CN1066379A - 可与计算机联网的便携式心脏监护仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可与计算机联网的便携式心脏 监护仪，由导联电极、前置放大电路、去极化电路、自 动增益电路、有源滤波电路、模／数转换电路、单片机 系统、数字通信电路、电源电路组成。由导联电极采 集双路心电信号，在单片机的控制下对心电信号进行 放大、滤波、模／数转换、分析诊断，送入数据存储器， 发现异常，立即报警。患者可通过电话与主计算机联 系，该便携式心脏监护仪即向主计算机传送心电信 号。经主计算机再次诊断、存档，提供给医生作为诊 断依据。

Description

本发明提供一种便携式心脏监护仪，属于一种心脏监测医疗仪器。

基础研究证实，冠心病患者在发生猝死、急性心肌梗塞、致命性心律失常等之前，心脏电生理已发生一系列的异常变化。如果能及时发现这些先兆症状，并立即给予有效治疗，就可以最大限度地挽救患者的生命。因此，各类心脏监测仪器不断涌现出来。现有的24小时监护仪，主要功能是记录患者日常生活的动态心电图，然后送回医院由专科医生回放，进行分析诊断，记录与诊断之间有一定的时间差，属于回顾性监测。八十年代，美、法等国又研制成功应用公用电话网进行心电遥测技术，患者有了自觉症状时，将监护仪并入电话线，应用模拟调制方式（FM）将心电信号传给急救中心，急救中心通过解调可以直接使用心电图机描记心电图并进行诊断。解决了远距离患者即刻检查诊断的问题。为了避免与电话的机械连接造成的使用不便，也有应用模拟调制-间接声耦合方式，将心电信号传输到急救中心。但是，这类监测技术过份依赖患者的自觉症状，一但出现典型症状，已经步入晚期。而且，急救中心记录的仅是患者拨通电话之后的单导心电信号，诊断价值和诊断范围受到很大的限制。而且，模拟调制方式的抗噪声干扰能力较差，分辨率低，心电波形常常出现畸变。监护仪与电话之间的机械连接，也给使用者带来了不便。

本发明的目的就是提供一种可与设在医院或急救中心的计算机联网使用的便携式心脏监护仪，采用单片机技术对患者的心脏电生理现象进行长期监测。采集患者的双路心电信号，并对其进行识别、分析、诊断，当心电信号发生异常时，便携式心脏监护仪可立即捕捉到这一症状，自动进行记录、诊断、报警，借用公用电话，采用数字通信方式把心电信号发送给医院或急救中心的计算机，进行再次诊断、存档，提供给医生，以便及时得到临床医生的治疗医嘱或采取急救措施。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，由导联电极Ⅰ、前置放大电路2、去极化电路3、自动增益控制电路4、有源滤波电路5、模/数转换电路6、单片机电路7、数字通信电路8、电源电路9组成。导联电极Ⅰ是由五个皿形电极片a、b、c、d、e分布排列在由绝缘材料制成的电极板上，组成的双导电极矩阵，其中电极片e为地电极;电极片a、b构成监护Ⅰ导联，电极片c、d构成监护Ⅱ导联;前置放大电路2是由运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D与1IC2A、1IC2B以及外围电阻所组成的同步双路共摸负反馈并联差分放大电路;运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输出端分别接有阻值相同的电阻1R6、1R7、1R17、1R18，在四电阻的公共端与导联电极1（同步双导电极矩阵）的地电极片e之间设有由运算放大器1IC2C与电阻1R23、1R24、电容1C5组成的地电极驱动电路，电阻1R23跨接于运算放大器的同相输入与输出间;电阻1R24接于地电极片e与运算放大器1IC2C输出端间;电极片电极片a、b、c、d分别连接到1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输入端;电容1C5接于1IC2C的同向输入与电阻1R6、1R7、1R17、1R18的公共端间;去极化电路3是由双四选一摸拟电子开关1IC4通道1、电阻1R36、1R37、电容1C6、电阻1R25、1R27、电容1C7组成的双路去极化电路，双四选一摸拟电子开关1IC4的两个通道选择端分别与单片机电路7的八位双向I/O口1中的两位相接。自动增益控制电路4由运算放大器1IC3A、1IC3B和双四选一摸拟电子开关1IC4的通道2、通道3、通道4、电阻网络1R28、1R29、1R30、1R32、1R33、1R34组成的双路自动增益控制电路，双四选一摸拟电子开关1IC4的两个通道选择端分别与单片机电路7的八位双向I/O口1中的两位相接。数字通信电路8由调制解调器4IC1、功率放大器4IC2、正弦波形成电路、换能器4R3组成。调制解调器4IC1的数据输入端与单片机电路7的中央处理器2IC1的串行口相接，在2IC1的串行口与4IC1的数据输入端间还设置了一个两芯插座，与之相配的插头引线与计算机连接，数字通信电路8中的正弦波形成电路接于4IC1的输出与功率放大器4IC2的输入端之间，功率放大器4IC2的输出接换能器4R3;正弦波形成电路由电容4C1、可调电位器4N1、电阻4R1、电容4C2组成，电容器4C1、可调电位器4N1，串接于4IC1的输出端与4IC2的输入端间，电阻4R1接于4N1的可调端与4IC2的输入端间，电容4C2接于功率放大器4IC2的输入与调制解调器4IC1的接地端间;电源电路9由大功率电子开关3IC1、3IC2、单片集成开关电源3IC4、集成稳压器3IC3以及外围电阻、电容组成。大功率电子开关3IC1、3IC2的使能端与单片机电路7的I/O口1相接;单片机电路7由中央处理器2IC1、锁存器2IC2、数据存储器2IC4和存有采样、诊断、通信等子程序的程序存储器2IC3以及接口电路2IC6、分频器2IC7组成。中央处理器2IC1的八位双向I/O口1中的五位分别控制去极化电路3、自动增益控制电路4、数字通信电路8和电源电路9相接。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的工作原理如下：在单片机的控制下，前置放大电路将导联电极采集的双路心电信号同步放大，经去极化电路隔除直流极化电压后，送入自动增益控制电路放大，再经低通滤波电路滤除高频干扰，送入模/数转换电路，将模拟信号转换为数字信号。经单片机读取，写入数据存储器，并进行分析诊断。当便携式心脏监护仪捕捉到异常信号时，立即冻结数据存储器中的数据和监测过程中获得的各种资料，并发出声光报警。此时由单片机控制电源电路切断模拟电路的电源，在与医院或急救中心的计算机通信时，先拨通电话，建立数字通信链路，而后由单片机起动数字通信电路，将二进制数字信号调制成移频键控信号，经过整形、放大后，由换能器送入电话话筒，经电话网传给计算机。为了方便住院患者的使用，便携式心脏监护仪也可以通过单片机电路7的中央处理器2IC1的串行口直接与计算机连接，高速传送二进制数字信号。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪中采集心电信号的导联电极Ⅰ是由五个皿形电极片a、b、c、d、e分布排列在由绝缘材料制成的电极板上，组成的双导电极矩阵，其中电极片e为地电极，电极片a、b构成监护Ⅰ导联，电极片c、d构成监护Ⅱ导联。电极矩阵通过便携式心脏监护仪上的插槽固定在机壳背面。使用时，将仪器放在胸部规定的区域，电极矩阵就可以采集到患者心脏不同区域的双路心电信号。患者还可以根据医生的指示，变换方位，覆盖整个心前区，防止遗漏早期局限性心肌损伤。由于电极几乎是直接连接在高输入阻抗的前置放大极的输入端，避免了导联线引入的各种公知干扰。同步采集的二路心电信号，还可以互相比较，排除伪差，为临床诊断提供了良好的条件，便携式心脏监护仪也可以使用常规监护电极。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪中由运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D与1IC2A、1IC2B以及外围电阻所组成的同步双路共摸负反馈并联差分放大电路，可将由导联电极矩阵采集到的二路心电信号同时放大。前置放大电路2中的运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输入端分别连接导联电极片a、b、c、d，它们的输出端分别接有阻值相同的电阻1R6、1R7、1R17、1R18，所检出的共模电压，经四电阻的公共端与同步双导电极矩阵的地电极片e之间设置的由运算放大器1IC2C与电阻1R23、1R24，电容1C5组成的地电极驱动电路隔直反相放大后，反馈到地电极，消除了人体对地的共模电位，克服了由于人体不平衡阻抗和位移电流导致的前置极共模抑制比下降。因此，本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪省去了复杂的且难以调试的50Hz陷波电路较好地解决了各种外界干扰对心电信号的影响。由双四选一模拟电子开关1IC4通道1、电阻1R36、1R37、电容1C6、电阻1R25、1R27、电容1C7和单片机电路7的I/O口构成的程控双路隔直去极化电路，其功能主要是隔除从前置极来的直流极化电压，并将心电信号耦合到电压放大级。本电路可对直流极化电压作出快速响应，在单片机控制下，电容1C6和1C7上的极化电压，可通过限流电阻1R31、1R27、双四选一电子开关1IC4通道1对地形成回路，清除极化电位，使得电路在起动的瞬间进入稳定的工作状态。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的自动增益控制电路4，是由运算放大器1IC3A、1IC3B和双四选一摸拟电子开关1IC4的通道2、通道3、通道4，电阻网络1R28、1R29、1R30、1R32、1R33、1R34及单片机电路7的双向I/O口1构成的双路自动增益控制电路。目的在于控制模拟系统的增益，不至于因为信号过大而导致饱和，或过小导致P波、ST段分辩不清。其工作原理是单片机检测心电信号幅值，信号过小时，控制1IC4增加放大倍数，信号过大时，减小放大倍数，电压增益为大、中、小三级。由于控制的是放大器1IC3A、1IC3B的反馈电流，因此，本电路具有良好的精度和线性，1IC4导通电阻引起的误差极小。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的滤波电路5，是由运算放大器1IC3C、1IC3D和电阻1R37、1R38、1R43、1R44、电容1C8、1C9、1C10、1C11构成的双路巴特沃斯形二阶低通有源滤波电路，其工作原理为公知，由于检测心电信号的需要，可控制电路的上限频率为100HZ，阻带区内每10倍频程衰减40db。目的在于在模拟信号进入模/数转换电路6之前滤除高频干扰，1IC3C、1IC3D单位增益为1，输入阻抗高，输出阻抗低，也起着隔离的作用。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的模/数转换电路6采用了多通道八位A/D转换电路2IC5。其工作原理为公知。单片机电路7的八路双向I/O口2的两位做为2IC5的控制线，选择通道，并发出起动转换信号，对从滤波电路过来的双路模拟信号进行采样，转换为二进制数字代码。模拟信号输入采用高阻差分输入方式，因此能够最大限度抑制噪声。其时钟信号由单片机电路7的中央处理器的ALE端经分频后提供。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的通信电路8采用了调制解调器4IC1、OTL功率放大器4IC2和正弦波形成电路。其时钟信号由单片机电路7的中央处理器的ALE端经分频后提供。选择4IC1的设置方式使二进制数据调制成移频键控音频信号（中心频率1080Hz或者1500Hz），同时使二进制数字信号以300bit/s或600bit/s的速率输送到调制解调器4IC1的数据输入端（DATA）;移频键控信号经正弦波形成电路送入功率放大器4IC2进行放大，由换能器转换为声波，送入电话话筒，经电话网传输给计算机。设在单片机电路7的串行口与4IC1的数据输入端之间的两芯插座，和与之相配的插头，使便携式心脏监护仪可以直接与计算机连接，当与计算机连接的两芯插头插入时，单片机电路7的串行口与调制解调器的数据输入端断开，与计算机输入端相接，使数字信号直接传给计算机。同时，插头插入后2IC1的I/O口1的另一输出脚悬空，成为高电平，此时，单片机即以1200bit/s的速率向计算机直接发送数据，缩短了发送时间。由电容4C1、可调电位器4N1、电阻4R1、电容4C2组成的正弦波形成电路，目的在于对4IC1输出的音频信号进行平滑处理，滤除高频干扰。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的单片机电路7，由中央处理器2IC1、数据存储器2IC4和存有采样、诊断、通信等子程序的程序存储器2IC3以及接口电路2IC6和分频器2IC7组成。中央处理器2IC1的八位双向I/O口1中的五位分别控制去极化电路3、自动增益控制电路4、数字通信电路8和电源电路9，形式程控去极化电路、程控自动增益控制电路、程控数字通信电路和程控电源电路。2IC1的八位双向I/O口1中的两位做为A/D转换器2IC5的控制线，单片机电路7的控制程序是如下实现的：在程序控制下，读取模/数转换电路输出的二进制数据信号，写入数据存储器，并进行识别、处理。当程序识别发现心肌损伤（心肌缺血、急性心肌损伤、急性心肌梗塞可能），快速性心律失常（阵发性室上性心动过速、阵发性室性心动过速、快速房颤、心室扑动），缓慢性心律失常（严重窦性心动过缓、交界性逸博心律），早博（室性早博、ROT、二联律、室上性早博、插入性早博、三联律），漏博（Ⅱ度文氏型房室传导阻滞、Ⅱ度莫文氏型房室传导阻滞），停博（心室静止、心室颤动）等异常现象时，立即冻结数据存储器内的数据，使电源电路中的3IC2导通，通过数字通信电路8中的换能器发出报警信号。同时，将监护过程中获得的各种资料处理为心律、早博、ST段统计图，等待发送指令，起动数字通信电路8，将数据传给计算机。中央处理器2IC1的两个外部中断源，作为手动记录和发送的控制端。患者若有自觉症状，而便携式心脏监护仪尚未报警，患者可通过手动记录按键，触发中央处理器2IC1的两个外部中断，单片机即停止自动分析诊断记录中断前后32秒的的即刻心电信号。单片机电路的时钟频率为6MHz/12MHz，其地址锁存使能信号输出端（ALE），经分频器2IC7分频后供给A/D转换器2IC5和调制解调器4IC1作为其时钟信号。单片机电路工作软件包括采样、诊断、通信等子程序，固化于程序存储器2IC3中，采用MCS-51汇编语言编制。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的电源电路9由大功率电子开关3IC1、3IC2、单片集成开关电源3IC4、集成稳压器3IC3、单片机电路7I/O口1和外围电阻、电容组成。工作原理是：在程序控制下，单片机电路7I/O1发出信号，触发大功率电子开关3IC1导通，起动单片集成开关电源3IC4，进行直流-直流变换，产生正负电源，仅在报警后需要发送数据时，才进行工作。工作原理是：患者按下发送按键，通过单片机外部中断源向中央处理器请求中断，单片机转向执行发送程序，控制3IC2导通，起动数字通信电路;同时控制3IC1截止，切断模拟系统电源，以降低整机功耗。本电源电路还设置了电源电压不足的光电显示，提醒患者及时更换电池，防止放电过度造成的电池损坏。

本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，除可以对住院的患者进行监护外，主要用于对院外的众多患者进行远距离的长期监护，对患者的心电信号进行分析、诊断、记录，捕捉患者的先兆症状和有可能危及生命的电生理异常，及时进行诊断报警，为临床提供完整的第一手资料，以采取相应的急救措施。病人感到不适时还可采用手动记录方式。由于采用了数字通信技术，大大提高了抗干扰能力，能够在各种邮电通信线路上使用。患者外出远离本地区时，可以通过长途电话与所属网络联网，进行复查，还可以就近与当地的计算机联网，取得支持。便携式心脏监护仪还具有体积小，操作方便，造价低廉等特点。

附图说明：

图1：便携式心脏监护仪的原理方框图

1.导联电极  2.前置放大电路  3.去极化电路  4.自动增益电路  5.有源滤波电路  6.模/数转换电路  7.单片机电路  8.数字通信电路  9.电源电路

图2：便携式心脏监护仪中单片机电路的框图

图3：便携式心脏监护仪的同步双导背敷式电极矩阵外形图，其中10为绝缘材料制成的电极板a、b、c、d、e为双导电极矩阵极片

图4：便携式心脏监护仪机壳外形图

其中  11：面板  12：上盖  13：底盖  14：电源开关  15：插座  16：电子钟  17、18：电子钟调节钮  19：导联线插头  20：手动记录开关  21：报警指示灯  22：发送开关  23：电源指示灯  24：导联线插座  25：电极板插槽  26：换能器音孔  27：电池盒

图5：便携式心脏监护仪前置放大电路、去极化电路、自动增益控制放大电路、有源低通滤波电路原理图

图6：便携式心脏监护仪数字通信电路原理图

图7：便携式心脏监护仪中模/数转换电路、单片机电路原理图

图8：便携式心脏监护仪电源电路原理图

图9：单片机诊断程序表

下面结合附图说明本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的实施。

仪器中同步双导电极矩阵由五个皿形的电极片制成，材料可采用德银合金或银-氯化银片。五个电极片分布排列在80＊50mm塑料板上或胶木板上。电极矩阵通过便携式心脏监护仪上的插槽以及电极插座固定在机壳背面。

便携式心脏监护仪的电路可按图5、图6、图7、图8所示各电路装配而成。前置放大电路1IC1、1IC2采用对称性较好的高输入阻抗低噪声四运算放大器TL074、TL064，其外围电阻1R8、1R9、1R10、1R11、1R19、1R20、1R21、1R22采用阻值为100K、精度为0.1%的电阻以保证前置放大电路的高共模抑制比。去极化电路和自动增益控制放大电路中的双四选一电子开关1IC4开采用CD4052电子开关。有源低通滤波电路中的运算放大器1IC3C、1IC3D可选用TL064，在模/数转换电路中选用了多通道八位A/D转换器ADC0809。数字通信电路中的调制解调器4IC1可采用调制解调电路MC14412，功率放大器4IC2采用LM386集成电路。电源电路中的两个大功率电子开关3IC1、3IC2采用TWH8778，单片集成开关电源3IC4可选用ICL7660，集成稳压器3IC3可采用LM2931。单片机电路中中央处理器2IC1采用INTEL80C31或80C51，数据存储器2IC4采用静态存储器HM6264，程序存储器2IC3采用EPROM27C32，工作软件采用MCS-51汇编语言编制而成。其工作流程如图9所示。

Claims (10)

1、一种采用数字通信方式借助公用电话网可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于由导联电极1、前置放大电路2、去极化电路3、自动增益电路4、有源滤波电路5、模/数转换电路6、单片机电路7、数字通信电路8、电源电路9组成，由导联电极取出双路心电信号，经前置放大电路2送入去极化电路3，经自动增益电路4和有源滤波电路5后的模拟心电信号通过模/数转换电路6转换为数字信号后，再送入单片机电路7，单片机电路7的八位双向I/O口1中的五位分别与去极化电路3、自动增益电路4、数字通信电路8、电源电路9相接，单片机电路7的串行通信口接数字通信电路8的信号输入端。

2、根据权力要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于导联电极Ⅰ是由五个皿形电极片a、b、c、d、e分布排列在由绝缘材料制成的电极板正面组成的双导电极矩阵，其中电极片e为地电极，电极片a、b构成监护Ⅰ导联，电极片c、d构成监护Ⅱ导联。

3、根据权力要求1及2所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于它的前置放大电路2是由运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D与1IC2A、1IC2B以及外围电阻所组成的同步双路共摸负反馈并联差分放大电路;1IC1A的输入端接导联电极片a，1IC1B的输入端接导联电极片b，1IC1C的输入端接导联电极片c，1IC1D的输入端接导联电极片d。

4、根据权力要求2及3所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于它的前置放大电路2中的运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输出端分别接有阻值相同的电阻1R6、1R7、1R17、1R18，在四电阻的公共端与导联电极1（同步双导电极矩阵）的地电极片e之间设有由运算放大器1IC2C与电阻1R23、1R24，电容1C5组成的地电极驱动电路，1R23跨接于运算放大器的同相输入与输出端;1R24接于地电极片e与运算放大器1IC2C的输出端间;电容1C5接于1IC2C的同相输入与电阻1R6、1R7、1R17、1R18的公共端间。

5、根据权力要求1及2所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的去极化电路3由双四选一摸拟电子开关1IC4通道1、电阻1R36、1R37、电容1C6、电阻1R25、1R27、电容1C7组成的双路去极化电路，双四选一摸拟电子开关1IC4的两个通道选择端分别与单片机电路7的八位双向I/O口1中的两位相接。

6、根据权力要求1及2所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的自动增益电路4由运算放大器1IC3A、1IC3B和双四选一摸拟电子开关1IC4的通道2、通道3、通道4、电阻网络1R28、1R29、1R30、1R32、1R33、1R34组成的双路自动增益控制电路，双四选一摸拟电子开关1IC4的两个通道选择端分别与单片机电路7的八位双向I/O口1中的两位相接。

7、根据权力要求1及2所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的数字通信电路8由调制解调器4IC1、功率放大器4IC2、正弦波形成电路、换能器4R3组成，调制解调器4IC1的数据输入端与单片机电路7的中央处理器2IC1的串行口相接，在2IC1的串行口与4IC1的数据输入端间还设置了一个两芯插座，与之相配的插头引线与计算机连接，正弦波形成电路接于4IC1的输出与功率放大器4IC2的输入端之间，功率放大器4IC2的输出接换能器4R3。

8、根据权力要求7所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的数字通信电路8中调制解调器4IC1的输出与功率放大器4IC2的输入间接有的正弦波形成电路由电容4C1、可调电位器4N1、电阻4R1、电容4C2组成，电容4C1、可调电位器4N1，串接于4IC1的输出端与4IC2的输入端间，电阻4R1接于4N1的可调端与4IC2的输入端间，电容4C2接于功率放大器4IC2的输入与调制解调器4IC1的接地端间。

9、根据权力要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的电源电路9由大功率电子开关3IC1、3IC2、单片集成开关电源3IC4、集成稳压器3IC3以及外围电阻、电容组成，大功率电子开关3IC1、3IC2的使能端单片机电路7的I/O口1相接。

10、根据权力要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的单片机电路7由中央处理器2IC1、锁存器2IC2、数据存储器2IC4和存有采样子程序、诊断子程序、通信子程序的程序存储器2IC3、接口电路2IC6和分频器2IC7组成，中央处理器2IC1的八位双向I/O口1中的五位分别控制去极化电路3、自动增益控制电路4、数字通信电路8和电源电路9，2IC1的串行口与数字通信电路8的信号输入端相接。

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