專利名稱：數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及了一套使用數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)絡和英特網(wǎng)技術進行通訊的數(shù)字化動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)。
背景技術：
在現(xiàn)代社會，心血管疾病的發(fā)病率處于上升的趨勢。同時，隨著人們保健意識的提高，對醫(yī)院的疾病檢測手段的要求也越來越高。對于心臟疾病，心電圖儀作為重要的心電數(shù)據(jù)采集記錄設備，其地位越來越重要。如何最大效能的利用儀器采集分析心電數(shù)據(jù)是醫(yī)療和科技人員都在努力探討的課題。
現(xiàn)有最普通的做法是醫(yī)院使用臺式心電圖儀記錄病人的心電圖，但是這樣必須要求病人在醫(yī)院臥床，而且不能夠記錄病人在運動時的心電數(shù)據(jù)。便攜式動態(tài)心電圖儀不要求病人在醫(yī)院臥床，但是監(jiān)護人員只能在事后對病人送交的儀器上的數(shù)據(jù)進行分析，不能夠?qū)崟r的對病人進行監(jiān)測。特別是一些突發(fā)的心臟事件，如心絞痛、心肌梗塞、惡性心率失常，以及一些心臟間歇性發(fā)作的癥狀，醫(yī)護人員很難及時的得到病人的準確的心電數(shù)據(jù)。國內(nèi)外有使用固定電話線來傳輸病人的心電數(shù)據(jù)的做法，也不能得到運動心電圖；如病人在外地，昂貴的長途電話通訊費用也成為病人的負擔，同時醫(yī)院作為數(shù)據(jù)接收方必須申請大量的電話號碼來接收病人上傳的數(shù)據(jù)，嚴重影響了同時監(jiān)控的病人的數(shù)量，中心也不能通過終端給于病人救助指導。另如某心臟監(jiān)護終端與病人的手機配合時使用，通過撥號連接到醫(yī)院的數(shù)據(jù)中心，這樣的做法是使用手機來代替固定電話線，其忽略了長時間使用手機產(chǎn)生的巨額費用問題。另外心電圖儀與不同型號的手機的接口問題也是這類設備所遇到的技術難題。另有便攜式心電圖儀采用公用無線電頻段向醫(yī)院發(fā)送心電信號，但是這樣的做法抗干擾能力弱，傳輸距離小，通常只有幾百米。另如某心臟監(jiān)護終端，使用了藍牙技術與手機接口，同樣不可避免的有與不同手機進行應用層協(xié)議接口的問題，而且該終端使用時必須和手機配合使用，需要人工開啟手機的藍牙功能，使用繁瑣；終端在發(fā)現(xiàn)異常心電信號是不能自動開啟傳輸數(shù)據(jù)；不能做到監(jiān)控中心對終端運行狀態(tài)的控制以及語音對話和定位功能。因此，現(xiàn)有的大部分便攜式心電儀僅僅是一個單向的心電數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的工具，不能夠做到使病人和監(jiān)護中心能夠進行雙向報警和聯(lián)系，如果病人發(fā)生急性心臟病，救護人員也無法主動得到病人的位置信息，束手無策。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種兼有動態(tài)心電監(jiān)控、小巧、使用方便、費用低廉、不受距離限制、雙向報警與控制、實時定位的特點的心電監(jiān)護系統(tǒng)。其包含病人隨身攜帶的便攜式終端和固定的監(jiān)護中心兩部分。固定的監(jiān)護中心由連接在英特網(wǎng)上的電腦、監(jiān)護軟件、監(jiān)護人員以及電話組成。監(jiān)護中心作為服務器中心，起到了數(shù)據(jù)收集、顯示和控制終端的功能(圖1)。發(fā)明的核心部分是病人隨身攜帶的便攜式終端。該終端的主要功能有(圖7、8、9、10)動態(tài)心電信號的即時顯示、心電信號數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心的無線傳遞、心電異常的情況下向病人和監(jiān)控中心自動報警、建立病人與監(jiān)控中心的語音對話聯(lián)系、接受來自監(jiān)控中心的控制信息繼而調(diào)整運行狀態(tài)。終端采用鋰電池供電，通過導聯(lián)線采集終端使用者的原始心電信號，將心電信號數(shù)字化，并在液晶顯示屏上顯示出心電波型圖，同時通過高頻無線電發(fā)送到遠程監(jiān)護中心。終端使用者可以通過按鍵來設定定時發(fā)送，或在終端檢測到異常心電信號時自動發(fā)送，并發(fā)出警報聲和光。終端可以根據(jù)監(jiān)控中心傳來的信號，向使用者發(fā)出警報聲，并控制終端運行狀態(tài)。另外，終端可以主動發(fā)起向監(jiān)控中心的電話呼叫；監(jiān)控中心也可以主動發(fā)起電話呼叫。
本發(fā)明的顯著的使用特點是第一，能夠動態(tài)的、連續(xù)的采集和向監(jiān)控中心傳遞終端使用者的心電數(shù)據(jù)，凡是有數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)絡的地區(qū)，都可以使用該終端，不受地域的限制。比如，監(jiān)控中心在上海，而病人在北京的情況，監(jiān)控中心完全能夠提供如同病人在上海一樣的監(jiān)控服務。第二，病人或者監(jiān)控中心都能夠主動建立與對方的語音對話聯(lián)系，在緊急情況下使病人獲得必要的救助指導。第三，終端在微處理器的控制下，在自動檢測到使用者的異常心電信號時自動的向中心發(fā)送心電數(shù)據(jù)。最后，監(jiān)控中心能夠?qū)κ褂弥械慕K端根據(jù)需要調(diào)整其運行狀態(tài)，如需要監(jiān)控哪個導聯(lián)信號，預定終端在什么時候開始自動監(jiān)控，命令終端報警等，方便了重要數(shù)據(jù)的及時按需收集和警示；能夠向監(jiān)控中心提供數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)絡定位功能，極大的方便了在急性心臟病發(fā)作的情況下對病人的現(xiàn)場搜尋救助。
終端使用者可以選擇只通過液晶顯示心電波、發(fā)送心電波、異常情況下發(fā)送心電波三種工作模式。這三種模式具有不同的耗電量、通訊費用不同的特點，用戶可以根據(jù)需要選擇經(jīng)濟實用模式。終端的通訊費用主要為GPRS數(shù)據(jù)流量費用(GPRS包月制)，大大低于使用固定或移動電話撥號建立通訊的方式。
便攜式終端體積不超過手掌大小，物理外表包括按鍵、液晶顯示屏、電池和電池槽、擴音器窗口、拾音器窗口、心電導聯(lián)線接口。終端內(nèi)部由心電信號采集模塊，數(shù)字信號處理系統(tǒng)，數(shù)字式蜂窩移動通信模塊三大模塊組成，這些模塊依次順序相連(圖2)。其中，心電信號采集模塊包括了心電導聯(lián)線，心電信號通道的選擇模塊，心電信號抽取模塊，心電信號濾波和心電信號放大處理模塊，這些模塊依次順序相連；通道的選擇模塊還通過控制信號線連接到微處理器(圖2)。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的核心為微處理器，其作為便攜式終端的大腦，直接連接心電信號數(shù)字化模塊，數(shù)據(jù)存儲器，液晶顯示模塊，按鍵；同時微處理器還通過控制信號線連接到心電信號通道的選擇模塊，通過數(shù)據(jù)與控制信號線連接到無線信號發(fā)射與接收模塊(圖4)。數(shù)字式蜂窩移動通信模塊以無線信號發(fā)射與接收器為中心，集成了TCP/IP協(xié)議棧，并連接了天線，揚聲器，拾音器，客戶識別模塊(SIM卡)，并且與微處理器相連接(圖6)。
終端工作原理為首先由導聯(lián)線將原始的心電信號傳遞到通道的選擇模塊。通道的選擇模塊由電阻網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡的模擬開關芯片組成。根據(jù)標準12導聯(lián)心電信號組合法，通過模擬開關通道的選擇，在把信號傳遞到心電信號抽取模塊。心電信號抽取模塊主要是一塊高共模抑制比的儀器放大器，其將兩個電極信號的電壓差抽取并放大成為波型信號傳遞到心電信號濾波模塊。心電信號濾波由RC高通濾波器，有源RC低通濾波器組成。心電信號放大處理由運算放大器組成，其將心電信號放大到較大水平，傳遞給心電信號數(shù)字化模塊。心電信號數(shù)字化模塊是一枚A/D轉(zhuǎn)換器。微處理器定時(每秒200次)將心電數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器中抽取出來，存放在數(shù)據(jù)存儲模塊中。當心電數(shù)據(jù)累計達到一千字節(jié)時，微處理器對數(shù)據(jù)進行壓縮后將其發(fā)送到無線信號發(fā)射與接收模塊。同時，微處理器還要響應按鍵信號，將心電波型在液晶屏上顯示出來；檢查心電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常情況時，通過揚聲器發(fā)出警報；通過數(shù)字式蜂窩移動通信模塊接收監(jiān)控中心發(fā)來的控制信號；控制數(shù)字式蜂窩移動通信模塊，與監(jiān)控中心建立語音連接。(圖7)
終端與無線信號發(fā)射與接收模塊之間的通訊采用串行控制協(xié)議。終端通過利用機內(nèi)微處理器控制無線信號發(fā)射與接收模塊(通信模塊)，建立與數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)絡(GSM或者CDMA)的連接，并且微處理器使用通信模塊提供的指令，進一步利用數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)絡提供的物理層協(xié)議(GSM/GPRS或CDMA/1X)連接到英特網(wǎng)上。一旦建立了與英特網(wǎng)的連接，就保持長期在線的狀態(tài)，將使用者的心電數(shù)據(jù)實時的傳遞到通信模塊，再由通信模塊通過英特網(wǎng)協(xié)議(IP)，以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到監(jiān)控中心的電腦上。這里，微處理器的重要任務之一是控制通訊芯片，建立與英特網(wǎng)的連接，同時密切監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)，根據(jù)控制數(shù)據(jù)調(diào)整終端的工作狀態(tài)。微處理器的工作流程由(圖7)描述。當終端用戶通過按鍵發(fā)出通話指令時，微處理器要控制通訊芯片建立與監(jiān)控中心的電話連接，并由通訊芯片負責控制拾音器和揚聲器。監(jiān)控中心的電腦在接收到病人的實時心電數(shù)據(jù)后，將心電數(shù)據(jù)還原成心電波型圖顯示出來。終端和監(jiān)控中心可以互相通過英特網(wǎng)協(xié)議(IP)發(fā)送報警信息，即時對方以圖型或聲音的形式表示出來(圖8，9)。監(jiān)控中心也可以通過英特網(wǎng)協(xié)議(IP)向終端發(fā)送控制信息，調(diào)整終端的運行狀態(tài)(圖9，10)。這里，在進行英特網(wǎng)通信的時候，終端采用的是基于IP協(xié)議的UDP協(xié)議，也可以采用TCP協(xié)議。由于使用的是數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)絡，通訊芯片必須配套使用數(shù)字蜂窩移動通訊公司的SIM卡。


圖1數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)總體操作流程結構2數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)便攜式終端簡化原理模塊方框3數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)心電信號采集模塊簡化原理模塊方框4數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)微處理器系統(tǒng)簡化原理模塊方框5數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)無線信號發(fā)射與接收模塊簡化原理模塊方框6數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)便攜式終端簡化線路原理7數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)微處理器工作流程8數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)終端使用者發(fā)送設置流程9數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)終端響應監(jiān)控中心控制流程10數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)建立電話連接流程圖具體實施方式
本發(fā)明的總體使用布局如圖1所示。病人攜帶終端，通過數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)作為載體，連接到英特網(wǎng)；終端將采集下來的心電信號，使用基于IP網(wǎng)絡協(xié)議的UPD或TCP網(wǎng)絡通訊協(xié)議發(fā)送到英特網(wǎng)上。監(jiān)控中心的電腦同時也連接到英特網(wǎng)，實時的監(jiān)控從英特網(wǎng)上發(fā)過來的心電數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心的電腦也能夠使用同樣的方式將控制信號發(fā)送到終端，終端根據(jù)控制信號做出相應的動作，如是否發(fā)送心電數(shù)據(jù)，發(fā)送哪個導聯(lián)的心電數(shù)據(jù)，發(fā)出警報聲等。當有必要時，病人或者監(jiān)控中心的操作人員都可以通過數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)與對方通話。
監(jiān)控中心主要由一臺使用Intel芯片的高檔家用電腦組成。該電腦配備了以太網(wǎng)卡，ADSL上網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器，連接到英特網(wǎng)上。電腦使用Windows 2000操作系統(tǒng)，同時運行了自行編寫的圖形化心電數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件。該軟件監(jiān)聽特定UDP/TCP端口，接受從英特網(wǎng)上發(fā)向本機的心電數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心操作員還可以通過該軟件向終端發(fā)送控制信息。這里，便攜式終端必須事先知道監(jiān)控中心電腦的IP地址；監(jiān)控中心可以通過從終端發(fā)來的數(shù)據(jù)包中得到終端的IP地址。
便攜式終端是本發(fā)明的核心部分，圖6較為詳細的描述了其內(nèi)部電路構造。我們在本說明書前半部分提到的終端各個功能模塊，在圖6都有特定的電路實現(xiàn)?，F(xiàn)在以圖6為基礎，對本發(fā)明的便攜式終端的實現(xiàn)方法進行詳細的介紹。
首先，終端使用者通過9條心電導聯(lián)線(C1，C2，C3，C4，C5，C6，L，F(xiàn)，R)，將原始的心電信號輸入終端。這些導聯(lián)線首先進入各自獨立的以U5位代表的電壓跟隨器(TI公司運算放大器OPA336)，實現(xiàn)與外部的隔離。讓后9條信號線進入3個模擬開關(TOSHIBA公司的4051，4052，4053)，被選通和組合為兩條信號線，從4052輸出。3個模擬開關的通道選擇又受到串行移位寄存器的控制(TOSHIBA公司的4094)。這就是心電信號通道的選擇模塊。
從4052輸出的兩條信號被送入儀器放大器U1(TI公司的INA114)進行差分放大。從U1通過2個電阻引出的信號線中心電位通過電壓跟隨器U4(TI公司的OPA336)輸出到終端使用者的右腿。這就是心電信號抽取模塊。
從U1輸出的心電信號，進入了由運算放大器U2(TI公司的OPA234)和其前后的若干電阻和電容組成的心電信號濾波模塊，進行二階低通和一階高通濾波，然后輸入U3。
輸入運算放大器U3(TI公司的OPA234)的信號，被進一步的放大和低通濾波，最終變?yōu)榭梢詳?shù)字化的心電信號。這就是心電信號的放大模塊。
從U3輸出的信號，進入8位A/D轉(zhuǎn)換器(TI公司的TLV0834)，被轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號。這就是心電信號數(shù)字化模塊。
以ATMEL公司的微處理器AT89S8253為核心的芯片，TLV0834(TI公司)，AT25F512(ATMEL公司)，LMS0192A(深圳TOPWAY Technology公司)組成了微處理器系統(tǒng)。AT25F512作為存儲模塊，存放采集到的心電數(shù)據(jù)；LMS0192A是點陣式液晶模塊。TLV0834，AT25F512，和心電信號通道的選擇模塊的4094的CLK，DI，SO同時連接到微處理器的P1.5，P1.6，P1.7上，由各自的CS選通信號控制，與微處理器進行串行通訊；P1.0，P1.1，P1.2就是選通信號線。
微處理器的P0和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7與液晶模塊LMS0192A相連，控制液晶顯示。其中P0口與液晶模塊的數(shù)據(jù)口D0-D7連接；P2.4與CS1片選心號連接；P2.5與R/W讀寫控制信號連接；P2.6與E使能控制連接；P2.7與A0狀態(tài)控制連接。
微處理器通過P3口與數(shù)字式蜂窩移動通信模塊PIML-900/1800(CENTEL公司)連接。PIML-900/1800由于有內(nèi)嵌式TCP/IP協(xié)議棧，簡化了電路實現(xiàn)。微處理器P3口分別連接PIML-900/1800的串行通信口連接，分別是TXD1，RXD1，RI1，DSR1，CTS1，DCD1，RTS1，DTR1數(shù)據(jù)線。PIML-900/1800接收其自定義的AT指令集，可以傳送TCP、UDP指令和電話控制指令等。
數(shù)字式蜂窩移動通信模塊PIML-900/1800的外圍接有天線，拾音器，揚聲器和SIM卡。其中SIM卡(客戶識別模塊)購買于中國移動通信公司。
利用數(shù)字式蜂窩移動通信的定位功能，中心監(jiān)控人員可以使用普通手機，查詢終端所處的區(qū)域。
微處理器的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3與輕觸開關連接，獲得使用者的按鍵事件。
便攜式終端中微處理器的工作流程(圖7)是首先通訊模塊在微處理器控制下，建立與英特網(wǎng)的連接。同時，微處理器通過A/D采集心電信號，并且保存在存儲器中，并以一定的時間間隔(如5秒鐘)，使用AT指令向通訊模塊傳遞。通訊模塊自動的將數(shù)據(jù)發(fā)往指定的監(jiān)控中心電腦的IP地址。微處理器同時也使用AT指令命令通訊模塊接收監(jiān)控中心電腦發(fā)來的數(shù)據(jù)包，并接收到微處理器中(圖8，9)。終端使用者還可以通過按鍵，通知微處理器去控制通訊模塊，建立與監(jiān)控中心的語音電話連接；監(jiān)控中心的電話也可以對通訊模塊進行電話呼叫，通訊模塊發(fā)出鈴聲，并將信號傳遞到微處理器，最終由終端使用者通過按鍵決定是否接聽電話(圖10)。
便攜式終端中微處理器還對采集到的心電數(shù)據(jù)進行簡單的分析，對明顯的突發(fā)性心臟事件，如心臟停跳，控制揚聲器發(fā)出警報聲，或者自動向監(jiān)控中心發(fā)送心電數(shù)據(jù)(圖8)。
便攜式終端使用塑料外殼，內(nèi)附金屬屏蔽層，使用市面上供應的手機鋰電池供電。
權利要求
1.數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征是將數(shù)字式蜂窩移動通信模塊與數(shù)字化微型心電信號采集器集成為一臺終端，使用數(shù)字式蜂窩移動通信網(wǎng)提供的訪問英特網(wǎng)的功能(如GSM/GPRS或CDMA/1X)，將終端和同時在英特網(wǎng)上的監(jiān)控中心連接起來，在兩者之間使用英特網(wǎng)協(xié)議(IP協(xié)議)進行數(shù)據(jù)和控制信息交換，同時終端響應遠程控制信號，并利用數(shù)字式蜂窩移動通信模塊的電話功能建立終端和監(jiān)控中心語音對話。
2.如權利要求1所述的數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于心電信號采集模塊包括了心電導聯(lián)線，心電信號通道的選擇模塊，心電信號抽取、濾波和放大處理模塊。其中心電信號通道的選擇模塊受到微處理器的控制。
3.如權利要求1所述的數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于終端主要包括了心電信號采集模塊，數(shù)字信號處理系統(tǒng)，數(shù)字式蜂窩移動通信模塊；遠程監(jiān)護中心主要由連接在英特網(wǎng)上的計算機組成。
4.如權利要求1所述的數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于終端中的數(shù)字信號處理系統(tǒng)包括了心電信號數(shù)字化模塊，微處理器，液晶顯示模塊，按鍵，數(shù)據(jù)存儲器。其中，微處理器還控制各個心電導聯(lián)信號的選通和數(shù)字式蜂窩移動通信模塊。
5.如權利要求1所述的數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于終端中的微處理器控制數(shù)字式蜂窩移動通信模塊，使用終端中內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議棧及英特網(wǎng)通訊協(xié)議(IP協(xié)議)，與監(jiān)控中心的電腦進行心電數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
6.如權利要求1所述的數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于微處理器在收到來自監(jiān)控中心的控制命令后，改變微處理器對數(shù)字式蜂窩移動通信模塊、心電信號通道的選擇模塊、液晶顯示模塊、揚聲器和拾音器的控制狀態(tài)，并且啟動或停止數(shù)據(jù)收發(fā)。
7.如權利要求1所述的數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于由終端的微處理器直接控制數(shù)字式蜂窩移動通信模塊，與遠程監(jiān)護中心的電話建立語音電話連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種數(shù)字式遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)。其包括便攜式心電信號采集、顯示和發(fā)送終端，和遠程監(jiān)護中心兩部分。終端體積不超過手掌大小，利用數(shù)字式蜂窩移動通信網(wǎng)絡建立與英特網(wǎng)的實時連接，將采集到的使用者的心電數(shù)據(jù)通過英特網(wǎng)發(fā)送到遠程監(jiān)護中心，還可以進行語音對話，并接受監(jiān)護中心的控制。遠程監(jiān)護中心由連接到英特網(wǎng)的計算機將數(shù)據(jù)接收、分析、顯示存儲起來。本系統(tǒng)解決了信號的實時遠距離傳送，以及終端和監(jiān)護中心實時通訊和終端的遠程控制問題，不受傳輸距離的限制，不需要額外的通訊基礎設施，還能對終端進行定位，十分適合于醫(yī)院等心臟監(jiān)護中心的對院外病人的動態(tài)監(jiān)護。
文檔編號H04B7/26GK1657003SQ200510024390
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月15日 優(yōu)先權日2005年3月15日
發(fā)明者魏昕, 魏德儀, 丁華青 申請人:魏昕, 魏德儀, 丁華青