CN101828914A - 总线型心电导联及智能心电信号传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态心电导联和心电信号传感器，尤其是一种总线型心电导联及智能心电信号传感器，属于医疗器械的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述总线型心电导联及智能心电信号传感器；包括心电检测电极，检测人体对应部分的心电模拟信号；信号处理模块，与心电检测电极输出端连接，信号处理模块对所述心电信号进行放大、滤波及A/D转换模块后输出对应的心电数字信号；微处理器，接收信号处理模块输入的心电数字信号，并将所述心电数字信号存储到数据缓存模块；所述微处理器通过总线通信接口将数据缓存模块中的心电数字信号传输到动态心电监护仪。本发明成本低廉、抗干扰能力强、安装使用方便及安全可靠。

Description

总线型心电导联及智能心电信号传感器

技术领域

本发明涉及一种动态心电导联和心电信号传感器，尤其是一种总线型心电导联及智能心电信号传感器，属于医疗器械的技术领域。

背景技术

心血管病是威胁人类生命的第一“杀手”全世界心血管疾病每年将夺走1650万人的生命，占世界总死亡人口的1/4。心血管疾病已成为我国城乡居民的第一位死因，每年死亡的人数近三百万，占总死亡人数的35％，且比例还在逐年上升。随着中国进入老龄化快速人口增长高峰，心血管疾病的患者还将大幅增加。更令人担忧的是随着生活节奏、工作压力的增加以及饮食结构的变化，心脑血管病发病和死亡呈现年轻化趋势。

动态心电图仪(简称HOLTER)由诞生、发展、趋于完善，历经了近半个世纪。其心电信号测量从单导联、双导联到三导联逐步发展，直到近几年世界上研制出了可应用于临床的12导联同步心电图，标志着动态心电图仪监测导联体系的完善。动态心电图仪可连续记录患者24小时内的全部心电图。无论是心肌缺血还是心律失常，无论是持续性还是阵发性发作，都可以通过动态心电图仪记录的心电图检查发现。

动态心电图仪必需通过一组导线与人体表面指定位置的接触电极连接，通过接触电极检测对应位置的心电信号，动态心电图仪才能描记出心电图。所述动态心电图仪与接触电极之间连接的线路，称为心电图导联(lead)。随着电图测量导联体系的逐步发展与完善，心电信号测量从单导联、双导联、三导联及发展到目前应用于临床的12导联心电图，甚至为18导联心电信号。由于导联线过多，特别是12和18导联线束过多过粗，在临床实际使用过程中，极易造成导联接触电极脱落或接触不良，大大限制了配带者的活动，便用既不方便，也非常不舒适。此外，由于导联线过长、过多，也极易受到外界各种电磁信号的干扰，对于采集和分析极其微弱的人体体表电位变化的心电分析而言，那怕是极其微弱的干扰信号，都将直接影响心电信号的记录、分析和诊断结果，极易造成漏判和误诊断，对疾病的治疗极为不利。而现有心电图仪为防止这类干扰，需要对每一路导联的信号均进行多级电子滤波和数字滤波处理以及屏敝线路等多项措施，造成了现有动态心电图仪的成本较高、体积过大、使用不方便，无法进入普通家庭，使得公众，特别是亚健康人群，对威胁自己生命的第一“杀手”——心血管病情的发展毫不知情，直到已进入高危期。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种总线型心电导联及智能心电信号传感器，其成本低廉、抗干扰能力强、安装使用方便及安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述总线型心电导联及智能心电信号传感器；包括心电检测电极，用于检测人体对应部分的心电模拟信号；信号处理模块，与心电检测电极输出端连接，信号处理模块对所述心电信号进行放大、滤波后经A/D转换模块输出对应的心电数字信号；微处理器，接收信号处理模块输入的心电数字信号，并将所述心电数字信号存储到数据缓存模块；所述微处理器通过总线通信接口将数据缓存模块中的心电数字信号传输到动态心电监护仪。

所述信号处理模块包括信号调理模块；所述信号调理模块接收心电检测电极输入的心电模拟信号，并输出到信号放大模块，所述信号放大模块将心电模拟信号依次输出到滤波模块及A/D转换模块，所述A/D转换模块输出对应的心电数字信号。所述总线通信接口包括一线总线，I²C、RS-485及CAN总线。

所述微处理器通过时分多址数字通信方式将数据缓存模块中的心电数字信号传输到动态心电监护仪。所述动态心电监护仪包括数据通讯模块；所述数据通讯模块包括无线通信模块及USB通讯模块。所述动态心电监护仪接收心电数字信号，并存储到数据存储模块中；所述动态心电监护仪对所述心电数字信号进行实时分析，通过液晶显示模块与蜂鸣器输出对应的分析结果。

所述动态心电监护仪实时分析对应的心电数字信号，通过液晶显示模块输出对应的心动过速、心动过缓、S-T异常、传导阻滞、心室颤动、心房颤动、室所述动态心电监护仪通过液晶显示模块还可以显示肢导联和胸导联脱落或接触状态、实时心率、时间、电池电量、存储卡容量及通信状态。

所述动态心电监护仪监测到高危心电病症时，动态心电监护仪通过数据通讯模块向指定服务器或监护人发送报警求助信息。所述动态监护仪上还设置有功能键；当被监护者心脏异常按动所述功能键时，动态监护仪自动接收并存储当前心电数字信号与对应的分析结果。

本发明的优点：总线型心电导联及智能心电信号传感器通过总线通信接口与动态心电监护仪连接，将目前12与18导联心电图仪的十几组导联线缩减到仅有一组串联双芯线，使之配带和使用十分方便。对于穿戴式心电监护仪避免了在服装上进行复杂走线，大大提高了穿着的舒适度，特别适合于长期使用的心电监护仪。同时，由于采用了智能心电信号传感器，在心电信号采集前端，即刻对原始采集信号进行了调理和数字化处理，从而有效地抑制了模拟信号传输导线上的各种干扰。通过实验证明，智能传感器将采集的模拟心电电位信号进行数字化后传输的方法，比传统的心电图仪采用较长导联线连接无源电极的方法，抗干扰效果十分明显，从而大大增强了电路的稳定性，提高了采集心电信号的质量。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的电源管理原理图。

图3为本发明的使用状态图。

图4为本发明动态心电监护仪的显示输出功能。

图5为本发明传感器与动态心电监护仪的通信分层结构。

图6为本发明传感器与动态心电监护仪通信数据包的结构。

图7为本发明动态心电监护仪处理和通信主程序。

图8为本发明传感器处理和通信主程序。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图8所示：本发明包括心电检测电极、微处理器、信号调理电路、信号放大模块、数据缓存模块、滤波模块、A/D模数转换模块、总线通信接口及动态心电监护仪。

如图1所示：所述心电检测电极采集人体体表的心电模拟信号，所述心电模拟信号经过信号调理电路、信号放大模块、滤波模块、A/D模数转换模块将心电模拟信号转换为心电数字信号；所述信号调理电路、信号放大模块、滤波模块、A/D模数转换模块组成信号处理模块，所述信号处理模块将心电数字信号传输到微处理器，所述微处理器接收心电数字信号并存储在数据缓存模块中。所述信号处理模块将心电检测电极采集的心电模拟信号进行处理，避免了心电检测电极检测的信号在传输到动态心电监护仪过程中受到干扰，影响动态心电监护仪对心电信号的分析结构。所述心电检测电极、微处理器、信号调理电路、信号放大模块、数据缓存模块、滤波模块、A/D模数转换模块、总线通信接口构成了总线型心电导联及智能心电信号传感器。所述微处理器通过总线通信接口与动态心电监护仪连接，动态心电监护仪通过现场总线与微处理器连接，动态心电监护仪通过时分多址方式读取微处理器存储在数据缓存模块中的心电数字信号。所述现场总线的类型包括一线总线(1-wire bus)、I²C、RS-485和CAN总线。

所述动态心电监护仪包括控制器、数据存储模块、总线通信控制模块、数据通讯模块、液晶显示模块和电源管理模块。所述控制器采用单片机或DSP(数字信号处理器)，数据存储模块采用存储卡或Flash存储芯片，总线通信控制模块采用串行总线控制器。所述数据通讯模块包括无线通信模块及USB通信接口，动态心电监护仪通过无线通信模块与计算机、移动通讯设备(如手机)间以无线通信形式进行数据通讯；动态心电监护仪通过内置的USB通信接口直接与计算机等具有USB接口的设备间进行数据传输。所述动态心电监护仪通过总线通信控制模块与微处理器进行数据通信，从而读取数据缓存模块中的心电数字信号；动态心电监护仪实时分析所述心电数字信号并将所述心电数字信号存储在数据存储模块中，通过液晶显示模块和蜂鸣器输出对应的分析结果。所述动态监护仪上还设置有功能键；当被监护者心脏异常按动所述功能键时，动态监护仪自动接收并存储当前心电数字信号与对应的分析结果。所述动态心电监护仪监测到高危心电病症时，动态心电监护仪通过数据通讯模块向指定服务器或监护人发送报警求助信息。

如图4所示：所述动态心电监护仪通过液晶显示模块能够显示心动过速、心动过缓、S-T异常、传导阻滞、心室颤动、心房颤动、室速、室上速、房性早搏、室性早搏、心电停搏及起搏信号等功能；动态心电监护仪通过液晶显示模块还能显示肢导联(RA、RL、LA及LL)与胸导联(V1、V2、V3、V4、V5及V6)脱落或接触不良指示信号、当前心率、时间、电池电量、存储卡容量及通信状态指示功能。所述动态心电监护仪将上述实时分析结果利用蜂鸣器鸣响的方式告知或提醒被监护者；动态心电监护仪还可以利用数据通讯模块将数据存储模块中的数据与实时分析结果上传到计算机、手机和互联网服务器上，从而对检测的心电信号进行深度分析、医生诊断和病例资料归档。动态心电监护仪还可以利用无线中继器将检测的心电数字信号传输到在线服务中心。

图3为本发明总线型心电导联及智能心电信号传感器的连接示意图。所述微处理器通过总线通信接口、串行数据通信总线与动态心电监护仪进行数据连接。所述通信总线结构和通信协议采用三级分层结构，如图5所示。所述通信总线结构和通信协议，是为动态心电图监护仪与多个传感器之间的数据通信，设计一种高效可靠的结构和协议，既能够保证数据通信的稳定可靠，又要求实现成本低。物理层是利用物理媒介实现物理连接的功能描述和执行连接的规程，提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和过程的条件；数据链路层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能；应用层针对人体心电信号采集、记录和监护的应用，利用链路层提供的服务，完成不同通信节点之间的通信。所述通信总线结构和通信协议的物理层协议设计采用串行总线的结构和协议。动态心电监护仪和总线型心电导联及智能心电信号传感器都挂接在单通信总线上，物理层的通信协议选用一线总线(1-wire bus)、RS-485、I2C或CAN的总线标准。所述通信总线结构和通信协议的数据链路层协议，基本通信单位是数据包，所述数据包的结构包括包头及数据体，所述包头及数据体的结构，如图6所示。所述通信协议的最上层为应用层协议，是针对人体心电信号的数据采集和分析处理需要的特点而设计。按12～16bit的米样精度，对正常的一个心动周期进行500次采样，数据量约为2K字节；因此，一个数据包的长度定为2K字节，而对一个导联的心电信号进行一次完整分析，需要采集8个以上心动周期的数据，约16K字节的数据。在应用层协议中，每一个数据包为一个心动周期的数据，并用包序列号描述心动周期的序列号，通常为1～8。总线型心电导联及智能心电信号传感器每采集一个心动周期的数据，首先进行组包和缓存，当缓存了8个数据包后，开始按动态心电监护仪微处理器的要求，通过总线上传一次完整心电信号分析，所需要的8个以上心动周期的数据，约16K字节的数据。

图2为动态心电监护仪的电源管理控制模块的连接原理图。如图2所示：若干个总线型心电导联及智能心电信号传感器挂接在总线上，所述总线为数据与电源共用线；所述总线由动态心电监护仪进行管理。在总线空闲时，动态心电监护仪将总线置为高电平，为总线型心电导联及智能心电信号传感器的储能电容进行充电，同时为所述传感器提供电源。当无线中继器与动态心电监护仪与传感器进行数据通信时，首先由无线中继器或动态心电监护仪在总线上发一串脉冲信号，通知对应的总线型心电导联及智能心电信号传感器，关闭三极管Q1，总线的电平由电阻R1上拉至高电平，总线型心电导联及智能心电信号传感器在确定的时间内复位；超时后，无线中继器或动态心电监护仪强迫总线进入空闲，对传感器上的储能电容充电。所述总线型心电导联及智能心电信号传感器在总线上有唯一的识别号码，用于无线中继器或动态心电监护仪识别对应的总线型心电导联及智能心电信号传感器。

图7为动态心电监护仪的处理和通信主程序。动态心电监护仪通过现场总线与若干总线型心电导联及智能心电信号传感器连接，动态心电监护仪通过总线通信控制模块读取对应的总线型心电导联及智能心电信号传感器的心电数字信号。使用时，动态心电监护仪循环呼叫下一总线型心电导联及智能心电信号传感器地址，总线型心电导联及智能心电信号传感器在总线上有唯一的识别码。动态心电监护仪会自动检测在规定时间内是否收到对应总线型心电导联及智能心电信号传感器的心电数字信号，若在规定时间内没有收到对应的心电数字信号时，动态心电监护仪会循环呼叫下一总线型心电导联及智能心电信号传感器对应的地址；若在规定时间内收到对应的心电数字信号，动态心电监护仪会收到的心电数字信号存储在数据存储模块内，同时检测所述数据包的序列号。当所述收到包的序列号小于8时，动态心电监护仪会重新循环呼叫下一总线型心电导联及智能心电信号传感器地址，当包的序列号大于等于8时，表明采集到了8个以上心动周期的数据，动态心电监护仪会对接收的心电数字信号进行分析；动态心电监护仪通过液晶显示模块显示当前心率，并判断所述心电数字信号的分析异常结果。当检测到的心电数字信号经分析有异常时，动态心电监护仪通过液晶显示模块输出相应的病症信号，并通过蜂鸣器进行报警；当检测到的心电数字信号经分析后无异常时，动态心电监护仪会进行下一个周期的监护，不断地进行循环监测。

图8为总线型心电导联及智能心电信号传感器的处理及通信主程序。所述总线型心电导联及智能心电信号传感器通过心电检测电极检测人体的心电模拟信号，所述心电模拟信号经信号处理模块进行放大、滤波及A/D变换后输出心电数字信号；微处理器接收信号处理模块的心电数字信号，并将心电数字信号组包后存储在数据缓存模块中。微处理器分析组包后的数据包的序列号，当数据包的序列号加1小于8时，微处理器会循环接收心电检测电极的心电信号；当所述数据包的序列号加1大于8时，表明采集到了8个心动周期信号，微处理器会等待动态心电监护仪的地址呼叫。当微处理器接收到动态心电监护仪的下一个地址呼叫时，微处理器会判断呼叫的地址是否为本地地址，当所述呼叫的地址不是本地地址时，微处理器会继续等待动态心电监护仪的地址呼叫；当所述呼叫的地址是本地地址时，微处理器读取存储在数据缓存模块中的心电数字信号，并传送到动态心电监护仪。当数据缓存模块中的心电数字信号发送完毕后，微处理器对数据包的序列号置零。

本发明总线型心电导联及智能心电信号传感器通过总线通信接口与动态心电监护仪连接，将目前12与18导联心电图仪的十几组导联线缩减到仅有一组串联双芯线，使之配带和使用十分方便。对于穿戴式心电监护仪避免了在服装上进行复杂走线，大大提高了穿着的舒适度，特别适合于长期使用的心电监护仪。同时，由于采用了总线型心电导联及智能心电信号传感器，在心电信号采集前端，即刻对原始采集信号进行了调理和数字化处理，从而有效地抑制了模拟信号传输导线上的各种干扰。通过实验证明，总线型心电导联及智能心电信号传感器将采集的模拟心电电位信号进行数字化后传输的方法，比传统的心电图仪采用较长导联线连接无源电极的方法，抗干扰效果十分明显，从而大大增强了电路的稳定性，提高了采集心电信号的质量。

Claims (10)

1.一种总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是，包括

心电检测电极，检测人体对应部分的心电模拟信号；

信号处理模块，与心电检测电极输出端连接，信号处理模块对所述心电信号进行放大、滤波及A/D转换模块后输出对应的心电数字信号；

微处理器，接收信号处理模块输入的心电数字信号，并将所述心电数字信号存储到数据缓存模块；所述微处理器通过总线通信接口将数据缓存模块中的心电数字信号传输到动态心电监护仪。

2.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述信号处理模块包括信号调理模块；所述信号调理模块接收心电检测电极输入的心电模拟信号，并输出到信号放大模块，所述信号放大模块将心电模拟信号依次输出到滤波模块及A/D转换模块，所述A/D转换模块输出对应的心电数字信号。

3.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述总线通信接口包括一线总线，I²C、RS-485及CAN总线。

4.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述微处理器通过时分多址数字通信方式将数据缓存模块中的心电数字信号传输到动态心电监护仪。

5.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述动态心电监护仪包括数据通讯模块；所述数据通讯模块包括无线通信模块及USB通讯模块。

6.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述动态心电监护仪接收心电数字信号，并存储到数据存储模块中；所述动态心电监护仪对所述心电数字信号进行实时分析，通过液晶显示模块与蜂鸣器输出对应的分析结果。

7.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述动态心电监护仪实时分析对应的心电数字信号，通过液晶显示模块输出对应的心动过速、心动过缓、S-T异常、传导阻滞、心室颤动、心房颤动、室速、室上速、房性早搏、室性早搏、心电停搏及起搏信号。

8.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述动态心电监护仪通过液晶显示模块还可以显示肢导联和胸导联脱落或接触状态、实时心率、时间、电池电量、存储卡容量及通信状态。

9.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述动态心电监护仪监测到高危心电病症时，动态心电监护仪通过数据通讯模块向指定服务器或监护人发送报警求助信息。

10.根据权利要求1所述的总线型心电导联及智能心电信号传感器，其特征是：所述动态监护仪上还设置有功能键；当被监护者心脏异常按动所述功能键时，动态监护仪自动接收并存储当前心电数字信号与对应的分析结果。

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