CN108013867A - 一种基于互联网的医学信号采集平台建设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互联网的医学信号采集平台建设方法,所述方法包括以下步骤：第一步，介绍系统设计的整体思路，设计方法，测量参数的选定及传感器的选择及心电信号的测量方案；第二步，介绍系统的硬件设计；第三步，介绍系统的软件设计；第四步，系统的硬件实现以及总体的调试。本发明的基于互联网的医学信号采集平台建设方法，在芯片上直接实现多通道模拟信号采集；采用网络方式进行数据传输，实现远程监控功能，硬件上使用带网络协议的芯片；上位机能将采集的数据存成通用格式，研究方便；将心电、心音、脉搏信号通过网络传输到上位机。

Description

一种基于互联网的医学信号采集平台建设方法

技术领域

本发明涉及一种基于互联网的医学信号采集平台建设方法，属于医疗卫生服务互联网技术领域。

背景技术

随着现代生活水平的提高，过去面对面的医疗诊断已经不适应当代人口老龄化日益加重的世界，人们也越来越关心自己的身体健康状况；伴随着计算机技术以及通信技术的发展，远程医疗得到了越来越广泛的应用，提高了医疗机构的知名度，取得良好的社会效益，逐渐成为一种新的医疗服务模式；一些机构研究出来的远程医疗系统相当完善，配备了生理信息采集终端、移动和远程监护终端，和基于Google Map实现患者定位；一些基于Android手机软件的远程监护系统也取得很好的效果；生理信号监测系统及采集系统为远程医疗的一个重要环节。生物医学信号的测量范围十分广泛，包括生物电和生物磁测量，非电磁生理参数测量和生物化学量测量；常用的监测信号有心电、脑电、肌电、胃电、血氧饱和度、血压、呼吸、心音、体温等。早期的一些生理信号检测系统是基于51系列单片机、模拟放大器、AD转换器以及USB控制芯片组成；该系统的传输速率可以达到2Mbps，完全满足信号的高速采集；但系统总体比较复杂，编写上位机必须了解USB通信协议。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于互联网的医学信号采集平台建设方法，在芯片上直接实现多通道模拟信号采集；采用网络方式进行数据传输，实现远程监控功能，硬件上使用带网络协议的芯片；上位机能将采集的数据存成通用格式，研究方便；将心电、心音、脉搏信号通过网络传输到上位机。

本发明的基于互联网的医学信号采集平台建设方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，介绍系统设计的整体思路，设计方法，测量参数的选定及传感器的选择及心电信号的测量方案；

a.系统实现的框架，系统分为硬件采集主机和电脑上位机，硬件采集主机为一独立机械机构，包含12V理电池、电源转换板、硬件采集卡及信号前端处理板；上位机为一个PC软件，实现与硬件采集卡通信，获取并保存数据；

b.测量参数及传感器选型，采用模拟型脉搏传感器以及心音传感器，心电信号采用通用型的心电导联线及自主设计的心电放大电路进行采集；

c.脉搏信号测量，采用脉搏传感器进行脉搏波信号的测量，利于特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起手指指尖的血容积发生相应的变化产生的信号；

d.心音信号测量，采用心音传感器进行心脏监护，利于新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其它体表动脉搏动信号，并集成部分放大电路，使得输出信号易被后端处理电路采集；

e.心电信号测量，测量时以监测者的左右手作为差分输入，右脚作为参考电极，信号进入第一级放大器进行放大和进行高通滤波，再进入第二级放大器进行高倍数的放大，得到一个在伏特级摆动的电压供后面的电路进行采样处理；

第二步，介绍系统的硬件设计，包括总体框图，各部分硬件详细的电路图及参数；硬件系统包括电源卡、采集卡、前端处理卡三个部分，电源卡将锂电池12V输出电压转化为一组正负电压供模拟部分电路使用、一组5V单电源供数字部分电路使用；采集卡包含ADC驱动电路，MCU最小系统及网络模块将模拟信号进行数字化处理，通过网络上传至上位机；前端处理卡获取传感器原始数据进行滤波和放大处理，将输出电平调理到尽量满量程注入采集卡的模拟通道；

第三步，介绍系统的软件设计，包括主控芯片的程序设计，实时信号采集即传输的方法，网络传输功能的实现，上位机的编程实现，用于信号降噪的IIR陷波器及平滑滤波器；软件部分包括单片机软件的设计、采集上位机软件设计及信号滤波及检测算法的实现；原始信号经过模拟的高通和低通滤波器后给STM32F405采样，由处理器进行数字滤波；滤波主要针对的是5OHz和100Hz的工频及基线漂移；滤波后的信号进入网络缓冲区，由网络芯片将数据发送至上位机；上位机的监听UDP端口，接收到数据包时通过绘图控件实时显示波形，并将数据记录到文档中；记录后的文档可以用Matlab读取，并实现了用Savitzky-Golay滤波器对信号进行平滑处理；

第四步，系统的硬件实现以及总体的调试，

a.硬件实物电路制作，硬件实物的电路有三块，分别为电源板，采集卡和信号前端处理板；所有电路板均采用双层板设计，贴片和插件器件全在电路板的一面，另一面则作为地面，以增大电路的抗干扰能力；并为系统电路设置了外壳，使得采集更加稳定；

b.软件调试及网络测试，系统调试在局域网中调试，使用的网络设备为TP-LINK TL-WR742N无线路由器；硬件采集卡的网络端口和电脑上位机各连接路由器的一个LAN端口，两端的IP地址设为固定；然后启动上位机软件连接采集卡，采集卡同时采集志愿者的心电、脉搏以及心肺音，返回的数据在软件界面上以波形形式显示；

c.实际信号获取与对比，系统实验邀请多位志愿者进行数据采集，采集的信号类型为单导联肢心电，指端脉搏和心音；测试时系统的采样频率为1KHz；所有信号由模数转换器转换后，先经过50Hz和100Hz的陷波滤波器去除工频干扰，再由平滑滤波器后显示。

作为优选的实施方案，所述第四步中的外壳采用铝壳加有机玻璃板组合而成，其中前后挡板为有机玻璃，中间壳体为铝制品，其中前面板包含LCD显示屏，传感器和心电电极接口；后面板包括电源入口，保险管及网络接口。

本发明与现有技术相比较，本发明的基于互联网的医学信号采集平台建设方法，电路简单、系统整体功耗低、发热量低、可以稳定连续运行；使用新型、主频高的控制芯片，能在芯片上完成一定的算法，并且在芯片上直接实现多通道模拟信号采集；采用网络方式进行数据传输，实现远程监控功能，硬件上使用带网络协议的芯片；上位机能将采集的数据存成通用格式，研究方便，将心电、心音、脉搏信号通过网络传输到上位机。

具体实施方式

本发明的基于互联网的医学信号采集平台建设方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，介绍系统设计的整体思路，设计方法，测量参数的选定及传感器的选择及心电信号的测量方案；

a.系统实现的框架，系统分为硬件采集主机和电脑上位机，硬件采集主机为一独立机械机构，包含12V理电池、电源转换板、硬件采集卡及信号前端处理板；上位机为一个PC软件，实现与硬件采集卡通信，获取并保存数据；

b.测量参数及传感器选型，采用模拟型脉搏传感器以及心音传感器，心电信号采用通用型的心电导联线及自主设计的心电放大电路进行采集；

c.脉搏信号测量，采用脉搏传感器进行脉搏波信号的测量，利于特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起手指指尖的血容积发生相应的变化产生的信号；

d.心音信号测量，采用心音传感器进行心脏监护，利于新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其它体表动脉搏动信号，并集成部分放大电路，使得输出信号易被后端处理电路采集；

e.心电信号测量，测量时以监测者的左右手作为差分输入，右脚作为参考电极，信号进入第一级放大器进行放大和进行高通滤波，再进入第二级放大器进行高倍数的放大，得到一个在伏特级摆动的电压供后面的电路进行采样处理；

第二步，介绍系统的硬件设计，包括总体框图，各部分硬件详细的电路图及参数；硬件系统包括电源卡、采集卡、前端处理卡三个部分，电源卡将锂电池12V输出电压转化为一组正负电压供模拟部分电路使用、一组5V单电源供数字部分电路使用；采集卡包含ADC驱动电路，MCU最小系统及网络模块将模拟信号进行数字化处理，通过网络上传至上位机；前端处理卡获取传感器原始数据进行滤波和放大处理，将输出电平调理到尽量满量程注入采集卡的模拟通道；

第三步，介绍系统的软件设计，包括主控芯片的程序设计，实时信号采集即传输的方法，网络传输功能的实现，上位机的编程实现，用于信号降噪的IIR陷波器及平滑滤波器；软件部分包括单片机软件的设计、采集上位机软件设计及信号滤波及检测算法的实现；原始信号经过模拟的高通和低通滤波器后给STM32F405采样，由处理器进行数字滤波；滤波主要针对的是5OHz和100Hz的工频及基线漂移；滤波后的信号进入网络缓冲区，由网络芯片将数据发送至上位机；上位机的监听UDP端口，接收到数据包时通过绘图控件实时显示波形，并将数据记录到文档中；记录后的文档可以用Matlab读取，并实现了用Savitzky-Golay滤波器对信号进行平滑处理；

第四步，系统的硬件实现以及总体的调试，

a.硬件实物电路制作，硬件实物的电路有三块，分别为电源板，采集卡和信号前端处理板；所有电路板均采用双层板设计，贴片和插件器件全在电路板的一面，另一面则作为地面，以增大电路的抗干扰能力；并为系统电路设置了外壳，使得采集更加稳定；

b.软件调试及网络测试，系统调试在局域网中调试，使用的网络设备为TP-LINK TL-WR742N无线路由器；硬件采集卡的网络端口和电脑上位机各连接路由器的一个LAN端口，两端的IP地址设为固定；然后启动上位机软件连接采集卡，采集卡同时采集志愿者的心电、脉搏以及心肺音，返回的数据在软件界面上以波形形式显示；

c.实际信号获取与对比，系统实验邀请多位志愿者进行数据采集，采集的信号类型为单导联肢心电，指端脉搏和心音；测试时系统的采样频率为1KHz；所有信号由模数转换器转换后，先经过50Hz和100Hz的陷波滤波器去除工频干扰，再由平滑滤波器后显示。

其中，所述第四步中的外壳采用铝壳加有机玻璃板组合而成，其中前后挡板为有机玻璃，中间壳体为铝制品，其中前面板包含LCD显示屏，传感器和心电电极接口；后面板包括电源入口，保险管及网络接口。

上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (2)

1.一种基于互联网的医学信号采集平台建设方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步，介绍系统设计的整体思路，设计方法，测量参数的选定及传感器的选择及心电信号的测量方案；

a.系统实现的框架，系统分为硬件采集主机和电脑上位机，硬件采集主机为一独立机械机构，包含12V理电池、电源转换板、硬件采集卡及信号前端处理板；上位机为一个PC软件，实现与硬件采集卡通信，获取并保存数据；

b.测量参数及传感器选型，采用模拟型脉搏传感器以及心音传感器，心电信号采用通用型的心电导联线及自主设计的心电放大电路进行采集；

c.脉搏信号测量，采用脉搏传感器进行脉搏波信号的测量，利于特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起手指指尖的血容积发生相应的变化产生的信号；

d.心音信号测量，采用心音传感器进行心脏监护，利于新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其它体表动脉搏动信号，并集成部分放大电路，使得输出信号易被后端处理电路采集；

e.心电信号测量，测量时以监测者的左右手作为差分输入，右脚作为参考电极，信号进入第一级放大器进行放大和进行高通滤波，再进入第二级放大器进行高倍数的放大，得到一个在伏特级摆动的电压供后面的电路进行采样处理；

第二步，介绍系统的硬件设计，包括总体框图，各部分硬件详细的电路图及参数；硬件系统包括电源卡、采集卡、前端处理卡三个部分，电源卡将锂电池12V输出电压转化为一组正负电压供模拟部分电路使用、一组5V单电源供数字部分电路使用；采集卡包含ADC驱动电路，MCU最小系统及网络模块将模拟信号进行数字化处理，通过网络上传至上位机；前端处理卡获取传感器原始数据进行滤波和放大处理，将输出电平调理到尽量满量程注入采集卡的模拟通道；

第三步，介绍系统的软件设计，包括主控芯片的程序设计，实时信号采集即传输的方法，网络传输功能的实现，上位机的编程实现，用于信号降噪的IIR陷波器及平滑滤波器；软件部分包括单片机软件的设计、采集上位机软件设计及信号滤波及检测算法的实现；原始信号经过模拟的高通和低通滤波器后给STM32F405采样，由处理器进行数字滤波；滤波主要针对的是5OHz和100Hz的工频及基线漂移；滤波后的信号进入网络缓冲区，由网络芯片将数据发送至上位机；上位机的监听UDP端口，接收到数据包时通过绘图控件实时显示波形，并将数据记录到文档中；记录后的文档可以用Matlab读取，并实现了用Savitzky-Golay滤波器对信号进行平滑处理；

第四步，系统的硬件实现以及总体的调试，

a.硬件实物电路制作，硬件实物的电路有三块，分别为电源板，采集卡和信号前端处理板；所有电路板均采用双层板设计，贴片和插件器件全在电路板的一面，另一面则作为地面；并为系统电路设置了外壳；

b.软件调试及网络测试，系统调试在局域网中调试，使用的网络设备为TP-LINK TL-WR742N无线路由器；硬件采集卡的网络端口和电脑上位机各连接路由器的一个LAN端口，两端的IP地址设为固定；然后启动上位机软件连接采集卡，采集卡同时采集志愿者的心电、脉搏以及心肺音，返回的数据在软件界面上以波形形式显示；

c.实际信号获取与对比，系统实验邀请多位志愿者进行数据采集，采集的信号类型为单导联肢心电，指端脉搏和心音；测试时系统的采样频率为1KHz；所有信号由模数转换器转换后，先经过50Hz和100Hz的陷波滤波器去除工频干扰，再由平滑滤波器后显示。

2.根据权利要求1所述的基于互联网的医学信号采集平台建设方法，其特征在于，所述第四步中的外壳采用铝壳加有机玻璃板组合而成，其中前后挡板为有机玻璃，中间壳体为铝制品，其中前面板包含LCD显示屏，传感器和心电电极接口；后面板包括电源入口，保险管及网络接口。