专利名称：一种便携式心电数据实时采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种医疗监护技术，特别涉及一种便携式心电数据实时采集装置。
背景技术：
社区医疗卫生服务是我国以后医疗卫生体系发展的重点之一。能及时地发现和处 理社区中重点监护的有突发病情的人，将会是社区医疗卫生服务发展的亟需。这种市场需 求，要求有一种更适用于社区医疗卫生服务的监护系统，该系统能够对监护对象在不影响 正常活动和不需要去医院检查的情况下进行实时的心电监护、血压监护、血氧监护和体温 监护等，实现社区医疗卫生服务和对突发病人的基本监护要求。并在病人生理信号出现健 康拐点时候，及时地预警，使得紧急状况能够及时得到关注和解决。目前动态监护系统的思想仅实际使用于动态心电记录分析，而血压血氧及体温的 动态测量监护尚未提及或应用于临床。动态心电图(ECG holter)最早在1961年由美国 生理学家Holter博士提出，是指患者随身携带心电图纪录盒而进行正常活动，数据采集时 间长达M小时甚至更长，以期捕捉到一过性心律失常，为医生的诊断提供比较依据的心电 图。目前，国内外动态心电图纪录分析仪主要有两大类回顾式和片段式。回顾式动态 心电图纪录分析仪式将患者的M小时心电图纪录下来，然后传入电脑进行回顾式的分析。 片段式动态心电图纪录分析仪是当患者出现异常心电时将该片段记录下来进行分析。回顾 式动态心电图纪录分析仪价格昂贵，且通常不具备心律失常实时报警的功能。一些患者恶 性心律失常突发时不能及时发现，会延时诊治。片段式心电图纪录分析仪虽然能在发生心 律失常时发出报警，但由于片段式动态心电记录分析仪所能分析的心律失常种类少且只能 记录片段心电图，而大多数心律失常的诊断必须前后对比才能看出问题之所在，因而医生 难以做出正确的诊断，所以一种能够实时采集、分析及报警的家庭实时动态医疗监护系统 是以后未来发展方向，也是市场急所需。
发明内容本实用新型是针对现在监护系统价格昂贵，信息不全的问题，提出了一种便携式 心电数据实时采集装置，通过模式识别理论、利用现代GPRS通信技术、嵌入式实时系统为 一体的多功能便携式心电数据实时采集装置及方法，能够使患者的心理参数实时监测、分 析。本实用新型的技术方案为一种便携式心电数据实时采集装置，包括输入部分、电 源管理模块、嵌入微控制器、存储及通讯接口、输出驱动部分，输入部分依次包括传感器、初 级放大和右腿驱动电路、带通滤波器、后级放大和电压调整电路，电源管理模块对各个电路 提供基准电源，输入部分将信号采集后送入嵌入微控制器经过A/D转换及数据处理后送出 到存储电路储存数据及通讯接口输出信号，同时输出控制信号到输出驱动部分显示数据、报警。所述传感器包括心电传感器、压力传感器和血氧探头，心电传感器由电极片和跟 随器组成，跟随器由集成运放TLC2252组成，IN-、IN+为从胸前引入的双电极，经过跟随器 后以ECG-、ECG+连接到后级放大电路，IN-、IN+两端和信号地之间分别加双向瞬态电压抑 制器。所述初级放大和右腿驱动电路由具有高共模抑制比的仪用放大器AD620、滤波 器和集成运放TLC2252组成，放大器AD620构成差模信号提取电路，同时实现初级放大， TLC2252连接AD620反馈端中点，并通过滤波器构成右腿驱动电路。所述带通滤波器，差模的心电信号转为单端信号并经初级放大后，进行0. 05Hz IOOHz带通滤波，使用TLC2252和阻容网络组成压控电压源二阶带通滤波电路。本实用新型的有益效果在于本实用新型便携式心电数据实时采集装置，装置患 者可随身佩带，以一定的采样频率对患者生理特征参数进行采样，够实现实时病理特征分 析，实现长时间监护数据的存储和紧急状况下远程呼叫预警。适应市场的需求。
图1为本实用新型便携式心电数据实时采集装置原理框图；图2为本实用新型便携式心电数据实时采集装置中跟随器及静电保护电路图；图3为本实用新型便携式心电数据实时采集装置中初级放大电路和右腿驱动电 路图；图4为本实用新型便携式心电数据实时采集装置中后级放大电路和电压调整电 路；图5为本实用新型便携式心电数据实时采集装置中带通滤波电路；图6为本实用新型便携式心电数据实时采集装置中软件程序流程图。
具体实施方式
如图1便携式心电数据实时采集装置原理框图，装置包括输入部分1、电源管理模 块2、嵌入微控制器3(MSP430)、存储及通讯接口 4、输出驱动部分5。输入部分包括传感器、 初级放大和右腿驱动电路、带通滤波器、后级放大和电压调整电路，电源管理模块2对各个 电路提供基准电源，输入部分将信号采集后送入嵌入微控制器3经过A/D转换及数据处理 后送出到存储电路储存数据及通讯接口输出信号，另外输出控制信号到输出驱动部分显示 数据、报警。传感器包括心电传感器、压力传感器和血氧探头。装置中MSP430F1611作为中央处理单元，负责模数转换、数字滤波、波形识别、报 警和数据传输。MSP430系列芯片是16位RISC系统，每条指令只需1 5个机器周期，具有 硬件乘法器，能实现快速的乘加运算。硬件系统分为模拟部分和数字部分。为消除数字信 号的高频脉冲信号干扰模拟电路，将数字电源和模拟电源隔开。模拟部分由导联线接入电路板后的跟随器、仪用放大器、带通滤波器、陷波器、次 级放大器、电压转换器等电路组成，实现将体表心电信号提取、滤波和放大，最后送至具有 模数转换功能的MSP430进行进一步处理。数字部分主要是围绕MSP430建立的，实现将模拟信号转换为数字信号、信号数字滤波、R波波峰检测、Osborn波检测、数据传输、警示等功能。以心电信号为例工作流程可描述为心电信号通过电极片由导联引入跟随器后进 入仪用放大器提取差模信号并进行初级放大，经0. 05Hz IOOHz带通滤波和50Hz陷波，再 进行二级放大，最后经电压转换电路将波形幅度抬高并限制在A/D测量范围之内后，输入 到MSP430的A/D输入端。单片机由定时器以200Hz频率中断，来控制进行A/D采样，对采 样数据作数字滤波，对滤波后的数据进行R波实时检测，R波检测后进行Osborn波识别算 法处理，当识别到Osborn波时指示预警LED，将实时数据和测量结果通过串口传输以扩展 系统功能。图2是跟随器及静电保护电路。心电信号是几十到几百微伏级的极微弱信号且负 载能力差，而人体电阻是kQ ΜΩ级别，若模拟电路的输入电阻不够大，根据电路中串联 电阻间的分压原则，从人体提取的信号强度则难以保证。本设计使用电压跟随器电路作为 电极片和后级处理电路之间的缓冲器，以提高从体表获取的信号强度。电压跟随器具有输 入电阻大、输出电阻小的优点，输出信号幅度近似输入信号且随输入信号变动，信号能量来 源于跟随器的供电电源。电压跟随器由集成运放TLC2252组成，IN_、IN+为从胸前引入的双电极，经过跟随 器后以ECG-、ECG+连接到后级电路。TLC2252是高输入阻抗、低噪声、低功耗双路放大器； 电路中器件D1, D2为双向瞬态电压抑制器(TVS，TransientVoltage Suppressor)。当TVS 两极受到反向瞬态高能量冲击时，它可以快速将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数 千瓦的浪涌功率，使两极间的电压钳位与一个预定值，有效保护电子线路中的精密器件，免 受各种浪涌脉冲的损坏；同样可以避免电路可能的瞬态高电压对人体的伤害。图3是初级放大电路和右腿驱动电路。从导联引入的心电信号需要经过转换以获 取差分信号，来描述心电信号的波形。设计使用具有高共模抑制比的仪用放大器AD620构 成差模信号提取电路，同时实现初级放大。50Hz工频是心电信号的主要干扰，也是共模信号的一部分。仅靠高共模抑制比的 放大器可能不能完全消除各输入端的共模噪声，心电采集系统常使用右腿驱动电路来抑制 工频干扰。设计使用TLC2252连接AD620反馈端中点，并通过滤波器构成右腿驱动电路，能 防止高频信号经过右腿驱动电路窜入放大器。右腿驱动电路是心电信号测量中常用的去噪 电路，电路连接初级放大器与体表以构成反馈，降低因身体运动引起的心电波形基线漂移 和共模噪声。仪用放大器AD620和TLC2252构成包括差分放大电路和右腿驱动电路的初级 放大部分。AD620具有高精度、低噪声、高共模抑制比的特点，适用于弱信号放大。增益放
4Q AbO
大关系式为=+ l外接的电阻&调节放大器增益。为避免初级放大增益过大，而
K5
使信号进入后级信号调理电路的饱和区，初级放大增益不能太大。试验证明，初级放大增益 为10倍效果较好，且10倍增益时共模抑制比可达lOOdB。根据增益放大关系式推得&为 5. 488k Ω，取5. 6k Ω。共模信号由电阻I 17、R19检出，经过U5放大、倒向后反馈回右腿导联。 右腿驱动电路构成负反馈，实际减少了共模干扰，将人体引入的50Hz干扰降低到以下， 且不影响有用的心电信号。图4是后级放大电路和电压调整电路。信号经过前级的处理后，需要进行进一步 放大。放大后的信号在电源电压-3. 3V +3. 3V范围内变动。又因为ADC只能对0 3. 3V范围内信号进行数模转换，所以放大后的信号不能直接连接ADC，需要对信号电压基线进行 抬升1. 65V左右，使信号在0 3. 3V范围内变动。电路中TLC2252左半部分运放与电阻 R80> R81构成放大电路，实现30倍放大，计算增益比。右半部分运放与电阻网络R82、R83> R84> R85> R86构成同相求和电路，实现电压抬升，计算电压转换关系。经过前面一系列的处理后， 心电信号(标识ECG4)可以连接到MSP430F1611的A/D引脚进行信号采集。图5是带通滤波电路。差模的心电信号转为单端信号并经初级放大后，进行 0. 05Hz IOOHz带通滤波。系统设计使用压控电压源二阶带通滤波器来调理信号，电路能 避免由于放大器正反馈信号过强而弓I起的自激振荡。使用TLC2252和阻容网络组成压控电压源二阶带通滤波电路。其中C6、C7、&、I 8禾口 TLC2252左半部分构成高通滤波器，Rn、R12、C12, C13和TLC2252右半部分构成低通滤波器。图6是系统软件流程图。人体生理特征参数通过医用传感器采集后进行有效性确 认，然后再进行处预处理，处理后基于模式识别理论提取病理特征，辅助诊断，如果异常则 发送信息并报警，如正常则存储数据并进行下一轮数据采集。提出多功能便携式心电数据实时采集装置包括基于模式识别理论、利用现代GPRS 通信技术的GPRS模块、嵌入式实时系统的控制器和UC/0S-2实时操作系统。所述模式识别 理论，主要通过大量病人心电信号数据分析，提取病理特征，对病理特征识别，实现对多种 心脏疾病的辅助诊断和突发状况的预警与处理。所述利用现代GPRS通信技术，主要是利 用现有的通信网络，对病人信息实时传送。嵌入式实时系统硬件采用MSP430系列单片机， 16位RISC系统、冯诺依曼结构的超低功耗芯片，RAM保持电流为0. luA、实时时钟模式下为 0. 8uA，有效延长了电池使用寿命，能够在保持低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器 和数字器件等组成控制系统。便携式仪器对系统功耗、芯片功能及封装等有较高要求。UC/ 0S-2实时操作系统是一个源码公开、可移植、可固化、可裁减、占先式实时多任务操作系统， 同时运行多个任务或进程，如心电监护、血压监护、血氧监护和体温监护等等。
权利要求1.一种便携式心电数据实时采集装置，其特征在于，包括输入部分、电源管理模块、嵌 入微控制器、存储及通讯接口、输出驱动部分，输入部分依次包括传感器、初级放大和右腿 驱动电路、带通滤波器、后级放大和电压调整电路，电源管理模块对各个电路提供基准电 源，输入部分将信号采集后送入嵌入微控制器经过A/D转换及数据处理后送出到存储电路 储存数据及通讯接口输出信号，同时输出控制信号到输出驱动部分显示数据、报警。
2.根据权利要求1所述便携式心电数据实时采集装置，其特征在于，所述传感器包括 心电传感器、压力传感器和血氧探头，心电传感器由电极片和跟随器组成，跟随器由集成运 放TLC2252组成，IN-、IN+为从胸前引入的双电极，经过跟随器后以ECG-、ECG+连接到后级 放大电路，IN-、IN+两端和信号地之间分别加双向瞬态电压抑制器。
3.根据权利要求1所述便携式心电数据实时采集装置，其特征在于，所述初级放大和 右腿驱动电路由具有高共模抑制比的仪用放大器AD620、滤波器和集成运放TLC2252组成， 放大器AD620构成差模信号提取电路，同时实现初级放大，TLC2252连接AD620反馈端中点， 并通过滤波器构成右腿驱动电路。
4.根据权利要求1所述便携式心电数据实时采集装置，其特征在于，所述带通滤波 器，差模的心电信号转为单端信号并经初级放大后，进行0. 05Hz IOOHz带通滤波，使用 TLC2252和阻容网络组成压控电压源二阶带通滤波电路。
专利摘要本实用新型涉及一种便携式心电数据实时采集装置，包括输入部分、电源管理模块、嵌入微控制器、存储及通讯接口、输出驱动部分，输入部分依次包括传感器、初级放大和右腿驱动电路、带通滤波器、后级放大和电压调整电路，电源管理模块对各个电路提供基准电源，输入部分将信号采集后送入嵌入微控制器经过A/D转换及数据处理后送出到存储电路储存数据及通讯接口输出信号，同时输出控制信号到输出驱动部分显示数据、报警。装置患者可随身佩带，以一定的采样频率对患者生理特征参数进行采样，能够实现实时病理特征分析，实现长时间监护数据的存储和紧急状况下远程呼叫预警。适应市场的需求。
文档编号A61B5/0402GK201814572SQ201020232099
公开日2011年5月4日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者刘泽奎, 尤永, 徐小萍, 李哲旭, 杨磊, 黄勇 申请人:上海理工大学