CN103110416B - 远程心电智能监护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程心电智能监护系统，其包括上位机、下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到上位机，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到上位机；下位机一旦判断出现紧急状况，立即通过报警模块发出声光报警并通过GSM/GPRS模块发送短信至医生及家属手机。该系统采集稳定，操作简单，可智能分析病例，满足医院和现代家庭的需要。

Description

远程心电智能监护系统

技术领域

本发明涉及一种心电监护系统，是一种即可医院用又可家用的远程心电智能监护系统，具体为一种基于Zigbee和GSM/GPRS的远程心电智能监护系统。

背景技术

心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。人体的体液中含有电解质，具有导电性能，因此人体也是一种容积导体，这样在人体内及体表均有电流自心电偶的正极流入负极，形成一个心电场。可通过心电偶中心的垂直于电偶轴的零电位面把心电场分为正、负电位区。心电场在人体表面分布的电位就是体表电位。心电图机将此体表电位的电信号放大及按心脏激动的时间顺序记录下来，即为心电图。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。

如今国内外较先进的便携式心电图仪有如下几种：如力康集团（HealForce）研发的prince180系列心电图仪。它用感应电极替代了导联，避免了导联检测时脱落的问题，并且可以对采集到的心电信号进行智能诊断，但是它没有与外界通信的模块，所以当患者突发心脏病时，无法向外界发出求救信息，因此可能会耽误最佳的急救时间。会耽误最佳的急救时间。还有带有远程传输模块的便携式心电图仪，如澳大利亚RMIT大学研发的手机心电监护系统，通过公网将心电信息上传到监护中心，但是一旦网络中断，监护中心便无法分析病例，心电图仪也无法接受到反馈，此心电图仪便退化为第一种心电图仪。

虽然上述的两种心电图仪在易用性上取得了长足的进步，然而他们忽略了实时监护和报警的必要性。

发明内容

本发明的目的是针对便携式心电图仪实时监控、报警和病例分析一体化的发展需求，提供一种基于Zigbee和GSM/GPRS的远程心电智能监护系统，集成两种通讯方式，保证实时监控。并且在发明上有简单的心率检测算法和报警系统，当病人出现危险的时候，不仅监控中心可以得知，病人的家属也能第一时间通过蜂鸣器的响声和短信通知获知危情。

按照本发明提供的技术方案，所述远程心电智能监护系统包括上位机、下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到上位机，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到上位机；下位机一旦判断出现紧急状况，立即通过报警模块发出声光报警并通过GSM/GPRS模块发送短信至医生及家属手机；在上位机中建有数据库，存储病患的心电波形，供医生查看和日后调用；所述心电采集电路包括：左手导联通过第三八电阻连接仪表放大器的正输入引脚，右手导联通过第三九电阻连接仪表放大器的负输入引脚，仪表放大器采用集成电路INA331，仪表放大器的Vref引脚连接第九运放的输出端，第九运放的反相输入端通过第三六电阻连接仪表放大器的输出端，第九运放的反相输入端和输出端之间连接第三四电容；仪表放大器输出端还通过第四零电阻接第一二运放的反相输入端，第一二运放的反相输入端和输出端之间连接有第三七电阻和第三五电容并联构成的低通滤波器，第一二运放的同相输入端通过第四一电阻接偏置电压并通过第四三电阻接地；第四六电阻一端接3.3V电压，另一端通过第四八电阻接地，第四八电阻两端并联有第三九电容，第四六电阻和第四八电阻的连接点提供所述偏置电压连接到第一三运放的同相输入端，第一三运放的同相输入端同时还通过第四四电阻接仪表放大器的正输入引脚和通过第四二电阻接仪表放大器的负输入引脚，第一三运放的输出端接自身反相输入端并通过第四七电阻接第一四运放的反相输入端，第一四运放同相输入端接偏置电压，第一四运放输出端和反相输入端之间接第四五电阻，所述第一四运放输出端接右脚导联；第一二运放的输出端接所述微控制器；左手导联和右手导联经电阻取压，输入仪表放大器将左右手信号差分放大5倍；第一三运放和第一四运放构成右脚驱动，将偏置电压信号反相后输入右脚；从仪表放大器5倍放大的心电信号，输入由第一二运放构成的200倍放大器，即总的放大倍数为1000倍，最后输入微控制器。

所述心电采集电路采用三导联的工作方式，心电采集电路中的仪表放大器和第九运放、第一二运放、第一三运放、第一四运放均工作在单电源工作状态。

进一步的，所述第九运放、第一二运放、第一三运放、第一四运放均采用TI公司的集成电路OPA2336。所述微控制器采用MSP430F5438控制器，心电采集电路的输出与MSP430F5438控制器的P6.0脚相连接，利用MSP430F5438控制器内部ADC12模块的通道A0对输入模拟电压进行模数转换。

所述心电采集电路返回至微控制器的信号使用CDF97小波滤波算法进行数据滤波，滤除高频噪声。

本发明的Zigbee和GSM/GPRS两种无线传输模式之间能够智能切换，当所述微控制器检测到一种无线传输模式发生故障之后，立即切换为另一种无线传输模式，保证数据的实时传输；在所述下位机上设置有按键，供用户根据使用场所手动切换无线传输模式。

本发明的下位机可独立进行简单的病例检测，下位机的微控制器在分析出心电波形中的R波以后，根据预先存储的心率检测算法规则表自行判断病例：根据R波的频率计算出心率值，在心率检测算法规则表中找出心率值对应的区间，由查表得知心脏病例名称；所述心率检测算法规则表包括多个心率值区间及对应的心脏病例名称。

本发明具有以下优点：1、心电信号稳定采集，本地显示和存储。心电采集电路采用单电源工作的方式，避免了大多数ECG信号采集设计中双电源工作方式带来的电源复杂性问题。心电采集电路包括工频陷波器和3阶低通滤波器，使得ECG信号稳定采集于各种复杂环境中。下位机心电图仪内置CDF97小波滤波算法，使得能够完整正确的还原心电信号。2、稳定的多种无线传输方式。Zigbee无线传输由Zigbee终端，Zigbee路由和Zigbee协调器组成，当某一条无线传输路由因故障断开，可自动选择另一条路由进行数据传输，保证数据的畅通。当传输距离超过Zigbee的传输距离之后，心电图仪会自动切换为GSM/GPRS传输。3、智能监护及报警。下位机可独立进行简单的病例检测，不用将数据返回至医院监控中心即可实现实时诊断，当发生紧急状况时，通过短信及蜂鸣器报警，使病患能得到及时救助。

附图说明

图1为本发明的远程心电智能监护系统的组成框图。

图2为MSP430F5438控制器最小系统电路图。

图3为单电源心电采集电路图。

图4为MSP430F5438的ADC12模块工作示意图。

图5为硬件乘法器工作流程示意图。

图6为CDF97小波滤波效果图。

图7为心率检测算法规则表。

图8为Zigbee模块电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括上位机，下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，其下位机是一种既可以医院病房使用，也可家用的便携式心电图仪(ECG,electrocardiograph)。该下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块。下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样，经CDF97小波滤波算法、心率检测算法后将心电波形、心跳数和可能的病例显示在液晶屏上并存储在SD卡中；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到服务器，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到服务器；一旦出现紧急状况，立即蜂鸣器报警并使用GSM短信发送至医生及家属；在上位机中建有数据库，可长期存储多名病患的心电波形，供医生查看和日后调用。

所述微控制器采用MSP430F5438控制器，MSP430F5438最小系统如图2所示，心电采集电路如图3所示。所述心电采集电路采用三导联的工作方式，心电采集电路中的仪表放大器和运算放大器均工作在3.3V单电源工作状态，不需要负电源。心电采集电路包括仪表放大器差分放大部分、工频陷波器、1000倍放大运算放大器和3阶低通滤波器。心电采集电路中仪表放大器U11采用TI公司的INA331，其他运放均采用TI公司的OPA2336。

图3所示的心电采集电路包括：左手导联LEFT A通过第三八电阻R38连接仪表放大器U11的3脚（正输入引脚），右手导联RIGHT A通过第三九电阻R39连接仪表放大器U11的2脚（负输入引脚），仪表放大器U11的5脚（Vref脚）连接第九运放U9的输出端，第九运放U9的反相输入端通过第三六电阻R36连接仪表放大器U11的输出端，第九运放U9的反相输入端和输出端之间连接第三四电容C34；仪表放大器U11输出端还通过第四零电阻R40接第一二运放U12的反相输入端，第一二运放U12的反相输入端和输出端之间连接有第三七电阻R37和第三五电容C35并联构成的低通滤波器，第一二运放U12的同相输入端通过第四一电阻R41接偏置电压VREF并通过第四三电阻R43接地；第四六电阻R46一端接3.3V电压，另一端通过第四八电阻R48接地，第四八电阻R48两端并联有第三九电容C39，第四六电阻R46和第四八电阻R48的连接点提供所述偏置电压VREF连接到第一三运放U13的同相输入端，第一三运放U13的同相输入端同时还通过第四四电阻R44接仪表放大器U11的正输入引脚和通过第四二电阻R42接仪表放大器U11的负输入引脚，第一三运放U13的输出端接自身反相输入端并通过第四七电阻接第一四运放U14的反相输入端，第一四运放U14同相输入端接偏置电压VREF，第一四运放U14输出端和反相输入端之间接第四五电阻R45，所述第一四运放U14输出端接右脚导联RIGHT L；第一二运放U12的输出端接所述微控制器。

左手导联和右手导联经电阻R38、R44和R39、R42取压，输入仪表放大器U11的正、负输入引脚，将左右手信号差分放大5倍。电阻R46和R48分压得1.65V偏置电压VREF，运放U13和U14构成右脚驱动，将VREF信号反相后输入右脚。从仪表放大器5倍放大的心电信号，输入由第一二运放U12构成的200倍放大器，即总的放大倍数为1000倍。其中电阻R41和R43引入偏置电压VREF，R37和C35构成低通滤波器。

通过电阻R38和R39分压，得到整个心电采集电路的偏置电压1.65V。ECG信号经过仪表放大器U11放大5倍之后，经偏置电压1.65V升压之后输入后一级单电源运放U12放大200倍，并经过一个由C35和R37构成的低通滤波器滤除高频噪声送至MSP430F5438处理器，在心电采集电路中还将输入信号中的工频干扰反相放大后输入右脚，减弱工频噪声的干扰。

将心电采集电路的输出与MSP430F5438的P6.0脚相连接，利用ADC12模块的通道A0对输入模拟电压进行模数转换。ADC12模块的工作原理如图4所示。选择MSP430F5438的ACLK作为定时器B的时钟源，设置定时器B工作在增计数模式和输出模式7，由Timer_B OUT1产生周期、占空比均可调节的PWM波。本系统中设置TBCCR0=256，TBCCR1=230，即PWM波的周期为占空比为PWM波的上升沿触发采样，下降沿触发转换，即ADC12的采样率f_s=128Hz。设置ADC12模块工作在单通道重复转换模式，选择2.5V内部参考电压作为参考源，ADC12IFGx作为DMA0的触发源，重复转换结束时，ADC12IFGx被置位，继而触发DMA操作。选择DMA0传输源地址为ADC12MEM0，目的地址为手动分配RAM存储空间的物理地址（本系统中为0x1200），设置DMA0传输源地址不变，目的地址增量，传输基本单元个数DMA0SZ=512。这样，4秒的转换结果经DMA0通道送至固定的RAM空间。AD转换与DMA传输在LPM3模式中进行以降低功耗，设置中断向量为DMA_VECTOR，当512个转换结果全部传输到指定地址后，CPU才被唤醒。

软件中的数字滤波算法采用CDF97小波滤波，其基本思想是由基本小波逐步构建出一个具有更加良好性质的新小波，其实现步骤有3个：分解、预测和更新。分解是将数据分为偶数序列和奇数序列两个部分，预测是用分解的偶数序列预测奇数序列，得到的预测误差为别换的高频分量，更新是由预测误差来更新偶数序列，得到变换的低频分量。

根据经小波变换后，有效信号对应的小波系数很大，而噪声对应的系数很小的原理，对ECG信号进行三层小波分解后，采用软阈值方法，先求出各层高频信号的门限阈值，然后去除每层高频信号中小于该门限阈值的系数。最后从后往前一层一层重构，得出滤波后的ECG信号。CDF97小波是一种典型的离散小波提升算法，其对应五个提升系数如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=-1.586134342\\ \mathrm{\β}=-0.05298011854\\ \mathrm{\γ}=0.8829110762\\ \mathrm{\δ}=0.4435068522\\ K=1.3123043\end{array}\right.---\left(1\right)$

CDF97小波提升格式由四个提升步骤和两个缩放步骤来实现，具体如下：

1)预测1：c₁(2n+1)=x(2n+1)+α[x(2n)+x(2n+2)]  (2)

2)更新1：d₁(2n)=x(2n)+β[c₁(2n-1)+x(2n+1)]  (3)

3)预测2：c₂(2n+1)=c₁(2n+1)+γ[d₁(2n)+d₁(2n+2)]  (4)

4)更新2：d₂(2n)=d₁(2n)+δ[c₁(2n-1)+c₁(2n+1)]  (5)

5)系数缩放1：c₃(2n+1)=(1/K)·c₂(2n+1)  (6)

6)系数缩放2：d₃(2n)=K·d₂(2n)  (7)

其中，x(2n)偶数序列，x(2n+1)奇数序列，c(..),d(..)分别是预测值和更新值。

在CDF97小波滤波计算过程中涉及大量乘法运算，在本发明中使用了MSP430F5438自带的硬件乘法器做乘法加速运算，使得原本需要多个机器周期完成的一次乘法运算缩短为一个机器周期，大大提高了效率。硬件乘法器使用如图5所示。将提升系数扩大16384倍写入有符号乘法的操作数1寄存器，将AD转换得到的心电数据扩大2倍写入操作数2寄存器，运算完成后，提升系数与心电数据相乘或乘加的运算结果。为了提高运算精度，需要利用RESLO的最高位与次高位对result进行校正。最终小波滤波效果如图6所示。

在一个心电波形中，峰值最高的波为R波，其频率也即对应着心率。本发明中采用如下方法确定R波位置：固定一个时间窗，在该时间段内采用二次差分方法，寻找波形奇异点。对N个(本系统中N=512)数据进行奇点检测。保留得到的所有极大值在一个数组A内，并记录其对应波形位置。取阈值Rth，与上述数组A内值比较，保留大于Rth的极大值在数组B内，并记录其对应波形位置。认为B中数据为检测到的R波幅值，其对应位置为R波位置。在分析出R波以后，下位机（心电图仪）即可根据图7所示的心率检测算法判断病例：根据R波的频率计算出心率值，在表中找出其对应的区间，由查表可得知心脏可能出现的问题。表中HRV为相邻两个R波的时间差，

“HRV(i)>0.12s&&HRV(i+1)>0.12s&&HRV(i+2)>0.12s”表示：当连续三个HRV时间差都超过了0.12s，则判断为室性早搏。

本发明实施例使用的Zigbee模块为TI公司的CC2530，所述GSM/GPRS模块为华为公司产品。两个模块都有无线传输功能，但不同时工作。心电图仪上有按键，可根据病患所处场所是医院还是家里手动切换工作方式。心电图仪内置算法可智能检测Zigbee和GSM/GPRS的工作情况，当任一无线工作方式发生故障，可立马切换为另一个无线传输模式，并在液晶屏上显示故障情况。

服务器使用的数据库是oracle数据库。

心电图仪获取的心电数据和病例情况存储至SD卡。此时若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到服务器，Zigbee的电路设计如图8所示。若下位机在除医院的其他地方，将使用GPRS远距离传输波形到服务器，一旦出现紧急状况，立即蜂鸣器报警并使用GSM短信发送至医生及家属。在上位机中建有数据库，可长期存储多名病患的心电波形，供医生查看和日后调用。Zigbee和GSM/GPRS也可智能切换，当心电图仪检测到某一种无线传输模式发生故障之后，可立即切换为另一种无线传输模式，保证数据的实时传输。

Claims (1)

1.远程心电智能监护系统，其特征在于：包括上位机、下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到上位机，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到上位机；下位机一旦判断出现紧急状况，立即通过报警模块发出声光报警并通过GSM/GPRS模块发送短信至医生及家属手机；在上位机中建有数据库，存储病患的心电波形，供医生查看和日后调用；所述心电采集电路包括：左手导联（LEFT A）通过第三八电阻（R38）连接仪表放大器（U11）的正输入引脚，右手导联（RIGHT A）通过第三九电阻（R39）连接仪表放大器（U11）的负输入引脚，仪表放大器（U11）采用集成电路INA331，仪表放大器（U11）的Vref引脚连接第九运放（U9）的输出端，第九运放（U9）的反相输入端通过第三六电阻（R36）连接仪表放大器（U11）的输出端，第九运放（U9）的反相输入端和输出端之间连接第三四电容（C34）；仪表放大器（U11）输出端还通过第四零电阻（R40）接第一二运放（U12）的反相输入端，第一二运放（U12）的反相输入端和输出端之间连接有第三七电阻（R37）和第三五电容（C35）并联构成的低通滤波器，第一二运放（U12）的同相输入端通过第四一电阻（R41）接偏置电压并通过第四三电阻（R43）接地；第四六电阻（R46）一端接3.3V电压，另一端通过第四八电阻（R48）接地，第四八电阻（R48）两端并联有第三九电容（C39），第四六电阻（R46）和第四八电阻（R48）的连接点提供所述偏置电压连接到第一三运放（U13）的同相输入端，第一三运放（U13）的同相输入端同时还通过第四四电阻（R44）接仪表放大器（U11）的正输入引脚和通过第四二电阻（R42）接仪表放大器（U11）的负输入引脚，第一三运放（U13）的输出端接自身反相输入端并通过第四七电阻接第一四运放（U14）的反相输入端，第一四运放（U14）同相输入端接偏置电压，第一四运放（U14）输出端和反相输入端之间接第四五电阻（R45），所述第一四运放（U14）输出端接右脚导联（RIGHT L）；第一二运放（U12）的输出端接所述微控制器；左手导联（LEFT A）和右手导联（RIGHT A）经电阻取压，输入仪表放大器（U11）将左右手信号差分放大5倍；第一三运放（U13）和第一四运放（U14）构成右脚驱动，将偏置电压信号反相后输入右脚；从仪表放大器（U11）5倍放大的心电信号，输入由第一二运放（U12）构成的200倍放大器，即总的放大倍数为1000倍，最后输入微控制器；

所述心电采集电路采用三导联的工作方式，心电采集电路中的仪表放大器（U11）和第九运放（U9）、第一二运放（U12）、第一三运放（U13）、第一四运放（U14）均工作在单电源工作状态；

所述第九运放（U9）、第一二运放（U12）、第一三运放（U13）、第一四运放（U14）均采用集成电路OPA2336；

所述微控制器采用MSP430F5438控制器，心电采集电路的输出与MSP430F5438控制器的P6.0脚相连接，利用MSP430F5438控制器内部ADC12模块的通道A0对输入模拟电压进行模数转换；

所述心电采集电路返回至微控制器的信号使用CDF97小波滤波算法进行数据滤波，滤除高频噪声；在CDF97小波滤波计算过程中涉及的大量乘法运算，使用MSP430F5438自带的硬件乘法器做乘法加速运算，使得一次乘法运算缩短为一个机器周期，将提升系数扩大16384倍写入有符号乘法的操作数1寄存器，将AD转换得到的心电数据扩大2倍写入操作数2寄存器，运算完成后，提升系数与心电数据相乘或乘加的运算结果，利用RESLO的最高位与次高位进行校正；

Zigbee和GSM/GPRS两种无线传输模式之间能够智能切换，当所述微控制器检测到一种无线传输模式发生故障之后，立即切换为另一种无线传输模式，保证数据的实时传输；在所述下位机上设置有按键，供用户根据使用场所手动切换无线传输模式；

所述下位机的微控制器在分析出心电波形中的R波以后，根据预先存储的心率检测算法规则表自行判断病例：根据R波的频率计算出心率值，在心率检测算法规则表中找出心率值对应的区间，由查表得知心脏病例名称；所述心率检测算法规则表包括多个心率值区间及对应的心脏病例名称。