專利名稱：無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對患者進(jìn)行實時的監(jiān)護(hù)成為一種必然的趨勢。尤其是當(dāng)今 世界，全球許多國家都面臨著人口老齡化的壓力，而老年性疾病往往需要日復(fù)一日的監(jiān)控 治療，這些一般不可能一直在醫(yī)院中進(jìn)行，這就使得醫(yī)療設(shè)備向便攜化和小型化方向發(fā)展 。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得患者監(jiān)護(hù)不再局限于醫(yī)院，在家中甚至隨時隨地都可以進(jìn)行方便的 生理參數(shù)監(jiān)護(hù)。現(xiàn)在，大多數(shù)裝置采用有線的方式進(jìn)行通訊，這給使用帶來了極大的不便 。而無線的方式則以藍(lán)牙方式為主流。而Zigbee是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，名稱來 源為蜜蜂的八字舞。其特點是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率和低成本。主要 應(yīng)用領(lǐng)域為自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備。其技術(shù)聯(lián)盟成立于2001年8 月，2002年下半年，美國摩托羅拉、TI以及飛利浦等許多大公司加盟Zigbee。目前聯(lián)盟的 成員涵蓋了IT領(lǐng)域以及其他行業(yè)的200多家企業(yè)。Zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)是IEEE無線個人區(qū)域 網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802. 15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡單設(shè)備提供 有效覆蓋范圍在1(T200米的低速連接。
據(jù)世界衛(wèi)生組織2005年報告，心血管疾病已超越腫瘤成為世界人類死亡的最主要原因 ，占全球死亡人口的30%。對心臟健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)護(hù)是十分必要的，目前，心臟監(jiān)護(hù)以心 電監(jiān)護(hù)為主。心電圖記錄心臟電生理活動，有著豐富的信息，可以進(jìn)行多種疾病的診斷和 預(yù)診。心臟疾病的智能診斷是近些年來人們研究的重點和熱點之一。心臟疾病的智能診斷 正確性往往依賴于采集到的波形和對波形特征點的識別算法。這就要求研究人員一方面要 保證模擬電路對有效信號的放大和干擾信號的抑制，另一方面要提高算法的效率。特別是 在便攜式儀器的研究中，往往要在算法準(zhǔn)確性和復(fù)雜度之間做折中處理。在眾多監(jiān)護(hù)參數(shù) 中，本發(fā)明選用近年尤為關(guān)注的心率變異(HRV， Heart Rate Variability)參數(shù)進(jìn)行心 電的監(jiān)護(hù)。
過去20年里，人們認(rèn)識到自主神經(jīng)系統(tǒng)和心血管疾病，尤其是心臟猝死之間的密切關(guān) 系。實驗學(xué)證據(jù)表明，致命性的心律失常傾向和交感神經(jīng)活動的加強或迷走神經(jīng)活動的減弱之間有著一定的聯(lián)系，這樣對于自主神經(jīng)活動的研究有了新的切入點。HRV即其中重要 的新指標(biāo)之一。HRV相對簡單的測量使得其在心臟監(jiān)護(hù)領(lǐng)域越來越受到人們的關(guān)注。HRV， 作為描述瞬時心率和RR間期變異的術(shù)語已被普遍接受。服V的改變與多種特定的病理相關(guān) : 一些心臟或非心臟疾病都會表現(xiàn)出降低的HRV，例如心肌梗死、糖尿病神經(jīng)系統(tǒng)疾病、
心肌功能障礙、癱瘓等，心臟移植后的患者也會表現(xiàn)出降低的HRv。此外，e腎上腺阻斷
、抗心律失常藥劑、東莨菪堿、溶栓以及運動等因素都被認(rèn)為在HRV上有所表現(xiàn)。關(guān)于 HRV的研究有很多，迄今為止，在臨床上得到驗證與承認(rèn)的主要是心肌梗塞愈后的風(fēng)險預(yù) 測與糖尿病神經(jīng)系統(tǒng)病變預(yù)測。
HRV的檢測有多種方式，主要有時域和頻域兩種。時域檢測是一種相對簡單的計算方 式。在時域檢測中，HRV需要檢測和計算的參數(shù)為瞬時的心率，QRS復(fù)合波以及NN間期。簡 單的時域計算參數(shù)包括平均NN間期、平均心率和最長和最短NN間期差異等。統(tǒng)計學(xué)的檢測 方法(時域)則針對較長時間的心電監(jiān)護(hù)，對于相對較短時間的心電數(shù)據(jù)同樣也可以進(jìn)行 統(tǒng)計學(xué)檢測，這樣可以對比不同狀態(tài)下的HRV比較，例如活動、休息、運動等。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利公開號為CN 101278832A，申請?zhí)枮?200710003350.3，記載了一種遠(yuǎn)程無線心電實時監(jiān)護(hù)儀，可以實施遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)，采用成 熟的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了保證。從其中可以看出，該裝置在心電采集模塊 仍然采用獨立的元器件，在集成性上不是很好，最后裝置的體積也比較大。此外GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議頻段在開發(fā)成本，功耗，復(fù)雜度上都不及Zigbee。
又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，專利公開號為CN 1552283A，申請?zhí)枮?3136568. X，記載了一種心率 變異性分析方法與裝置，介紹了一種心率變異性分析方法。詳細(xì)說明了如何進(jìn)行心電數(shù)據(jù) 的波形識別以及HRV的參數(shù)計算。但該專利為單純的HRV分析裝置，由于其計算參數(shù)復(fù)雜， 考慮的為頻域HRV計算方法，無法實現(xiàn)片上處理。此外，作為早期的心率變異性分析裝置 ，該裝置在自動化，便攜性上均存在著改進(jìn)的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，可以 直接在裝置上進(jìn)行HRV參數(shù)的計算和顯示，或者利用Zigbee協(xié)議無線傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)至上位 機進(jìn)行后續(xù)處理。為降低無線傳輸?shù)墓?，默認(rèn)并不實時上傳心電數(shù)據(jù)，而是在采集數(shù)據(jù) 后上傳非正常心電數(shù)據(jù)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括心電采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無 線傳輸模塊和人機交互模塊，其中數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端和輸出端分別連接心電采集模塊和無線傳輸模塊以接受原始心電模擬信號并輸出數(shù)字心電數(shù)據(jù)，人機交互模塊與數(shù)據(jù)處 理模塊相連接以接收數(shù)字心電數(shù)據(jù)并輸出用戶指令。
所述的數(shù)字心電數(shù)據(jù)包括心率變異性分析數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)波形。
所述的心電采集模塊包括前置差動放大電路、主級放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和 偏置電壓電路，其中前置差動放大電路分別連接心電電極和主級放大濾波電路并將原始 心電信號放大5倍；主級放大濾波電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連接并輸出幅值放大IOO 倍，濾除高頻的模擬心電信號；偏置電壓電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供偏置電壓；模數(shù)轉(zhuǎn)換模
塊接收模擬心電信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字心電數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)處理模塊。
所述的數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)設(shè)有中央處理器以進(jìn)行心電信號的處理，將接收到的數(shù)字心電
數(shù)據(jù)根據(jù)Zigbee協(xié)議進(jìn)行調(diào)制并輸出調(diào)制信號至無線傳輸模塊。
所述的無線傳輸模塊包括無線射頻收發(fā)器和同步并行接口，其中無線射頻收發(fā)器 通過同步并行接口對無線收發(fā)進(jìn)行控制，同時將收到的調(diào)制信號進(jìn)行無線傳輸。
所述的無線射頻收發(fā)器是指基于Zigbee協(xié)議的射頻雙工器。
所述的人機交互模塊包括段式LCD、按鍵和LED顯示裝置，其中段式LCD與數(shù)據(jù)處 理模塊相連接以接收數(shù)字心電數(shù)據(jù)并顯示心率變異分析數(shù)據(jù)和操作提示信息，按鍵和LED 顯示裝置分別與數(shù)字局處理模塊相連接以供用戶選擇操作輸出用戶指令并提示工作狀態(tài)和 報警信息。
本發(fā)明的工作流程如下心電采集模塊采用標(biāo)準(zhǔn)單導(dǎo)聯(lián)方式采集用戶心電信號，該信
號經(jīng)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)化后，在中央處理器中進(jìn)行后續(xù)處理。用戶可以通過按鍵選擇將 所有心電數(shù)據(jù)傳輸抑或只有在檢測到異常波形時才傳輸對應(yīng)時間段的心電數(shù)據(jù)，可觀察相
應(yīng)的指示燈判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸模式。保持心電采集狀態(tài)5分鐘，其間有相應(yīng)的指示燈提示 心率。采集結(jié)束后，段式LCD上將順序顯示HRV的時域參數(shù)以及用戶健康狀態(tài)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明集成了運算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、段式LCD驅(qū)動器和電壓偏置 器，同時對微控制器的引腳進(jìn)行多路復(fù)用，極大簡化了外圍硬件電路，使得監(jiān)護(hù)裝置的體 積和功耗大幅度減小，更加適合隨身攜帶。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖2為本發(fā)明工作流程圖。 圖3為分析數(shù)字信號處理流程圖。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施 ，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括心電采集模塊l、數(shù)據(jù)處理模塊2、無線傳輸模塊3和人機 交互模塊4，其中數(shù)據(jù)處理模塊2的輸入端和輸出端分別連接心電采集模塊1和無線傳輸 模塊3以接受原始心電信號并輸出HRV或數(shù)字心電數(shù)據(jù)，人機交互模塊4與數(shù)據(jù)處理模塊2相 連接以接收數(shù)字心電數(shù)據(jù)并輸出用戶指令。
所述的數(shù)字心電數(shù)據(jù)包括心率變異性分析數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)波形。
所述的心電采集模塊l包括前置差動放大電路5、主級放大濾波電路6、模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊7和偏置電壓電路8，其中前置差動放大電路5分別連接心電電極14和主級放大濾波電 路6并將原始心電信號放大5倍，主級放大濾波電路6的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊7相連接并輸 出幅值放大100倍并濾除高頻的模擬心電信號，偏置電壓電路8為前置差動放大電路5和主 級放大濾波電路6提供偏置電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊7接收模擬心電信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字心電數(shù)據(jù) 輸出至數(shù)據(jù)處理模塊2。
本實施例中所述的前置差動放大電路5采用INA321儀表放大器實現(xiàn)對心電信號的差動 放大，所述的主級放大濾波電路6采用微控制器MSP430FG439內(nèi)部集成的運算放大器結(jié)合外 圍電阻和電容實現(xiàn)對信號的放大和濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊7采用微控制器MSP430FG439內(nèi)部集 成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對放大后的信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，偏置電壓電路8采用微控制器 MSP430FG439內(nèi)部集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對放大電路的電壓偏置。
所述的數(shù)據(jù)處理模塊2中的中央處理器9對數(shù)字心電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將接收到的數(shù)字心 電數(shù)據(jù)根據(jù)Zigbee協(xié)議進(jìn)行調(diào)制并輸出調(diào)制信號至無線傳輸模塊3，本實施例中數(shù)據(jù)處理 模塊2采用微控制器MSP49FG439內(nèi)的中央處理器實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的心電信號的一系列數(shù) 字信號處理。
所述的無線傳輸模塊3包括基于Zigbee協(xié)議的無線射頻收發(fā)器ll及對無線收發(fā)進(jìn)行 控制的同步并行接口IO，其中無線射頻收發(fā)器11通過同步并行接口10對無線收發(fā)進(jìn)行控 制，同時對調(diào)制信號進(jìn)行無線傳輸。無線射頻收發(fā)器11采用CC2500芯片實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無 線傳輸。
所述的人機交互模塊4包括段式LCD電路12和按鍵、指示燈電路13。其中段式LCD 顯示HRV計算結(jié)果和操作提示信息；按鍵用于用戶選擇操作；LED提示工作狀態(tài)和心電信息
如圖2所示，為本實施例基本工作流程，具體步驟如下開機后，對按鍵狀態(tài)進(jìn)行判斷。通過按鍵l在無線傳輸所有數(shù)據(jù)和非正常數(shù)據(jù)之間切 換，同時指示燈l也在亮滅狀態(tài)之間切換，默認(rèn)狀態(tài)為滅。按下按鍵2，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài) ，開始心電監(jiān)護(hù)首先初始化微控制器MSP430FG439，包括運算放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，段 式LCD驅(qū)動，SPI傳輸。為采集到有效的心電數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求一段時間延時，之后段式LCD 顯示監(jiān)護(hù)正式開始。中央處理器對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處理，獲取HRV計算所 需要的參數(shù)。采集結(jié)束后，中央處理器對之前獲取的參數(shù)進(jìn)行處理，得到HRV監(jiān)護(hù)的參數(shù) ，顯示在段式LCD上。在本實施例中HRV監(jiān)護(hù)參數(shù)以SD畫和RMSSD為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的說明 。測量結(jié)束后按下按鍵2，長按按鍵2關(guān)機。
如圖3所示，為上述工作流程中的HRV分析數(shù)字信號處理流程，具體步驟如下
在HRV時域檢測的各個參數(shù)中，由于許多參數(shù)之間彼此相關(guān)，相關(guān)機構(gòu)給出了一些必 要的檢測參數(shù)，本實施例中以此為參考選取了SDNN和RMSSD兩個參數(shù)分別作為整個HRV的評 估和HRV短期評估參數(shù)。在檢測時間上，鑒于實際情況，結(jié)合相關(guān)機構(gòu)和研究結(jié)果，選取5 分鐘的記錄以滿足服V監(jiān)護(hù)的要求。
在模數(shù)轉(zhuǎn)換器將心電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，中央處理器對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點低 高通濾波，濾除50Hz工頻干擾和肌電低頻噪聲。采用自適應(yīng)閾值判斷法實現(xiàn)R點識別，將R 點的位置信息保存。同時每檢測到一次R點，指示燈2亮滅一次，以此直至5分鐘數(shù)據(jù)采集 處理完畢。之后進(jìn)行SDNN和RMSSD參數(shù)的計算，將之順序顯示在段式LCD上，保存小數(shù)點后 3位。
由于HRV個體差異的特點，針對不同的用戶需在使用前進(jìn)行校正。取用戶最初10次的 測試結(jié)果的平均值作為該用戶的HRV標(biāo)準(zhǔn)，在其后的測量中，會將測量值與此標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行 比較，在出現(xiàn)大幅度波動時給出警告提示。
本實施例針對心電HRV計算，沒有采用12導(dǎo)聯(lián)技術(shù)而是選用標(biāo)準(zhǔn)單導(dǎo)聯(lián)，進(jìn)一步降低 了裝置的體積；無線發(fā)射模塊采用模塊化接入的方式，設(shè)計在微控制器的上方，體積得到 了很好的控制。最后的裝置體積可以控制在2.4mn^3. 5mm*0.9mm (長*寬*高，包括段式 LCD)，足夠放在口袋隨身攜帶使用。
其次，本實施例電路中所選用的3個芯片均為低功耗芯片差動放大所用的INA321儀 表放大器有低于luA的可編程控制低功耗模式；MSP430正常運行時電流為160uA，而備用時 僅為O. luA;射頻收發(fā)器選用CC2500同樣基于低功耗設(shè)計。最后的裝置為3V紐扣電池供電 。在無線傳輸方面，本實施例中默認(rèn)不傳輸所有的心電數(shù)據(jù)，只有在計算到異常情況時才會無線傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，這種智能化的設(shè)計可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的總體功耗，尤其是在無線 傳輸占了系統(tǒng)功耗的大部分的情況下顯得十分有意義。
權(quán)利要求
1.一種無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，包括心電采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊和人機交互模塊，其特征在于數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端和輸出端分別連接心電采集模塊和無線傳輸模塊以接受原始心電模擬信號并輸出數(shù)字心電數(shù)據(jù)，人機交互模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連接以接收數(shù)字心電數(shù)據(jù)并輸出用戶指令；所述的心電采集模塊包括前置差動放大電路、主級放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和偏置電壓電路，其中前置差動放大電路分別連接心電電極和主級放大濾波電路并將原始心電信號放大5倍；主級放大濾波電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連接并輸出幅值放大100倍，濾除高頻的模擬心電信號；偏置電壓電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供偏置電壓；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接收模擬心電信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字心電數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)處理模塊；所述的數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)設(shè)有中央處理器以進(jìn)行心電信號的處理，將接收到的數(shù)字心電數(shù)據(jù)根據(jù)Zigbee協(xié)議進(jìn)行調(diào)制并輸出調(diào)制信號至無線傳輸模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，其特征是 ，所述的數(shù)字心電數(shù)據(jù)包括心率變異性分析數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)波形。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，其特征是 ，所述的無線射頻收發(fā)器是指基于Zigbee協(xié)議的射頻雙工器。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，其特征是 ，所述的無線傳輸模塊包括無線射頻收發(fā)器和同步并行接口，其中無線射頻收發(fā)器通過同步并行接口對無線收發(fā)進(jìn)行控制，同時將收到的調(diào)制信號進(jìn)行無線傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，其特征是 ，所述的人機交互模塊包括段式LCD、按鍵和LED顯示裝置，其中段式LCD與數(shù)據(jù)處理 模塊相連接以接收數(shù)字心電數(shù)據(jù)并顯示心率變異分析數(shù)據(jù)和操作提示信息，按鍵和LED顯 示裝置分別與數(shù)字局處理模塊相連接以供用戶選擇操作輸出用戶指令并提示工作狀態(tài)和報警信息。
全文摘要
一種醫(yī)療檢測技術(shù)領(lǐng)域的無線便攜式心率變異監(jiān)護(hù)裝置，包括心電采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊和人機交互模塊，其中數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端和輸出端分別連接心電采集模塊和無線傳輸模塊以接受原始心電模擬信號并輸出數(shù)字心電數(shù)據(jù)，人機交互模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連接以接收數(shù)字心電數(shù)據(jù)并輸出用戶指令。本發(fā)明可以直接在裝置上進(jìn)行HRV參數(shù)的計算和顯示，或者利用Zigbee協(xié)議無線傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)至上位機進(jìn)行后續(xù)處理。為降低無線傳輸?shù)墓?，默認(rèn)并不實時上傳心電數(shù)據(jù)，而是在采集數(shù)據(jù)后上傳非正常心電數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比極大簡化了外圍硬件電路，使得監(jiān)護(hù)裝置的體積和功耗大幅度減小，更加適合隨身攜帶。
文檔編號A61B5/024GK101664308SQ200910307350
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者萌 崔, 朱貽盛, 牛金海, 童善保, 蘭 羅 申請人:上海交通大學(xué)