專利名稱：一種實時動態醫療監護系統的便攜裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療監護技術，特別涉及一種實時動態醫療監護系統的便攜裝置。
背景技術：
社區醫療衛生服務是我國以后醫療衛生體系發展的重點之一。能及時地發現和處 理社區中重點監護的有突發病情的人，將會是社區醫療衛生服務發展的亟需。這種市場需 求，要求有一種更適用于社區醫療衛生服務的監護系統，該系統能夠對監護對象在不影響 正常活動和不需要去醫院檢查的情況下進行實時的心電監護、血壓監護、血氧監護和體溫 監護等，實現社區醫療衛生服務和對突發病人的基本監護要求。并在病人生理信號出現健 康拐點時候，及時地預警，使得緊急狀況能夠及時得到關注和解決。目前動態監護系統的思想僅實際使用于動態心電記錄分析，而血壓血氧及體溫的 動態測量監護尚未提及或應用于臨床。動態心電圖(ECG holter)最早在1961年由美國 生理學家Holter博士提出，是指患者隨身攜帶心電圖紀錄盒而進行正常活動，數據采集時 間長達24小時甚至更長，以期捕捉到一過性心律失常，為醫生的診斷提供比較依據的心電 圖。目前，國內外動態心電圖紀錄分析儀主要有兩大類回顧式和片段式。回顧式動態 心電圖紀錄分析儀式將患者的24小時心電圖紀錄下來，然后傳入電腦進行回顧式的分析。 片段式動態心電圖紀錄分析儀是當患者出現異常心電時將該片段記錄下來進行分析。回顧 式動態心電圖紀錄分析儀價格昂貴，且通常不具備心律失常實時報警的功能。一些患者惡 性心律失常突發時不能及時發現，會延時診治。片段式心電圖紀錄分析儀雖然能在發生心 律失常時發出報警，但由于片段式動態心電記錄分析儀所能分析的心律失常種類少且只能 記錄片段心電圖，而大多數心律失常的診斷必須前后對比才能看出問題之所在，因而醫生 難以做出正確的診斷，所以一種能夠實時采集、分析及報警的家庭實時動態醫療監護系統 是以后未來發展方向，也是市場急所需。

發明內容
本發明是針對現在監護系統價格昂貴，信息不全的問題，提出了一種實時動態醫 療監護系統的便攜裝置，通過模式識別理論、利用現代GPRS通信技術、嵌入式實時系統為 一體的多功能實時動態醫療監護系統的便攜裝置及方法，能夠使患者的心理參數實時監 測、分析。本發明的技術方案為一種實時動態醫療監護系統的便攜裝置，包括輸入部分、電 源管理模塊、嵌入微控制器、存儲及通訊接口、輸出驅動部分，輸入部分依次包括傳感器、初 級放大和右腿驅動電路、帶通濾波器、后級放大和電壓調整電路，電源管理模塊對各個電路 提供基準電源，輸入部分將信號采集后送入嵌入微控制器經過A/D轉換及數據處理后送出 到存儲電路儲存數據及通訊接口輸出信號，同時輸出控制信號到輸出驅動部分顯示數據、報警。所述傳感器包括心電傳感器、壓力傳感器和血氧探頭，心電傳感器由電極片和跟 隨器組成，跟隨器由集成運放TLC2252組成，IN-、IN+為從胸前引入的雙電極，經過跟隨器 后以ECG-、ECG+連接到后級放大電路，IN-、IN+兩端和信號地之間分別加雙向瞬態電壓抑 制器。所述初級放大和右腿驅動電路由具有高共模抑制比的儀用放大器AD620、濾波 器和集成運放TLC2252組成，放大器AD620構成差模信號提取電路，同時實現初級放大， TLC2252連接AD620反饋端中點，并通過濾波器構成右腿驅動電路。所述帶通濾波器，差模的心電信號轉為單端信號并經初級放大后，進行0. 05Hz IOOHz帶通濾波，使用TLC2252和阻容網絡組成壓控電壓源二階帶通濾波電路。本發明的有益效果在于本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置，裝置患者可 隨身佩帶，以一定的采樣頻率對患者生理特征參數進行采樣，夠實現實時病理特征分析，實 現長時間監護數據的存儲和緊急狀況下遠程呼叫預警。適應市場的需求。


圖1為本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置原理框圖；圖2為本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置中跟隨器及靜電保護電路圖；圖3為本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置中初級放大電路和右腿驅動電 路圖；圖4為本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置中后級放大電路和電壓調整電 路；圖5為本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置中帶通濾波電路；圖6為本發明實時動態醫療監護系統的便攜裝置中軟件程序流程圖。
具體實施例方式如圖1實時動態醫療監護系統的便攜裝置原理框圖，裝置包括輸入部分1、電源管 理模塊2、嵌入微控制器3 (MSP430)、存儲及通訊接口 4、輸出驅動部分5。輸入部分包括傳感 器、初級放大和右腿驅動電路、帶通濾波器、后級放大和電壓調整電路，電源管理模塊2對 各個電路提供基準電源，輸入部分將信號采集后送入嵌入微控制器3經過A/D轉換及數據 處理后送出到存儲電路儲存數據及通訊接口輸出信號，另外輸出控制信號到輸出驅動部分 顯示數據、報警。傳感器包括心電傳感器、壓力傳感器和血氧探頭。裝置中MSP430F1611作為中央處理單元，負責模數轉換、數字濾波、波形識別、報 警和數據傳輸。MSP430系列芯片是16位RISC系統，每條指令只需1 5個機器周期，具有 硬件乘法器，能實現快速的乘加運算。硬件系統分為模擬部分和數字部分。為消除數字信 號的高頻脈沖信號干擾模擬電路，將數字電源和模擬電源隔開。模擬部分由導聯線接入電路板后的跟隨器、儀用放大器、帶通濾波器、陷波器、次 級放大器、電壓轉換器等電路組成，實現將體表心電信號提取、濾波和放大，最后送至具有 模數轉換功能的MSP430進行進一步處理。數字部分主要是圍繞MSP430建立的，實現將模擬信號轉換為數字信號、信號數字濾波、R波波峰檢測、Osborn波檢測、數據傳輸、警示等功能。以心電信號為例工作流程可描述為心電信號通過電極片由導聯引入跟隨器后進 入儀用放大器提取差模信號并進行初級放大，經0. 05Hz IOOHz帶通濾波和50Hz陷波，再 進行二級放大，最后經電壓轉換電路將波形幅度抬高并限制在A/D測量范圍之內后，輸入 到MSP430的A/D輸入端。單片機由定時器以200Hz頻率中斷，來控制進行A/D采樣，對采 樣數據作數字濾波，對濾波后的數據進行R波實時檢測，R波檢測后進行Osborn波識別算 法處理，當識別到Osborn波時指示預警LED，將實時數據和測量結果通過串口傳輸以擴展 系統功能。圖2是跟隨器及靜電保護電路。心電信號是幾十到幾百微伏級的極微弱信號且負 載能力差，而人體電阻是kQ ΜΩ級別，若模擬電路的輸入電阻不夠大，根據電路中串聯 電阻間的分壓原則，從人體提取的信號強度則難以保證。本設計使用電壓跟隨器電路作為 電極片和后級處理電路之間的緩沖器，以提高從體表獲取的信號強度。電壓跟隨器具有輸 入電阻大、輸出電阻小的優點，輸出信號幅度近似輸入信號且隨輸入信號變動，信號能量來 源于跟隨器的供電電源。電壓跟隨器由集成運放TLC2252組成，IN_、IN+為從胸前引入的雙電極，經過跟隨 器后以ECG-、ECG+連接到后級電路。TLC2252是高輸入阻抗、低噪聲、低功耗雙路放大器； 電路中器件D1, D2為雙向瞬態電壓抑制器(TVS，TransientVoltage Suppressor)。當TVS 兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它可以快速將兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數 千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位與一個預定值，有效保護電子線路中的精密器件，免 受各種浪涌脈沖的損壞；同樣可以避免電路可能的瞬態高電壓對人體的傷害。圖3是初級放大電路和右腿驅動電路。從導聯引入的心電信號需要經過轉換以獲 取差分信號，來描述心電信號的波形。設計使用具有高共模抑制比的儀用放大器AD620構 成差模信號提取電路，同時實現初級放大。50Hz工頻是心電信號的主要干擾，也是共模信號的一部分。僅靠高共模抑制比的 放大器可能不能完全消除各輸入端的共模噪聲，心電采集系統常使用右腿驅動電路來抑制 工頻干擾。設計使用TLC2252連接AD620反饋端中點，并通過濾波器構成右腿驅動電路，能 防止高頻信號經過右腿驅動電路竄入放大器。右腿驅動電路是心電信號測量中常用的去噪 電路，電路連接初級放大器與體表以構成反饋，降低因身體運動引起的心電波形基線漂移 和共模噪聲。儀用放大器AD620和TLC2252構成包括差分放大電路和右腿驅動電路的初級 放大部分。AD620具有高精度、低噪聲、高共模抑制比的特點，適用于弱信號放大。增益放
AQ AIrO.
大關系式為石+ 1外接的電阻R5調節放大器增益。為避免初級放大增益過大，而
K5
使信號進入后級信號調理電路的飽和區，初級放大增益不能太大。試驗證明，初級放大增益 為10倍效果較好，且10倍增益時共模抑制比可達lOOdB。根據增益放大關系式推得R5為 5. 488k Ω，取5. 6k Ω。共模信號由電阻R17、R19檢出，經過U5放大、倒向后反饋回右腿導聯。 右腿驅動電路構成負反饋，實際減少了共模干擾，將人體引入的50Hz干擾降低到以下， 且不影響有用的心電信號。圖4是后級放大電路和電壓調整電路。信號經過前級的處理后，需要進行進一步 放大。放大后的信號在電源電壓-3. 3V +3. 3V范圍內變動。又因為ADC只能對0 3. 3V范圍內信號進行數模轉換，所以放大后的信號不能直接連接ADC，需要對信號電壓基線進行 抬升1. 65V左右，使信號在0 3. 3V范圍內變動。電路中TLC2252左半部分運放與電阻 R80> R81構成放大電路，實現30倍放大，計算增益比。右半部分運放與電阻網絡R82、R83、R84、 R85> R86構成同相求和電路，實現電壓抬升，計算電壓轉換關系。經過前面一系列的處理后， 心電信號(標識ECG4)可以連接到MSP430F1611的A/D引腳進行信號采集。圖5是帶通濾波電路。差模的心電信號轉為單端信號并經初級放大后，進行 0. 05Hz IOOHz帶通濾波。系統設計使用壓控電壓源二階帶通濾波器來調理信號，電路能 避免由于放大器正反饋信號過強而弓I起的自激振蕩。使用TLC2252和阻容網絡組成壓控電壓源二階帶通濾波電路。其中C6、C7、R6、R8禾口 TLC2252左半部分構成高通濾波器，Rn、R12、C12, C13和TLC2252右半部分構成低通濾波器。圖6是系統軟件流程圖。人體生理特征參數通過醫用傳感器采集后進行有效性確 認，然后再進行處預處理，處理后基于模式識別理論提取病理特征，輔助診斷，如果異常則 發送信息并報警，如正常則存儲數據并進行下一輪數據采集。提出多功能實時動態醫療監護系統的便攜裝置包括基于模式識別理論、利用現代 GPRS通信技術的GPRS模塊、嵌入式實時系統的控制器和UC/0S-2實時操作系統。所述模 式識別理論，主要通過大量病人心電信號數據分析，提取病理特征，對病理特征識別，實現 對多種心臟疾病的輔助診斷和突發狀況的預警與處理。所述利用現代GPRS通信技術，主要 是利用現有的通信網絡，對病人信息實時傳送。嵌入式實時系統硬件采用MSP430系列單片 機，16位RISC系統、馮諾依曼結構的超低功耗芯片，RAM保持電流為0. luA、實時時鐘模式 下為0. 8uA,有效延長了電池使用壽命，能夠在保持低功率的同時同步連接至模擬信號、傳 感器和數字器件等組成控制系統。便攜式儀器對系統功耗、芯片功能及封裝等有較高要求。 UC/0S-2實時操作系統是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁減、占先式實時多任務操作系 統，同時運行多個任務或進程，如心電監護、血壓監護、血氧監護和體溫監護等等。
權利要求
一種實時動態醫療監護系統的便攜裝置，其特征在于，包括輸入部分、電源管理模塊、嵌入微控制器、存儲及通訊接口、輸出驅動部分，輸入部分依次包括傳感器、初級放大和右腿驅動電路、帶通濾波器、后級放大和電壓調整電路，電源管理模塊對各個電路提供基準電源，輸入部分將信號采集后送入嵌入微控制器經過A/D轉換及數據處理后送出到存儲電路儲存數據及通訊接口輸出信號，同時輸出控制信號到輸出驅動部分顯示數據、報警。
2 根據權利要求1所述實時動態醫療監護系統的便攜裝置，其特征在于，所述傳感器 包括心電傳感器、壓力傳感器和血氧探頭，心電傳感器由電極片和跟隨器組成，跟隨器由集 成運放TLC2252組成，IN-、IN+為從胸前引入的雙電極，經過跟隨器后以ECG_、ECG+連接到 后級放大電路，IN-、IN+兩端和信號地之間分別加雙向瞬態電壓抑制器。
3.根據權利要求1所述實時動態醫療監護系統的便攜裝置，其特征在于，所述初級放 大和右腿驅動電路由具有高共模抑制比的儀用放大器AD620、濾波器和集成運放TLC2252 組成，放大器AD620構成差模信號提取電路，同時實現初級放大，TLC2252連接AD620反饋 端中點，并通過濾波器構成右腿驅動電路。
4.根據權利要求1所述實時動態醫療監護系統的便攜裝置，其特征在于，所述帶通濾 波器，差模的心電信號轉為單端信號并經初級放大后，進行0. 05Hz IOOHz帶通濾波，使用 TLC2252和阻容網絡組成壓控電壓源二階帶通濾波電路。
全文摘要
本發明涉及一種實時動態醫療監護系統的便攜裝置，包括輸入部分、電源管理模塊、嵌入微控制器、存儲及通訊接口、輸出驅動部分，輸入部分依次包括傳感器、初級放大和右腿驅動電路、帶通濾波器、后級放大和電壓調整電路，電源管理模塊對各個電路提供基準電源，輸入部分將信號采集后送入嵌入微控制器經過A/D轉換及數據處理后送出到存儲電路儲存數據及通訊接口輸出信號，同時輸出控制信號到輸出驅動部分顯示數據、報警。裝置患者可隨身佩帶，以一定的采樣頻率對患者生理特征參數進行采樣，能夠實現實時病理特征分析，實現長時間監護數據的存儲和緊急狀況下遠程呼叫預警。適應市場的需求。
文檔編號A61B5/00GK101884525SQ20101020504
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者劉澤奎, 尤永, 徐小萍, 李哲旭, 楊磊, 黃勇 申請人:上海理工大學