专利名称：远程心电智能监护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种心电监护系统，是ー种即可医院用又可家用的远程心电智能监护系统，具体为一种基于Zigbee和GSM/GPRS的远程心电智能监护系统。
背景技术：
心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形(简称ECGXA体的体液中含有电解质，具有导电性能，因此人体也是ー种容积导体，这样在人体内及体表均有电流自心电偶的正极流入负极，形成ー个心电场。可通过心电偶中心的垂直于电偶轴的零电位面把心电场分为正、负电位区。心电场在人体表面分布的电位就是体表电位。心电图机将此体表电位的电信号放大及按心脏激动的时间顺序记录下来,即为心电图。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。如今国内外较先进的便携式心电图仪有如下几种:如力康集团(HealForce)研发的princelSO系列心电图仪。它用感应电极替代了导联，避免了导联检测时脱落的问题，并且可以对采集到的心电信号进行智能诊断，但是它没有与外界通信的模块，所以当患者突发心脏病时，无法向外界发出求救信息，因此可能会耽误最佳的急救时间。会耽误最佳的急救时间。还有带有远程传输模块的便携式心电图仪，如澳大利亚RMIT大学研发的手机心电监护系统，通过公 网将心电信息上传到监护中心，但是一旦网络中断，监护中心便无法分析病例，心电图仪也无法接受到反馈，此心电图仪便退化为第一种心电图仪。虽然上述的两种心电图仪在易用性上取得了长足的进步，然而他们忽略了实时监护和报警的必要性。
发明内容
本发明的目的是针对便携式心电图仪实时监控、报警和病例分析一体化的发展需求，提供一种基于Zigbee和GSM/GPRS的远程心电智能监护系统，集成两种通讯方式，保证实时监控。并且在发明上有简单的心率检测算法和报警系统，当病人出现危险的时候，不仅监控中心可以得知，病人的家属也能第一时间通过蜂鸣器的响声和短信通知获知危情。按照本发明提供的技术方案，所述远程心电智能监护系统包括上位机、下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到上位机，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到上位机；下位机一旦判断出现紧急状况，立即通过报警模块发出声光报警并通过GSM/GPRS模块发送短信至医生及家属手机；在上位机中建有数据库，存储病患的心电波形，供医生查看和日后调用；所述心电采集电路包括:左手导联通过第三八电阻连接仪表放大器的正输入引脚，右手导联通过第三九电阻连接仪表放大器的负输入引脚，仪表放大器采用集成电路INA331，仪表放大器的Vref引脚连接第九运放的输出端，第九运放的反相输入端通过第三六电阻连接仪表放大器的输出端，第九运放的反相输入端和输出端之间连接第三四电容；仪表放大器输出端还通过第四零电阻接第一ニ运放的反相输入端，第一ニ运放的反相输入端和输出端之间连接有第三七电阻和第三五电容并联构成的低通滤波器，第一ニ运放的同相输入端通过第四一电阻接偏置电压并通过第四三电阻接地；第四六电阻一端接
3.3V电压，另一端通过第四八电阻接地，第四八电阻两端并联有第三九电容，第四六电阻和第四八电阻的连接点提供所述偏置电压连接到第一三运放的同相输入端，第一三运放的同相输入端同时还通过第四四电阻接仪表放大器的正输入引脚和通过第四ニ电阻接仪表放大器的负输入引脚，第一三运放的输出端接自身反相输入端并通过第四七电阻接第一四运放的反相输入端，第一四运放同相输入端接偏置电压，第一四运放输出端和反相输入端之间接第四五电阻，所述第一四运放输出端接右脚导联；第一ニ运放的输出端接所述微控制器；左手导联和右手导联经电阻取压，输入仪表放大器将左右手信号差分放大5倍；第一三运放和第一四运放构成右脚驱动，将偏置电压信号反相后输入右脚；从仪表放大器5倍放大的心电信号，输入由第一ニ运放构成的200倍放大器,即总的放大倍数为1000倍,最后输入微控制器。所述心电采集电路采用三导联的工作方式，心电采集电路中的仪表放大器和第九运放、第一ニ运放、第一三运放、第一四运放均工作在单电源工作状态。进ー步的，所述第九运放、第一ニ运放、第一三运放、第一四运放均采用TI公司的集成电路0PA2336。所述微控制器采用MSP430F5438控制器，心电采集电路的输出与MSP430F5438控制器的P6.0脚相连接，利用MSP430F5438控制器内部ADC12模块的通道AO对输入模拟电压进行模数转换。所述心电采集电路返回至微控制器的信号使用CDF97小波滤波算法进行数据滤
波，滤除闻频噪声。 本发明的Zigbee和GSM/GPRS两种无线传输模式之间能够智能切換，当所述微控制器检测到一种无线传输模式发生故障之后，立即切换为另ー种无线传输模式，保证数据的实时传输；在所述下位机上设置有按键，供用户根据使用场所手动切换无线传输模式。本发明的下位机可独立进行简单的病例检测，下位机的微控制器在分析出心电波形中的R波以后，根据预先存储的心率检测算法规则表自行判断病例:根据R波的频率计算出心率值，在心率检测算法规则表中找出心率值对应的区间，由查表得知心脏病例名称；所述心率检测算法规则表包括多个心率值区间及对应的心脏病例名称。本发明具有以下优点:1、心电信号稳定采集，本地显示和存储。心电采集电路采用单电源工作的方式，避免了大多数ECG信号采集设计中双电源工作方式带来的电源复杂性问题。心电采集电路包括エ频陷波器和3阶低通滤波器，使得ECG信号稳定采集于各种复杂环境中。下位机心电图仪内置CDF97小波滤波算法，使得能够完整正确的还原心电信号。
2、稳定的多种无线传输方式。Zigbee无线传输由Zigbee终端,Zigbee路由和Zigbee协调器组成，当某一条无线传输路由因故障断开，可自动选择另一条路由进行数据传输，保证数据的畅通。当传输距离超过Zigbee的传输距离之后，心电图仪会自动切换为GSM/GPRS传输。3、智能监护及报警。下位机可独立进行简单的病例检测，不用将数据返回至医院监控中心即可实现实时诊断，当发生紧急状况时，通过短信及蜂鸣器报警，使病患能得到及时救助。
图1为本发明的远程心电智能监护系统的组成框图。图2为MSP430F5438控制器最小系统电路图。图3为单电源心电采集电路图。图4为MSP430F5438的ADC12模块工作示意图。图5为硬件乘法器工作流程示意图。图6为⑶F97小波滤波效果图。图7为心率检测算法规则表。图8为Zigbee模块电路图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括上位机，下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，其下位机是ー种既可以医院病房使用，也可家用的便携式心电图仪(ECG, electrocardiograph)。该下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块。下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样，经CDF97小波滤波算法、心率检测算法后将心电波形、心跳数和可能的病例显示在液晶屏上并存储在SD卡中；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到服务器，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到服务器；一旦出现紧急状况，立即蜂鸣器报警并使用GSM短信发送至医生及家属；在上位机中建有数据库，可长期存储多名病患的心电波形，供医生查看和日后调用。所述微控制器采用MSP430F5438控制器，MSP430F5438最小系统如图2所示，心电采集电路如图3所示。所述心电采集电路采用三导联的工作方式，心电采集电路中的仪表放大器和运算放大器均工作在3.3V单电源工作状态，不需要负电源。心电采集电路包括仪表放大器差分放大部分、エ频陷波器、1000倍放大运算放大器和3阶低通滤波器。心电采集电路中仪表放大器Ull采用TI公司的INA331，其他运放均采用TI公司的0PA2336。图3所示的心电采集电路包括:左手导联LEFT A通过第三八电阻R38连接仪表放大器Ull的3脚(正输入引脚)，右手导联RIGHT A通过第三九电阻R39连接仪表放大器Ull的2脚(负输入引脚)，仪表放大器Ull的5脚(Vref脚)连接第九运放U9的输出端，第九运放U9的反相输入端通过第三六电阻R36连接仪表放大器Ull的输出端，第九运放U9的反相输入端和输出端之间连接第三四电容C34 ;仪表放大器Ull输出端还通过第四零电阻R40接第一ニ运放U12的反相输入端，第一ニ运放U12的反相输入端和输出端之间连接有第三七电阻R37和第三五电容C35并联构成的低通滤波器,第一ニ运放U12的同相输入端通过第四ー电阻R41接偏置电压VREF并通过第四三电阻R43接地；第四六电阻R46 —端接3.3V电压，另一端通过第四八电阻R48接地，第四八电阻R48两端并联有第三九电容C39，第四六电阻R46和第四八电阻R48的连接点提供所述偏置电压VREF连接到第一三运放U13的同相输入端，第一三运放U13的同相输入端同时还通过第四四电阻R44接仪表放大器Ull的正输入引脚和通过第四ニ电阻R42接仪表放大器Ull的负输入引脚，第一三运放U13的输出端接自身反相输入端并通过第四七电阻接第一四运放U14的反相输入端，第一四运放U14同相输入端接偏置电压VREF，第一四运放U14输出端和反相输入端之间接第四五电阻R45,所述第一四运放U14输出端接右脚导联RIGHT L ;第一ニ运放U12的输出端接所述微控制器。左手导联和右手导联经电阻R38、R44和R39、R42取压，输入仪表放大器Ull的正、负输入引脚，将左右手信号差分放大5倍。电阻R46和R48分压得1.65V偏置电压VREF，运放U13和U14构成右脚驱动，将VREF信号反相后输入右脚。从仪表放大器5倍放大的心电信号，输入由第一ニ运放U12构成的200倍放大器，即总的放大倍数为1000倍。其中电阻R41和R43引入偏置电压VREF，R37和C35构成低通滤波器。通过电阻R38和R39分压，得到整个心电采集电路的偏置电压1.65V。ECG信号经过仪表放大器UlI放大5倍之后,经偏置电压1.65V升压之后输入后一级单电源运放Ul2放大200倍，并经过ー个由C35和R37构成的低通滤波器滤除高频噪声送至MSP430F5438处理器，在心电采集电路中还将输入信号中的エ频干扰反相放大后输入右脚，减弱エ频噪声的干扰。将心电采集电路的输出与MSP430F5438的P6.0脚相连接，利用ADC12模块的通道AO对输入模拟电压进行模数转换。ADC12模块的工作原理如图4所示。选择MSP430F5438的ACLK作为定时器B的时钟源，设置定时器B工作在增计数模式和输出模式7，由Timer_B OUTl产生周期、占空比均可调节的PWM波。本系统中设置TBCCR0=256，TBCCR1=230,即
PWM波的周期为=占空比为.0.898，PWM波的上升沿触发采样，下降
沿触发转换，即ADC12的采样率fs=128Hz。设置ADC12模块工作在单通道重复转换模式，选择2.5V内部參考电压作 为參考源，ADC12IFGX作为DMAO的触发源，重复转换结束吋，ADC12IFGX被置位，继而触发DMA操作。选择DMAO传输源地址为ADC12MEM0，目的地址为手动分配RAM存储空间的物理地址(本系统中为0x1200)，设置DMAO传输源地址不变，目的地址增量，传输基本单元个数DMA0SZ=512。这样，4秒的转换结果经DMAO通道送至固定的RAM空间。AD转换与DMA传输在LPM3模式中进行以降低功耗，设置中断向量为DMA_VECT0R，当512个转换结果全部传输到指定地址后，CPU才被唤醒。软件中的数字滤波算法采用CDF97小波滤波，其基本思想是由基本小波逐步构建出ー个具有更加良好性质的新小波，其实现步骤有3个:分解、预测和更新。分解是将数据分为偶数序列和奇数序列两个部分，预测是用分解的偶数序列预测奇数序列，得到的预测误差为别换的高频分量，更新是由预测误差来更新偶数序列，得到变换的低频分量。根据经小波变换后，有效信号对应的小波系数很大，而噪声对应的系数很小的原理，对ECG信号进行三层小波分解后，采用软阈值方法，先求出各层高频信号的门限阈值，然后去除每层高频信号中小于该门限阈值的系数。最后从后往前ー层ー层重构，得出滤波后的ECG信号。CDF97小波是ー种典型的离散小波提升算法，其对应五个提升系数如下:
权利要求
1.远程心电智能监护系统，其特征在于:包括上位机、下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到上位机，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到上位机；下位机一旦判断出现紧急状况，立即通过报警模块发出声光报警并通过GSM/GPRS模块发送短信至医生及家属手机；在上位机中建有数据库，存储病患的心电波形，供医生查看和日后调用；所述心电采集电路包括:左手导联(LEFT A)通过第三八电阻(R38)连接仪表放大器(Ull)的正输入引脚，右手导联(RIGHT A)通过第三九电阻(R39)连接仪表放大器(Ull)的负输入引脚，仪表放大器(Ul I)采用集成电路INA331，仪表放大器(Ul I)的Vref引脚连接第九运放(U9 )的输出端，第九运放(U9)的反相输入端通过第三六电阻(R36)连接仪表放大器(Ull)的输出端，第九运放(U9)的反相输入端和输出端之间连接第三四电容(C34);仪表放大器(Ull)输出端还通过第四零电阻(R40)接第一ニ运放(U12)的反相输入端，第一ニ运放(U12)的反相输入端和输出端之间连接有第三七电阻(R37)和第三五电容(C35)并联构成的低通滤波器，第一ニ运放(U12)的同相输入端通过第四ー电阻(R41)接偏置电压并通过第四三电阻(R43)接地；第四六电阻(R46) —端接3.3V电压，另一端通过第四八电阻(R48)接地，第四八电阻(R48)两端并联有第三九电容(C39)，第四六电阻(R46)和第四八电阻(R48)的连接点提供所述偏置电压连接到第一三运放(U13)的同相输入端，第一三运放(U13)的同相输入端同时还通过第四四电阻(R44)接仪表放大器(Ull)的正输入引脚和通过第四ニ电阻(R42)接仪表放大器(Ull)的负输入引脚,第一三运放(U13)的输出端接自身反相输入端并通过第四七电阻接第一四运放(U14)的反相输入端，第一四运放(U14)同相输入端接偏置电压，第一四运放(U14)输出端和反相输入端之间接第四五电阻(R45)，所述第一四运放(U14)输出端接右脚导联(RIGHT L);第一二运放(U12)的输出端接所述微控制器；左手导联(LEFT A)和右手导联(RIGHT A)经电阻取压，输入仪表放大器(Ull)将左右手信号差分放大5倍；第一三运放(U13)和第一四运放(U14)构成右脚驱动,将偏置电压信号反相后输入右脚；从仪表放大器(Ull) 5倍放大的心电信号,输入由第一ニ运放(U12)构成的200倍放大器，即总的放大倍数为1000倍，最后输入微控制器。
2.如权利要求1所述远程心电智能监护系统，其特征在于:所述心电采集电路采用三导联的工作方式，心电采集电路中的仪表放大器(Ull)和第九运放(U9)、第一ニ运放(U12)、第一三运放(U13)、第一四运放(U14)均工作在单电源工作状态。
3.如权利要求2所述远程心电智能监护系统，其特征在于:所述第九运放(U9)、第一ニ运放(U12)、第一三运放(U13)、第一四运放(U14)均采用集成电路OPA2336。
4.如权利要求1所述远程心电智能监护系统，其特征在于:所述微控制器采用MSP430F5438控制器，心电采集电路的输出与MSP430F5438控制器的P6.0脚相连接，利用MSP430F5438控制器内部ADC12模块的通道AO对输入模拟电压进行模数转换。
5.如权利要求1所述，远程心电智能监护系统，其特征在于:所述心电采集电路返回至微控制器的信号使用CDF97小波滤波算法进行数据滤波，滤除高频噪声。
6.如权利要求1所述远程心电智能监护系统，其特征在于=Zigbee和GSM/GPRS两种无线传输模式之间能够智能切換，当所述微控制器检测到一种无线传输模式发生故障之后，立即切换为另ー种无线传输模式，保证数据的实时传输；在所述下位机上设置有按键，供用户根据使用场所手动切换无线传输模式。
7.如权利要求1所述远程心电智能监护系统，其特征在于:所述下位机的微控制器在分析出心电波形中的R波以后，根据预先存储的心率检测算法规则表自行判断病例:根据R波的频率计算出心率值，在心率检测算法规则表中找出心率值对应的区间，由查表得知心脏病例名称；所述心率检测 算法规则表包括多个心率值区间及对应的心脏病例名称。
全文摘要
本发明涉及一种远程心电智能监护系统，其包括上位机、下位机和无线收发模块，上位机为医院的监控计算机服务器，下位机包括微控制器以及与微控制器相连的心电采集电路、GSM/GPRS模块、Zigbee无线收发模块、显示屏、报警模块和存储卡模块，下位机的微控制器对心电采集电路返回的电压值进行AD采样和分析；上位机也连接有GSM/GPRS模块以及Zigbee无线收发模块；若下位机处于医院病房，将使用Zigbee短距离无线传输波形到上位机，若下位机在医院以外的地方，将使用GPRS远距离传输波形到上位机；下位机一旦判断出现紧急状况，立即通过报警模块发出声光报警并通过GSM/GPRS模块发送短信至医生及家属手机。该系统采集稳定，操作简单，可智能分析病例，满足医院和现代家庭的需要。
文档编号A61B5/0402GK103110416SQ20131006728
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者吴定会, 李意扬, 张明, 王莉, 马萍, 李想 申请人:江南大学