专利名称：在电话传送医疗监视器中的同步并行声学传输的制作方法
技术领域：
本发明涉及监视生物信号和把记录数据传输到在电话网络上的接收站的领域。更具体地说，本发明涉及由在允许数字化生物数据以数字形式并行传输的电话线可听范围中的特定频率代表的几个逻辑电平的实现。两频率交变同步序列的实现允许经电话网络在声频音调中数字数据的同步并行传输。
背景技术：
电话传送生物监视器是一种用于获得、存储记录的生物信号和把其传输到远程接收站的手技电池操作装置。监视器使用电话线的声频带来经电话网络传输存储的数据。电话传送医疗监视器预定供具有心脏问题的病人的扩展流动救护用途之用。病人能致动其ECG的记录并且把记录发射到远程接收站，而不需要装置对于电话线的电气连接。这提供监视器的安全和简单操作。
典型的电话传送监视器把几部分，即获得ECG信号的事件，以数字形式存储在存储器中。存储的ECG波形经使用声频音调的常规电话网络传输。用于电话传送传输的ECG信号的编码与模拟信号的熟知频率调制(FM)编码非常类似。
大多数工业电话传送监视器使用从装置到站的单向传输而没有反馈或信号交换，因为用于从站返回的声频数据接收的硬件复杂和不可靠。发现不实用的是，是使用与在一侧有麦克风而在另一侧有扬声器的电话听筒的尺寸匹配的大型装置，因为病人不能提供用于可靠声频调制解调器操作的适当条件。而且这样一种装置体积太庞大并且使用不便。
把1650-2150Hz的普遍使用频带分配给频率编码模拟ECG信号的传输。大多数电话传送监视器使用1900Hz作为中央频率，对于模拟信号传输在100Hz/mV频率偏差下具有±2.5mV动态ECG信号范围。事实上，可用频带宽度较宽，因为正常电话线供给600-3600Hz带宽。
窄频带的使用和在电话传送监视器中反馈的缺少使得不可能以数字形式在适当时间内串行传输ECG数据，因此获得的模拟信号以模拟形式使用频率调制技术传输。
ECG数据初始以数字形式存储在存储器中，这种数字数据用于声频信号的直接产生，而不借助于一些种类的硬件电压频率转换器把数字数据转换回模拟电压和然后把重新存储的模拟电压转换成模拟频率。
对于数据编码监视器，专门对于ECG值的每一个产生一系列频率。就是说，如果数据具有8位的分辨率，则监视器对于模拟ECG信号的每个可能值产生在1650-2150Hz范围内的256个不同频率。
在每个抽样周期处更新输出声频频率的值。当实际抽样周期时间的每一半或三分之一更新频率时，一些监视器使用双或甚至三重传输速率(加速传输)。
因此可理解的是，在电话传送传输期间，在一个时刻仅使用单频率。
500Hz宽频带(1650-2150Hz)的使用限制模拟(频率调制)电话传送传输的精度。
为了在1650-2150Hz频带中提供具有8位精度的模拟信号的声学传输，由在发射机中的频率编码器和在接收机中的频率译码器应该保持1.960Hz/单位(500HZ/255)的频率分辨率，或者在2150Hz下好于0.09％。换句话说，对于值254和255，频率差是0.06％。
要求0.488Hz/单位的频率分辨率以便得到10位的精度，并且对于值1023和1024，频率差仅是0.0001％。
由于以上考虑，通过声学电话传送传输保持甚至8位精度也是一项复杂的任务。
在实际中，工业电话传送系统达到的整体精度是7位或3.90Hz/单位(在2150Hz下是0.18％的精度)。
当前，少量技术用在用于频率调制数据译码的工业接收站中。
最简单的方法使用模拟频率电压转换以驱动低分辨率图表记录器。
另一种方法重新存储原始模拟信号，并且然后把它数字化以便由计算机进一步分析。这种技术要求信号的至少两次转换频率到电压和模拟到数字。要理解，每次转换引入对于信号的附加相位、频率及振幅失真。这种技术要求对于计算机的专用附件通常是昂贵的定制设计的滤波器组或锁相环器件、控制器及模数转换器。它也要求由合格人员更新流行的计算机。
另一种最近开发的方法使用经声卡或声音调制解调器由计算机接收的声音记录。把声音以数字形式用非常高的质量和用很小的记录失真记录到计算机存储器中。每个现代计算机装有这样的一个卡。接收站的软件分析记录波以便恢复原始信号。这种软件利用数字滤波或频谱分析。这些方法也把相位、频率及振幅失真引入到记录的模拟信号。数字滤波或频谱分析在先有技术中是熟知的。
在上述心电图编码和译码方法中，原始ECG信号的如下转换发生(i)原始ECG信号的模数转换；和(ii)数字化ECG信号的顺序数字频率转换；和(iii)频率模拟转换和模数转换；或(iv)软件频率数字转换。
初始模数转换(i)以规定分辨率和抽样速率数字化模拟信号。
数字化信号的频率编码(ii)在原始信号的振幅和相位中引入非线性。
频率模拟转换和模数转换(iii)与初始模数转换不同步，并因此把另外的失真引入到原始信号。
软件频率数字转换(iv)由于初始ECG信号的意外平均对于在频谱分析中的窗口定位具有不确定性或在数字滤波中有显著的相位和频率失真。该问题与加速传输的使用一起产生。
所有这些缺陷把模拟信号的频率编码的方法在电话传送中的使用仅限制到心脏节奏失常的基本分析。
由于ECG信号的实际初始样本的计时、振幅和相位的不确定性这种方法的整体精度不会满足美国国家标准对于诊断心电图装置EC11-1982的要求。
便利的是，提供一种在电话传送医疗监视器中以数字形式传输数字化生物信号的方法，以便获得诊断质量生物数据。
本发明的目的本发明的一个目的在于，提供一种用来在电话传送生物监视器中以数字形式传输数字化生物信号的方法和设备，基本上克服或修正了上述缺点。
本发明的公开根据本发明的一个方面，公开有一种在电话线上同步并行传输数字信号的方法，所述方法包括步骤产生一个具有至少两个频率的同步信号；同时从数字信号产生具有至少两个分离频率的数据信号；把所述同步信号和所述数据信号转换成具有与所述同步信号和所述数据信号的频率相对应的频率的声频信号，以在电话线上传输；及在电话线上同时传输声频信号的至少三个频率。
最好，传输信号的最高频率小于数据信号的二次谐波的频率。
在一种最佳形式中，同步信号在其传输期间作为高或低信号呈现以便规定新的数据传输。同步信号的变化周期由接收机的响应时间确定。在其它最佳形式中，根据同步信号的总频带实现多于两个逻辑电平。
最好，数据信号是二进制代码的10位字，并且对于同时传输分裂成两个5位字。自然，在传输字中的位数量能分裂成任何数量。
使用其中常规电话线的通常有用频带是600-3600Hz的最佳实施例，输出频率作为具有50％工作循环的方波TTL或CMOS脉冲产生。
附图的简要描述现在参照附图描述本发明，在附图中
图1是根据本发明实施例的一种电话传送监视器的配置的方块图；图2表示图1的电话传送监视器的同步序列；图3表示用于图1的电话传送监视器的编码；图4表示使用图1的电话传送监视器的几个10位样本的传输；图5表示在使用图1的电话传送监视器的电话传送传输中的声频频率的分布；及图6表示用于图1的电话传送监视器用途的混频器。
实现本发明的最好模式在本发明的一个最佳实施例中，描述了一种用于经声学电话线的ECG信号的同步数字传输的方法。一个ECG信号最好在500HZ样本频率和10位分辨率下获得，并且存储在电话传送生物监视器的存储器中，该监视器是一种建立在一个单芯片微型控制器上的单通道电话传送ECG监视器，如在图1中看到的那样。监视器最好是带有用作电话传送接收站的声卡的流行计算机。
当然，除ECG信号之外和/或在模数转换信号的不同设置下数字化的信号也能使用这种方法传输。
参照图1，一个ECG放大器1放大ECG信号。ECG放大器1的输出连接到一个模数转换器(ADC)2的一个输入上。模数转换器2由一个微型控制器3控制。微型控制器3从ADC 2接收数字化ECG信号的一个10位值。微型控制器3产生用于一个扬声器4的输出声频频率。
在数据传输中最重要的条件是发射机和接收机的同步或传输字的开始和结束的同步，从而接收机能可靠地识别接收数据的边界。在串行非同步传输中，专用开始和停止位确定接收字节的开始和结束。
发射机和接收机的同步用在并行和串行同步数据传输中。产生一个专用同步信号以便告诉接收机在其输入上的新数据是适用的。
在常规微处理器系统中，同步信号作为在专用同步线上的高或低电平呈现。这根线在接收机的处理时间期间足以保持“有效数据”状态。
在能读新数据之前然后有一个“数据无效”状态的一定时段。这些“数据无效”等待状态的时段是必要的，因为它们为“数据有效”状态提供初始条件，例如同步信号从高到低电平的过渡。
在电话传送传输中，适用信号电平的数量仅由适用频带和在电平之间的可接收频率分离限制。例如，如果总频带2000Hz，并且为了较好抗噪声度逻辑电平隔离10Hz，则能实现高达200个逻辑电平。
在本发明最佳实施例中的同步信号由每个指示“新数据”状态的两个频率呈现。这些频率在传输期间按一个规定周期改变，允许数据传输而不需要等待状态。同步信号的改变周期由接收机的响应时间确定。接收机能探测一个新同步频率越快，能把同步时段设置得越短。在新同步频率探测中有一定延迟，并且它与数字滤波和频谱分析的本质有关。由于获得一定数量的分析信号周期的必要性，同步逻辑电平的较高频率要求较短的探测时间，因此为了同步目的最好使用最高频率。
同步的实现解决两个主要问题由于在频谱分析中窗口的准确定位改进了传输ECG样本的主要频率探测的可靠性；和最短的同步周期定义最快的传输速率。不管实际信号获得抽样速率如何，传输速率不会影响传输质量。当然，监视器的实际抽样速率对于接收站应该是已知的。
图2表示在本发明最佳实施例中的一个同步序列。每个同步周期7改变两个同步频率5和6。每次改变对应于新ECG数据样本的传输，并且使接收机能够开始接收这个新样本。
如上所述，模数转换的10位分辨率在一个数字化信号中形成1024个不同数字值。在使用FM编码的模拟传输中，它要求以非常高精度产生至少1024个频率。另一方面，所有1024个值仅包装在10位二进制代码中。这个10位二进制字能分裂成在每个中只有32个值的两个5位字。因此为了传输只需要产生64个不同频率。每个10位值仅由两个5位字定义的两个频率代表。当然，为了抗噪声度足够地分离这些频率。
与同时带有“新数据”同步信号的5位字相对应的两个频率的同时产生将包括一个同步并行10位字。
图3表示用于10位ECG值8的电话传送传输的编码和把接收数据译码成10位值14。值或字8分裂成两个5位字9和10。字9携带10位字8的5个最无意义位，而字10携带10位字8的最有意义位。构成两个频率集15和16，并且与5位字有关。每个频率集包括每个与5位字的32个值之一相对应的32个特定频率。频率集16(频率f1-t32)与最无意义字9有关，而频率集15(频率f33-f64)与最有意义字10有关。然后从频率集15和16分别选择两个频率11和12。频率11代表5位字10的32个值之一，而频率12代表5位字9的32个值之一。
在通过接收机接收和测量时，把每个频率译码成一个对应5位字。频率12形成字17，而频率11形成字13。最无意义字17保持不变。把最有意义字13首先重新存储到其二进制形式，并且然后每个位乘以其权重因数。这个过程形成一个新的5位字18。把两个字17和18添加在一起，并且形成一个等于传输样本8的原始值的10位值。
当然，在传输字中的总位数可能是不同的，并且字能分裂成任何数量个较简单的字。例如，一个两通道ECG监视器使用四个频率集同时传输两个10位字，或者一个16位字能分裂成四个频率集，使每个集16个频率。当然，频率集的数量能等于在原始字中的位数。在这种情况下，每个频率集只包括两个频率。
图4表示几个10位样本的传输。三个传输通道20、21和22分配用于同步的频带(20)、频率集2(21)和频率集1(22)。根据最佳实施例，对于通道20中的同步仅使用两个频率5和6。通道21和22每个包含32个频率。三个频率同时传输。两个同步频率5和6的每一个指示一个新数据样本。频率23和24代表传输10位字的最有意义和最无意义半部。一个样本值25与用于首先传输的样本的f8和f54的表示例子相对应。
使用其中常规电话线的通常有用频带是600-3600Hz的最佳实施例，输出频率作为具有50％工作循环的方波TTL或CMOS脉冲产生。传输的方波脉冲引起二次和三次谐波的产生，就是说，对于1800Hz信号，产生3600Hz的二次和5500Hz的三次谐波。叠加到传输信号上的这些谐波引起干扰和潜在的数据丢失。
如果最高传输频率比最低传输频率的二次谐波的频率低，则几个频率的同时传输而没有与较高谐波的干扰是可能的。
图5表示在电话传送传输中的声频频率的分布。电话线的整个频带由线30指示。当把最低传输频率设置到电话线频带的最大传输频率的一半时，达到最大频带31。在这个例子中，有用频带是1800-3590Hz。
再次参照图5，用于频率集1的频率分配表示为通道32，频率集2表示为通道33，及表示同步通道34。相对于最高使用频率表示由二次谐波产生的频带35的最低部分。在这个例子中，所有使用的频率产生具有比最高传输频率高的频率的谐波。
几个频率产生的技术在先有技术中是熟知的。在最佳实施例中，在三个独立输出上同时产生三个频率。输出信号混合在一起，并且施加到扬声器44上，如图6中所示，其中表示三个独立产生的TTL或CMOS信号的一个简单混频器。一个微型控制器40产生一个经一个限流电阻器R1连接到扬声器44一侧上的同步信号41。
一个微型控制器40也产生信号42和43。把信号42分配给频率集1(f1-f32)。把信号43分配给频率集2(f33-f64)。信号42和43连接到扬声器44另一侧上。
再参照图6，扬声器44最好是具有2,000欧姆典型阻抗和250-4,000Hz振荡频率的压电扬声器。在最佳实施例中，使用来自Kingstate Electronics的KPE-007压电扬声器。R1、R2和R3的值是相等的。在表示的配置中，扬声器44由TTL或CMOS输出信号以伪推挽模式驱动。当然，在这种用途中能使用各种模拟混频器。
上文仅描述了本发明的一些实施例，并且对其能形成对于熟悉本专业的人员显然的修改，而不脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种在电话线上同步并行传输数字信号的方法，所述方法包括步骤产生一个具有至少两个频率的同步信号；同时从数字信号产生具有至少两个分离频率的数据信号；把所述同步信号和所述数据信号转换成具有与所述同步信号和所述数据信号的频率相对应的频率的声频信号，以在电话线上传输；及在电话线上同时传输声频信号的至少三个频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中传输信号的最高频率小于数据信号的二次谐波的频率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中同步信号在其传输期间作为高或低信号呈现以便规定新的数据传输。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其中同步信号的变化周期由接收机的响应时间确定。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其中根据同步信号的总频带实现多于两个逻辑电平。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其中数据信号是二进制代码的多位字，并且对于多重传输分裂成多个多位字。
7.根据权利要求6所述的方法，其中数据信号是二进制代码的10位字，并且对于同时传输分裂成两个5位字。
8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其中常规电话线的通常有用频带是600-3600Hz，输出频率作为具有50％工作循环的方波TTL或CMOS脉冲产生。
全文摘要
公开了一种在电话线上同步并行传输数字信号的方法。该方法包括步骤产生一个具有至少两个频率(6和7)的同步信号；同时从数字信号产生具有至少两个分离频率的数据信号；把同步信号和数据信号转换成具有与同步信号和数据信号的频率相对应的频率的声频信号，以在电话线上传输；及在电话线上同时传输声频信号的至少三个频率。
文档编号A61B5/00GK1494793SQ01820541
公开日2004年5月5日 申请日期2001年11月9日 优先权日2000年11月10日
发明者哈里·路易斯·帕兰特, 哈里 路易斯 帕兰特 申请人:哈里·路易斯·帕兰特, 艾伦·迈克尔·谢尔, 哈里 路易斯 帕兰特