CN201500113U - 基于gprs无线网和因特网的心电远程监护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于GPRS无线网和因特网的心电远程监护系统，属于人体生理参数检测及电子医疗仪器领域。该系统由病人端心电监护仪和医院端监护工作站组成，病人端心电监护仪通过心电电极提取人体心电信号，该信号通过心电预处理电路处理后送入中央处理器分析处理得到心电数据，该心电数据可以在液晶显示模块上显示。键盘模块能够控制中央处理器通过GPRS模块发送心电数据给医院端监护工作站，医院端监护工作站为一连接到因特网的计算机。该心电监护仪采用便携式设计，心血管病患者可以随时随地的进行心电采集，并在液晶屏上实时显示心电波形。如病人心电异常，心电监护仪能通过GPRS无线通讯网和因特网发送心电信号至医院监护工作站。

Description

基于GPRS无线网和因特网的心电远程监护系统

技术领域

本实用新型是一种基于GPRS无线网和因特网的心电远程监护系统，属于人体生理参数检测及电子医疗仪器领域。

背景技术

随着人们自我保健意识和对医疗服务质量要求的提高，越来越多的人希望能够在家中方便地获得医务人员对心血管疾病的专业监护。目前的心电远程监护系统多单独采用电话网、无线网或Internet网，其应用都有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种可应用于社区医疗的基于GPRS无线通讯网和因特网的家庭心电远程监护系统，该系统能够满足在社区范围内进行心电实时监护的需要。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。该系统由病人端心电监护仪和医院端监护工作站组成，所述的病人端心电监护仪包括心电电极、心电放大预处理电路、中央处理器、GPRS模块、键盘电路、液晶显示电路和电源管理电路，心电电极与人体相接触，提取人体的心电信号，该心电信号通过心电预处理电路处理后送入中央处理器进行分析得到心电数据，中央处理器与液晶显示模块相连，将心电数据送至液晶显示模块显示；所述的键盘模块和GPRS模块均与中央处理器相连，键盘模块上的按键能够控制中央处理器通过GPRS模块发送心电数据给医院端监护工作站；所述的医院端监护工作站为一连接到因特网的计算机。

所述的键盘模块包括选择键、确认键、波形调整键和检测键；选择键被按下时，能够从液晶显示器上进行功能选择，确认键被按下时执行选择键所选择的功能；波形调整键被按下时，能够调整液晶显示器上显示的心电波形幅度大小；检测键被按下时，中央处理器将心电数据传送给医院端监护工作站。

心血管病患者可以通过佩戴一个便携式的心电监护仪，在家中实时采集心电数据，在需要时连接到网络，上传心电数据至社区医院监护中心，由医护人员对其心电信号进行监测和诊断，以实现对心血管疾病突发情况的预防和及时救治。此监护系统适用于家庭和社区的心电远程监护。

附图说明

图1：心电监护仪结构图

图2：心电监护仪软件流程图

图3：心电工作站监护软件流程图

图4：心电监护仪中信号预处理电路图

图5：心电监护仪中电源部分原理图

图6：心电监护仪中其它接口原理图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

该系统由病人端心电监护仪和医院端监护工作站组成。心电监护仪采用便携式设计，心血管病患者可以随时随地的进行心电采集，并在液晶屏上实时显示心电波形。如病人心电异常，心电监护仪能通过GPRS无线通讯网和因特网发送心电信号至医院监护工作站。监护工作站采用高性能微机，其中的监护软件自行设计，它将自动检索病人基本信息，并对接收到的心电数据进行实时显示和自动分析，如果出现异常，会发出警报提示医生及时处理，实现心电信号远程实时监护。

本实施例中心电监护仪由心电电极、心电放大预处理电路、中央处理器、GPRS模块、键盘电路、液晶显示电路和电源管理电路组成。心电电极与人体相接触，提取人体的心电信号并通过心电预处理电路处理后送入中央处理器进行分析处理。若病人心电异常，中央处理器将通过GPRS无线模块发送心电数据到社区医院监护工作站，供医生及时诊断处理。

本实施例中的中央处理器选用的是MSP430单片机，心电监护仪通过电极从人体取得的心电信号，经过模拟放大、滤波处理之后进入MSP430单片机，利用单片机内部的ADC12模数转换器对模拟心电信号进行模数转换，并且将采集到的心电波形送到液晶显示器上显示。当患者感到心脏不适时，可按下按键，启动无线模块发送采集到的心电波形到社区医院监护中心工作站，供医生进行实时监护和诊断。

心电监护仪硬件结构如图1所示，以MSP430单片机为核心，包括心电信号的放大滤波预处理电路，液晶显示器(LCD)及键盘、电源模块和无线通信模快等外围电路。

心电监护仪中放大滤波电路如图4所示，它由前置放大电路、主放大电路、低通滤波器、电平提升电路和导联脱落报警电路组成。电路使用了1片8脚IC放大电路芯片AD620，2片14脚IC放大电路芯片LM342。从人体体表采集的心电信号是微弱的，一般人体体表心电信号的峰值大约为1mV，频率主要集中在0.05-100Hz，中心频率约为17Hz，是一种低频率的微弱双极性信号。从人体采集的信号中除心电信号外还包含许多较强的干扰和噪声，主要有50Hz工频干扰。在实际应用中，为了避免电路的振荡，一级放大电路的增益通常不要超过100倍。我们将放大电路分成两级，第一级放大电路采用AD620，AD620是一种低功耗、高精度仪表放大器，它可用一只外部电阻调节放大倍数。根据AD620的放大倍数计算公式 $A_1=\frac{49.4\mathrm{K\Ω}}{R}+1$ 可计算出第一级的放大倍数，其中R为AD620引脚1和8之间的电阻阻值，在我们的电路中为R103与R104的阻值之和，(R103＝750Ω，R104＝750Ω)，根据公式计算得出第一级放大倍数约为34倍。我们用信号发生器在第一级输入端输入20Hz，峰峰值为20mV的正弦信号，在第一级输出端可检测到20Hz，峰峰值为0.72V的正弦信号，约放大了35.5倍，基本符合理论值。第二级放大电路采用LM324来实现，我们在第二级放大电路的输入端输入20Hz，峰峰值为20mV的正弦信号，在第二级输出端测得20Hz，峰峰值为892mV的正弦信号，约放大了45倍。整个心电放大电路放大倍数约为1530。由于心电信号中心频率约为17Hz，因此我们只需要采集40Hz以内的信号便可监护心电信号的主要特征及判断其异常情况。而且通过40Hz的低通滤波，也可过滤掉50Hz工频干扰及高频信号的影响。由于MSP430单片机的内部A/D模块只能对0-3.3V的信号进行转换，所以需要对双极性的心电信号进行电平转换，使其波形处于正区间，因此，需要设计电平提升电路来提高心电信号的电压。另外，便携式心电监护仪是患者随身携带的仪器，导联线很容易脱落，这将引入很大的干扰，导致心电波形畸变，使得心电监护仪难以输出实际波形，从而导致对心电信号的错误判断，影响诊断结果。因此我们设计了导联脱落电路，电路中使用1片14脚IC芯片LM324，以达到导联脱落时的报警提示作用。通过心电放大器放大的心电信号同时被送入导联脱落电路进行检测，判断电压是否在导联脱落范围之内，如若超出正常范围则报警导联脱落。我们选择红色指示灯提示导联脱落，当导联脱落时，指示灯会亮起。

心电监护仪通过GPRS无线模块接入因特网。GPRS网络覆盖面广，能扩大病人的活动范围；并且GPRS数据传输速度快，安全性高，可靠性强，能保证心电数据传输的实时性和准确性。GPRS模块采用西门子公司的GSM/GPRS无线模块MC55，它是当今市场上尺寸最小的三频模块，其紧凑型设计特别适用于便携式设备。该模块体积小，功耗低(峰值电流450mA)，控制简单，内置AT指令集、TCP/IP协议。它提供一个50管脚的零插入(ZIF)连接器，该连接器中包括了电源接口、串行接口、音频接口、SIM卡接口等几个子接口，可以通过这些接口分别与SIM卡座、天线及主控制器相连。MC55模块可以快速可靠地实现数据和语音传输、短消息以及传真服务等无线通讯功能。

心电监护仪软件流程如图2所示。软件开始运行后进行心电数据的采集、显示，一旦病人感觉不适(心电异常)，可通过按键触动GPRS模块发送心电信号至社区医院监护工作站。监护工作站为一台连接到Internet的具有公网IP的高性能PC机，其软件流程如图3所示。该PC运行软件不断监听来自心电监护仪的连接请求，当有用户连接时，首先通过用户手机号在病例库中检索病人基本信息，然后将心电数据存入缓冲区，经过处理后在屏幕上显示出心电波形。

心电监护仪采用+3.7V锂电池供电，也可用+9V直流电源供电。由于MSP430单片机以及相应数字部分的器件采用低电平，所以需要设计为+3.3V电源供电，监护仪中放大滤波电路采用的运算放大器是±5V电源供电，因此，我们需要把供电电压转换成+3.3V、+5V和-5V，以供给MSP430单片机及其模拟、数字电路，电源电路如图5所示。

当我们采用+9V直流电源供电时，我们需要把+9V的电源转换成+3.3V、+5V和-5V，以供给MSP430单片机及其模拟、数字电路。在设计此电源管理模块时，我们采用MAXIM公司的产品MAX639、MAX860和NS公司的产品LP2985。MAX639是一般用于便携式设备和手持终端的电源管理芯片，可以将+9V的电源电压转换至+5V，供运算放大器LM324使用。MAX639的输入范围是4V至11.5V，同时器件自动输出+3.3V电压，用户可以通过调整，将输出电压调整为1.3V至输入电压，设计中将其输出电压调至+5V。MAX860可以将输入范围在+1.5V至+5.5V的电压对等的转换为相应的负电压(即-5.5V到-1.5V)，或者将输入范围为+2.5V至+5.5V的电压变换为双倍输出，在本设计中应用其可输出负压的功能，即将+5V转换为-5V的电压。MAX860的高电压转换频率使得其外部只需要两个电容就能实现电压转换功能，其转换效率超过90％，典型工作电流仅为200μA，为电源供电系统提供了理想的选择。LP2985是输出电流为150mA，固定输出的电压调整器，提供超低失调和噪声电压，关闭时静态电流小于1μA，输出电压的准确率高，峰值电流的负载大。LP2985最大可输入的电压为16V，输出电压的范围在2.8V～5.0V。本电路中LP2985输入电压为+9V，输出电压为+3.3V。当我们采用锂电池供电时，需要将+3.7V的电压转换成+3.3V、+5V、-5V，以供给MSP430单片机。在设计此部分电源管理模块时，我们采用了凌特公司的电源管理芯片LTC3441和LT1613。LTC344是一款高效率、固定频率的降压-升压型DC/DC转换器，它能在输入电压高于、低于或等于输出电压的条件下进行高效操作。该IC所采用的设计拓扑结构可通过所有操作模式提供一个连续转换，在突发模式操作状态下，静态电流仅为25μA，符合本系统的低功耗设计。本设计中LTC344输入电压为+3.7V，输出电压为+3.3V。LT1613是业界第一个采用5引脚SOT-23封装的电流模式DC/DC转换器。它针对小型、低功率应用。得益于它的小尺寸和高开关频率，用户仅需小于0.2平方英寸的印刷电路板面积就能实现完整DC/DC转换器功能。本设计中LT1613输入电压为+3.3V，输出电压为+5V。

心电监护仪数字电路部分集成了键盘模块，LCD显示模块、串口通信模块、JTAG模块，能够完成心电信号显示、发送等功能，各接口部分的电路如图6所示。键盘是人机对话的输入设备，通过功能按键来选择菜单条目，执行对应的功能。本监护仪采用了菜单方式的显示界面。为了节省MSP430的I/O口资源，我们采用了行列扫描式键盘，键盘使用P1.1～P1.7共7根口线12个按键，键盘为3×4格局，P1.1、P1.2、P1.3为行线，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7为列线。列线分别由上拉电阻上拉到VCC，在行线与列线的每个交界处有一个按键，按键的两端分别接在行线和列线上。目前只用到4个按键，分别为确认键、选择键、波形调整键及检测键，其余为今后功能扩展所预留。

为了提供友好的人机界面，采用点阵式液晶显示器显示菜单和心电波形。本系统中选用的RT12864CT点阵式液晶显示器(LCD)具有体积小、质量轻、功耗低等优点。液晶显示器RT12864CT是一个128×64点阵显示模块，外形尺寸为54.0mm×50.0mm×7.5mm，STN黄绿模式，EL背光，可以显示图形和文字。液晶显示器通过液晶显示控制器KS0108B与MSP430单片机直接相连，接收MCU的指令，完成显示功能。液晶显示器具有8位标准数据总线，6位控制线以及电源线，背光亮度可以通过电位器来调节。系统中所使用的RT12864CT液晶显示器内置有DC/DC转换模块，所以不用另外发生调节液晶对比度所需的负压，直接从电源分压即可得到驱动LCD所需的电压值。

心电监护仪通过RS-232串口，实现了与无线模块的串行通讯。MSP430单片机和MC55模块通信，需要MSP430串行输出的CMOS电压转换为标准的RS-232-C逻辑电平。由于MSP430的信号电平只有3.3V，所以不能使用一般的MAX232芯片进行电平转换，必须选用MAXIM公司新推出的3.3V逻辑电平转换芯片MAX3232来完成电平转换。MAX3232芯片是MAXIM公司生产的收发两用接口，它可以进行CMOS电平与标准RS232电平之间的转换。把3.3V的逻辑电平转换为RS-232-C的逻辑电平，使用数据收发线和地线进行通讯。MAX3232是工作电压3.0V-5.5V的RS232收发器，与标准的MAX232兼容。

我们对本监护系统进行了如下测试：首先心电监护仪通电后将在液晶屏上显示欢迎菜单，按下确认键，出现主菜单，询问是否开始采集心电，默认为“否”，如果按下选择键，选择“是”，则系统开始进行心电采集，屏幕上显示的是检测到的心电信号，此时按下波形调整键，可以调整波形大小。当病人感觉不适时，按下检测键，触动GPRS模块发送病人手机号和心电数据到医院接收端监护工作站。

为了进一步验证系统传输心电信号的有效性和准确性，我们还对心电监护系统进行了远程数据传输实验。心电监护仪外接心电信号发生器，心电信号发生器产生各种心电信号，心电监护仪通过GPRS无线通讯网和Internet网把心电信号发送到监护工作站，比较监护仪发送端与工作站接收端的心电信号波形与参数，结果如表1所示，可见工作站端检测到的心率参数基本与心电信号发生器产生的心电信号参数一致。测试结果表明：本心电监护系统工作稳定，能实现心电信号的远程实时传输与监护。

表1心电数据传输结果比较

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											发送端心率(次/分)	130	120	110	100	90	80	70	60	50	40
接收端心率(次/分)	132	121	110	99	90	80	71	60	50	39

Claims (2)

1.基于GPRS无线网和因特网的心电远程监护系统，其特征在于：该系统由病人端心电监护仪和医院端监护工作站组成，所述的病人端心电监护仪包括心电电极、心电放大预处理电路、中央处理器、GPRS模块、键盘电路、液晶显示电路和电源管理电路，心电电极与人体相接触，提取人体的心电信号，该心电信号通过心电预处理电路处理后送入中央处理器进行分析得到心电数据，中央处理器与液晶显示模块相连，将心电数据送至液晶显示模块显示；所述的键盘模块和GPRS模块均与中央处理器相连，键盘模块上的按键能够控制中央处理器通过GPRS模块发送心电数据给医院端监护工作站；所述的医院端监护工作站为一连接到因特网的计算机。

2.根据权利要求1所述的基于GPRS无线网和因特网的心电远程监护系统，其特征在于：所述的键盘模块包括选择键、确认键、波形调整键和检测键；选择键被按下时，能够从液晶显示器上进行功能选择，确认键被按下时执行选择键所选择的功能；波形调整键被按下时，能够调整液晶显示器上显示的心电波形幅度大小；检测键被按下时，中央处理器将心电数据传送给医院端监护工作站。

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