基於gprs的心電無線遠程監護系統的製作方法

2023-06-02 05:05:41 1

專利名稱：：基於gprs的心電無線遠程監護系統的製作方法
技術領域：
：本實用新型是一種基於GPRS的心電無線遠程監護系統，屬於人體生理參數檢測及電子醫療儀器領域。
背景技術：
：隨著傳感器技術、無線通信技術和信息技術的發展，遠程醫療和家庭健康監護得到了更為廣闊的發展空間。家庭健康監護中最常使用的是心電監護。目前老年人的身體健康問題已引起社會越來越廣泛的關注。同時根據中國醫學協會統計有近60%的心臟類疾病死亡是發生在家庭和社區範圍內的。因此如果能夠在早期發現心電異常並及時通知家屬，就能為患者爭取寶貴的救治時間，提高其生存機率。醫學實踐表明，對於心臟類疾病如果可以及時發現並作恰當處理，患者則有70%80%的生存率。所以說心電監護儀的可攜式設計，已成為現代醫學儀器發展的一個必然趨勢。目前的大多數心電監護儀成本較高，操作複雜，且採用有線的通訊方式，限制了患者的使用範圍，達不到動態監護得目的。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供了一種基於GPRS的心電無線遠程監護系統。本系統可以達到對患者進行實時心電監護，同時能夠對患者的心電進行自動分析診斷，並能夠在液晶屏上實時顯示三通道心電波形。如若發生心電異常，系統也會自動通過GPRS發送報警信息。為了實現上述目的，本實用新型採取了如下技術方案。本系統包括有心電電極、心電放大器、核心處理器、串口、USB口、JTAG口、網口、存儲模塊、液晶顯示電路、觸控螢幕電路和電源管理電路；心電電極的探測端與人體相連，心電電極的輸出端通過心電放大器與核心處理器相連，心電電極從人體採集心電信號，並對採集到的信號進行放大、濾波後送入S3C2410A中進行處理。本系統還包括有與核心處理器相連的GPRS模塊，若心電信號異常，核心處理器通過GPRS模塊發送報警信息，同時還將心電信號通過GPRS模塊傳輸到醫生所在的接收端。本系統還包括有導聯脫落報警電路，所述的導聯脫落報警電路能夠在心電電極與人體脫離時亮燈報警，提示脫落。所述的核心處理器選用的是32位處理器S3C2410A。該儀器採用低功耗32位單片機作為核心處理器，並選用Linux作為作業系統，可以達到對患者進行實時心電監護，同時能夠對患者的心電進行自動分析診斷，並能夠在液晶屏上實時顯示三通道心龜波形。如若發生心電異常，系統也會自動通過GPRS發送報警信息，減少病人病發的危險，同時能夠將發病時的心電圖通過GPRS傳輸到醫生所在的接收端，供醫生診斷分析。圖l:系統結構圖圖2:系統發送端的軟體流程圖圖3:系統接收端的軟體流程圖圖4:心電信號放大濾波電路圖l圖5:心電信號放大濾波電路圖2圖6:系統電源部分原理圖圖7:系統LCD部分原理圖圖8:系統其它接口原理圖圖9:系統總體連接圖具體實施方式本實用新型是基於GPRS的心電無線遠程監護，系統框圖如圖l所示。系統包括有心電電極、心電放大器、核心處理器、串口、USB口、JTAG口、網口、液晶顯示電路、觸控螢幕電路、GPRS模塊以及電源管理電路。心電電極分別與人體和心電放大器相連，心電電極用來採集模擬信號，並將採集到的信號傳送給心電放大器，心電放大器對該信號進行放大、濾波之後送入核心處理器中進行處理。系統可通過USB口、串口進行數據傳輸，也可通過JTAG口燒寫啟動代碼，同時系統可以通過網口與Internet相連。心電電極能夠直接從人體體表採集三通道的心電信號，並能夠對心電電極進行導聯檢測，若檢測到鬆動則會亮起不同顏色的燈報警相應導聯脫落。系統採用32位單片機作為核心控制器，可將信號顯示在液晶屏上，液晶屏具有觸控螢幕的功能，系統還可通過GPRS模塊將心電信號發送到接收端。系統使用電池供電，通過電源轉換晶片將輸入電壓轉換為系統所需要的工作電壓。本實施例採用S3C2410A作為核心處理器，S3C2410A採用了ARM920T內核，0.18um工藝的CMOS標準宏單元和存儲器單元，其運行速度最高可達266MHz。S3C2410A具有8通道IO位ADC和觸控螢幕接口，因此不需要外加ADC晶片，同時還具有3通道UART，2通道USB主控制器/1通道USB設備控制器和117個通用1/0，使接口電路的設計更加簡單，集成度更高，儀器的體積大大減少，增強了監護儀的便攜性。系統的心電放大濾波電路如圖4、圖5所示，它由前置放大電路、主放大電路、低通濾波器、電平提升電路和導聯脫落報警電路組成。電路中共使用了3片8腳IC晶片AD620，7片14腳IC晶片LM342和2片14腳IC晶片74LS08,具有高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、動態範圍大、性能穩定、使用安全等特點。從人體體表採集的心電信號是極為微弱的，一般心電信號的峰值大約為lmV，體表心電信號的頻率主要集中在0.05-100Hz，中心頻率為17Hz，是一種低頻率的微弱雙極性信號。它淹沒在許多較強的幹擾和噪聲中，主要是來自50Hz工頻幹擾的影響。因此，要對心電信號進行精確測量，必須設計出性能優良的放大濾波電路，且放大倍數至少為1000倍。在實際應用中，一級放大電路的增益通常不要超過100倍，再高的放大倍數將引起電路的振蕩，故而我們將放大電路分成兩級放大。我們採用AD620作為第一級放大。AD620是一種低功耗、高精度儀表放大器，它可用一隻外部電阻調節1-1000倍的放大倍數，儘管AD620由傳統的三運放放大器發展規律而成，但一些主要性能卻優於由三運放構成的儀表放大器。根據AD620的放大倍數計算公式1=1一+可計算出第一級的放大倍數。其中R為AD620引腳1和8之間的電阻阻值，在這裡為R103與R104的阻值之和，這裡我們選用R103=750Q，R104=750Q。根據公式計算得出，第一級放大倍數約為34倍。我們用信號發生器在第一級輸入端輸入20Hz，峰峰值為20mV的正弦信號，在第一級輸出端可檢測到20Hz，峰峰值為0.72V的正弦信號，約放大了35.5倍，基本符合預估放大倍數。第二級放大電路採用LM324來實現。我們在第二級放大電路的輸入端輸入20Hz，峰峰值為20mV的正弦信號，在第二級輸出端測得20Hz，峰峰值為892mV的正弦信號，約放大了45倍。至此，整個放大電路共放大約1530倍。由於心電信號的中心頻率為17Hz，因此我們只需要採集40Hz以內的信號便可描述心電信號的特徵及判斷其異常情況。而且通過40Hz的低通濾波，也可過濾掉50Hz工頻幹擾及高頻信號的影響。由於S3C2410A單片機的內部A/D模塊只能對0-3.3V的信號進行轉換，所以需要對心電信號進行電平轉換，使其波形處於正區間，因此，需要設計電平提升電路來提高心電信號的電壓。可攜式心電監護儀是患者隨身攜帶的儀器，導聯線很容易脫落，這將引入很大的幹擾，導致心電波形畸變，使得心電監護儀難以輸出實際波形，從而導致對心電信號的錯誤判斷，影響診斷結果。因此我們設計了導聯脫落電路，電路中使用1片14腳IC晶片74LS08和3片14腳IC晶片LM324，以達到導聯脫落時的報警提示作用。通過心電放大器放大的心電信號同時被送入導聯脫落電路進行檢測，判斷電壓是否在導聯脫落範圍之內，如若超出正常範圍則報警導聯脫落。我們選擇三色指示燈(紅、黃、綠)提示導聯脫落，每一個導聯都有一個顏色的指示燈與其相連，當該導聯脫落時，則相應的指示燈會亮起提示脫落。本實施例的通信方式採用GPRS無線模塊，GPRS網絡覆蓋面廣，因此極大地擴大了使用者的活動範圍，使得其生活質量得以提高。系統的GPRS模塊採用的是S頂C0M公司生產的GSM/GPRS雙頻模塊S頂100-E。S頂100-E主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。SIM100-E集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合於開發一些GSM/GPRS的無線應用產品，如行動電話、手持設備、無線POS機以及無線數據傳輸業務，應用範圍十分廣泛。SIM100-E模塊為用戶提供了功能完備的系統接口。60Pin系統連接器是S頂100-E模塊與應用系統的連接接口，主要提供外部電源、RS-232串口、S頂卡接口和音頻接口。S頂100-E內置AT指令集、TCP/IP協議。在單片機的控制下，利用現有的GPRS網絡進行信號的處理和傳輸，從而實現遠程無線監護的目的。S頂100-E模塊可以快速可靠地實現數據和語音傳輸、短消息以及傳真服務等無線通訊功能。系統能夠通過GPRS進行心電信號的數據發送，系統發送端的軟體流程如圖2所示。系統開始運行後進行心電數據的採集、顯示，並對採集到的心電信號進行處理，判斷其是否異常，一但發現有異常心電，則觸動GPRS模塊發送報警信息到固定手機上，並將異常心電圖發送至接收端。系統接收端的軟體流程如圖3所示。系統接收端為一臺連接到Internet的具有公網IP的PC機。然後該PC運行接收端軟體，不斷監聽來自指定埠的連接請求，當有數據接收進來則存入緩衝區，將byte數組轉成int數據，析出三通道數據並在屏幕上顯示出心電波形。系統從人體體表採集心電數據，經由模擬放大電路進行放大、濾波處理後送入S3C2410A進行處理，通過單片機內部的AD模塊對模擬信號進行A/D轉換，並將採集到的心電波形傳至LCD上顯示出來。系統還可通過串口、USB口與PC機相連，也可通過網口與Internet網絡相連。由於系統為可攜式心電監護，因此需要使用電池供電，系統採用3節乾電池供電，約為4.5V。S3C2410A的內核工作電壓為1.8V，存儲器和外部I/O的工作電壓為3.3V，液晶屏需要+5V、+15V、-10V以提供正常顯示的偏壓，以及驅動背光LED的+25V背光電壓和15mA左右的背光電流。單一的電源轉換很難達到這些要求，因此需要多個晶片實現這些電壓。電源電路如圖6所示。系統主要採用三種電源晶片LTC3441，LTC1911-1.8和MAX1578ETG。LTC3441是一款轉換效率高達95%、固定頻率的降壓-升壓型DC/DC轉換器，它能在輸入電壓高於、低於或等於輸出電壓的條件下進行高效操作。該晶片所採用的設計拓撲結構可通過所有操作模式提供一個連續轉換，在突發模式操作狀態下，靜態電流僅為25uA，符合本系統的低功耗設計，從而使得其成為輸出電壓處於電池電壓範圍內的單節鋰離子電池應用或多節電池應用的理想選擇。突發模式操作由用戶來控制，並可通過驅動M0DE/SYNC引腳至高電平來使能。如果M0DE/SYNC引腳被驅動至低電平或具有一個時鐘，則固定頻率開關操作被使能。LTC1911-1.8是輸入電壓從2.7V到5.5V，輸出電壓為1.8V，輸出電流可達250raA的降壓式電荷泵DC/DC變換器。它的主要特點是轉換效率高，比一般線性穩壓器效率高25%(典型值)；固定1.5MHz振蕩器頻率不僅提供低噪聲穩壓輸出，並且其輸入噪聲也比一般穩壓輸出的電荷泵低，減小了輸出濾波電容的容量；功耗小，靜態電流180UA，關閉狀態時IOUA;有軟啟動功能；有短路及過熱保護；僅需外接4個電容(2個1pF電容及2個lOuF電容)即可構成工作電路。CPU上的PWREN是使能信號，當系統Poweroff的時候，PWREN會成為低電平，則VDD1.8停止供電，但是不影響VDD1.8alive，VDD1.8alive正常供電。VDD1.8alive是為CPU的RTC和RESET供電的，所以使其一直保持有電狀態，有利於系統的再次喚醒。MAX1578ETG提供4路調節輸出，可滿足手持設備用到的小型有源矩陣式TFT-LCD顯示器的所有電壓需求，在這些設備中儘量少的外部元件和高效率是必須的。每一款器件都包含三個用於LCD偏置電源的先進電荷泵，和一個升壓轉換器，此轉換器可驅動多達8個用於背光的串聯白色LED，輸入電壓範圍是2.7V至5.5V。電荷泵為LCD偏置電路提供固定的+5V、+15￥和-1(^電壓，無需外接二極體。一個高效、分數型(1.5倍/2倍)電荷泵之後緊跟著一個低壓差線性穩壓器，為源驅動器提供+5V電壓。自動模式切換實現了最高的轉換效率。兩個多級、高電壓電荷泵產生+15V和-10V電壓，用來提供V。w和V。ff。利用時鐘方案和內部驅動器，這些電荷泵消除了寄生充電電流脈衝幹擾並降低了最大輸入電流，從而保證了很低的電磁輻射。啟動和關斷時實現順序輸出。高效率的電感式升壓轉換器以恆定電流驅動多達8個用於背光的串聯白色LED。串聯的連接方式使各LED電流相同從而統一了照明亮度，也使LED的連線最少。MAX1578ETG在整個溫度範圍內調節恆定的LED電流。MAX1578ETG採用節省空間的24引腳4mmx4mm薄型QFN封裝。其效率也較為理想，電荷泵為83%，升壓轉換器為84%。因此，MAX1578ETG非常適合應用於本系統中。系統的數字電路部分集成了LCD顯示模塊、串口通信模塊、USB模塊、JTAG模塊、存儲模塊以及網卡模塊，能夠完成心電信號採集、顯示、分析、報警等功能。LCD顯示器是系統中最重要的輸出設備。S3C2410A中的LCD控制器可支持STN和TFT兩種LCD。系統採用的是Sharp公司的3.5英寸透反射式TFT-LCD:LQ035Q7DH02，LCD電路如圖7所示。由於LQ035Q7DH02不包含控制器，需要配合控制電路才能使用。S3C2410A晶片中的LCD控制器的功能是將LCD圖像數據從系統主存中的顯示緩衝區搬移到外部LCD驅動器中，它能支持高達4K色STN顯示器和256K色TFT顯示器，支持最高1024X768解析度下的各種液晶屏，具有LCD專用的DMA。S3C2410A晶片內部的LCD控制器用來控制圖像數據的傳輸，其接口信號主要有24根數據線和9根控制信號線。由於S3C2410A的LCD控制器與顯示器LQ35Q7DH02在數據格式及顯示時序上無法匹配，所以需要選用一種時序控制IC來對不同的數據與時序進行映射。系統的時序控制IC選用Sharp公司的LZ9FC22。該晶片專用於對TFT型QVGA屏幕(屏幕解析度為320X240)的LCD進行時序控制。這是一個18bit(R6G6B6)的控制器，由於系統採用的是RGB56516bit工作模式，所以R0和B0這兩個引腳實際上沒有輸入有效信號。為了充分發揮S3C2410A的數據處理能力，系統採用兩片16位數據寬度的SDRAM並聯構建成32位數據寬度的SDRAM存儲器系統，提高了其與CPU的通信效率。系統通過RS-232串口，實現了與PC機的串行通訊。由於RS-232的標準所定義的高低電平信號與S3C2410A的LVTTL電路所定義的高低電平信號完全不同，因此二者間要進行通信必須通過信號電平的轉換，我們這裡採用MAX3232來實現。USB是一種新興的計算機外圍串行通信接口標準，它克服傳統計算機串/並口的缺陷，具有熱插拔，即插即用，數據傳輸可靠，擴展方便，低成本等優點，已成為當前計算機必備的接口之一，同時也被廣泛地應用於嵌入式系統的設計中。USB採用四根電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另兩根為下遊設備提供電源。它支持兩種數據傳輸率，對高速且需要高帶寬的外設，USB以全速12Mbps傳輸數據；對於低速外設則以1.5Mbps的傳輸速率傳輸。USB總線會根據外設情況在兩種模式之間自動切換。乙太網口是用來與Internet相連的接口，我們的心電監護系統需要實現嵌入式Web伺服器的功能，使得外部可以通過Internet訪問設備終端並査看心電波形。這裡我們採用AX88796作為網卡實現其功能，並採用標準RJ45接口與網絡連接。Ax88796是臺灣Asix公司推出的NE2000相容快速乙太網控制器。其內部整合有10/100Mb/s自適應的物理層收發器和8KX16位的SRAM，支援MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線型式。Ax88796執行基於IEEE802.3/IEEE802.3u區域網路標準的10Mb/s和100Mb/s乙太網控制功能，並提供IEEE802.3u相容的媒質無關接口Mil(MediaInd印endentInterface),用以支援在其它媒質上的應用。此外，Ax88796還提供可選用的標準列印接口，可用於連接列印設備或用作一般的1/0連接。系統各接口部分的電路如圖8所示。最終系統需要將各個模塊組合起來，並在尺寸上要儘可能的小。由於S3C2410A的封裝為BGA272球形封裝，許多信號很難從中引出，同時考慮到電路板中存在許多高速信號，為了排除信號之間串擾與電磁幹擾，使系統工作穩定，我們採用六層板的設計。系統的整體連接圖如圖9所示。利用本監護系統，我們進行如下步驟測試。首先打開超級終端，系統上電後將在超級終端上顯示有命令提示符出現，則系統已經開始啟動。當在液晶顯示屏左上角看到有企鵝圖標出現時，則說明系統啟動完成。如若在超級終端運行./button,系統則開始進行心電檢測，之後系統將進行心電檢測、分析，屏幕上顯示的是檢測到的i導、n導、m導三通道的心電信號及心率。當系統檢測到有異常心電的時候則觸動GPRS模塊發送報警信息到手機上，並將異常心電數據發送到接收端。系統能夠檢測多種異常心電信號(心動過速、心動過緩、心律不齊、停搏、漏搏)。為了進一步驗證系統的冇效性和準確性，我們將檢測結果與心電信號發生器所產生的心電波形的實際參數進行對比，其結果如表l所示。可見檢測結果的心率參數基本上與實際產生的心電信號參數一致，這反映了系統的準確性。同時為了驗證GPRS接收端數據接收的準確性，我們對發送端與接收端的心電信號作以比較，發送端發送的心率為平均140次/分的三個通道的心電數據，時間為5s，約為10個心電周期。接收端能夠正確接收，且能夠Xt心電信號作以分析，接收端顯示為接收到10個心電周期，我們選擇其中一個通道進行心電數據的分析，這裡選擇的是第三個通道的心電信號，分析得出其平均心率為139次/分。測試結果表明本心電監護儀操作簡單，工作穩定，能對心電信號並進行實時監護並報警。表l檢測結果比較tableseeoriginaldocumentpage11權利要求1、基於GPRS的心電無線遠程監護系統，包括有心電電極、心電放大器、核心處理器、串口、USB口、JTAG口、網口、存儲模塊、液晶顯示電路、觸控螢幕電路和電源管理電路；心電電極的探測端與人體相連，心電電極的輸出端通過心電放大器與核心處理器相連，心電電極將採集到的心電信號傳送給核心處理器；其特徵在於還包括有與核心處理器相連的GPRS模塊，若心電信號異常，核心處理器通過GPRS模塊發送報警信息，同時還將心電信號通過GPRS模塊傳輸到醫生所在的接收端。2、根據權利要求1所述的基於GPRS的心電無線遠程監護系統，其特徵在於還包括有導聯脫落報警電路。3、根據權利要求1或權利要求2所述的基於GPRS的心電無線遠程監護系統，其特徵在於所述的核心處理器選用的是32位處理器S3C2410A。專利摘要本實用新型是一種基於GPRS的心電無線遠程監護系統，屬於人體生理參數檢測及電子醫療儀器領域。本實用新型包括有心電電極、心電放大器、核心處理器和與核心處理器相連的串口、液晶顯示電路、GPRS模塊等。心電電極的探測端與人體相連，心電電極的輸出端通過心電放大器與核心處理器相連，心電電極將採集到的心電信號傳送給核心處理器。若心電信號異常，核心處理器通過GPRS模塊發送報警信息，同時還將心電信號通過GPRS模塊傳輸到醫生所在的接收端。如若發生心電異常，本實用新型會自動通過GPRS發送報警信息，減少病人病發的危險，同時能夠將發病時的心電圖通過GPRS傳輸到醫生所在的接收端，供醫生診斷分析。文檔編號G08B21/02GK201205285SQ20082010809公開日2009年3月11日申請日期2008年5月28日優先權日2008年5月28日發明者吳水才,佳李,李旭雯,李豔崢,楊春蘭,白燕萍申請人:北京工業大學