基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統的制作方法

專利名稱：基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種心電監護系統。特別是涉及一種將無線傳感器網絡技術與心電監護 數字化建設結合在一起，構建醫院的心電圖數字化網絡建設的基于無線傳感器網絡的標 準三導聯心電監護系統。
背景技術：
近幾年來，我國醫院數字化建設取得長足進步，不少醫院已從以財務管理為核心的 管理信息系統向以病人為中心的臨床信息系統方向發展，并逐步建成了臨床醫生工作站、 PACS和LIS等具有臨床性質的信息系統。但作為常規檢査的心電圖，其數字化建設卻沒 有引起足夠的重視。目前醫院具有的常規心電圖監護儀或心電工作站普遍存在著體積龐 大、功能單一、使用不方便和不便攜帶等缺點。心電圖的臨床應用已有百年歷史，至今 心電圖仍是臨床診斷心血管疾病的主要輔助手段，尤其是在缺血性心臟病以及各種心律 失常的診斷方面具有獨特的作用。但心電圖臨床應用的局限性也是明顯的
(1) 在缺血性心臟病的診斷中，其特異性和敏感性都不令人十分滿意。 ①約半數以上的穩定性心絞痛病人靜息心電圖正常；
約20 40%的急性心肌梗塞病人雖有典型的胸痛而無即時心肌梗塞的心電圖表現； @心肌梗塞的心電圖診斷符合率僅為86.9%，側壁心梗診斷符合率更差，僅為25%。
(2) 體表心電圖在判斷某些復雜心律失常方面也存在一定的困難，有時體表心電圖是 難以做出鑒別的。
(3) 體表心電圖不能精確地判斷房室阻滯時，其阻滯部位是房室結或是在希氐束。
(4) 體表心電圖無助于對心臟某些特殊電生理現象的研究，如隱匿性傳導、超常期傳 導等。
(5) 常規靜息心電圖記錄時間太短，難于捕捉到一過性的心律失常及ST-T改變。 另外常規心電圖記錄儀是醫生診斷心臟疾病的主要手段之一，但它僅能記錄短暫心
搏情況。由于在相當多的情況下難以記錄到即刻發作時的心電圖改變，導致無法作出正 確的診斷和治療。因此對病人進行長時間的心電監護也有著極其重要的臨床價值。
美國GMP無線醫療公司開發了LIFESYNC無線心電圖監護系統，它由電極、導連線、 病人用收發器和監視器用收發器構成，實現了無線監護，但它并不是基于無線傳感器網 絡，采用的是2.4GHz藍牙技術，另外心電波形顯示必須借助于VGA或LCD顯示器。
英國Numed Holding有限公司開發了 PocketView ECG產品，PocketView ECG心電圖 監護系統實現了基于PDA的顯示和査詢的，但PDA與導連線之間是通過控制器盒來進行 連接，也不支持無線傳感器網絡，而且PocketView ECG必須配合PDA使用，不便病人隨身攜帶存儲心電數據。
國內調研結果是己見的有關醫療監護無線傳感器網絡方面的文獻報道中，但它們有 的在無線通信方面采用的是藍牙技術，而不是基于無線傳感器網絡；有的僅僅是設計了 個人醫療便攜式設備，用于患者平時生理參數的采集，不具備無線傳輸功能，類似于 Hotler;有的雖采用了無線傳感器網絡技術進行生理參數的采集和監護，但它們都采用 了現成血氧測量模塊、心電采集模塊，通過模塊提供的TTL電平的異步串口與上位機通 訊采集數據，這些采集模塊電路板尺寸一般在10cmxl0cm，所以設備體積大，技術含量低， 而且無線通信技術采用的是非IEEE 802. 15. 4(Zigbee)標準。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種將無線傳感器網絡技術與心電監護數字化 建設結合在一起，構建醫院的心電圖數字化網絡建設的基于無線傳感器網絡的標準三導 聯心電監護系統。
本發明所采用的技術方案是 一種基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統， 包括有管理中心，還設置有由監護病人節點和匯聚節點構成的傳感器網絡節點，以及數 字處理終端，其中，監護病人節點與匯聚節點之間進行通信；各匯聚節點之間進行通信； 匯聚節點、數字處理終端及管理中心之間相互進行通信。
所述的監護病人節點與匯聚節點之間是采用IEEE 802. 15. 4無線通信技術進行通信。 所述的各匯聚節點之間是采用IEEE 802. 11b/g無線通信技術進行通信。 所述的匯聚節點、數字處理終端及管理中心之間是采用IEEE 802. 11b/g無線通信技 術相互進行通信。
所述的監護病人節點包括有依次相連的傳感輸入單元、數據處理單元、數據傳輸單 元，以及向傳感輸入單元、數據處理單元、數據傳輸單元提供電源的電源單元。
所述的傳感輸入單元包括有依次相連的導聯線輸入、前置放大電路、高通濾波電路、 陷波濾波電路及低通濾波電路。
所述的匯聚節點包括有依次相連的數據處理單元、數據傳輸單元，以及向數據處理 單元、數據傳輸單元提供電源的電源單元。
本發明的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統具有如下特點
(1) 將無線傳感器網絡技術與心電監護數字化建設結合在一起，改變傳統心電圖的 運行模式，構建醫院的心電圖數字化網絡建設。只要隨身攜帶一個監護病人節點，就可 有效地預知發病率，既可以作為醫院病人監護用，也可以作為家庭隨身記錄心電數據供 醫生診斷。
(2) 心電監護系統屬于無創性檢査技術，它由單純心電的時域分析變為多域分析， 分析面更加擴大和深入，彌補了常規心電圖檢査技術的不足，使心電圖檢查技術不斷豐 富和完善。本發明中的節點除可以為住院病人實施監護外，也可以作為心血管疾病患者的便攜式微型動態心電記錄儀，它可以記錄普通心電圖檢測時病人不易出現的短暫異常 心電活動，為臨床分析病情提供重要客觀依據。
(3)心電監護系統實現標準3導聯同步心電圖、心率變異性等檢查集于一體，可 以顯示出同一心動周期在不同方位、不同導聯上的完整圖形，彌補了單導心電圖機的缺 陷，顯著增加心電信息量，另外由單純心電的時域分析變為多域分析，分析面更加擴大 和伸入。這些指標的綜合分析可為臨床醫師早期冠心病的診斷，復雜的心律失常分析以 及對于心源性心臟猝死的預測等提供了確切、可靠的客觀依據。


圖1是本發明的系統構成示意圖2是本發明的監護病人節點設置圖3是本發明的監護病人節點構成示意圖;
圖4是本發明的匯聚節點構成示意圖5是前置放大電路原理圖6是0.05Hz高通濾波電路原理圖； 圖7是50Hz陷波濾波電路原理圖； 圖8是100Hz低通濾波電路原理圖； 圖9是MSP430F1612單片機電路；
圖IO是無線收發電路原理圖ll是電源電路原理圖。
其中
1:管理中心 3:匯聚節點 5:數字處理終端 22:數據處理單元 24:電源單元 212:前置放大電路 214:陷波濾波電路 32:數據處理單元 34:電源單元
2:監護病人節點 4:傳感器網絡節點 21:傳感輸入單元 23:數據傳輸單元 211:導聯線輸入 213:高通濾波電路 215 :低通濾波電路 33:數據傳輸單元
具體實施例方式
下面結合實施例的附圖對本發明的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統 做出詳細說明。
如圖1所示，本發明的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，包括有管理中心1，還設置有由監護病人節點2和匯聚節點(sink節點)3構成的傳感器網絡節點 4，以及數字處理終端(PDA) 5，其中，監護病人節點2與匯聚節點3之間進行通信；各 匯聚節點3之間進行通信;匯聚節點3、數字處理終端5及管理中心1之間相互進行通信。 其中，所述的監護病人節點2與匯聚節點3之間是采用IEEE 802. 15. 4無線通信技術進 行通信；所述的各匯聚節點3之間是采用IEEE 802. llb/g無線通信技術進行通信；所述 的匯聚節點3、數字處理終端5及管理中心1之間是采用IEEE 802. llb/g無線通信技術 相互進行通信。
上述的數字處理終端5可以有用個人數字處理終端PDA (掌上電腦)或計算機。 如圖2所示，監護病人節點2是通過導聯線與分別設置在病人身上不同位置處的傳 感器相連
如圖3所示，所述的監護病人節點2包括有依次相連的傳感輸入單元21、數據處理 單元22、數據傳輸單元23，以及向傳感輸入單元21、數據處理單元22、數據傳輸單元 23提供電源的電源單元24。
如圖4所示，匯聚節點(Siiik節點)3包括有依次相連的數據處理單元32、數據傳 輸單元33，以及向數據處理單元32、數據傳輸單元33提供電源的電源單元34。 Sink節 點與監護病人節點2相比只是去掉了傳感輸入部分，而數據處理單元32、數據傳輸單元 33和電源單元34與監護病人節點2中的數據處理單元22、數據傳輸單元23和電源單元 24結構完全相同。Sink節點只負責接收各監護病人節點2傳送來的數據并將其通過 802. llb/g傳送給管理中心1，在醫生或護士査詢病人心電信息時將歷史或當前數據發送 給PDA (數字處理終端5) ， sink節點一般設置在護士站里。
圖9所示的是本發明中的數據處理單元22的電路原理圖。
圖IO所示的是本發明中的數據傳輸單元23。
圖11所示的是本發明中的電源單元24的電路原理圖。
如圖9、圖10所示，本發明的數據處理單元22選用TI公司的超低功耗嵌入式CPU MSP430F1612，數據傳輸單元23主要由低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成。因 為需要進行較復雜的任務調度與管理，節點軟件部分采用專門為無線傳感器網絡設計的 操作系統TinyOS， TiriyOS基于組件結構驅動的特點使系統具有快速反應、開銷小的優點。 TinyOS的組件庫里包括了網絡協議和分布式傳感器驅動以及數據采集工具，這些組件都 可以作為進一步開發的基礎。本項目設計的無線傳感網絡的實現將基于TinyOS提供的一 些基礎的功能模塊。節點軟件可設定采樣速率控制A/D采樣，對采集來的ECG信號進行 峰值檢測和運算，軟件也可動態調整A/D轉換的參考電壓以得到最佳A/D轉換動態范圍， 并將12位A/D轉換數字增加四位二進制數字編碼成為兩字節，按一定規則去掉連續重復 的數據以增加存儲空間，并可加入時間標記和動態調整系數等參數，將這些數據全部存 儲于存儲器中或通過無線傳輸單元傳輸給sink節點3。
如圖3所示，所述的傳感輸入單元21包括有依次相連的導聯線輸入211、前置放大電路212、 0.05Hz高通濾波電路213、陷波濾波電路214及低通濾波電路215。
其中
所述的前置放大電路212如圖5所示，前置放大電路212將通過導聯線輸入211輸 入的病人的信號進行放大后送入高通濾波電路213。
所述的高通濾波電路213如圖6所示，高通濾波電路213將經過放大的病人的信號 經0. 05Hz的高通濾波后送入陷波濾波電路214。
所述的陷波濾波電路214如圖7所示，陷波濾波電路214將經過0. 05Hz的高通濾波 后的病人的信號又進行50Hz的陷波濾波后送入低通濾波電路215。
所述的低通濾波電路215如圖8所示，低通濾波電路215將經過50Hz的陷波濾波后 的病人的信號又進行100Hz低通濾波后送入數據處理單元22。
本發明的PDA作為個人數字處理終端在本發明中構成面向醫療應用的個人數字助理 系統，它通過與外界通信獲取相關的心電監護信息，使用專門設計的程序按一定規則恢 復去掉的連續重復的數據，再根據醫生的需要通過各種算法實現心電、心音及頸動脈信 號采樣顯示。本發明采用型號為DELL Axira X51的掌上電腦，其工作處理包括有
數字濾波器實現信號的數字濾波及預處理；特征點分析識別，采用二進小波變換多 分辨率算法及神經網絡算法實現心電信號P、 Q、 R、 S、 T波各特征點的識別，區分第一 心音、第二心音點以及頸動脈波的U、 P、 D點，鑒別高頻心電圖上的扭結、切跡點等； 頻譜分析，實現心電頻譜分析功能，心室晚電位信號的頻域分析功能；波形分類，實現 心律失常的辨析及分類；手動定標，在自動算法結果出現偏差的情況下實現人工輔助分 析，并實現在QT間期分析、心室晚電位分析、心率變異性分析中實現異常波形的人工輔 助剔除；打印輸出，實現數據打印及診斷結論的打印輸出。
基于傳輸范圍及傳輸速率等方面的考慮，在設計中PDA擬采用IEEE802. llb/g無線 通信技術。
本發明依照應用模式的不同，通常可以簡單地將無線自組織網絡(包括傳感器網絡和 Ad-hoc網絡)分為主動(proactive)和響應(reactive)兩種類型。主動型傳感器網絡持續 監測周圍的物質現象，并以恒定速率發送監測數據；而響應型傳感器網絡只是在被觀測 變量發生突變時才傳送數據。
這兩種應用模式都將應用在設計中，對于響應型傳感器網絡，我們定義硬、軟兩個 門限值，以確定是否需要發送監測數據。當監測數據第一次超過設定的硬門限時，節點 用它作為新的硬門限，并在接著到來的時隙內發送它。在接下來的過程中，如果監測數 據的變化幅度大于軟門限界定的范圍，則節點傳送最新采集的數據，并將它設定為新的 硬門限。通過調節軟門限值的大小，可以在監測精度和系統能耗之間取得合理的平衡。 而對于主動型傳感器網絡，監護病人節點將以恒定速率發送監測數據給sink節點，sink 節點再傳送給PDA或計算機。
心電信息管理中心是整個心電圖信息管理的核心，其主要是負責所有心電圖信息的存儲和管理。管理軟件由面向對象的編程工具Microsoft公司的Borland公司的 Delphi混合編程，功能包括有
主菜單包括以下分析功能模板編輯、頁掃描、趨勢圖、QT變異、房顫/房撲、心率 變異性、.ST段分析等。
病例庫可對病例數據進行查詢、刪除、導入、導出等操作。點擊"服務器"按鈕，
可對任意正在監護的病人數據進行分析。
模板編輯將24小時的數據按不同的心律失常事件分類，包括室早模板、室上早 模板、結性模板等。
頁掃描可以觀察24小時的全覽圖，也可選擇觀察任意時間的心電圖。
QT和QTc分析QTc大于450ms為異常
趨勢圖顯示了24小時心率、ST段、QT、室早、室上早、停搏以及SDNN趨勢圖。 心率變異性分析包括時域、頻域和Lorenz散點圖分析。 打印輸出實現數據打印及診斷結論的打印輸出。
權利要求
1.一種基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，包括有管理中心(1)，其特征在于，還設置有由監護病人節點(2)和匯聚節點(3)構成的傳感器網絡節點(4)，以及數字處理終端(5)，其中，監護病人節點(2)與匯聚節點(3)之間進行通信；各匯聚節點(3)之間進行通信；匯聚節點(3)、數字處理終端(5)及管理中心(1)之間相互進行通信。
2. 根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，其特征 在于，所述的監護病人節點(2)與匯聚節點(3)之間是采用IEEE 802. 15.4無線通信 技術進行通信。
3. 根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，其特征 在于，所述的各匯聚節點(3)之間是采用IEEE 802. llb/g無線通信技術進行通信。
4. 根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，其特征 在于，所述的匯聚節點(3)、數字處理終端(5)及管理中心(1)之間是采用IEEE 802. llb/g 無線通信技術相互進行通信。
5. 根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，其特征 在于，所述的監護病人節點(2)包括有依次相連的傳感輸入單元(21)、數據處理單元(22)、數據傳輸單元(23)，以及向傳感輸入單元(21)、數據處理單元(22)、數 據傳輸單元(23)提供電源的電源單元(24)。
6. 根據權利要求5所述的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，其特征 在于，所述的傳感輸入單元(21)包括有依次相連的導聯線輸入(211)、前置放大電路(212)、高通濾波電路(213)、陷波濾波電路(214)及低通濾波電路(215)。
7. 根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，其特征 在于，所述的匯聚節點(3)包括有依次相連的數據處理單元(32)、數據傳輸單元(33)， 以及向數據處理單元(32)、數據傳輸單元(33)提供電源的電源單元(39)。
全文摘要
一種基于無線傳感器網絡的標準三導聯心電監護系統，有管理中心，由監護病人節點和匯聚節點構成的傳感器網絡節點，以及數字處理終端，監護病人節點與匯聚節點之間進行通信；各匯聚節點之間進行通信；匯聚節點、數字處理終端及管理中心之間相互進行通信。監護病人節點有依次相連的傳感輸入單元、數據處理單元、數據傳輸單元，以及電源單元；匯聚節點有相連的數據處理單元、數據傳輸單元，以及電源單元。本發明將無線傳感器網絡與心電監護數字化結合在一起，只要隨身攜帶一個監護病人節點，就可有效地預知發病率，為臨床分析病情提供重要客觀依據。實現了標準3導聯同步心電圖、心率變異性等檢查集于一體，可顯示出同一心動周期在不同方位、不同導聯上的完整圖形。
文檔編號H04B7/00GK101297753SQ200810052829
公開日2008年11月5日 申請日期2008年4月21日 優先權日2008年4月21日
發明者于曉剛, 李鴻強 申請人:天津工業大學