CN1657003A - 数字式远程无线心电监护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数字式远程无线心电监护系统。其包括便携式心电信号采集、显示和发送终端，和远程监护中心两部分。终端体积不超过手掌大小，利用数字式蜂窝移动通信网络建立与英特网的实时连接，将采集到的使用者的心电数据通过英特网发送到远程监护中心，还可以进行语音对话，并接受监护中心的控制。远程监护中心由连接到英特网的计算机将数据接收、分析、显示存储起来。本系统解决了信号的实时远距离传送，以及终端和监护中心实时通讯和终端的远程控制问题，不受传输距离的限制，不需要额外的通讯基础设施，还能对终端进行定位，十分适合于医院等心脏监护中心的对院外病人的动态监护。

Description

数字式远程无线心电监护系统

技术领域

本发明涉及了一套使用数字蜂窝移动通讯网络和英特网技术进行通讯的数字化动态心电监护系统。

背景技术

在现代社会，心血管疾病的发病率处于上升的趋势。同时，随着人们保健意识的提高，对医院的疾病检测手段的要求也越来越高。对于心脏疾病，心电图仪作为重要的心电数据采集记录设备，其地位越来越重要。如何最大效能的利用仪器采集分析心电数据是医疗和科技人员都在努力探讨的课题。

现有最普通的做法是医院使用台式心电图仪记录病人的心电图，但是这样必须要求病人在医院卧床，而且不能够记录病人在运动时的心电数据。便携式动态心电图仪不要求病人在医院卧床，但是监护人员只能在事后对病人送交的仪器上的数据进行分析，不能够实时的对病人进行监测。特别是一些突发的心脏事件，如心绞痛、心肌梗塞、恶性心率失常，以及一些心脏间歇性发作的症状，医护人员很难及时的得到病人的准确的心电数据。国内外有使用固定电话线来传输病人的心电数据的做法，也不能得到运动心电图；如病人在外地，昂贵的长途电话通讯费用也成为病人的负担，同时医院作为数据接收方必须申请大量的电话号码来接收病人上传的数据，严重影响了同时监控的病人的数量，中心也不能通过终端给于病人救助指导。另如某心脏监护终端与病人的手机配合时使用，通过拨号连接到医院的数据中心，这样的做法是使用手机来代替固定电话线，其忽略了长时间使用手机产生的巨额费用问题。另外心电图仪与不同型号的手机的接口问题也是这类设备所遇到的技术难题。另有便携式心电图仪采用公用无线电频段向医院发送心电信号，但是这样的做法抗干扰能力弱，传输距离小，通常只有几百米。另如某心脏监护终端，使用了蓝牙技术与手机接口，同样不可避免的有与不同手机进行应用层协议接口的问题，而且该终端使用时必须和手机配合使用，需要人工开启手机的蓝牙功能，使用繁琐；终端在发现异常心电信号是不能自动开启传输数据；不能做到监控中心对终端运行状态的控制以及语音对话和定位功能。因此，现有的大部分便携式心电仪仅仅是一个单向的心电数据采集和发送的工具，不能够做到使病人和监护中心能够进行双向报警和联系，如果病人发生急性心脏病，救护人员也无法主动得到病人的位置信息，束手无策。

发明内容

本发明提供一种兼有动态心电监控、小巧、使用方便、费用低廉、不受距离限制、双向报警与控制、实时定位的特点的心电监护系统。其包含病人随身携带的便携式终端和固定的监护中心两部分。固定的监护中心由连接在英特网上的电脑、监护软件、监护人员以及电话组成。监护中心作为服务器中心，起到了数据收集、显示和控制终端的功能(图1)。发明的核心部分是病人随身携带的便携式终端。该终端的主要功能有(图7、8、9、10)：动态心电信号的即时显示、心电信号数据向监控中心的无线传递、心电异常的情况下向病人和监控中心自动报警、建立病人与监控中心的语音对话联系、接受来自监控中心的控制信息继而调整运行状态。终端采用锂电池供电，通过导联线采集终端使用者的原始心电信号，将心电信号数字化，并在液晶显示屏上显示出心电波型图，同时通过高频无线电发送到远程监护中心。终端使用者可以通过按键来设定定时发送，或在终端检测到异常心电信号时自动发送，并发出警报声和光。终端可以根据监控中心传来的信号，向使用者发出警报声，并控制终端运行状态。另外，终端可以主动发起向监控中心的电话呼叫；监控中心也可以主动发起电话呼叫。

本发明的显著的使用特点是：第一，能够动态的、连续的采集和向监控中心传递终端使用者的心电数据，凡是有数字蜂窝移动通讯网络的地区，都可以使用该终端，不受地域的限制。比如，监控中心在上海，而病人在北京的情况，监控中心完全能够提供如同病人在上海一样的监控服务。第二，病人或者监控中心都能够主动建立与对方的语音对话联系，在紧急情况下使病人获得必要的救助指导。第三，终端在微处理器的控制下，在自动检测到使用者的异常心电信号时自动的向中心发送心电数据。最后，监控中心能够对使用中的终端根据需要调整其运行状态，如需要监控哪个导联信号，预定终端在什么时候开始自动监控，命令终端报警等，方便了重要数据的及时按需收集和警示；能够向监控中心提供数字蜂窝移动通讯网络定位功能，极大的方便了在急性心脏病发作的情况下对病人的现场搜寻救助。

终端使用者可以选择只通过液晶显示心电波、发送心电波、异常情况下发送心电波三种工作模式。这三种模式具有不同的耗电量、通讯费用不同的特点，用户可以根据需要选择经济实用模式。终端的通讯费用主要为GPRS数据流量费用(GPRS包月制)，大大低于使用固定或移动电话拨号建立通讯的方式。

便携式终端体积不超过手掌大小，物理外表包括按键、液晶显示屏、电池和电池槽、扩音器窗口、拾音器窗口、心电导联线接口。终端内部由心电信号采集模块，数字信号处理系统，数字式蜂窝移动通信模块三大模块组成，这些模块依次顺序相连(图2)。其中，心电信号采集模块包括了心电导联线，心电信号通道的选择模块，心电信号抽取模块，心电信号滤波和心电信号放大处理模块，这些模块依次顺序相连；通道的选择模块还通过控制信号线连接到微处理器(图2)。数字信号处理系统的核心为微处理器，其作为便携式终端的大脑，直接连接心电信号数字化模块，数据存储器，液晶显示模块，按键；同时微处理器还通过控制信号线连接到心电信号通道的选择模块，通过数据与控制信号线连接到无线信号发射与接收模块(图4)。数字式蜂窝移动通信模块以无线信号发射与接收器为中心，集成了TCP/IP协议栈，并连接了天线，扬声器，拾音器，客户识别模块(SIM卡)，并且与微处理器相连接(图6)。

终端工作原理为：首先由导联线将原始的心电信号传递到通道的选择模块。通道的选择模块由电阻网络和控制网络的模拟开关芯片组成。根据标准12导联心电信号组合法，通过模拟开关通道的选择，在把信号传递到心电信号抽取模块。心电信号抽取模块主要是一块高共模抑制比的仪器放大器，其将两个电极信号的电压差抽取并放大成为波型信号传递到心电信号滤波模块。心电信号滤波由RC高通滤波器，有源RC低通滤波器组成。心电信号放大处理由运算放大器组成，其将心电信号放大到较大水平，传递给心电信号数字化模块。心电信号数字化模块是一枚A/D转换器。微处理器定时(每秒200次)将心电数据从A/D转换器中抽取出来，存放在数据存储模块中。当心电数据累计达到一千字节时，微处理器对数据进行压缩后将其发送到无线信号发射与接收模块。同时，微处理器还要响应按键信号，将心电波型在液晶屏上显示出来；检查心电数据，发现异常情况时，通过扬声器发出警报；通过数字式蜂窝移动通信模块接收监控中心发来的控制信号；控制数字式蜂窝移动通信模块，与监控中心建立语音连接。(图7)

终端与无线信号发射与接收模块之间的通讯采用串行控制协议。终端通过利用机内微处理器控制无线信号发射与接收模块(通信模块)，建立与数字蜂窝移动通讯网络(GSM或者CDMA)的连接，并且微处理器使用通信模块提供的指令，进一步利用数字蜂窝移动通讯网络提供的物理层协议(GSM/GPRS或CDMA/1X)连接到英特网上。一旦建立了与英特网的连接，就保持长期在线的状态，将使用者的心电数据实时的传递到通信模块，再由通信模块通过英特网协议(IP)，以数据包的形式发送到监控中心的电脑上。这里，微处理器的重要任务之一是控制通讯芯片，建立与英特网的连接，同时密切监控数据收发，根据控制数据调整终端的工作状态。微处理器的工作流程由(图7)描述。当终端用户通过按键发出通话指令时，微处理器要控制通讯芯片建立与监控中心的电话连接，并由通讯芯片负责控制拾音器和扬声器。监控中心的电脑在接收到病人的实时心电数据后，将心电数据还原成心电波型图显示出来。终端和监控中心可以互相通过英特网协议(IP)发送报警信息，即时对方以图型或声音的形式表示出来(图8，9)。监控中心也可以通过英特网协议(IP)向终端发送控制信息，调整终端的运行状态(图9，10)。这里，在进行英特网通信的时候，终端采用的是基于IP协议的UDP协议，也可以采用TCP协议。由于使用的是数字蜂窝移动通讯网络，通讯芯片必须配套使用数字蜂窝移动通讯公司的SIM卡。

附图说明

图1：数字式远程无线心电监护系统总体操作流程结构图

图2：数字式远程无线心电监护系统便携式终端简化原理模块方框图

图3：数字式远程无线心电监护系统心电信号采集模块简化原理模块方框图

图4：数字式远程无线心电监护系统微处理器系统简化原理模块方框图

图5：数字式远程无线心电监护系统无线信号发射与接收模块简化原理模块方框图

图6：数字式远程无线心电监护系统便携式终端简化线路原理图

图7：数字式远程无线心电监护系统微处理器工作流程图

图8：数字式远程无线心电监护系统终端使用者发送设置流程图

图9：数字式远程无线心电监护系统终端响应监控中心控制流程图

图10：数字式远程无线心电监护系统建立电话连接流程图

具体实施方式

本发明的总体使用布局如图1所示。病人携带终端，通过数字蜂窝移动通讯网作为载体，连接到英特网；终端将采集下来的心电信号，使用基于IP网络协议的UPD或TCP网络通讯协议发送到英特网上。监控中心的电脑同时也连接到英特网，实时的监控从英特网上发过来的心电数据。监控中心的电脑也能够使用同样的方式将控制信号发送到终端，终端根据控制信号做出相应的动作，如是否发送心电数据，发送哪个导联的心电数据，发出警报声等。当有必要时，病人或者监控中心的操作人员都可以通过数字蜂窝移动通讯网与对方通话。

监控中心主要由一台使用Intel芯片的高档家用电脑组成。该电脑配备了以太网卡，ADSL上网调制解调器，连接到英特网上。电脑使用Windows 2000操作系统，同时运行了自行编写的图形化心电数据监控软件。该软件监听特定UDP/TCP端口，接受从英特网上发向本机的心电数据。监控中心操作员还可以通过该软件向终端发送控制信息。这里，便携式终端必须事先知道监控中心电脑的IP地址；监控中心可以通过从终端发来的数据包中得到终端的IP地址。

便携式终端是本发明的核心部分，图6较为详细的描述了其内部电路构造。我们在本说明书前半部分提到的终端各个功能模块，在图6都有特定的电路实现。现在以图6为基础，对本发明的便携式终端的实现方法进行详细的介绍。

首先，终端使用者通过9条心电导联线(C1，C2，C3，C4，C5，C6，L，F，R)，将原始的心电信号输入终端。这些导联线首先进入各自独立的以U5位代表的电压跟随器(TI公司运算放大器OPA336)，实现与外部的隔离。让后9条信号线进入3个模拟开关(TOSHIBA公司的4051，4052，4053)，被选通和组合为两条信号线，从4052输出。3个模拟开关的通道选择又受到串行移位寄存器的控制(TOSHIBA公司的4094)。这就是心电信号通道的选择模块。

从4052输出的两条信号被送入仪器放大器U1(TI公司的INA114)进行差分放大。从U1通过2个电阻引出的信号线中心电位通过电压跟随器U4(TI公司的OPA336)输出到终端使用者的右腿。这就是心电信号抽取模块。

从U1输出的心电信号，进入了由运算放大器U2(TI公司的OPA234)和其前后的若干电阻和电容组成的心电信号滤波模块，进行二阶低通和一阶高通滤波，然后输入U3。

输入运算放大器U3(TI公司的OPA234)的信号，被进一步的放大和低通滤波，最终变为可以数字化的心电信号。这就是心电信号的放大模块。

从U3输出的信号，进入8位A/D转换器(TI公司的TLV0834)，被转换为8位数字信号。这就是心电信号数字化模块。

以ATMEL公司的微处理器AT89S8253为核心的芯片，TLV0834(TI公司)，AT25F512(ATMEL公司)，LMS0192A(深圳TOPWAY Technology公司)组成了微处理器系统。AT25F512作为存储模块，存放采集到的心电数据；LMS0192A是点阵式液晶模块。TLV0834，AT25F512，和心电信号通道的选择模块的4094的CLK，DI，SO同时连接到微处理器的P1.5，P1.6，P1.7上，由各自的CS选通信号控制，与微处理器进行串行通讯；P1.0，P1.1，P1.2就是选通信号线。

微处理器的P0和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7与液晶模块LMS0192A相连，控制液晶显示。其中P0口与液晶模块的数据口D0-D7连接；P2.4与CS1片选心号连接；P2.5与R/W读写控制信号连接；P2.6与E使能控制连接；P2.7与A0状态控制连接。

微处理器通过P3口与数字式蜂窝移动通信模块PIML-900/1800(CENTEL公司)连接。PIML-900/1800由于有内嵌式TCP/IP协议栈，简化了电路实现。微处理器P3口分别连接PIML-900/1800的串行通信口连接，分别是TXD1，RXD1，RI1，DSR1，CTS1，DCD1，RTS1，DTR1数据线。PIML-900/1800接收其自定义的AT指令集，可以传送TCP、UDP指令和电话控制指令等。

数字式蜂窝移动通信模块PIML-900/1800的外围接有天线，拾音器，扬声器和SIM卡。其中SIM卡(客户识别模块)购买于中国移动通信公司。

利用数字式蜂窝移动通信的定位功能，中心监控人员可以使用普通手机，查询终端所处的区域。

微处理器的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3与轻触开关连接，获得使用者的按键事件。

便携式终端中微处理器的工作流程(图7)是：首先通讯模块在微处理器控制下，建立与英特网的连接。同时，微处理器通过A/D采集心电信号，并且保存在存储器中，并以一定的时间间隔(如5秒钟)，使用AT指令向通讯模块传递。通讯模块自动的将数据发往指定的监控中心电脑的IP地址。微处理器同时也使用AT指令命令通讯模块接收监控中心电脑发来的数据包，并接收到微处理器中(图8，9)。终端使用者还可以通过按键，通知微处理器去控制通讯模块，建立与监控中心的语音电话连接；监控中心的电话也可以对通讯模块进行电话呼叫，通讯模块发出铃声，并将信号传递到微处理器，最终由终端使用者通过按键决定是否接听电话(图10)。

便携式终端中微处理器还对采集到的心电数据进行简单的分析，对明显的突发性心脏事件，如心脏停跳，控制扬声器发出警报声，或者自动向监控中心发送心电数据(图8)。

便携式终端使用塑料外壳，内附金属屏蔽层，使用市面上供应的手机锂电池供电。

Claims (7)

1.数字式远程无线心电监护系统，其特征是：将数字式蜂窝移动通信模块与数字化微型心电信号采集器集成为一台终端，使用数字式蜂窝移动通信网提供的访问英特网的功能(如GSM/GPRS或CDMA/1X)，将终端和同时在英特网上的监控中心连接起来，在两者之间使用英特网协议(IP协议)进行数据和控制信息交换，同时终端响应远程控制信号，并利用数字式蜂窝移动通信模块的电话功能建立终端和监控中心语音对话。

2.如权利要求1所述的数字式远程无线心电监护系统，其特征在于心电信号采集模块包括了心电导联线，心电信号通道的选择模块，心电信号抽取、滤波和放大处理模块。其中心电信号通道的选择模块受到微处理器的控制。

3.如权利要求1所述的数字式远程无线心电监护系统，其特征在于终端主要包括了心电信号采集模块，数字信号处理系统，数字式蜂窝移动通信模块；远程监护中心主要由连接在英特网上的计算机组成。

4.如权利要求1所述的数字式远程无线心电监护系统，其特征在于终端中的数字信号处理系统包括了心电信号数字化模块，微处理器，液晶显示模块，按键，数据存储器。其中，微处理器还控制各个心电导联信号的选通和数字式蜂窝移动通信模块。

5.如权利要求1所述的数字式远程无线心电监护系统，其特征在于终端中的微处理器控制数字式蜂窝移动通信模块，使用终端中内嵌的TCP/IP协议栈及英特网通讯协议(IP协议)，与监控中心的电脑进行心电数据和控制数据的发送和接收。

6.如权利要求1所述的数字式远程无线心电监护系统，其特征在于微处理器在收到来自监控中心的控制命令后，改变微处理器对数字式蜂窝移动通信模块、心电信号通道的选择模块、液晶显示模块、扬声器和拾音器的控制状态，并且启动或停止数据收发。

7.如权利要求1所述的数字式远程无线心电监护系统，其特征在于由终端的微处理器直接控制数字式蜂窝移动通信模块，与远程监护中心的电话建立语音电话连接。

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