可与计算机联网的便携式心脏监护仪

1.一种可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，包括由一组皿形电极片(a、b、c、d、e)组成的导联电极(1)、前置放大电路(2)、去极化电路(3)、有源滤波电路(5)、模/数转换电路(6)、单片机电路(7)、数字通信电路(8)、电源电路(9)，其特征在于监护仪上还设有由单片机电路(7)控制的自动增益电路(4)，由导联电极(1)取出双路心电信号，经前置放大电路(2)放大，去极化电路(3)隔直后，由自动增益电路(4)自动调节信号幅值，经有源滤波电路(5)滤波整形后的模拟心电信号通过模/数转换电路(6)转换为数字信号，再送入单片机电路(7)，由单片机电路(7)判断、识别后，控制数字通信电路(8)采用数字通信方式通过电话网与计算机进行数字通信，单片机电路(7)的一个八位双向I/O口中的五位分别与去极化电路(3)、自动增益电路(4)、数字通信电路(8)、电源电路(9)相接，单片机电路(7)的串行通信口接数字通信电路(8)的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于它的前置放大电路(2)是由一组运算放大器(1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D)与另一组运算放大器(1IC2A、1IC2B)以及外围电阻所组成的同步双路共模负反馈并联差分放大电路，其中一组运算放大器(1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D)中每一运算放大器的输入端分别与组成导联电极(1)的一组电极片中的四个电极片(a、b、c、d)相接，这些运算放大器的输出端分别接有阻值相同的电阻(1R6、1R7、1R17、1R18)，在这些电阻的公共端与导联电极(1)的地电极片(e)之间设有由一个运算放大器(1IC2C)与其外围电阻(1R23、1R24)、电容(1C5)组成的地电极驱动电路，其中一电阻(1R23)跨接于此运算放大器的同相输入与输出端间；另一电阻(1R24)接于导联电极(1)的地电极片(e)与此运算放大器的输出端间；电容(1C5)接于该运算放大器的同相输入端与阻值相同的那些电阻(1R6、1R7、1R17、1R18)的公共端间。
3.根据权利要求1或2所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的去极化电路(3)由一双四选一模拟电子开关(1IC4)的一组通道(T1)、与电阻(1R36、1R31、1R25、1R27)和电容(1C6、1C7)组成的双路去极化电路，该双四选一模拟电子开关(1IC4)的两个通道选择端分别与单片机电路(7)的一个八位双向I/O口中的两位相接。
4.根据权利要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述自动增益电路(4)是由一组运算放大器(1IC3A、1IC3B)和一个双四选一模拟电子开关(1IC4)中的三组通道(T2、T3、T4)及电阻网络(1R28、1R29、1R30、1R32、1R33、1R34)组成的双路自动增益控制电路，该双四选一模拟电子开关(1IC4)的两个通道选择端分别与单片机电路(7)的一个八位双向I/O口中的两位相接。
5.根据权利要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的数字通信电路(8)由调制解调器(4IC1)、功率放大器(4IC2)、正弦波形成电路和换能器(4R3)组成，其中调制解调器(4IC1)的数据输入端与单片机电路(7)的中央处理器(2IC1)的串行口相接，在中央处理器(2IC1)的串行口与调制解调器(4IC1)的数据输入端间还设置了一个两芯插座，与之配套的插头引线与计算机连接，正弦波形成电路接于调制解调器(4IC1)的输出与功率放大器(4IC2)的输入端之间，功率放大器(4IC2)的输出接换能器(4R3)。
6.根据权利要求5所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的数字通讯电路(8)中调制解调器(4IC1)的输出与功率放大器(4IC2)的输入间接有的正弦波形成电路由可调电位器(4N1)、电阻(4R1)和电容(4C1、4C2)组成，其中一电容(4C1)与可调电位器(4N1)串接于调制解调器(4IC1)的输出端与功率放大器(4IC2)的输入端间，电阻(4R1)接于可调电位器(4N1)的可调端与功率放大器(4IC2)的输入端间，另一电容(4C2)接于功率放大器(4IC2)的输入与调制解调器(4IC1)的接地端间。
7.根据权利要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的电源电路(9)由一组大功率电子开关(3IC1、3IC2)单片集成开关电源(3IC4)、集成稳压器(3IC3)以及外围电阻、电容组成，其中该组大功率电子开关(3IC1、3IC2)的使能端与单片机电路(7)的一个八位双向I/O口相接。
8.根据权利要求1所述的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，其特征在于所述的单片机电路(7)由中央处理器(2IC1)、锁存器(2IC2)、数据存储器(2IC4)和存有采样子程序、诊断子程序、通讯子程序的程序存储器(2IC3)、接口电路(2IC6)和分频器(2IC7)组成，中央处理器(2IC1)的一个八位双向I/O口中的五位分别控制去极化电路(3)、自动增益电路(4)、数据通信电路(8)和电源电路(9)，中央处理器(2IC1)的串行口与数据通信电路(8)信号输入端相接。

可与计算机联网的便携式心脏监护仪\n本发明提供一种便携式心脏监护仪，属于一种心脏监测仪器。\n基础研究证实，冠心病患者在发生猝死、急性心肌梗塞、致命性心律失常之前，心脏电生理已发生一系列的异常变化，如果能及时发现这些先兆症状，并立即给予有效治疗，就可以最大限度地挽救患者生命。因此，各类心脏监护仪器不断涌现出来。现有的24小时监护仪，主要功能是记录患者日常生活的动态心电图，然后送回医院由专科医生回放，进行分析诊断，记录与诊断之间有一定的时间差，属于回顾性检测。只能用于住院病人，不适合对院外众多移动病人的监护。1989年11月24日立案、名称为“心脏数据的监测方法和设备”专利号为“4977899”的美国专利，公布了一种“可与远程装置进行数据通讯”的便携式心电监护设备，这种心电监护设备由导联电极、前置放大/滤波电路、模/数转换电路、微处理器、数字通讯电路、电源电路等组成，由导联电极取出心电信号，送前置放大/滤波电路修整后，经模/数转换电路转换成数字信号，送入微处理器，微处理器启动数字通讯电路经电话网向远程装置输送心电信号。该专利提供了一种可以对移动患者的心脏进行长期监护的设备。但是，这类心电监护设备的电路上没有设置自动增益放大电路，它们只能对患者的心律失常进行诊断，不能对心肌缺血损伤进行诊断，诊断范围和临床应用价值受到很大的限制。同时，这种监护设备在通过电话向医院发送数据时，需将数字信号还原为模拟信号后，再进行调制后发送，模拟调制方式的抗噪声、抗干扰能力较差，而且，多次模/数、数/模转换将给传输的心电信号造成较大的失真，分辨率降低，心电波形发生畸变，计算机也无法直接处理这些模拟调制的心电信号，给临床应用带来诸多不便。\n本发明的目的在于提供一种可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪，采用单片机技术对患者的心脏电生理现象进行长期监测，采集患者的心电信号，并对其进行识别、分析、诊断，这种心脏监护仪具有较宽的诊断范围，它不仅可以对患者的心律失常进行诊断，同时，还具有对患者心肌缺血损伤的诊断功能，并且，这种心脏监护仪还有较强的抗干扰能力。\n本发明提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪是一种采用数字通信方式借助公用电话网可与计算机联网使用的便携式心脏监护设备，由导联电极1、前置放大电路2、去极化电路3、自动增益电路4、有源滤波电路5、模/数转换电路6、单片机电路7、数字通信电路8、电源电路9组成，导联电极1是由五个皿形电极片a、b、c、d、e分布排列在由绝缘材料制成的电极板上，组成的双导电极矩阵，其中电极片e为地电极，电极片a、b构成监护Ⅰ导联，电极片c、d构成监护Ⅱ导联，前置放大电路2是由运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D与1IC2A、1IC2B以及外围电阻所组成的同步双路共模负反馈并联差分放大电路，运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输出端分别接有阻值相同的电阻1R6、1R7、1R17、1R18，在四电阻的公共端与导联电极1的地电极片e之间设有由运算放大器1IC2C与电阻1R23、1R24、电容1C5组成的地电极驱动电路，电阻1R23跨接于运算放大器1IC2C的同相输入与输出端间；电阻1R24接于导联电极1的地电极片e与运算放大器1IC2C的输出端间；电极片a、b、c、d分别连接到运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输入端；电容1C5接于运算放大器1IC2C的同相输入与电阻1R6、1R7、1R17、1R18的公共端间；去极化电路3由双四选一模拟电子开关1IC4通道T1、电阻1R36、1R31、电容1C6、电阻1R25、1R27、电容1C7组成双路去极化电路，模拟电子开关1IC4的两个通道选择端分别与单片机电路7的一个八位双向I/O口中的两位相接。自动增益电路4由运算放大器1IC3A、1IC3B和双四选一模拟电子开关1IC4的通道T2、通道T3、通道T4、电阻网络1R28、1R29、1R30、1R32、1R33、1R34组成双路程控自动增益控制电路，模拟电子开关1IC4的两个通道选择端分别与单片机电路7的一个八位双向I/O口中的两位相接。数字通信电路8由调制解调器4IC1、功率放大器4IC2、正弦波形成电路、换能器4R3组成，调制解调器4IC1的数据输入端与单片机电路7的中央处理器2IC1的串行口相接，在中央处理器2IC1的串行口与调制解调器4IC1的数据输入端间还设置了一个两芯插座，与之相配的插头引线与计算机连接，数字通信电路8中的正弦波形成电路接于调制解调器4IC1的输出与功率放大器4IC2的输入端之间，功率放大器4IC2的输出接换能器4R3，正弦波形成电路由电容4C1、可调电位器4N1、电阻4R1、电容4C2组成，电容4C1、可调电位器4N1串接于调制解调器4IC1的输出端与功率放大器4IC2的输入端间，电阻4R1接于可调电位器4N1的可调端与功率放大器4IC2的输入端间，电容4C2接于功率放大器4IC2的输入与调制解调器4IC1的接地端间。电源电路9由大功率电子开关3IC1、3IC2、单片集成开关电源3IC4、集成稳压器3IC3以及外围电阻、电容组成，大功率电子开关3IC1、3IC2的使能端与单片机电路7的一个八位双向I/O口相接；单片机电路7由中央处理器2IC1、锁存器2IC2、数据存储器2IC4和存有采样子程序、诊断子程序、通信子程序的程序存储器2IC3以及接口电路2IC6、分频器2IC7组成，中央处理器2IC1的一个八位双向I/O口中的五位分别控制去极化电路3、自动增益控制电路4、数据通讯电路8和电源电路9。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的工作原理如下：在单片机的控制下，前置放大电路将导联电极采集的双路心电信号同步放大，经去极化电路隔除直流极化电压后，送入自动增益控制电路放大，再经低通滤波电路滤除高频干扰，送入模/数转换电路，将模拟信号转换为数字信号，经单片机读取，写入数据存储器，并进行分析诊断。当便携式心脏监护仪捕捉到异常信号时，立即冻结数据存储器中的数据和监测过程中获得的各种资料，并发出声光报警。此时，由单片机控制电源电路切断模拟电路的电源，在与医院或急救中心的计算机通信时，先拨通电话，建立数字通信链路，而后由单片机起动数字通信电路，将二进制数字信号调制成移频键控信号，经过整形、放大后，由换能器送入电话话筒，经过电话网传给计算机，为了方便住院患者的使用，便携式心脏监护仪也可以通过单片机电路7的中央处理器2IC1的串行口直接与计算机连接，高速传送二进制数字信号。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪中采集信号的导联电极1是由五个皿形电极片a、b、c、d、e分布排列在绝缘材料制成的电极板上组成双导电极矩阵，其中电极片e为地电极，电极片a、b构成监护Ⅰ导联，电极片c、d构成监护Ⅱ导联，导联电极通过便携式心脏监护仪上的插槽固定在机壳背面。使用时，将仪器放在胸部规定的区域，导联电极就可以采集到患者心脏不同区域的双路心电信号。患者还可以根据医生的指示，变换方位，覆盖整个心前区，防止遗漏早期局限性心肌损伤。由于电极几乎是直接连接在高输入阻抗前置放大极的输入端，避免了导线引入的各种公知干扰。同步采集的二路心电信号，还可以互相比较，排除伪差，为临床诊断提供了良好的条件，便携式心脏监护仪也可以使用常规监护电极。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪中由运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D与1IC2A、1IC2B以及外围电阻所组成的同步双路共模负反馈并联差分放大电路，可将由导联电极1采集到的二路心电信号同时放大，前置放大电路2中的运算放大器1IC1A、1IC1B、1IC1C、1IC1D的输入端分别连接导联电极片a、b、c、d，它们的输出端分别接有阻值相同的电阻1R6、1R7、1R17、1R18，所检出的共模电压，经四电阻的公共端与导联电极中的地电极片e之间设置的由运算放大器1IC2C与电阻1R23、1R24、电容1C5组成的地电极驱动电路隔直反相放大后，反馈到地电极，消除了人体对地的共模地电位，克服了由于人体不平衡阻抗和位移电流导致的前置级共模抑制比下降。因此，本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪省去了复杂的且难以调试的50HZ陷波电路，较好地解决了各种外界干扰对心电信号的影响。由双四选一模拟电子开关1IC4通道T1、电阻1R36、1R31、电容1C6、电阻1R25、1R27、电容1C7和单片机电路7的一个八位双向I/O口构成的程控双路去极化电路，其功能主要是隔除从前置级来的直流极化电压，并将心电信号耦合到电压放大级。本电路可对直流极化电压作出快速响应，在单片机控制下，电容1C6和1C7上的极化电压，可通过限流电阻1R31、1R27、双四选一模拟电子开关1IC4通道T1对地形成回路，清除极化电位，使得电路在起动的瞬间进入稳定的工作状态。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的自动增益电路4，是由运算放大器1IC3A、1IC3B和双四选一模拟电子开关1IC4的通道T2、通道T3、通道T4、电阻网络1R28、1R29、1R30、1R32、1R33、1R34及单片机电路7的一个八位双向I/O口组成的双路自动增益控制电路，目的在于控制模拟系统的增益，不至于因为信号过大而导致饱和，或过小导致P波、ST段分辨不清，其工作原理是单片机检测心电信号幅值，信号过小时，控制模拟电子开关1IC4增加放大倍数，信号过大时，减小放大倍数，电压增益为大、中、小三级、由于控制的是放大器1IC3A、1IC3B的反馈电流，因此，本电路具有良好的精度和线性，模拟电子开关1IC4导通电阻引起的误差极小。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的滤波电路5，是由运算放大器1IC3C、1IC3D和电阻1R37、1R38、1R43、1R44、电容1C8、1C9、1C10、1C11构成的双路巴特沃斯型二阶低通有源滤波电路，其工作原理为公知，由于检测心电信号的需要，可控制电路的上限频率为100HZ，阻带区内每10倍频程衰减40db，目的在于模拟信号进入模/数转换电路6之前滤除高频干扰，运算放大器1IC3C、1IC3D单位增益为1，输入阻抗高，输出阻抗低，也起着隔离的作用。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的模/数转换电路6采用了多通道八位A/D转换电路2IC5，其工作原理为公知。单片机电路7的另一个八位双向I/O口的两位作为2IC5的控制线，选择通道，并发出起动转换信号，对从滤波电路过来的双路模拟信号进行采样，转换为二进制数字代码。模拟信号输入采用高阻差分输入方式，因此能够最大限度抑制噪声，其时钟信号由单片机电路7的中央处理器的ALE端经分频后提供。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的数字通信电路8采用了调制解调器4IC1、OTL功率放大器4IC2和正弦波形成电路，其时钟信号由单片机电路7的中央处理器的ALE端经分频后提供。选择调制解调器4IC1的设置方式使二进制数据调制成移频键控音频信号(中心频率1080HZ或1500HZ)，同时使二进制数字信号以300bit/s或600bit/s的速率输送到调制解调器4IC1的数据输入端(DATA)；移频键控信号经正弦波形成电路送入功率放大器4IC2进行放大，由换能器转换为声波，送入电话话筒，经电话网传输给计算机。设在单片机电路7的串行口与调制解调器4IC1的数据输入端之间的两芯插座和与之相配的插头，使便携式心脏监护仪可以直接与计算机连接，当与计算机连接的两芯插头插入时，单片机电路7的串行口与调制解调器的数据输入端断开，与计算机输入端相接，使数字信号直接传给计算机。同时，插头插入后中央处理器2IC1的八位双向I/O口的另一输出脚悬空，成为高电平，此时，单片机即以1200bit/s的速率向计算机直接发送数据，缩短了发送时间。由电容4C1、可调电位器4N1、电阻4R1、电容4C2组成的正弦波形成电路，目的在于对调制解调器4IC1输出的音频信号进行平滑处理，滤除高频干扰。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的单片机电路7，由中央处理器2IC1、数据存储器2IC4和存有采样、诊断、通信等子程序的程序存储器2IC3以及接口电路2IC6和分频器2IC7组成。中央处理器2IC1的一个八位双向I/O口中的五位分别控制去极化电路3、自动增益电路4、数字通信电路8和电源电路9，形成程控去极化电路、程控自动增益控制电路、程控数字通信电路和程控电源电路。中央处理器2IC1的另一个八位双向I/O口中的两位作为A/D转换器2IC5的控制线，单片机电路7的控制程序是如下实现的：在程序的控制下，读取模/数转换电路输出的二进制数据信号，写入数据存储器，并进行识别、处理。当程序识别发现心肌损伤(心肌缺血、急性心肌损伤、急性心肌梗塞可能)，快速心律失常(阵发性室上性心动过速、阵发性室性心动过速、快速房颤、心室扑动)，缓慢性心律失常(严重窦性心动过缓、交界性逸博心律)，早博(室性早博、ROT、二联律、室上性早博、插入性早博、三联律)，漏博(Ⅱ度文氏型房室传导阻滞、Ⅱ度莫文氏型房室传导阻滞)，停博(心室静止、心室颤动)等异常现象时，立即冻结数据存储器内的数据，使电源电路中的大功率电子开关3IC2导通，通过数字通讯电路8中的换能器发出报警信号，同时，将监护过程中获得的各种资料处理为心率、早博、ST段统计图，等待发送指令，起动数字通信电路8，将数据传给计算机。中央处理器2IC1的两个外部中断源，作为手动记录和发送的控制端。患者若有自觉症状，而便携式心脏监护仪尚未报警，患者可通过手动记录按键，触发中央处理器2IC1的两个外部中断，单片机即停止自动分析、诊断，记录中断前后32秒的即刻心电信号。单片机电路的时钟频率为6MHZ/12MHZ，其地址锁存使能信号输出端(ALE)，经分频器2IC7分频后供给A/D转换器2IC5和调制解调器4IC1作为其时钟信号，单片机电路工作软件包括采样、诊断、通信等子程序，固化于程序存储器2IC3中，采用MCS-51汇编语言编制。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的电源电路由大功率电子开关3IC1、3IC2、单片集成开关电源3IC4、集成稳压器3IC3、单片机电路7的八位双向I/O口和外围电阻、电容组成。工作原理是：在程序控制下，单片机电路7I/O口发出信号，触发大功率电子开关3IC1导通，起动单片集成开关电源3IC4，进行直流--直流变换，产生正负电源，电子开关3IC2仅在报警后需要发送数据时，才进行工作。工作原理是：患者按下发送按键，通过单片机外部中断源向中央处理器请求中断，单片机转向执行发送程序，控制大功率电子开关3IC2导通，起动数字通信电路；同时控制大功率电子开关3IC1截止；切断模拟系统电源，以降低整机功耗。本电源电路还设置了电源电压不足的光电显示，提醒患者及时更换电池，防止放电过度造成的电池损坏。\n本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪除可以对住院的患者进行监护外，主要用于对院外众多患者进行远距离的长期监护，对患者的心电信号进行分析、诊断；记录，扑捉患者的先兆症状和有可能危及生命的心脏电生理异常，及时进行诊断报警，为临床提供完整的第一手资料，以采取相应的急救措施。病人感到不适时还可采用手动记录方式。由于在监护仪上设置了程控自动增益控制电路，可对心电信号ST段的变化进行分析，使监护仪同时具有对心律失常和心肌缺血损伤的诊断功能，扩大了诊断范围，提高了临床应用价值。由于采用了对二进制数字信号直接调制的方式进行数字通信，大大提高了仪器的抗干扰能力，能够在各种电话线路上使用。患者外出远离本地区时，可以通过长途电话与所属网络联网，进行复查，还可以就近与当地的计算机联网，取得支持。该便携式心脏监护仪还具有体积小，操作方便，造价低廉等特点。\n附图说明\n：图1、便携式心脏监护仪的原理方框图，图2、便携式心脏监护仪中的单片机电路的框图，图3、便携式心脏监护仪中的导联电极外形图，图4、便携式心脏监护仪机壳外形图，图5、便携式心脏监护仪前置放大电路、去极化电路、自动增益放大电路、有源滤波电路原理图，图6、便携式心脏监护仪数字通信电路原理图，图7、便携式心脏监护仪中模/数转换电路、单片机电路原理图，图8、便携式心脏监护仪中电源原理图，图9、单片机诊断程序表。\n下面结合附图说明本发明所提供的可与计算机联网使用的便携式心脏监护仪的实施。\n便携式心脏监护仪中的导联电极1可按图3所示制作，其中a、b、c、d、e五个皿型电极片，可采用锝银合金或银一氯化银片制作，图中10为用绝缘材料制成的电极板，电极板可采用80×50mm塑料板或胶木板制作，五个电极片分布排列在电极板上形成双导电极矩阵，导联电极1通过便携式心脏监护仪机壳上的插槽以及电极插座固定在机壳背面。\n便携式心脏监护仪的机壳可参照图4所示制作，其中，11：面板，12：上盖，13：底盖，14：电源开关，15：插座，16：电子钟，17、18：电子钟调解钮，19：导联线插头，20：手动记录开关，21：报警指示灯，22：发送开关，23：电源指示灯，24：导联线插座，25：电极板插槽，26：换能器音孔，27：电池盒。\n便携式心脏监护仪的电路部分可按图5、图6、图7、图8所示各电路装配而成。组成前置放大电路的运算放大器1IC1、1IC2采用对称性较好的高输入阻抗低噪声四运算放大器TL074、TL064，其外围电阻1R8、1R9、1R10、1R11、1R19、1R20、1R21、1R22采用阻值为100K、精度为0.1％的电阻以保证前置放大电路的高共模抑制比。去极化电路和自动增益放大电路中的双四选一电子开关1IC4采用CD4052电子开关。有源滤波电路中的运算放大器1IC3C、1IC3D可选用TL064，在模/数转换电路中选用了多通道八位A/D转换器AD0809。数字通信电路中的调制解调器4IC1可选用调制解调电路MC14412，功率放大器4IC2可采用LM386集成电路。电源电路中的两个大功率电子开关3IC1、3IC2采用TWH8778，单片集成开关电源3IC4可选用ICL7660，集成稳压器3IC3可采用LM2931。单片机电路中央处理器2IC1采用INTEL80C31或80C51，数据存储器2IC4采用静态存储器HM6264，程序存储器2IC3采用EPROM27C32，工作软件采用MCS--51汇编语言编制而成，其工作流程如图9所示。