寻空中无线信号。一旦接收到信号，将接收到的无线信号解调出数字信号并存入内部的无线接收寄存器中。由于无线发射模块140每T秒会发送一次心电数据包。那么意味着无线接收模块210每T秒也会接收到一个心电数据包。

控制器220不停的查询无线接收单元内部无线接收寄存器的状态，一旦发现为非空，则意味着有数据接收到。控制器220通过SPI总线的MISO从无线接收模块210的数据寄存器中读取接收到的心电数据，并且会对这一帧的数据加入包头，以便于后续上位机程序区分数据。

控制器220与接口模块230通过控制总线和16位的数据总线相连。控制器220首先通过检测USB接口芯片状态管脚Busy来查看其是否忙碌，如果不忙，则对该芯片进行写使能，并将从无线接收单元获取的数据以16位并行的方式发送给USB接口芯片，在发送过程中，控制器220会将每一帧中12路16位的心电数据的起始处添加的2个8位的包头，构成完整的一个心电数据包，包含总共13*16位＝208位。总共分成13次发送给USB接口模块230。

接口模块在控制器220的控制下，通过16位并行总线接收控制器220发送的数据，将数据直接通过内部的USB引擎，以DMA的方式直接发送到USB发送端口缓存中，等待上位机读取。

上位机300读取USB端口缓存中的数据，实时动态的显示心电波形，实时的对波形进行特征点识别和分析，并辅助医生进行心脏疾病诊断。上位机可以是计算机，笔记本，智能手机，PDA或者自定义的医疗监护设备。

心电采集单元100与心电接收单元200之间通过在近距离内建立在ISM(工业科学医疗)频段的无线链路来实现心电数据的透明传输。该无线链路通过无线发送模块和远端无线接收模块之间建立，工作在免费开放的ISM频段，例如433MHz，2.4GHz等等，通信协议可以是任意的无线协议，例如通用RF，802.11(无线保真)，802.15.1(蓝牙)，802.15.4(ZigBee)等等。

如图5，通过在上位机中加载相应的驱动和应用程序，上位机从USB端口缓存中读出数据，并将数据暂存在内部存储器中，并进行计算处理。上位机首先完成对心电数据进行解包，识别出从1导联到12导联的数据。然后将数据进行数字信号处理，包括50Hz陷波，高通滤波，低通滤波。然后对处理后的数据通过差分阈值方法来识别R波峰值等心电波形的特征点。进一步计算实时心率，RR间期，ST段偏移量等参数。

然后实现如下功能：

(1)实时动态的将12路波形绘制在屏幕上，同时将计算参数和分析结果同步显示在屏幕上。在程序的控制下可以由用户选择性显示任意导联的心电信号。用户通过人机对话来放大和缩小显示的波形。

(2)植入或者安装完整的心电分析程序，对以保存的完整心电数据进行全面的回放分析，包括心率变异时域分析，心率变异频域分析，心率变异非线性分析，ST段增强分析，QTd分析以及各种心电分析。

(3)选择性将接收到的心电数据存储到掉电不丢失的存取器，如硬盘、Flash等设备中，方便后续的读取和查看。

(4)通过连接互联网的方式，例如通过GPRS，3G或者ADSL等，共享或者发送本地已存的心电数据和心电计算分析的结果。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种12导联无线实时心电监护和分析系统，其特征在于，该系统包括采集单元（100），接收单元（200）和上位机（300）；

采集单元（100）包含依次串行连接的电极接口（110）、同步采集电路（120）、第一控制器（130）和无线发射模块（140）；心电信号通过电极接口（110）输入到同步采集电路（120），第一控制器（130）控制同步采集电路（120）按照设定的采样率工作，并将采集到的数据发送给无线发射模块（140），无线发射模块（140）将接收的数字信号调制为电磁波发送出去；

接收单元（200）包含依次串行连接的无线接收模块（210），第二控制器（220）和接口模块（230）；第二控制器（220）用于对无线接收模块（210）进行配置，控制无线接收模块（210）接收空中的电磁波信号，解调出数字信号，并将无线接收模块（210）接收到的数据打包，发送给接口模块（230）；

上位机（300）从USB端口缓存中读出数据，并将数据暂存在内部存储器中，并进行计算处理；上位机首先完成对心电数据进行解包，识别出从1导联到12导联的数据；然后将数据进行数字信号处理，包括50Hz陷波，高通滤波，低通滤波；然后对处理后的数据通过差分阈值方法来识别包括R波峰值在内的心电波形的特征点；进一步计算实时心率，RR间期，ST段偏移量参数；然后实现如下功能：（1）实时动态的将12路波形绘制在屏幕上，同时将计算参数和分析结果同步显示在屏幕上；（2）植入或者安装完整的心电分析程序，对以保存的完整心电数据进行全面的回放分析，包括心率变异时域分析，心率变异频域分析，心率变异非线性分析，ST段增强分析，以及QTd分析；（3）选择性将接收到的心电数据存储到掉电不丢失的存取器中，方便后续的读取和查看；（4）通过连接互联网的方式，通过GPRS，3G或者ADSL，共享或者发送本地已存的心电数据和心电计算分析的结果；

同步采集电路（120）用于实现12导联心电并行同步采集，同步采集电路（120）包含射极跟随器（121），威尔逊网络（122），电阻网络（123）和12路并列的信号处理模块（124）；每路信号处理模块（124）均包含仪表放大器（1240），高通滤波器（1241），低通滤波器（1242），运算放大器（1243）和模数转换器（1244）；

射极跟随器（121）的RA、LA、LL的输出端与威尔逊网络（122）相连，威尔逊网络（122）与射极跟随器（121）相连，威尔逊中心点、RA、LA、LL、V1、V2、V3、V4、V5和V6与电阻网络（123）相连；电阻网络（123）与仪表放大器（1240），高通滤波器（1241），低通滤波器（1242），运算放大器（1243）和模数转换器（1244）依次串连；

12路的模数转换器（1244）并行与第一控制器（130）连接；

采集单元（100）与接收单元（200）之间通过在近距离内建立在ISM频段的无线链路来实现心电数据的透明传输，该无线链路通过无线发送模块和远端无线接收模块之间建立，工作在免费开放的ISM频段。

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