面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統的製作方法

2023-10-06 22:28:49 2

專利名稱：面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種遠程監護系統和可攜式心電監護儀，尤其涉及一種對人體心電 圖、脈象等生命特徵信號進行檢測、存儲、分析及無線傳輸的遠程監護系統，該監護系統主 要針對基層醫療機構和院外的應用。
背景技術：
隨著我國國民經濟持續快速發展，人民群眾的生活水平越來越高，對身體健康也 日益關注。但是，由於飲食習慣及老齡化程度的增加，心腦血管疾病等已成為我國的常見 病、多發病。對這些數量龐大的慢性病進行及時、有效的監護、預防和治療，是當前我國醫 療保健服務體系要解決的主要問題，而這不是單純依靠傳統的中心醫院加大投入就能奏效 的，需要把傳統的以中心醫院為中心的醫療模式，轉換成專家與計算機輔助診斷相結合、以 病人/家庭為中心、以鄉村、社區醫療服務為單位的新的全民保健模式。「無線化」、「便攜 式」、「網絡化」是大勢所趨，例如用於心、肺音的聽診，腦電圖、心電圖識別的無線可攜式設 備，達到使醫院減緩擁擠、降低開支，幫社區改善服務、加強內涵，讓百姓便於就醫、監護及 時的目的。近年來，國內外已開展以掌上計算機、行動電話和個人計算機作為操作平臺，將藍 牙無線通信技術應用於生命特徵信號監護或診斷系統的研究。目前，國內若干機構已開始 涉足這一領域，但大多處於試驗和起步階段。已有基本系統如圖1所示由採集、移動通信集成模塊，掌上計算機，個人計算機以 及遠程伺服器等部分組成。採集、移動通信集成模塊的檢測傳感器位於檢測對象身上，與採 集模塊之間通過導聯線連接。採集模塊完成信號採集、濾波、放大、模數轉換等，它與掌上計 算機通過藍牙無線通信協議連接，掌上計算機完成信號顯示、數據儲存、參數識別與分析以 及與遠程伺服器、個人計算機數據通信等功能。其中該個人計算機主要用作患者自我掌控 身體狀況，而遠程伺服器主要用於並行數據的接收、存儲，以供大型醫療機構的專家進行實 驗調用、分析之用。目前國內外已開發出一些心電生理特徵監護的可攜式終端，但它們普遍存在一些 問題(1)數據採集模塊和分析處理模塊採用電纜連接方式，患者只能在有電話或計算 機的場合才能進行生命特徵信號遠程傳輸；(2)缺乏網絡連接和通訊功能，因而，社區醫療機構不能通過通信網絡遠程獲得醫 院、專家醫生的醫療指導；(3)不能方便地與計算機進行數據通信，因而難以利用日益普及的計算機的強大 的信息處理能力，不能保留數位化記錄作為醫療證據，也不能被進一步深入分析以及輸入 健康信息系統建立電子病歷；(4)有的存儲空間十分有限，因而，難以滿足實踐應用中對較長時間保存多條心電 記錄的需要；
(5)所提供的實時分析功能比較單一，也沒有提供很好的歷史數據回放、統計、報 告等功能，難以滿足醫務人員對生命特徵信號作全面、深入分析的要求。

發明內容
鑑於上述現有掌上型移動遠程心電監護系統的諸多不足，本發明的目的旨在提供 一種面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，解決基層醫療資源匱乏，配 套完善程度低的現狀，以及普通家用患者監護無法及時得到專家的診療、指導。本發明的上述目的，其實現的技術解決方案是面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，包括信號採集模塊、信 號處理模塊及通過網絡互聯的無線通信模塊、遠程伺服器及調用終端，其特徵在於所述信 號採集模塊、信號處理模塊和無線通信模塊集成為相對被監護者便攜的可佩帶終端，且所 述信號採集模塊的採集單元至少包括心電圖電極，採集並通過其導聯線傳輸用戶的心電圖 數據；脈象傳感器，用於採集一定量的與醫生指覺特徵對應的脈象時間序列波形的脈象數 據，心電圖電極與脈象傳感器均輸出連接至信號處理模塊；所述信號處理模塊具有依賴經 驗、根據信號採集模塊所得數據模擬醫生思維過程、獲得疾病分類結果、並結合中西醫理論 給出處方藥膳或休息/運動指導這類參考建議的智能化微處理器。進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中所 述可佩帶終端的信號採集模塊還包括心音傳感器、血壓計、酶電極傳感器和血氧飽和度傳 感器中的一種或一種以上的採集單元。進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中可 佩帶終端的信號處理模塊的智能化微處理器為具邏輯運算能力的單片計算機，所述單片計 算機通過串行數據總線及多通道模數轉換器與信號採集模塊各採集單元相連，且所述單片 計算機的通信埠與無線通信模塊信號相接。更進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中 可佩帶終端的信號處理模塊還包括與單片計算機互聯的存儲模塊以及與單片計算機輸出 相連的USB接口模塊，用於將採集的所得數據同步到個人計算機上。更進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中 所述單片計算機的輸入端還分別與數字溫度傳感器和控制按鍵單元相連；且其輸出相連有 顯示、報警模塊，以及通過D/A轉換、功率放大電路相連的耳機接口。進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中所 述遠程伺服器為遠程心電圖中心或醫療中心的資料庫存儲中心，其中所述遠程心電圖中心 的遠程伺服器至少劃分為正常心電圖系及異常心電圖系兩部分，而所述醫療中心的遠程服 務器存儲設有以個人為單位實時接收並存儲的健康檔案，所述健康檔案以個人身份特徵為 索引，至少包含個人正常或異常的心電圖、心音、血壓及血糖數據；所述遠程伺服器與無線 通信模塊指向性對接，實時接收來自無線信道的心電圖波形數據和脈象數據。面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，包括信號採集模塊、信 號處理模塊及通過網絡互聯的無線通信模塊、遠程伺服器及調用終端，其中信號採集模塊、 信號處理模塊和無線通信模塊集成為相對被監護者便攜的可佩帶終端，其特徵在於所述 信號採集模塊所採集的心腦血管特徵信號經信號處理模塊進行轉換接收、依賴經驗模擬醫生思維過程、獲得疾病病狀分類結果、並結合中西醫理論給出處方藥膳或休息/運動指導 這類參考建議；並通過無線通信模塊籍由網絡傳輸至遠程伺服器存儲。進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中所 述網絡包括移動通信網絡或網際網路。進一步地，前述面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其中所 述經信號處理模塊輸出的結果數據集參考建議輸出至可佩帶終端的顯示、報警模塊，同時 通過無線通信網絡並行傳輸至遠程伺服器存儲。本發明遠程監控系統的應用實施，其有益效果在於面對社會發展和百姓的切身問題，提出符合我國醫療建設發展要求的、面向基層 醫療機構的可攜式多功能診療終端及其網絡服務系統理念；突出了中國傳統文化特色和學 科交叉的特點，是計算機科學、生物醫學工程、生命科學、醫學的嶄新交融和應用；在計算機 應用方面，不局限於傳統專家系統的設計方法，重視醫學專家診斷思維過程的刻畫和臨床 經驗的模擬；經典邏輯和統計學習方法相結合，強調形態、經驗在特徵識別中的重要意義， 既面向實際問題，又針對學科發展。


圖1現有技術一種可佩帶醫療終端及其網絡構成的系統框圖；圖2是本發明遠程監控系統一優選實施例的模塊功能劃分框圖；圖3是圖2所示實施例採集器的功能示意圖；圖4是由圖3所示採集器採集得到的使用者脈象的波形示意圖；圖5是本發明可佩帶終端中信號處理模塊的連接電路圖。
具體實施例方式本發明研發主要針對在基層醫療機構和家庭可對人體生命特徵信號(如心電圖、 心音、脈像圖等)進行檢測、監護、診斷、存儲與無線傳輸的可攜式移動終端，並對信號作識 別、顯示、分析和報警的軟體，以及相應的基於網際網路和無線通信網絡的數據交互和內容服 務環境，具有使用方便、接口簡單、價格低廉等特點，可實現無論何時、無論何地對人進行監 護、會診的目標，滿足建設社區醫療服務體系的需要。包括多用途生命特徵信號檢測設備； 短程無線通信和長距離無線通信結合的網絡通信軟體；基於醫生經驗的生命特徵信號的計 算機輔助識別方法；遠程醫療中心服務軟體；心電圖、脈象等資料庫。如圖2和圖3所示，是本發明遠程監控系統一實例的模塊功能劃分框圖及其採集 器的功能示意圖。從圖中所示可以清楚看到該面向基層醫療的心腦血管遠程監控系統包 括信號採集模塊、信號處理模塊及通過網絡互聯的無線通信模塊、遠程伺服器及調用終端， 其中信號採集模塊、信號處理模塊和無線通信模塊集成為相對被監護者便攜的可佩帶終 端，且信號採集模塊至少包括用於採集並通過其導聯線傳輸用戶的心電圖波形數據心電 圖電極；及用於採集一定量的與醫生指覺特徵對應的脈象時間序列波形的脈象數據脈象傳 感器。該心電圖電極與脈象傳感器均輸出連接至信號處理模塊(如圖3所示)。在實際應 用中，該可佩帶終端作為直接面向監護對象的設備，還包括濾波與放大電路、模數轉換器、 輸入按鍵、顯示、報警終端及智能化微處理器，經處理後的監測數據經由USB接口或其它無
6線短距離通信接口傳輸到掌上計算機或網絡傳輸至遠程伺服器，其中遠程伺服器為遠程心 電圖中心或醫療中心的資料庫存儲中心。當採集所得的數據進入到可佩帶終端或調用終端後，一方面經可佩帶終端的信號 處理模塊依賴經驗、根據信號採集模塊所得數據模擬醫生思維過程、獲得疾病分類結果、並 結合中西醫理論給出處方藥膳或休息/運動指導這類參考建議；另一方面經調用終端的處 理器同時調用心電圖中心遠程伺服器中的數據進行分析處理、軟體濾波、QRS檢測、異常心 電檢測等邏輯運算，並通過界面顯示給基層醫療機構的操作者，最終將運算的結果通過無 線通信模塊結合移動通信網絡控制模塊與遠程監護伺服器進行數據交互。值得一提的是， 該可佩帶終端還存儲有同步程序的軟體，以便在需要的情況下與PC計算機進行數據同步寸。在PC計算機端，經同步、藍牙或其它無線通信手段接收到來自採集器及掌上計算 機的監護數據後，一方面通過同步程序可交付給PC機的資料庫之中，以備計算機對監護者 進行生命體徵情況的界面化監護、管理病人的心電信息，以及進一步的離線分析；另一方面 也可單獨通過網際網路與遠程伺服器交互數據。如圖3和圖5所示，本發明的研究重點旨在功能的逐步增加，不限於傳統的心電 圖監護，而結合中西醫多方面的優點，將包括脈象、心音、常規的血糖、血壓等監護手段相融 合，併集成無線通信和可佩帶模塊，使針對心律失常、腦中風等常見疾病的藥理實驗的參考 數據更完善。採集器是實現生命特徵信號的現場採集和傳輸的重要終端設備。對採集器的基本 要求是及時對採集到的生命特徵信號進行濾波和壓縮等預處理，以減少存儲器佔用量和 數據傳輸開銷。為降低成本，這些任務一般採用單片計算機完成。然而，限於單片機的資源、 運算能力和運行速度限制，不少算法無法使用。高性價比的信號採集器的研製一直是一個 熱點問題。通過研究信號的特點發現，巧妙地組織存儲器資源，可使數據運算量和存儲器開 銷大大減少，實現數據濾波和壓縮，且能達到實時採集與處理所需的運算速度，並大大提高 了採集精度。該可佩帶終端的信號處理模塊的智能化微處理器為具邏輯運算能力的單片計算 機，可選的具體型號有MSP430F2618 (SOpins)。所述單片計算機通過串行數據總線及多通道 模數轉換器(Ti的四通道12位ADS8341)與信號採集模塊各採集單元(圖5中所示包括心 音傳感器、酶電極傳感器、壓力傳感器及血氧飽和度傳感器)相連，且單片計算機的通信端 口與無線通信模塊(藍牙模塊或其它支持無線通信協議的模塊)信號相接。此外，該信號處理模塊還包括與單片計算機互聯的存儲模塊；該單片計算機的輸 入端還分別與數字溫度傳感器和控制按鍵單元相連；且其輸出相連有顯示、報警模塊，以及 通過D/A轉換、功率放大電路相連的耳機接口。再者，雖未圖示，但該單片計算機還輸出相連的USB接口模塊，用於將採集的所得 數據同步到個人計算機上；通過單片計算機及智能軟體對各硬體模塊進行控制，完成生命特徵信號的放大、 A/D轉換和無線傳輸。主控模塊是整個採集軟體的核心，它控制所有硬體資源，包括系統時 鍾、中斷資料(外部中斷和時鐘中斷)、埠資源(串口)，調用硬體控制模塊進行數據的採 集處理和發送。另有主控模塊分配單片機各埠資源給放大晶片和A/D轉換晶片，用於數據傳輸並對其進行控制。通過移動通信模塊將生命特徵信號通過移動通信網絡發送給遠程伺服器，也能通 過該模塊接收來自伺服器的報告和診治建議。將同時支持GSM/GPRS、CDMA、3G移動通信網 絡協議。進一步的工作包括第一，將省掉藍牙通信模塊而使原來的兩方面的硬體同一設計，並增加硬體功能 類似的心音、脈象等生命特徵信號採集器，將它們都集成於一體。第二，患者數據、生命特徵信號數據、操作員數據、監護報告等，能夠與個人計算機 進行同步處理。個人計算機端應用程式提供對保存的異常事件進行回放、統計、趨勢分析、 報告、列印等功能，還能夠傳輸數據給遠程伺服器，並能接收遠程伺服器的結論和診治建 議。第三，伺服器通過移動通信網絡或網際網路接收通過無線傳輸得來的生命特徵信 號，並能回傳由醫生作出的會診結論和診治建議。第四，中醫認為，心臟搏動的強弱、脈絡的弛張等是引起脈象變化的根源，脈象與 心血管狀況的關係密切。因此要研究融合脈像和心電圖信息的常見心臟疾病的分類方法， 以期提高面向社區醫療的計算機輔助心血管疾病診斷的可靠性和實用性。以下便通過一個實例及其臨床數據簡述中醫診斷規則由於脈診客觀化研究沒有像心電圖的MIT那種的標準資料庫，所以在獲取原始脈 圖信號之前，必須考慮如何獲得有效的、對實驗結果具有說服力的數據。要保證數據的全面 性要準備三組數據正常數據(無疾病者的脈象)、腦中風(腦中風病人的脈象)數據，非 腦中風數據(非腦中風病人的脈象)(這點在遠程伺服器中可以對資料庫進行不同疾病種 類的劃分實現)。通過採集儀器以事先確定好的方式在醫生的協助下獲取脈象，與此同時， 應由醫生給出切脈診斷，並作詳細記錄，作為對照數據。特徵獲取與脈象識別分類的前提是規則的獲取，從名老中醫經驗出發，反覆交流 整理出腦中風病所表現的脈象特徵，將名老中醫的經驗客觀化。腦中風病症和一些脈象特 徵如下病症腦動脈粥樣硬化，高血壓小動脈硬化等引起的偏癱、失語和神經功能的障礙。脈象病腦側寸及對側關、尺脈無力、脈沉、細、澀。健腦側寸脈及對側關尺脈弦。說明弦風脈靜止時發生，晨起發生多見，有高血壓、糖尿病史，40歲以上，腦脊液 正常，相關脈象判別規則參見圖4 沉脈H1在150g以下時最高，波群最清晰，Hl正常範圍細脈H1< 8mm ；H4/H1 42° H5 0. 7 ；H4 > 6mm ；H4/H1 > 0. 5 ；Tl > 0.09s;流入角<8°。根據整理的相關規則，提取腦中風疾病相關的特徵，例如HI、H4、Tl寸寸。其中Hl為主波幅值、H3為重搏前波幅值、H4為降中峽幅值、H5為重搏波幅值、Tl 為急性射血期時值。
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本發明的獨特性表現在以下幾個方面(1)多生命特徵採集的可佩戴無線終端，多個功能終端可集成在一起也可單獨使 用，並結合短程無線通信和個人通信網絡，支持醫療、健康信息化(如電子病歷)；(2)在計算機輔助診斷方面，不局限於傳統的專家系統的設計方法，強調醫學專家 診斷思維過程的模擬，從專家經驗(隱性知識)獲取、機器學習等多個方面構建計算機輔助 診斷模型；(3)從實際問題和需求提煉科學問題，突出了中國傳統文化特色和學科的交叉，經 典邏輯和統計學習方法的結合，社區醫院和醫療服務中心(三甲醫院)服務的一體。
權利要求
面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，包括信號採集模塊、信號處理模塊及通過網絡互聯的無線通信模塊、遠程伺服器及調用終端，其特徵在於所述信號採集模塊、信號處理模塊和無線通信模塊集成為相對被監護者便攜的可佩帶終端，且所述信號採集模塊的採集單元至少包括心電圖電極，採集並通過其導聯線傳輸用戶的心電圖數據；脈象傳感器，用於採集一定量的與醫生指覺特徵對應的脈象時間序列波形的脈象數據，心電圖電極與脈象傳感器均輸出連接至信號處理模塊；所述信號處理模塊具有依賴經驗、根據信號採集模塊所得數據模擬醫生思維過程、獲得疾病分類結果、並結合中西醫理論給出處方、藥膳或休息/運動指導這類參考建議的功能的智能化微處理器。
2.根據權利要求1所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其 特徵在於所述可佩帶終端的信號採集模塊還包括心音傳感器、血壓計、酶電極傳感器和血 氧飽和度傳感器中的一種或一種以上的採集單元。
3.根據權利要求1所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其 特徵在於所述可佩帶終端的信號處理模塊的智能化微處理器為具邏輯運算能力的單片計 算機，所述單片計算機通過串行數據總線及多通道模數轉換器與信號採集模塊各採集單元 相連，且所述單片計算機的通信埠與無線通信模塊信號相接。
4.根據權利要求3所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其 特徵在於所述信號處理模塊還包括與單片計算機互聯的存儲模塊，且單片計算機的輸入 端還分別與數字溫度傳感器和控制按鍵單元相連。
5.根據權利要求3所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其 特徵在於所述信號處理模塊的單片計算機還輸出相連有顯示、報警模塊，以及通過D/A轉 換、功率放大電路相連的耳機接口。
6.根據權利要求3所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其 特徵在於所述可佩帶終端的信號處理模塊還包含一個與單片計算機輸出相連的USB接口 模塊，用於將採集所得數據同步到個人計算機上。
7.根據權利要求1所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統， 其特徵在於所述遠程伺服器為遠程心電圖中心或醫療中心的資料庫存儲中心，其中所述 遠程心電圖中心的遠程伺服器至少劃分為正常心電圖系及異常心電圖系兩部分，而所述醫 療中心的遠程伺服器存儲設有以個人為單位實時接收並存儲的健康檔案，所述健康檔案以 個人身份特徵為索引，至少包含個人正常或異常的心電圖、心音、血壓及血糖數據；所述遠 程伺服器與無線通信模塊指向性對接，實時接收來自無線信道的心電圖波形數據和脈象數 據。
8.權利要求1所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，包括信 號採集模塊、信號處理模塊及通過網絡互聯的無線通信模塊、遠程伺服器及調用終端，其中 信號採集模塊、信號處理模塊和無線通信模塊集成為相對被監護者便攜的可佩帶終端，其 特徵在於所述信號採集模塊所採集的心腦血管特徵信號經信號處理模塊進行轉換接收、 依賴經驗模擬醫生思維過程、獲得疾病病狀分類結果、並結合中西醫理論給出處方藥膳或 休息/運動指導這類參考建議；並通過無線通信模塊籍由網絡傳輸至遠程伺服器存儲。
9.根據權利要求8所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統，其 特徵在於所述網絡包括移動通信網絡或網際網路。
10.根據權利要求8所述的面向基層醫療的心腦血管特徵信號實時感知與監護系統， 其特徵在於所述經信號處理模塊輸出的結果數據集參考建議輸出至可佩帶終端的顯示、 報警模塊，同時通過無線通信網絡並行傳輸至遠程伺服器存儲。
全文摘要
本發明基於中西醫結合的原則，揭示了一種面向基層醫療的心腦血管疾病遠程監護系統，包括信號採集模塊、信號處理模塊及通過網絡互聯的無線通信模塊、移動終端及遠程伺服器；特點在於該信號採集模塊、信號處理模塊和無線通信模塊集成為相對被監護者便攜的可佩帶終端，且信號採集模塊至少包括心電圖電極，採集並通過其導聯線傳輸用戶的心電圖波形數據；脈象傳感器，用於採集一定量的與醫生指覺特徵對應的脈象時間序列波形的脈象數據，兩者均輸出連接至信號處理模塊。本發明突出了傳統文化特色和學科交叉的特點，是中西醫結合的具體形式和有效途徑，並引入無線通信模塊，為實時進行病例實驗提供了精確、及時的體徵數據，強調經驗的重要作用。
文檔編號A61B5/02GK101972141SQ20101025578
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者朱洪海, 董軍 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所