CN202207142U - 一种脑部电阻抗图像监护仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脑部电阻抗图像监护仪。该脑部电阻抗监护仪相当于一个电阻抗信号采集器，包括：用于获取头颅表面电信号的一组脑电极，用于将脑电极传来的模拟电信号转换为数字信号的数据采集模块，用于将数据采集模块转换后的数字信号上传到网络上的网络传输与控制接口电路，和用于存储相关数据和实现监护仪的用户身份鉴权的用户识别插件。该监护仪采集到的信号通过网络上传到云端服务器，由云端服务器对该监护仪进行IaaS服务，实现整体计算机控制和图像重构处理。本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪依托于云计算和互联网，设备制造成本和使用成本低，利于普及推广。

Description

一种脑部电阻抗图像监护仪

技术领域

本发明涉及电阻抗图像监护装置，特别涉及一种应用了云计算的脑部电阻抗图像监护仪，利用3G等网络通信手段完成数据传输及图像显示。

背景技术

中国专利《一种用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法及其装置》(ZL03134598.0)公开了一种用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法和装置，其工作原理简述如下：电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人体注入安全电流(电压)，测量体表的电压(电流)来重建人体内部的电阻抗分布图像。

该电阻抗断层成像装置由整体计算机控制的数据采集系统和图像重构系统两大部分组成。以人体头颅为例，在主控计算机的整体控制下，数据采集系统通过与人体紧密接触的脑电极，将采集到的体表测量模拟信号(反映脑内阻抗分布的电信号)经A/D模数转换后，提供高精度数字信号，再由主控计算机依据阻抗图像重构算法建立类似CT扫描图像的人体头颅内部的电阻抗分布图像。

EIT技术具有很多优势，临床试验表明，某些人体组织的生理功能变化能引起组织病理改变(如癌变等)，也能引起组织阻抗的变化，这些信息使得EIT具有功能成像的性质，可作为医疗或监护诊断的判据。由于该技术不使用核射线或X光，对人体无创无害，尤其可适用于患者长时间(几小时到十多天)的图像监护方面，是现有CT、MRI等临床医学成像手段难以做到的。也就是说，EIT是对目前CT、MRI等医学成像设备的一个有力的补充。

相对于CT、MRI等医学成像设备，EIT监护系统结构简单，测量方便，而且技术造价和医疗费用低，一台EIT监护仪价格仅是一台CT的几十分之一。但考虑到一般医院只需配置几台CT，而监护仪是一个床位配置一个，一般就需要配十多台甚至更多。再考虑到CT是通用检查设备，而该监护仪是专用设备。这样，其性价比受到影响，而且购置资金总量也相当可观。如果要普及推广到社区医院，还必须大幅度降低造价和使用成本。

目前的EIT监护仪还是单人单机型，ICU病房医护人员还需要到患者床旁实时观察和诊断。随后还需要将多台监护仪联网或将图像数据上传供医生调阅和存档保存。

实用新型内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不是，提供一种基于云计算及相关设备的脑部电阻抗图像监护仪，将电阻抗的数据采集与数据处理过程剥离开，以实现监护设备的便携化和远程控制，并降低造价和使用成本。

本实用新型的技术方案如下：

一种脑部电阻抗图像监护仪，包括：

1)用于获取头颅表面电信号的一组脑电极；

2)用于将脑电极传来的模拟电信号转换为数字信号的数据采集模块；

3)用于将数据采集模块转换后的数字信号上传到网络上的网络传输与控制接口电路；和

4)用于存储相关数据和实现脑部电阻抗图像监护仪的用户身份鉴权的用户识别插件；

其中，脑电极、用户识别插件、网络传输与控制接口电路分别与数据采集模块连接。

进一步的，上述数据采集模块中具有一个存储了设备身份码的嵌入式单片机。

上述用户识别插件可以是一个同时作为用户权属识别标记授权记录介质、监护仪在开机自检和测量过程中的动态校正数据库、网络数据传输过程中的批处理数据包缓存和离线数据交换介质的可插拔的嵌入式单片机。

本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪将其采集到的脑部电阻抗信号通过网络上传到云端服务器，由云端服务器对该监护仪进行IaaS服务，实现整体计算机控制和图像重构处理。同时，通过与云端服务器网络连接的控制与显示终端来实现操作指令的发送和图像重构处理结果的显示。

本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪用于采集脑部的电阻抗信号，其中脑电极通常是8对，共16个。

本实用新型脑部电阻抗图像监护仪的应用首先需要由提供云计算服务的企业(如公共云)或部门机构(如私有云)提供一个网站或服务器的应用服务。脑部电阻抗图像监护仪具有一个唯一性的设备身份码，其作用如同手机的IMEI号(International Mobile EquipmentIdentity国际移动设备身份码)，该设备身份码已在云计算服务端注册。当监护仪通过3G，WiFi，以太网等网络与云端连接后，由云端提供基础设施即服务IaaS (Infrastructure as aService)，即在操作系统层面将计算基础设施(CPU/内存，存储/操作系统)等以出租的方式在虚拟网络VPN下为监护仪提供患者脑部电阻抗图像监护运行服务。

本实用新型涉及的脑部电阻抗图像监护仪及相关系统的系统框图如图1所示，其中“脑电极”、“数据采集模块”、“用户识别插件”和“网络传输与控制接口电路”构成监护仪，“云端服务器”通过网络(移动互联网或固网网线)与“网络传输与控制接口电路”和“控制与显示终端”连接。整体计算机控制和图像重构算法的运行由云端IaaS提供。在云端提供的IaaS服务支撑下，监护仪完成对患者脑部的电阻抗信号采集，并把模拟信号转换成数字信号，继而通过网络上传到云端服务器，在云端进行图像重构。也就是讲，本实用新型的监护仪已由传统的EIT监护设备演变为依托互联网和云计算的电阻抗信号采集器，其余的信号及图像重构处理，包括成像系统工作流程如：开机、运行图像监护软件系统、安装电极系统及硬件(电极)检测、系统初始化、系统定标直至重构图像、图像后处理、图像显示、打印、存储、监护状态提示、生成报告等都在云端完成。

对于图像监护设备必不可少的图像显示环节，本实用新型的监护仪不再专门设置，而是选用3G智能手机、平板电脑(当然也可以选择PC机或笔记本电脑)直接从云端下载。这些作为标准配置的3G智能手机、平板电脑等显示设备可以不止一台，其中可根据用户授权，利用上述设备通过网络与云端连接，发送对监护仪的开机、停机、调整数据采集参数等指令，从而完成该图像监护系统对患者脑部疾病变化的全程监护过程。

在本实用新型中，传统的EIT监护设备的“整体计算机控制”和“图像重构算法”两个软硬件模块工作过程从原先的单机形式转移到云端服务器上，其工作过程与ZL03134598.0专利所述的基本一致。成像系统工作流程参见：开机后，云端服务器开始运行图像监护软件系统，此时安放电极系统，待系统初始化、定标后，就可以调用图像监护用户界面，还可以选择连续成像，其程序自动进行测量参考数据帧、测量成像数据帧、图像重构、图像显示、处理，直至成像完成。

对于本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪的数据采集模块，其工作流程也是通过云端下传控制的，包括初始化流程、参考数据帧采集流程和成像数据帧采集流程，均可采用ZL03134598.0专利所述的方式进行。

相对于现有的EIT监护设备，本实用新型的监护仪增加了用户识别插件，用户识别插件与数据采集模块连接，其用途包括：(1)作为使用该监护仪合法用户的用户权属识别标记授权记录介质，以保证用户使用权限和监护仪安全运营；(2)作为监护仪的开机自检和测量过程中的动态校正数据库；(3)作为网络数据传输过程中的批处理数据包缓存；(4)作为离线数据交换介质。此外，本实用新型的监护仪还增加了网络传输与控制接口电路，用于连接网络与云端服务器。

本实用新型的监护仪实质上是一个基于云计算的智能数据采集系统。因此，相关的云端服务器要为脑部电阻抗监护正常工作提供如整体计算机控制、图像重构算法等软、硬件操作服务。

上述云端服务器依靠3G，WiFi，以太网等网络与监护仪联线，通过发布控制命令，对监护仪进行脑电极设置，定标，系统初始化；通过监护运行指令，让监护仪进入脑部电阻抗信号采集流程，由该监护仪采集的患者脑部电阻抗信号，以图像数据帧集合上传到云端服务器，由云端服务器对其进行图像重构处理；在监护仪运行期间，还会定时或不定期对该监护仪工作状况进行监控，维护处理，直至患者监护工作告一段落退出运行为止。

上述云端服务器还通过3G，WiFi，以太网等网络与控制与显示终端设备连线，如iphone类智能手机、ipad类平板电脑或者常规PC机、笔记本电脑等。以上控制与显示终端设备，至少一台甚至多台。其中，根据用户使用权限，可以指定其中一台(或其中几台)作为控制与显示终端，其余作为显示终端。

这样，对于控制与显示终端而言，云端服务器一方面接受该控制与显示终端发出的操作指令，并执行之；另一方面将监护仪上传到云端服务器的图像数据帧信息，经重构图像、图像后处理后，再将以上图像数据包发送到控制与显示终端。而单纯的显示终端设备只能接受以上图像数据包并显示之。

一个患者在监护过程中所产生的脑部电阻抗信号数据，经监护仪数据采集后上传到云端服务器。随之进行图像重构处理的数据可按照用户(医生)指令，包括实时图像、监护状态指示、生成报告都可以按时间轴展示并存储在云端服务器上。

本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪及相关系统的工作流程是：网络传输与控制接口电路连接网络，使监护仪与云端服务器联机；同时开启控制与显示终端，按照终端显示的有关云端服务器发出的系统初始化指令(可用文字、图形、声音等形式)由医护人员对患者实施头颅脑电极组安放工作，待医护人员从医学护理角度确认无误后，该监护仪进入正常监护工作程序。

监护仪在云端服务器一系列指令下，完成其作为智能数据采集终端所必须的脑电极设置、定位、定标等参数调整与检查。如果涉及到由于脑电极物理位置安放有误，如接触不良、断线等故障，云端服务器检测到故障信息后，会在控制与显示终端上用声、光、图形、文字等显著信号提示医护人员人工介入与纠正。

当监护仪进入正常脑部电阻抗信号采集工作流程之后，按预先设定的监护方案，逐帧采集数据并上传到云端服务器，其后的数据处理工作由云端服务器完成。在监护过程中，云端服务器也会按预案对监护仪工作状况进行监控、维护，除了对数据采集进行定期、定时校正、纠错，对数据采集参数及时调整之外，如发现有关脑电极组发生物理状态变化以致影响数据采集时，也会及时用声、光、电信号通知医护人员现场介入维护。

综上所述，本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪实质上是一台基于云计算的智能数据采集设备。从云端服务器角度来看，这是一台接入云计算服务的移动终端设备。可想而知，无论是公共云，还是私有云，都有可能接入若干台此类监护仪，如何保证云计算对每台监护仪(实际上是对每个被监护的患者)提供及其针对性的，而且是唯一性的服务，而不致于造成“张冠李戴”的误操作？这就需要固化在该设备中的设备身份码，以保证该监护仪是由合规企业正常生产并出厂的，其次是该监护仪的用户识别插件。

进一步的说明，本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪由生产厂家固化了一个设备身份码，其作用相当于手机的IMEI号。由于该设备身份码已在云计算服务端注册。其注册含义之一就是有关脑部电阻抗图像监护的基础软件，包括监护工作程序、图像数据后处理、图像重构算法等核心软件是由该监护仪设备制造商提供。这样，常规脑部电阻抗图像监护仪(如依照ZL03134598.0专利制造的)的整体计算机控制和图像重构算法等硬件模块、软件模块不再嵌入到本实用新型的监护仪中去(即由“一对一”变成“一对多”，统一放在云端服务器，由云计算本身提供“一对多”服务)。

换言之，只有符合注册要求的本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪(不一定非得一家设备制造商生产)才能入网，才能得到云计算提供的IaaS服务。除此之外，当原始设备制造商要对所生产的监护仪软件升级时，也只有拥有对应设备身份码的监护仪得到在线升级服务。如果用户需要硬件升级或维修服务时，该设备身份码也是必需的。

进一步说明，本实用新型的监护仪还具有一块用户识别插件。首先是作为使用该监护仪合法用户的识别标记、授权记录，以保证用户使用权限和监护仪安全运营。例如，一般通用信息，象生产厂家、产品型号、生产日期，可以放在设备身份码中；但一些用户与生产厂家之间关联信息是需要放在用户识别插件中：以产品等级子系统为例，用户是全额付款购买，还是分析付款购买，或者租赁(按使用计时、计次收费)使用；何时转移设备处置权或者投入使用日期；这些跟踪数据可以保证或落实用户与生产厂家之间合规权益，也为双方规范操作提供数据记录证明甚至措施实施技术特征。

进一步的说明，该用户识别插件还可以作为监护仪的开机自检和测量过程中的动态校正数据库，同时也可以作为网络数据传输过程中的批处理数据包缓存。这是因为该监护仪是依靠与云端服务器之间网络数据双向传输和判决、执行来完成开机自检和测量过程中的动态校正。考虑到云端服务器实质上的分时操作特征和在网络传输过程中数据免不了会丢失重发，这样有可能降低监护仪的数据采集效率。另外，在监护仪正常工作期间，其工作状态大部分时间内是稳定的，参数也是设置过后变动不大，而不再正常时态是小概率时间，所以可以通过在用户识别插件内设置动态校正数据库，让待校正参数先与预留在动态校正数据库内的数据比对，只有超差参数才上传到云端服务器请求进一步处理并执行云端服务器下达的校正指令。

动态校正数据库的数据，除了生产厂家制造时预先设置外，还可以由云端服务器根据现场运行积累的经验数据加以补充或修整。

进一步的说明，还需指出，该用户识别插件还可以增加具体监护对象的个人资料。这样，可以发挥其离线数据交换介质作用：即患者从重症监护室(ICU病房)转移到普通病房时，只需转移其用户识别插件，就可在另一台监护仪上继续工作。当然，如果监护仪在使用中途出了故障，也很方便很快更换一台。

在本实用新型中，由于引进了云计算设计理念，使得原先依据ZL03134598.0专利制造的脑部电阻抗图像监护仪，简化为基于云计算的智能数据采集系统。而医院用户只需要在云端服务器注册，在云计算提供IaaS服务及配置通用控制与显示设备如iPhone、iPad或笔记本电脑的情况下，就可实现现有常规脑部电阻抗图像监护仪全部功能，而且还具备下列特点：

大大降低了设备制造成本——由于只保留了脑电极及数据采集系统，节省了专用计算机硬件和整套包括图像重构算法在内的控制软件配置。不仅设备制造成本大幅度降低，而且整机体积大为减小，实现了小型化、便携化。

大大降低了使用成本——原先是一台设备配一台专用计算机和全套控制软件，现在是转移到云端服务器。这样同类监护仪配置和使用越多，其使用成本就越低。

低成本高可靠实现了多终端、可移动监护，让远程诊断和集中/分散多种监护手段有实施可能——原先的脑部电阻抗图像监护仪虽然做到了床旁监护，但必须到患者床旁观察。如果放在护士办公室集中观察，必须增加专用数据传输设备，包括有线或无线等手段，这样不仅要添置专用设备，还需要现场施工改造。另外也做不到护士随身携带，移动监护。现在通过云计算和移动互联网可以低成本高可靠，实现多终端、可移动监护。至于远程诊断、护士办公室集中观察、主治医生随时了解、分散监护等先进监护手段都不难实现。具体来讲，多一台移动设备，如平板电脑，3G智能手机而已。

综上所述，本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪依托于云计算和移动互联网来实现整体计算机控制和图像重构处理及显示，不仅降低了设备制造成本，减轻了设备使用成本，更有利于普及推广；与此同时，大大减轻了医护人员监护观察劳动强度，甚至今后可以让患者家属了解监护情况，改善医患关系。还有一点不可忽视的是这种监护仪及其工作状况属于低碳环保。

附图说明

图1是本实用新型的脑部电阻抗图像监护仪及相关系统的结构框图。

图2是本实用新型实施例1所使用的基于云计算的脑部电阻抗图像监护系统的结构框图。

具体实施方法

下面结合附图，通过具体实施例对本实用新型及其应用作进一步详细描述。

实施例1

如图2所示，本实施例所使用的脑部电阻抗图像监护仪由以下几部分组成：电极、数据采集模块、用户识别插件和网络传输与控制接口电路。其中：电极由8对16个脑电极组成，脑电极一端按一定间距和高低，围绕患者头颅布置一圈并用医用绑带等辅料固定之，另一端由导线(供16跟)汇成一信号线束，接入数据采集模块；数据采集模块通过接入的脑电极，将采集到的人体头颅体表测量模拟信号(反映了头颅体内阻抗分布的电信号)经A/D模数转换后，提供高精度数字信号；经过网络传输与控制接口电路，将该数字信号接入一3G设备如以iphone为代表的3G智能手机或以ipad为代表的平板电脑，也可以选择带3G上网卡的笔记本电脑，通过3G移动互联网与云计算(包括公共云或私有云都可以)的某个云端服务器连线，同时，该3G设备也作为该图像监护系统的控制与显示移动终端，从而形成一个完整的用于脑部患者的EIT。

为保证本实施例所使用的监护仪能正常接入云计算，该监护仪需具有两个必不可少的环节：一是设备身份码，其工作原理参考手机的IMEI号。在当前还未有相应国家标准时，可由生产厂家先按一定算法由若干位数字或符号组成一个“电子串号”，其内容应体现如设备型号、生产厂家、生产序列等信息，并保证是唯一的，而且被该设备制造生产的厂家所记录。这个“电子号串”存放在该图像监护仪的数据采集模块内的一块嵌入式单片机内。

二是用户识别插件，实际上也是一块嵌入式单片机，只不过在结构上做成一个可插拔的插件。这块嵌入式单片机一般由CPU、程序存储器(ROM)、工作存储器(RAM)、数据存储器(EPROM或EEPROM)、串行通信单元等组成。该插件主要完成两种功能：存储相关数据和实现用户身份鉴权。

上述两个环节，其作用是相辅相成的：作为设备身份码，相当于“入网许可”，允许接入已注册的某个云端服务器。用户识别插件则是作为如何具体使用该监护仪并完成对患者的监护工作。例如：

(1)假定该监护仪是用户购买的，而且对于云计算提供的服务付费也是落实的，那么用户识别插件通过联网自动告之云端服务器进入设备正常运作程序并提供相应的IaaS服务。

(2)假定该监护仪是用户分期付款购买，或者不是联网自己医院的私有云上，需要给云计算商付费。那么当出现付费违约情况时，生产厂家或云计算服务商可查询用户识别插件并采取停机或其它保护措施，直到该用户付清欠费才恢复提供服务。

由于该监护仪必须是联网操作的，所以上述两个环节鉴证、查询和判据都可以由程序设定自动完成，无须人工介入控制。

利用该监护仪直接连接控制与显示移动终端，再通过移动互联网与某个注册的云端服务器联网，构成一个脑部患者EIT图像监护系统。其监护工作过程是：医护人员开机，按照控制与显示移动终端显示的操作导航菜单(导航菜单、可选择声、光显示)指引，完成对患者头颅的电极安放及绑带固定等常规医护工作。同事按医生医嘱，输入相关监护参数，待监护仪完成系统初始化并确认患者电极安放固定无误后，转入患者脑部电阻抗信号采集，经云端服务器进行图像数据后处理之后，在控制与显示移动终端上显示该患者的脑部EIT图像。

在患者监护整个过程中，该监护系统完成按预设监护程序所有操作。相关测量数据以及过程中动态校正数据，一方面自动存储在云端存储器上，一方面以帧图像形式发送到控制与显示移动终端上。此时，如需要多终端监护显示包括医护人员随身携带显示，只要打开相应的平板电脑或3G手机，就可通过3G手机网络下载监护图像。

该系统对监护过程发现的硬件故障(如电极脱落)或者患者出自状态出现高位状态(超出医护人员设定值)会自动发出声、光报警信号，可让医护人员第一时间赶到患者床旁紧急处置。

直至患者监护工作结束，医护人员关闭电源，完成一次监护工作。

实施例2

本实施例的脑部电阻抗图像监护仪基本结构同实施例1，整个监护系统如图1所示，与实施例1相似，其区别在于：

(1)监护仪的网络传输与控制接口电路直接通过网线，如电信的ADSL或者医院内部的局域(以太)网，挂上云端服务器，这样该图像监护仪可视一个外挂的移动终端。

(2)对该监护仪的参数调整及监护工作流程设置等操作通过一台控制与显示终端设备(两者不必有物理连接)实现，该控制与显示终端设备同样外挂在网上(可以通过网线，也可以走移动互联网)。与此同时，可以给这台终端设备授权，让该终端设备起到控制与显示双重功能。授权方式可以将用户识别插件离线交换授权数据，或者在该终端设备上输入授权码。

实施例2的联网方式更适合私有云，一般来讲，目前推广企业、机构自建的私有云比较适合中国国情，也有利防止失密及黑客恶意攻击。

使用实施例2所示的监护系统，进行其监护工作过程同实施例1。

以上内容是结合移动互联网或进户网线(电信ADSL及单位区域网)不同联网物理状态的优选实施方式，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的实质范围内，还可以基于现有技术对本实用新型做若干推演或替换，因此本实用新型的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (4)

1.一种脑部电阻抗图像监护仪，其特征在于，该监护仪包括：

用于获取头颅表面电信号的一组脑电极；

用于将脑电极传来的模拟电信号转换为数字信号的数据采集模块；

用于将数据采集模块转换后的数字信号上传到网络上的网络传输与控制接口电路；和

用于存储相关数据和实现脑部电阻抗图像监护仪的用户身份鉴权的用户识别插件；

其中，脑电极、用户识别插件、网络传输与控制接口电路分别与数据采集模块连接。

2.如权利要求1所述的脑部电阻抗图像监护仪，其特征在于，所述数据采集模块包括一个存储了设备身份码的嵌入式单片机。

3.如权利要求1所述的脑部电阻抗图像监护仪，其特征在于，户识别插件是一个同时作为用户权属识别标记授权记录介质、监护仪在开机自检和测量过程中的动态校正数据库、网络数据传输过程中的批处理数据包缓存和的离线数据交换介质的可插拔的嵌入式单片机。

4.如权利要求1所述的脑部电阻抗图像监护仪，其特征在于，所述脑电极为8对。

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