CN201324244Y

CN201324244Y - 微型实时心电监护装置

Info

Publication number: CN201324244Y
Application number: CNU2008201703589U
Authority: CN
Inventors: 俞立; 董齐芬; 董辉; 冯远静; 孟文超; 孙友统; 陆欢佳
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2018-12-18

Abstract

一种微型实时心电监护装置，包括用于安装在人体监测部位的电极片和用于根据不同电极片之间的电位差得到心电信号，并将心电信号传输到远程医疗中心的心电信号监护装置，电极片通过导联线与心电信号监护装置连接，心电信号监护装置包括：用于提供所需电源的供电单元；用于提取所述电极片传感的心电信号，并将其放大滤波处理后连接到A/D转换模块的心电采集与处理单元；用于控制片上A/D转换模块将心电信号数字化，并控制无线射频传输模块将心电数据输出的控制器单元；用于将心电数据通过无线的方式直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送给与医疗中心具有网络连接功能的监护基站设备的无线射频传输单元。本实用新型实时性强、携带操作方便、低成本、低功耗。

Description

微型实时心电监护装置

技术领域

本实用新型涉及心电监护领域，尤其是一种微型的实时心电监护装置。

背景技术

心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一，对心脏病患者实行实时监护，及时了解心脏病病人的病情，对于适时治疗、预防心脏病突发死亡具有十分重要的意义。在现代医学中，心电图是医生诊断心脏疾病的主要依据。

当前使用较为普遍的心电图监护装置主要有：①普通心电图机：该类心电监护仪只能在医院等固定场所使用，病人静卧在床上，由专业医护人员操作，仅能记录病人当前几分钟的心电信息。②心电Holter：可记录病人24小时的动态心电信号。但它仅仅是对心电信号进行24小时记录，没有任何分析功能，更不具备远程传输能力，用户使用后，必须每天回到医院，由专用设备读取、回放、分析。而心脏病人的心电图曲线随时可能出现新的变化，从而该类心电监护仪不利于病人病情的及时诊断和治疗。③心电BP机：这是一种类似BP机的心电监护设备，能记录数分钟的心电信号，当用户感觉不适时，可通过电话经声耦合方式将心电信号传输到医院。这种心电BP机需要用户参与，当用户远离电话机或处于身体状况不佳时就很难完成及时的心电信号传输。另一方面，由于依靠用户的感觉舒适度由用户进行报警，会造成漏报许多用户感觉不到的心电异常信息④心电实时远程监护系统：这类远程心电监护系统大多是基于公共电话网PSTN/ISDN、计算机网络(以太网)或GSM/GPRS网络等通信工具的，较好地解决了心电的实时监测，但是可移动性差、成本高、体积大、功耗高以等不足限制了其应用范围和推广。

发明内容

为了克服已有的心电监护监测设备的实时性不强、使用不方便或是可移动性差、使用费用高、功耗高的不足，本实用新型提供一种实时性强、携带操作方便、低成本、低功耗的微型实时心电监护装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微型实时心电监护装置，包括用于安装在人体监测部位的电极片和用于根据不同电极片之间的电位差得到心电信号，并将心电信号传输到远程医疗中心的心电信号监护装置，所述电极片通过导联线与所述心电信号监护装置连接，所述心电信号监护装置包括：用于提供所需电源的供电单元；用于提取所述电极片传感的心电信号，并将其放大滤波处理后连接到A/D转换模块的心电采集与处理单元；用于控制片上A/D转换模块将心电信号数字化，并控制无线射频传输模块将心电数据输出的控制器单元；用于将心电数据通过无线的方式直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送给与医疗中心具有网络连接功能的监护基站设备的无线射频传输单元；所述心电采集与处理单元连接控制器单元，所述控制器单元连接无线射频传输单元，所述心电采集与处理单元、控制器单元和无线射频传输单元均与所述供电单元连接。

作为优选的一种方案：所述微型实时心电监护装置还包括报警器，所述心电信号监护装置还包括：用于根据接收到的告警信息发出开启报警器指令的报警单元，所述报警单元与所述控制器单元连接；所述报警单元连接所述报警器。

进一步，所述心电采集与处理单元包括：用于放大微弱的心电信号的前置放大电路；用于抑制共模干扰的参考电极反馈电路；用于二次放大心电信号，以及滤除心电信号中的噪声的二级放大和带通滤波电路；用于调节二级放大器的放大增益的可控数字电位器；用于解决心电信号双极性对A/D模块参考电压的要求的基准电压电路；所述电极片与所述前置放大器连接，所述前置放大电路与所述二级放大和带通滤波电路连接，所述二级放大和带通滤波电路与所述可控数字电位器、基准电压电路连接，所述二级放大和带通滤波电路与所述控制器单元连接。

更进一步，所述报警单元包括：用于用户向医疗中心报警求救的用户报警子单元，用于医疗中心向用户发出警告信息的警告用户子单元。

再进一步，所述报警单元还包括：用于提醒用户更新电池的低电压报警子单元；用于提醒用户他此时远离了监护区域的远离监护区警告子单元。

本实用新型的有益效果主要表现在：监测实时性强、低功耗、低成本、携带与操作方便、用户可随意走动。

附图说明

图1是本实用新型的微型实时心电监护装置的结构框图。

图2是本实用新型的供电单元的电路原理图。

图3是本实用新型的心电信号前置放大与参考电极反馈的电路原理图。

图4是本实用新型的增益可调二级放大和带通滤波的电路原理图。

图5是本实用新型的微控制器及其他外围电路原理图。

图6是本实用新型的无线射频模块与微控制器的连接图。

图7是本实用新型的心电监护仪软件流程图。

图8是本实用新型的初始化子程序流程图。

图9是本实用新型的无线射频发送子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1-图9，一种微型实时心电监护装置，包括用于安装在人体监测部位的电极片和用于根据不同电极片之间的电位差得到心电信号，并将心电信号传输到远程医疗中心的心电信号监护装置，所述电极片通过导联线与所述心电信号监护装置连接，所述心电信号监护装置包括：供电单元：用于提供所需电源；心电采集与处理单元：用于提取所述电极片传感的心电信号，并将其放大滤波处理后连接到A/D转换模块；控制器单元：用于控制片上A/D转换模块将心电信号数字化，并控制无线射频传输模块将心电数据输出；无线射频传输单元：用于将心电数据通过无线的方式直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送给与医疗中心具有网络连接功能的监护基站设备；所述心电采集与处理单元连接控制器单元，所述控制器单元连接无线射频传输单元，所述心电采集与处理单元、控制器单元和无线射频传输单元均与所述供电单元连接。

所述的无线射频传输单元，还可以无线接收医疗中心的警告信息；所述微型实时心电监护装置还包括报警器，所述心电信号监护装置还包括：报警单元：用于根据接收到的告警信息发出开启报警器指令，所述报警单元与所述控制器单元连接；所述报警单元连接所述报警器。

所述心电采集与处理单元包括：前置放大电路：用于放大微弱的心电信号；参考电极反馈电路：用于抑制共模干扰；二级放大和带通滤波电路：用于二次放大心电信号，以及滤除心电信号中的噪声；可控数字电位器：用于调节二级放大器的放大增益；基准电压电路：用于解决心电信号双极性对A/D模块参考电压的要求；所述电极片与所述前置放大器连接，所述前置放大电路与所述二级放大和带通滤波电路连接，所述二级放大和带通滤波电路与所述可控数字电位器、基准电压电路连接，所述二级放大和带通滤波电路与所述控制器单元连接。

所述报警单元包括：用户报警子单元：用于用户向医疗中心报警求救；警告用户子单元：用于医疗中心向用户发出警告信息；低电压报警子单元：用于提醒用户更新电池；远离监护区警告子单元：用于提醒用户他此时远离了监护区域。

本实施例中，图1表示本实用新型的微型实时心电监护装置的结构框图。心电信号由电极片直接取自人体体表，电极片通过导联线与心电信号监护装置相连。所述电极片的安放部位有统一的标准：右臂，胸骨右缘锁骨中线第一肋间；左臂，胸骨左缘锁骨中线第一肋间；左腿，左锁骨中线剑突水平处；胸部，胸骨左缘第4肋间。不同部位形成的电位差即是检测到的心电信号，本实用新型中形成了两路心电信号。心电信号很微弱，具有较大的共模电压，且用户的自由活动，会使基线大幅漂移。本实用新型中，首先采用了ANALOG DEVICES公司生产的高精度仪表放大器AD620构成前置放大器，并且采用右腿驱动的方式，即将电路中的共模电压提取出来，再通过负反馈的形式加载到人体右腿(右锁骨中线剑突水平处)，从而抑制整个系统中的共模干扰。然后由运算放大器LMC6464组成二级放大和带通滤波电路，同时利用一个可控数字电位器MCP42010控制二级放大器的放大倍数，消除由于人体的个性差异及电极片粘贴的位置不同而产生幅值上的差别。进一步的，由于A/D转换直接利用主处理器ATmega128L上的模数转换模块，而其A/D转换的电参考压为0-3.3V，因此利用了LM385精密基准电源，解决心电信号双极性对AD转换模块参考电压的要求。放大滤波后的两路心电信号分别直接连接到处理器的ADC模块输入引脚。处理器采集缓存心电数据，然后控制射频传输模块将心电数据以无线的通信方式发送给具有无线收发功能的中转设备或直接发送给具有网络功能的监护基站。本实用新型还为心电监护装置的正常工作提供了灵活的电源方案，根据用户所在场合，可由用户自行决定使用3节AA碱性电池供电或外接5v电源。特别地，所述微型实时监护装置设计了多功能的报警系统：用户按下一个按键可以向医疗监控中心报警求救；蜂鸣器响起且双色LED灯红色显示则是所述实时心电监护装置低电压报警，提醒用户更换电池；而蜂鸣器响起且双色LED灯黄色显示则是医疗监控中心发出的报警信息，提醒用户心电出现异常，要与医护人员联络进一步观察诊断；蜂鸣器响起且双色LED灯不显示则是提醒用户他此时远离了监护区域。

图2-图6是本实用新型的硬件电路原理图，其中：

图2是本实用新型的供电单元的电路原理图。本实用新型提供了灵活的供电方案，根据用户所在场合，可由用户自行决定使用3节AA碱性电池供电或外接5v电源。比如，用户外出在小区散步，可以将拨动开关S1拨动到ON端，使用电池供电；而用户在家休息，则可使用外接5v电源供电，将拨动开关S1拨动到OFF端，并将外部5V开关电源的插头插入到监护仪的电源插座J3上即可，这样可以节约电池。电源从电源芯片NCP500SN33T1G的Vin引脚输入，Enable(芯片使能)引脚电平变高，NCP500SN33T1G开始工作，Vout引脚输出VCC(AVCC)＝3.3V的电压供所述微型实时心电监护装置的各个模块使用。同时，3.3V电压连接到MAX1852的输入IN引脚和使能SHDN引脚，MAX1852产生VEE＝-3.3V的负电源供需要正负双电源供电的仪表放大器AD620使用。此时系统进入开机状态，开始正常工作。为了所述微型实时心电监护装置稳定可靠工作，本实用新型采用了数字电压与模拟电压分离供电的方案：即U11(电源芯片NCP500SN33T1G)输出的AVCC供电给心电采集与处理单元等模拟部分，而U12(电源芯片NCP500SN33T1G)输出的VCC供电给微控制器单元等数字部分。并利用电感耦合模拟地与数字地。

图3和图4是本实施例的心电采集与处理单元电路原理图。因两路心电信号的放大滤波原理相同，下面仅以左臂与右臂两部位形成的心电信号为例说明本实用新型的心电信号放大滤波的处理过程。

图3是本实施例的心电信号前置放大与参考电极反馈的电路原理图。心电信号的检测是属于强噪声背景下的超低频(0.5～100Hz)微弱(0.1～5mV)信号检测，要求前置放大电路具有高输入阻抗，适当的增益和较高的共模抑制比。本实用新型的前置放大电路主要由ANALOG DEVICES公司生产的仪表放大器AD620构成。AD620是一种低价格，高精度仪表放大器，它仅需要一只外接电阻便可设置增益为1至1000。AD620精度很高，其具有的低噪声，低输入偏置电流和低功耗等特点使它很适宜于医疗仪器。

直接取自人体左臂与右臂体表的信号LA和RA分别通过电阻R11、R12送入AD620的正负输入端，经差分放大形成第一路心电信号ECG_signal1。R11，R12，C8构成了低通网络，可将在AD620输入脚上的高频信号滤除，另外，C8有利于改善导联线的共模电容失衡，提高对高频信号的共模抑制比。为了能承受一定的极化电压，第一级的放大倍数不能太大(太大会导致放大器饱和)，根据AD620增益计算公式G＝(49.4kΩ/R)+1，本实用新型使用的增益调节电阻R15为3.9KΩ，使第一级的放大倍数约为14。

因为人体处在工频电场之中，人体上有很大的共模电压(主要表现为工频信号)，这是心电监护装置的最大干扰之一，为了消除这个干扰，本实用新型采用了右腿驱动的方式，即将电路中的共模电压提取出来，再通过负反馈的形式加载到人体右腿RL(右锁骨中线剑突水平处)，如图3右半部分电路。

图4是本实施例的增益可调二级放大和带通滤波的电路原理图。本实用新型选用运算放大器LMC6464为核心器件。LMC6464是CMOS单电源、低输入电流、低输入偏置电压、低功耗的四运算放大器。其主要应用领域包括医疗器械应用。

前置放大器的输出心电信号ECG_signal1经过C14输入到运算放大器的输入端，经运放LMC6464二次放大后的输出信号CHANNEL1可直接输入到处理器片上ADC模块的输入引脚。因为人体的个性差异及导联粘贴的位置不同，采集到的心电信号幅值会有较大差异，因此本实用新型通过一个可编程控制数字电位器MCP42010控制二级放大器的放大倍数，使放大后的心电信号有较一致的幅值。

如图4，C14和R17构成高通滤波器，其截止频率F_H＝1/(2πRC)＝0.48Hz，理论上能滤除了频率低于0.48Hz的信号，而频率高于0.48Hz的信号能够输入到运算放大器的正输入端。而R21和C16构成了一个低通滤波器，其截止频率F_H＝1/(2πRC)＝159Hz，即高于159Hz的信号被滤除。故能够比较理想的滤除心电信号中的噪声(心电信号的频率范围0.5～100Hz)。

另外，因为心电信号是双极性的，而处理器片上集成的A/D转换模块的参考电压为0-3.3V，所以在A/D转换前必须把心电信号的基线抬高，本实用新型使用了一个精密基准电源LM385-1.23产生1.235V电压VREF，进一步的，为了增强它的驱动能力，后面接了一个电压跟随器。

图5是本实施例的微处理器及其他外围电路原理图。微处理器采用ATMEL公司的Atmega128L芯片，具有片内128KB的Flash，4KB的RAM，并且带有丰富的外设资源包括ADC模块，其能耗极低。所述外围电路包括：两路心电信号输入1：利用片上ADC模块对放大滤波后的心电信号进行模数转换；数字电位器接口2：用于控制可编程数字电位器MCP4210，本实用新型利用所述微处理器一般IO口模拟SPI接口与MCP4210实现通信，可编程实现同时或独立设置两通道电位器阻值；射频模块接口3：用于所述微处理器与所述射频传输模块的连接，控制射频传输模块实现无线收发数据。

所述外围电路还包括报警单元。所述报警单元包括：蜂鸣器驱动电路4，双色LED灯5，电源电压检测电路6和按键电路7。所述蜂鸣器驱动电路4：用于驱动蜂鸣器发出声音为用户提供报警信号，所述蜂鸣器为有源蜂鸣器。两个三极管Q1、Q2构成达林顿管，增加驱动能力。当所述微处理器的PA6端口输出高电平时，Q1、Q2导通，蜂鸣器发出声音，反之，Q1、Q2截止，蜂鸣器不发出声音。所述双色LED灯5：用于为用户提供相关信息，比如电池电压低。根据所述微处理器的PA1、PA2端口输出不同高低电平组合可显示红色、黄色或不显示。所述电源电压检测电路6：用于监测电源电压，特别是电池供电时。电源电压经过两个等值电阻R23、R24分压后输入到所述微处理器片上ADC模块的通道2，当AD转换得到的值小于预设值则表明电池电压低。所述按键电路7：用于提供人机接口，当按键被按下，外部中断4的下降沿中断被触发。根据所述报警单元电路，形成了四种报警系统：i.用户按下按键S2则是向医疗监控中心报警求救；ii.蜂鸣器响起且双色LED灯红色显示则是监护装置低电压报警，提醒用户更换电池；iii.蜂鸣器响起且双色LED灯黄色显示则是医疗监控中心发出的报警信息，提醒用户心电出现异常，要与医护人员联络进一步观察诊断；iv.蜂鸣器响起且双色LED灯不显示则是提醒用户远离了监护区域。

所述外围电路还包括：第一晶体振荡器8：用于睡眠模式下为所述微处理器的定时器0提供一个实时时钟，所述晶体振荡器的频率为32.768KHz；第二晶体振荡器9：用于为所述微处理器的工作时钟，所述晶体振荡器的频率为7.3728MHz；JTAG接口电路10：用来调试所述微处理器芯片，还用来对所述微处理器芯片内部的Flash进行编程；复位电路11：用于对所述微处理器芯片进行复位，当复位按键S3被按下时，所述心电监护装置重新启动。

图6是本实施例的无线射频模块与微控制器的连接图。所述无线射频模块集成了nRF905射频芯片。nRF905是单片射频收发器，工作于433/868/915MHz三个ISM频道。其功耗非常低，且内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，ShockBurstTM工作模式下，还能自动处理字头和CRC，其外围硬件电路非常简单。所述微处理器Atmega128L与所述射频模块之间通过SPI口通信，它们之间的数据通信线、状态信号线、控制信号线均可直接相连。其中EN、CE、PWR是控制信号：用于控制所述无线射频模块的工作模式；AM、CD、DR为状态信号：用于指示所述无线射频模块接收到数据包或数据发送完成等信息；MOSI、MISO、SCK、SCN为SPI信号：用于实现微处理器与所述射频模块的通信。

图7-图9是本实施例的软件实现流程图，其中：

图7是本实施例的心电监护装置软件流程图。软件的总体结构包括：

1、定时器0中断服务程序。定时时间为4ms，实现250Hz的心电数据采样频率，并根据其他各种用途累加计时，满足多种定时要求，比如每隔1秒钟进行电源电压AD采样。

2、外部中断4服务程序。当用户按下按键S2时，外部中断4被触发，唤醒睡眠中的微处理器。

3、外部中断5服务程序。当射频通信模块接收到数据时，唤醒睡眠中的微处理器。

4、主程序。系统初始化结束后，微处理器进入睡眠模式，直至发生定时器0中断或外部中断源4中断或外部中断源5中断时，微处理器被唤醒，然后作出相应的处理：

a)若是定时器0中断，则i.首先判断电池电压是否低，若是则需要发出报警信号提示用户更换电池。考虑到实际应用中，用户没有观察双色LED的习惯，本实用新型首先驱动蜂鸣器响起，使用户知道有警报信息，然后驱动双色LED灯红色显示。ii.接着缓存心电数据，并判断未无线发送的心电数据包数是否超过20个，即500字节心电数据，若是，则将心电数据无线发送给具有相同无线射频模块的中转设备或直接发送给具有相同无线射频模块且还包括网络功能的监护基站设备。

b)若是外部中断源4中断，即外部用户报警按键S2中断，首先进行按键消抖判断确实按键被按下，表明用户感觉身体不适或其他情况需要向医疗监控中心求救，则将报警信号发送给具有相同无线射频模块的中转设备或直接发送给具有相同无线射频模块且还包括网络功能的监护基站设备。

c)若是外部中断源5中断，即无线接收到医疗监控中心发出的报警信息，表明用户心电出现异常，要与医护人员联络进一步观察诊断，则心电监护装置需要发出报警信号提示用户，同样考虑到实际应用中，用户没有观察双色LED的习惯，本实用新型首先驱动蜂鸣器响起，使用户知道有警报信息，然后驱动双色LED灯黄色显示。

处理完成后微处理器继续进入睡眠模式，等待下一次中断唤醒。这样可以极大的降低能耗。

图8是本实施例的初始化子程序流程图。初始化包括：

1)所述微处理器的A/D模块、定时器0、外部中断、SPI模块、IO端口以及所述射频传输模块的初始化。

2)以1KHz的频率对两路心电信号进行采样，并根据信号的幅值大于或小于预设值，编程设置数字电位器MCP42010的阻值，调节二级放大器的增益从而使心电信号有较一致的幅值。

3)设置射频传输模块进入接收模式。

4)开启定时器0中断、外部中断源4中断、外部中断源5中断以及全局中断允许。

图9是本实施例的无线射频发送子程序流程图。其操作流程如下：

1载波侦听，监测射频信道是否空闲

2广播握手请求信号

3进入无线接收模式等待能否接收到应答信号

4根据应答信号中接收设备的无线接收地址，将信息无线发送给监护基站设备或中转设备。其中，若是用户报警信息则连续发送2次，以免无线丢包导致医疗监控中心耽误了对用户的救护。

5设置射频传输模块进入无线接收模式

6返回主程序

特别的，若连续5次以上握手请求信号广播后接收不到应答信号，则驱动蜂鸣器响起且双色LED灯不显示，提醒用户远离了监护区域或此地无线通信暂受阻，应走动到监护区域内去。

综上所述，用户只需随身佩戴一个微型心电监护装置即可实现远程心电监护，并且不会给用户的正常生活带来多大的不便，如同佩戴了一个MP3。而且用户还可以在大范围的监护区域内自由走动。

Claims

1、一种微型实时心电监护装置，其特征在于：所述微型实时心电监护装置包括用于安装在人体监测部位的电极片和用于根据不同电极片之间的电位差得到心电信号，并将心电信号放大滤波等处理后传输到远程医疗中心的心电信号监护装置，所述电极片通过导联线与所述心电信号监护装置连接，所述心电信号监护装置包括：

用于提供所需电源的供电单元；

用于提取所述电极片传感的心电信号，并将其放大滤波处理后连接到A/D转换模块的心电采集与处理单元；

用于控制片上A/D转换模块将心电信号数字化，并控制无线射频传输模块将心电数据输出的控制器单元；

用于将心电数据通过无线的方式直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送给与医疗中心具有网络连接功能的监护基站设备的无线射频传输单元；

所述心电采集与处理单元连接控制器单元，所述控制器单元连接无线射频传输单元，所述心电采集与处理单元、控制器单元和无线射频传输单元均与所述供电单元连接。

2、如权利要求1所述的微型实时心电监护装置，其特征在于：所述微型实时心电监护装置还包括报警器，所述心电信号监护装置还包括：用于根据接收到的告警信息发出开启报警器指令的报警单元，所述报警单元与所述控制器单元连接；所述报警单元连接所述报警器。

3、如权利要求1或2所述的微型实时心电监护装置，其特征在于：所述心电采集与处理单元包括：

用于放大微弱的心电信号的前置放大电路；

用于抑制共模干扰的参考电极反馈电路；

用于二次放大心电信号，以及滤除心电信号中的噪声的二级放大和带通滤波电路；

用于调节二级放大器的放大增益的可控数字电位器；

用于解决心电信号双极性对A/D模块参考电压的要求的基准电压电路；

所述电极片与所述前置放大器连接，所述前置放大电路与所述二级放大和带通滤波电路连接，所述二级放大和带通滤波电路与所述可控数字电位器、基准电压电路连接，所述二级放大和带通滤波电路与所述控制器单元连接。

4、如权利要求2所述的微型实时心电监护装置，其特征在于：所述报警单元包括：用于用户向医疗中心报警求救的用户报警子单元，用于医疗中心向用户发出警告信息的警告用户子单元。

5、如权利要求4所述的微型实时心电监护装置，其特征在于：所述报警单元还包括：用于提醒用户更新电池的低电压报警子单元；用于提醒用户他此时远离了监护区域的远离监护区警告子单元。