无线多参数近远程实时监护系统

摘要

一种基于无线采集节点及体域网的多参数近远程监护系统，包括：采集节点、无线体域网、网关节点、无线或和有线局域网移动网、射频通讯模块、人机接口模块、主服务器、监控终端及互联网。采集节点采集监护对象的心电或和其它生理参数，经体域网无线发送到网关节点生成心电图，网关节点储存显示心电图或其它生理参数或经局域网互联网移动网发送心电图或其它生理参数到主服务器监控终端，实现近远程监护。本发明监护对象仅佩戴采集节点或和便携式网关节点，完全无线传输，体积小、功耗低、成本低，可以3-18导联心电或和其它生理参数监护，监护对象佩戴方便，不影响其活动，舒适度高，宜于长时间多参数近远程实时监护。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于无线心电或和其它参数采集节点及体域网的无线多参数近远程实时监护系统，属 于无线传感器、无线传感器网络、体域网和心电及其它多个参数近远程实时监护领域。

技术背景：

人体生理病理信息的采集是医院内医生诊疗工作的重要一环，关乎生命体征的参数，如心电、血压、 呼吸、脉搏、体温、血氧饱和度则是ICU\CCU及其它病房病人的重要监控指标，也是院外高危人群的主要 监控指标。

一.医院外的需求：

1.猝死的原因以心血管疾病占首位，约占一半以上。目前，由于缺乏有效的监护，心脏骤停绝大部分死 于医院之外，约占60％-70％，其中1/2-3/4死于家中、8-12％死于工作岗位、6％死于公共场所。

2.其它非猝死性心血管事件的发生，也有很强随机性，数次/日一数次/年不等，发生的频率、场合、时 间均无法预先确定，事件的持续时间数秒到数小时不等，发生的原因也由于没有留下发作当时的心电 信息而无法确定，事件结束后来医院检查获得的资料，未必可以帮助确定病因。

二.医院内的需求：医院内心血管病人多为急、危、重症患者，包括心内科和其他各科需要监测生命体征的 病人，需要实时监护各种生理参数，如心电、呼吸、脉搏、体温、血氧饱和度。

三.需要监护对象

1.一般对象：a.高危心脑血管疾病患者：我国每年新发心肌梗死50万人，现患心肌梗死200万人，心力 衰竭400万人，心房颤动800万人，由于严重心律失常而猝死大约50万人；现有高血压患者2亿，血脂 异常患者2亿，糖尿病患者3000多万；超重者2.4亿，肥胖者7000万，吸烟者3.5亿。b.其它疾病的高 危病患。c.超过60岁的老年人

2.特殊监护对象：宇航员、飞行员、运动员、军人等特殊人群或需要保护或研究观测的动物。

四.由于以上需求，近远程监护被极为广泛地应用，但传统的监护设备均有许多管线相连，即从传感器到信 号采集器均有导联线或其它管线，设备过于笨重，能耗较高，导致监护对象难于长期、舒适地接受近远程 监护。为了解决以上问题，目前近远程多参数监护仪做了很大的改进，但心电传感器到信号采集器前(或 到非移动设备前)均有导联线联接，其它生理参数采集到信号处理也有管线，且多数便携式的心电监护仪 导联数有限，如：

1.心电导联线多的设备，如专利CN200977158Y公开的远程心电监护系统，用于院内外，实现了心电采集 模块(心电监护仪)与系统其它组件的远程通讯，有12导联心电采集能力，但心电采集模块与电极间仍 为有线，造成：

(1)院内病人，尤其是ICU或CCU的病人，浑身连接了许多管线，70％以上是连接到多参数监护仪的电 极线或管线，影响了监护对象基本生命活动和舒适度，如病情允许情况下的室内外活动：翻身、坐起、 大小便、床旁活动，影响了病员的心理状态，打击了其康复的信心，从心理到生理均影响病员的康复， 也是病人难以接受长时间监护的重要原因。

(2)院外病人或其他有特殊需要者(包括室内外、野外的高危人群)在工作、生活、学习等活动中由于 较多的导联线而无法长时、不受影响地、实时、全面地监控心电及其它生理参数。

2.心电导联线少的便携式设备，如CN201005693Y、CN101474068A、《基于无线传感器特制佩戴监护系统 研究》及《基于无线传感器网络的远程监护系统研究》，缺点如下：

(1)仅胸前3-6导联，此心电图也不是标准心电图，无重要的肢体导联，信号采集不全面，仅可以对简 单心律失常监护，无法对包括常见的心梗、心绞痛、心律失常定位诊断，诊断价值大打折扣，达不到世 界卫生组织和美国心脏学会主张的——使用12导联实时连续性同步心电图监控心脏，即及时地测定心脏 病发作前的心电变化，早期地预防心脏病发作而造成的严重后果。如增加肢体导联线，则监控对象行走 也很困难，势必出现与专利CN200977158Y一样的问题。

(2)集成度不高，心电采集、分析模块是由集成电路板(PCB)做成，大小约手机T-F卡的20-40倍，装 置仍较大，有缩小的余地。

(3)功耗大，监护时间短，多小于24小时。

例如：

(1)专利CN200920089699公开的带数据记录装置的穿戴式心电电极背心，将普通的Holter微型化，无监护 的功能，数据记录装置放在口袋里，6个电极在背心上由电极线与数据采集装置相连，背心型号与用户身 材相适应，背心是紧身的，以利电极与身体的紧密接触；由于电极和电极线与背心缝制在一起，背心无法 常规拆洗，只可以轻洗，最多用30次，也无法给第二个人用；由于无法预料一个病人使用多少次，那么 可能出现使用远小于30次时即将其废弃的可能；胸前有3-6个导联，无很关键的6个肢体导联，心电图显 示的不是标准心电图，诊断价值大为降低；紧身背心也由于紧身难言舒适。

(2)专利CN201005693Y公开的无线心电采集及GPS定位装置，用于院外及室外。实现了心电采集和病人 定位通讯，可做远程监护，但心电采集模块与电极间仍有线，监护局限于胸部，无很关键6个肢体导联。

(3)专利CN101474068A公开的便携式无线心电监护装置，院内外使用，实现了便携式监护，但由于其使用 Zigbee无线传输模块，传输距离有限(约100m)，通过USB模块与医院外围监护设备相连，然后接入Internet， 实现远程监控；但由于无远程通讯模块(如GPRS)使得其无法在离医院、病区或家中较远的室外、超出 Zigbee无线传输范围的地方使用；其电极为有线连接，仅胸前3导联。

(4)《基于无线传感器特制佩戴监护系统研究》及《基于无线传感器网络的远程监护系统研究》提出了心电、 血压、呼吸、脉搏、体温、血氧饱和度等监测节点的无线传输办法，减少了许多管线，但其中的心电监测 节点是引用了《用S3C2410实现三导联远程心电监护系统》一文的办法，即用三个有线胸前电极连接心电 监测节点，不是基于“完全无线”的传感器网络的体域网，可以远程心电监护，缺点是心电电极仍然有线、 局限于胸部3个导联，无标准的心电图机及Holter的功能。

总之，目前没有一个可以不影响监护对象病理或生理活动的、完全无导联线、微型化、低功耗、可以 长期监测的，熔近远程心电监护、便携式心电图机、24小时动态心电图机及其它参数监护等功能为一体的 基于无线心电或和其它生理参数采集节点和无线体域网的3-18导联心电及其它生理参数的实时近远程监 护系统。

发明内容

本发明为解决以上问题，提出一种基于无线心电或和其它生理参数采集节点及体域网的无线多参数近远 程实时监护系统，使监护对象在病情允许的情况下获得更多的活动空间和舒适度，同时获得较准确、全面的 病理生理参数。

本系统核心部件包括：采集节点、无线体域网、网关节点、无线\或和有线局域网\移动网、射频通讯模 块、人机接口模块、USB模块、主服务器、监控终端及互联网。其中：

监护系统包括近程实时监护系统和远程实时监护系统；其通讯包括：监护对象佩戴同组采集节点与网 关节点经无线体域网无线交互通讯，系统其它部分的交互通讯包括：

网关节点的通讯包括：

近程监护：监护对象与监控终端\主服务器在同一个医院内时，a.短距离网关节点\便携式短距离多参数 监护仪与监控终端\主服务器通过同一个无线局域网连接，实现近程监护，该节点佩戴于监护对象身上b.短 距离网关节点插入非便携式计算机形成非便携式多参数监护仪，后者与监控终端\主服务器的通过同一有线 局域网相连，实现近程监护，该节点不佩戴于监护对象身上；

远程监护：监护对象与监控终端\主服务器不在同一个医院内时，a.短距离网关节点\便携式短距离多参 数监护仪与监控终端\主服务器不在同一个局域网，短距离网关节点及便携式短距离多参数监护仪通过本地 无线局域网无线连接到插有射频通讯模块的非便携式人机接口模块，后者通过有线局域网与互联网相连， 接入异地的监控终端\主服务器所处的局域网，完成远程监护，b.短距离网关节点插入非便携式人机接口模 块形成非便携式多参数监护仪，后者接入本地有线局域网，与互联网相连，继之接入异地的监控终端\主服 务器所处的有线或无线局域网，完成远程监护；

长短距离两用网关节点\长短距离两用监护仪与监控终端\主服务器间超出本地无线局域网通讯范围，需 经移动网连接互联网，在同一个医院内时，完成近程监护；不在同一医院内时，完成远程监护；

长短距离两用网关节点\长短距离两用监护仪与监控终端\主服务器间在本地无线局域网通讯范围时， 其近远程通讯方式同短距离网关节点\便携式短距离多参数监护仪；

监控终端的通讯包括：

便携式短距离监控终端，近程：通过医院内无线局域网，与网关节点及所属采集节点或主服务器通讯； 远程：经异地无线局域网接入主服务器，主服务器联入互联网\经异地局域网无线连入互联网，继之进入监 护对象所在的局域网，与网关节点及所属采集节点远程通讯；

非便携式短距离监控终端，近程：通过医院内无线局域网\有线局域网，与网关节点及所属采集节点\ 主服务器通讯；远程：经异地局域网与主服务器相连，主服务器联入互联网\可经异地局域网连入互联网， 继之进入监护对象所在的局域网，与网关节点及所属采集节点通讯；

长短距离两用监控终端包括通过移动网接入互联网与主服务器\网关节点及所属采集节点通讯，主要用 于位于无线局域网通讯范围以外的专家；也包括通过无线局域网与主服务器\监控终端\网关节点及所属采 集节点通讯；在与监护对象同在医院内时完成近程监护，不在同一医院内时，完成远程监护；

无线体域网包括：

同组的采集节点和网关节点构成，在采集节点及网关节点的射频通讯距离内通讯，遵守射频通讯协议， 包括：Zigbee\Simplici\蓝牙，可以程控节点的通讯距离。

局域网包括：

无线局域网

近程监护：由在同一医院的网关节点、监控终端、主服务器构成，遵守射频通讯协议，包括Zigbee、 Simplici、蓝牙；

远程监护：远端由在同一居民小区的网关节点与插有射频通讯模块的非便携式人机接口模块组成，近 端由在异地的监控终端\主服务器与插有射频通讯模块的非便携式人机接口模块构成，遵守射频通讯协 议，包括Zigbee、Simplici、监牙；

有线局域网

近程监护：由在同一医院的非便携式监护仪、非便携式监控终端、主服务器与当地局域网构成，遵守 前述的有线通讯协议；

远程监护：远端由在同一居民小区的非便携式人机接口模块与当地局域网构成；近端由在同一医院的 非便携监控终端\主服务器与当地局域网构成，遵守前述的有线通讯协议。

主服务器的通讯包括：主服务器经当地局域网或和互联网与监控终端及网关节点、采集节点相连。

采集节点包括：

无线心电采集节点、无线血压采集节点、无线呼吸采集节点、无线脉搏采集节点、无线体温采集节点、 无线血氧饱和度采集节点以及这些采集节点的组合；心电采集节点为3-18导联无线心电采集节点，可以 做3到18导联心电监护；

心电采集节点或其它微型无线生理参数传感器可以按常规方式粘贴或别的任何方式固定，由无线心 电传感器或其它无线生理参数传感器采集心电或其它生理参数，输入采集节点中加工，包括：放大、滤 波、模数转换、压缩、加密、标记地址及时间，并与网关节点无线通讯，形成无线体域网，其通讯距离 可以在一定范围内程控；提供网关节点生成3-18导联心电图的心电数据或其它参数的数据；

结构包含：无线心电传感器或其它生理参数微型传感器；用于微弱参数的放大电路和滤波电路；模 数转换电路；用于储存心电数据及其它生理参数的存储器；中央处理器对收发信号进行处理，管理整个 节点各部分；用于与系统对时的时间同步电路和分配地址的电路；用于标记心电数据及其它生理参数采 集时间和地址的标识电路；所述的采集节点的地址含有同组别网关节点的标记、心电电极及其它生理参 数采集节点的名称；压缩心电数据及其它生理参数的软件；用于提供中央处理器单元正常工作的时钟电 路；用于与网关节点通讯的射频通讯模块，包含用于控制射频通讯模块接口的控制电路；用于控制采集 节点关闭、休眠、激活三种工作模式的电路；用于控制通讯距离的电路；供电单元：用于提供节点正常 工作的电源；以上电路均采用微封装技术；

网关节点包括：

与本组的采集节点构成无线体域网，可以连入本地局域网\移动网，对来自采集节点的心电数据识别 地址，对有本组标记的心电数据解压缩、解密，提取同一时间的各采集节点的心电数据、分析、加工， 并完成心电的整合，形成各导联心电图数据，将心电数据储存于节点自身或外扩的Flash；或与人机接口 模块构成监护仪，显示心电图于人机接口模块，并通过人机接口模块接打印机打印心电图；传输实时或 历史的心电图数据到监控终端或主服务器，接收监控终端或主服务器的指令，并传输给相关采集节点； 工作模式和通讯距离均可程控；用于与系统对时的时间同步电路和接受所分配地址的电路；对来自采集 节点的其它生理参数数据识别、解压缩、解密，储存于节点自身或外扩的Flash\显示于人机接口模块\传 输实时或历史的其它的生理参数数据到监控终端或主服务器；

网关节点类型包括：

短距离网关节点：

与采集节点形成无线体域网，与监控终端\主服务器\插有射频通讯模块的人机接口模块形成无线局 域网的网关节点；可以插入\嵌入人机接口模块，也可以贴附于人体或放入袋中；多用于室内；

结构包含：射频通讯模块：用于与接入无线体域网\无线局域网；微处理器(MCU)：用于与系统对 时的时间同步电路和接受所分配地址的电路；用于解压缩、解密的电路；用于识别标记采集时间和地 址心电数据的识别电路；用于3-18导联心电信号提取、放大、分析、计算，完成各导联心电图的生成， 显示心电特征参数及其它生理参数的微处理器；压缩合成的心电图数据及其它生理参数的软件；用于 储存合成的心电图数据及其它生理参数的存储器；心电图及其它生理参数管理软件；用于给心电图及 其它生理参数标记发生的时间及网关节点地址的标识电路；用于提供中央处理器单元正常工作的时钟 电路；用于控制采集节点及网关节点关闭、休眠、激活三种工作模式的电路；用于控制通讯距离的电 路；用于控制报警装置的发声报警电路；USB接口：用于和USB模块电连接，通过USB模块，插入 人机接口模块；该节点也可以嵌入人机接口模块；供电单元：电源电路加电池\或USB接口供电，用于 提供节点正常工作的电源；

长短距离两用网关节点：

与采集节点形成无线体域网，通过移动网及互联网\无线局域网与监控终端\主服务器相连的网关节 点；可以插入\嵌入人机接口模块，也可以贴附于人体或放入袋中；多用于室外；

结构包含：射频通讯模块：用于与采集节点\及监控终端\主服务器通讯的射频通讯模块；远程通讯 及定位模块：包括：GSM\GPRS\CDMA\W-CDMA\CDMA2000\TD-SCDMA及GPS模块；余结构 同短距离网关节点射频通讯模块以外的结构；

多参数监护仪：为含短距离网关节点\长短距离两用网关节点的人机接口模块，也属网关节点：

除含相应网关节点的功能，可以被动或主动读取受监控对象实时或历史心电或和其它生理参数， 实现本机及与监控终端\主服务器的交互人机对话；

多参数监护仪类型包括：

短距离多参数监护仪：

便携式多参数短距离监护仪：插入\嵌入短距离网关节点的人机接口模块，包括便携式专用嵌入 式终端、高端手机或PDA，可以接入无线体域网及无线局域网；

非便携式多参数短距离监护仪：插入\嵌入短距离网关节点的人机接口模块，包括连入互联网的 任何形式的非便携式计算机，可以接入无线体域网及无线局域网\有线局域网；

长短距离两用多参数监护仪：插入\嵌入长短距离监护两用网关节点的人机接口模块，包括便携式专

用嵌入式终端、高端手机或PDA，可以接入无线体域网及移动网\无线局域网；

监控终端包括：

对本系统心电及其它参数的数据和通讯进行管理，可以用于医院内外，

监控终端软件包括：

心电及其它生理参数管理软件从心电及其它生理参数数据库中主动或被动读取监控对象的心 电及其它生理参数的实时或者历史数据，显示并进行数据分析处理；心电及其它生理参数监控终端 可根据LCD的大小同时显示多个病人的数据或单个病人的数据，根据监控的需要可自由选择需要 监控的数据；在监护对象的心电及其它生理参数出现异常的时候，通过互联网主动向监控终端发起 连接，并发送该患者的实时心电数据；心电及其它生理参数监控终端通过短信、语音、视频向监控 人员发送警报信息及诊疗意见；

通讯管理软件包括：

通信控制软件管理采集节点、网关节点、监控终端与主服务器的接入控制、权限控制、通信等， 维护心电及其它生理参数数据库数据；用于控制采集节点及网关节点关闭、休眠、激活三种工作模 式的电路；用于控制采集及网关节点通讯距离的电路；对采集节点、网关节点进行地址分配、分组、 命名、对时发出指令；通过主服务器读取监控对象的实时或历史心电图及其它生理参数数据，显示 并进行数据分析处理；管理采集节点和网关节点的电量和采集节点粘贴状态的电路；

监控终端结构包括：

人机接口模块：用于显示心电特征参数及其它参数的液晶显示屏、键盘、声音、视频多媒体组 件；用于控制报警装置的发声报警电路；

通讯模块：射频通讯模块\远程通讯模块\有线通讯模块，包括：以太网、RJ-485及ADSL，或 远程通讯模块：包括：GSM\GPRS\CDMA\W-CDMA\CDMA2000\TD-SCDMA模块；供电单元：

电源电路加电池或其它电源，用于提供整个人机接口模块的电源；

监控终端可以是含以上组件的可用于室内\室外便携式专用嵌入式终端、高端手机或PDA及多 用于室内的非便携式的平板电脑、台式机或笔记本电脑；

监控终端类型包括：

短距离监控终端：

便携式多参数短距离监控终端：插入\嵌入射频通讯模块人机接口模块，包括便携式专用嵌入式 终端、高端手机或PDA，可以接入无线局域网；

非便携式多参数短距离监控终端：插入\嵌入射频通讯模块\有线通讯模块的人机接口模块，包 括连入互联网的任何形式的非便携式计算机，可以接入无线局域网\有线局域网；

长短距离两用多参数监控终端：插入\嵌入射频通讯模块\远程通讯模块\的人机接口模块，包括便携 式专用嵌入式终端、高端手机或PDA，可以接入移动网\无线局域网；

主服务器用于医疗机构内，包括：

可以是满足需要的任何一种计算机，心电及其它生理参数服务器包含：心电及其它生理参数数据库、 通信控制软件及通讯模块。心电及其它生理参数数据库包括：存储的病人心电及其它生理信息，以及病人、 护士和医生的个人资料；通信控制软件包括：管理采集节点、网关节点、监控终端与主服务器的接入控制、 权限控制、通信等，维护心电及其它生理参数数据库数据；对采集节点、网关节点进行地址分配、分组、 命名、对时；用于控制采集节点及网关节点关闭、休眠、激活三种工作模式的电路；用于控制采集节点及 网关节点通讯距离的电路。通讯模块：射频通讯模块\有线通讯模块包括：以太网、RJ-485及ADSL，可与 有线\无线局域网相连，继之与互联网及移动网相连。

人机接口模块包括：

用于显示心电特征参数及其它参数的液晶显示屏、键盘、声音、视频多媒体组件；供电单元：电源电 路加AC或DC电源，用于提供整个人机接口模块的电源；该人机接口模块可以是含以上组件的、可用于 便携式专用嵌入式终端、高端手机或PDA及非便携式的平板电脑、台式机或笔记本电脑，含有线通信模 块，包括：以太网、RJ-485及ADSL。

射频通讯模块包括：

用于无线体域网\无线局域网的通讯，集成于采集节点、网关节点；或单独嵌入或插入人机接口模块，如： 计算机、监护仪、监控终端、主服务器；在医院内多将其嵌入人机接口模块，在医院外可将其通过USB 模块插入人机接口模块。

USB模块包括：

用于连接短距离网关节点\长短距离两用网关节点\射频通讯模块与人机接口模块的USB接口，用于数 据的传输及该节点的供电。

网络的通讯协议均采用标准的公开化协议，包括：

采集节点与网关节点间的通讯采用Zigbee\simplic\蓝牙协议；网关节点与监控终端\主服务器\插有射频 通讯模块的人机接口模块间的无线通讯采用Zigbee\simplici\蓝牙协议；网关节点与监控终端\主服务器间的 有线通讯，使用有线通讯模块，包括以太网、RJ-485及ADSL，并遵守相关协议；网关节点在医院内\外经 移动网、互联网连接监控终端\主服务器的远程无线通讯采用相关协议，如：由MCU控制GPRS采用IP over PPP及TCP/IP协议实现；

有益效果：

1.采集节点或和便携式网关节点的无导联线化，监控对象活动度、舒适度增加

监护对象仅携采集节点或和便携式网关节点即可完成近远程监护，节点数据传输无线化，解除了 管线对监护对象的约束；医院内监护对象，如ICU\CCU：至少可以减少ICU\CCU病人身上80％的管 线；减少了病人的心理压力，也可以使病人在病情允许的情况下完成各种康复训练，利于病情的恢复； 医院外监护对象，也可以很方便地固定于需要采集心电信息及其它生理参数的对象-普通病患及其他 特殊监护对象。

2.节点高集成度、微型化、便携化：

采集节点、网关节点里使用的芯片是基于CMOS技术合成，已经很微小，3mm到7mm不等，然 后贴片式芯片采用微封装技术封装(不用PCB，如专利CN101474068A便携式模块的整体大小为 3cm(宽度)*4cm(长度)*1cm(厚度))，采集节点封装后仅10x10x5mm，仅一枚一角硬币大小；网关节点 封装后仅12x12x5mm(不含GSM\GRPS\GPS，仅一枚一角硬币大小)-26x24x5mm(含GSM\GRPS\GPS 仅一枚一元硬币大小)，侧面插接纽扣电池(11.6x5.4mm，605mA)，采集节点及网关节点微型化、人 机接口模块微型化及便携化，易于室内外使用，易于为需要长时间监护的对象所接受，也是长期监护 的前提。随着CMOS芯片微型化及MEMS芯片的成熟，将来有望将采集节点做成1x1x1mm，如美国 军方使用的Smart dust，网关节点可以小到如T-F卡一样插入手机。

3.全导联监控：

由于所述的采集节点及便携式网关节点无线化、高集成度、微型化、便携化，使得监护对象接受 监护的导联数容易增加，尤其是肢体导联，可以像常规心电图一样在3-18导联间选配采集节点，使得 采集的心电数据更加全面，更具有诊断价值。

4.单个节点低功耗、生命力强：

(1)采集节点和网关节点的芯片均选用超低功耗、高集成度、可以程控的芯片，此类芯片有多种工作模 式，休眠状态仅耗电数微安，一个钮扣电池即可给采集节点和室内网关节点供电达一天到数十天， 单个节点的耗电量很低，一个手机大容量电池可以给室外室内两用网关节点供电数天，是长时间监 控的关键之一；

(2)另外有多种通讯模式使得功耗可以大为节省，包括：

A采集节点与短距离网关节点同时在监控对象上时，可以程控采集节点的传输距离为5m，使采集节点的 功耗最低，主要由短距离网关节点在5m范围内接收采集节点的数据，在100m范围内发送数据到监 控终端或插有\嵌有射频通讯模块的人机接口模块(非便携式计算机，如家用PC)。

B采集节点在监控对象上，短距离网关节点在人机接口模块上时，网关节点可以通过USB接口获得人 机接口模块的供电，尤其是插入或嵌入非便携式计算机上时，供电可以是无限长的时间，如：监控 对象在ICU\CCU\或家中时，佩戴收发距离仅5m的采集节点，将数据传输到室内多参数监护仪(家 用PC+室内网关节点即可组成)，是最低功耗的组合之一。

C如以后Smart dust这一具有利用太阳能自充电的MEMS芯片市场化、民用化，也将大大延长生命力。

5.系统组件及通讯费用低廉：

(1)基于CMOS的芯片化的模块组成的采集节点及网关节点成本低廉；

(2)本系统的人机接口模块目前多已普及使用；短距离及长短距离网关节点接入USB模块很容易接入 家用的或单位用的人机接口模块，可以增加其利用率；

(3)本系统的近、远程传输使用公开化的协议和网络，如：远程：IP over PPP及TCP/IP；近程： Zigbee\Simplici\蓝牙；远程传输不需要再重新布网，有线传输费用日渐低廉，移动网免费覆盖(北 京北四环及南二环内可以免费无线上网，国内其它地方也将无线覆盖，3G及4G通讯的到来也为提 高通讯效率打下了基础，近程传输采用Zigbee\Simplici\蓝牙射频通讯模块，组成无线体域网和无线 局域网，节约了传输的成本。

6.监护或采集的心电信息或其它生理参数时间更长：

采集节点和网关节点的芯片微小、低能耗、耐用，可随时更换，加之采集节点、网关节点是无线的， 系统组件及通讯的低成本，监护对象易于接受长时间监护，数据可以储存于便携式专用嵌入式终端\ 手机\PDA的拓展卡\或随时发送到主服务器上，因拓展卡(拓展卡的存储能力日益强大，有的已达 36G)和计算机的便盘可以无限制地交换，理论上心电信息的采集可以是无限长时间，也就是说监护 时间几乎是无限的长。

7.软硬件均高精：

模数转换器的采样精度高(1000Hz-10000Hz可控)，信号为数字式技术，微处理器高性能(处理 速度达125ns)及软件的高数据处理能力，可有稳定的基线和较高的信号噪音比率，EKG质量较稳 定可靠；

8.操作平民化、多种组合、多场合、随时、灵活使用：

(1)专业和非专业人员均易掌握使用：采集和显示均可很简单地完成，用户仅需要根据说明书粘贴 采集节点，短距离网关节点\长短距离两用网关节点可以很灵活的嵌入或插入人机接口模块，尤其是 插入USB接口，很易为非专业人士掌握；监护仪、监控终端的人机接口模块多种多样，便携式或非 便携式供医院内或医院外使用，监控对象仅佩戴采集节点或和携带便携式网关节点，使用手机的一 键OK模式即可进行心电采集分析显示发送；可大众化使用，比目前的同类产品更有用、更方便。

(2)如用手机做监控终端或监护仪将非常方便，手机为人人目前随身携带、密不可分的必需品，可 以随时取用，也不再占用监控对象的额外空间；

9.多功能，一机多用：

网关节点可以将心电及其它生理参数数据储存于节点自身或储存于外扩的Flash，并通过人机接口模 块接打印机打印心电图，故除具有以上“心电监护”功能外，还有心电图机、24小时动态心电图机 的功能；专业或非专业人员可以采集心电图后的即刻或以后的某个时间进行分析，尤其是非专业人 员可以在医疗事件发生的当时采集心电数据后，实时传送或事后交专业人员分析，为诊疗提供了依 据。

10.整个系统的易维护性：

所采用的芯片是成熟的CMOS生产技术制成，该类产品的性能和耐用性均很好，人机接口模块也 是常用的，故不需要专门的使用维护经验和技术，也使其易于为用户接受。

11.技术独特新颖，该系统可以连入互联网，实现数据全球共享

近程监护：采集节点+无线体域网+网关节点(有\无人机接口模块)+局域网(有线\无线)\移动网+ 心电监控终端及主服务器+互联网；和：

远程监护：采集节点+无线体域网+网关节点(有\无人机接口模块)+局域网(无线\有线)\移动网+ 互联网+局域网+心电监控终端及主服务器

从目前的技术条件看，此数据传输方式最经济、及时、方便、且可以全球无障碍覆盖，近远程 皆宜，实现数据共享，有利于医学专家无时空障碍的会诊，对用户提出医学建议和用户提出请求， 均可用手机短信和通话完成；病人只需按一下键钮，心电图及其它生理参数的数据就会传送到监控 中心或者为医生的电脑上，医生可根据心电图及其它生理参数的资料，为监护对象提出诊疗建议。

监护对象佩戴的采集节点或和便携式网关节点均为无线传输，加之微型化、低功耗、实时 长期监测的功能，最大限度增加了监护对象的活动度、舒适度，是可以满足室内、室外的近远程监 护使用的、无缝隙连接的、全天候的、全导联的心电及其它生理参数采集、分析、发射、显示、储 存系统。

附图说明

图1是本发明的系统框架图，其中的I，II，III，avR，avL，AVF，V1，V2，V3，V4，V5，V6是心电采集节点所构 成的导联名称，所处位置是采集节点的粘贴处，联线是有线或无线通讯示意线，无箭头的联线是 近程通讯的联线，有双箭头是远程通讯的联线。

图2是系统远程监控部分框图

图3是系统近程监控部分框图

图4是采集节点结构图。

图5是短距离网关节点结构图。

图6是长短距离两用网关节点结构图。

图7是放大电路INA333框图

图8是模数转换器ADS1251框图

图9是Zigbee射频通讯模块CC2531框图。

图10是微处理器MSP430FG461X框图。

图11是GPS HX8211框图

图12是GSM/GPRS模块框图.

图13是电源电路TPS61029DRC框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了 详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，以12导联心电监护为例本实施例包括：无线心电采集节点、无线体域网、网关节点、无 线\有线局域网、移动网、射频通讯模块、人机接口模块、USB模块、主服务器、监控终端、互联网。其 中，监护系统的通讯如图1、图2、图3所示：

采集节点通过无线传感器(心电贴片式电极)采集信号后，经过采集节点初步处理后经过体域网发射 到图中网关节点中的一个，网关节点仅识别接收同组采集节点的信号(即某个监控对象的采集节点)，整 合形成标准导联心电图，实时显示于或储存于短距离网关节点\短距离多参数监护仪的人机接口模块上，同 时如图1、图3通过网络1发送数据到主服务器\监控终端，完成近程监护；或如图1、图2通过网络1发 送数据到互联网，然后进入主服务器\监控终端所处的网络2，完成远程监护；主服务器\监控终端可以反向 接入网络1或网络2获得监护对象的数据并发布指令。长短距离两用网关节点及长短距离两用监护仪与监 控终端\主服务器间超出短距离射频无线通讯范围，需经移动网连接互联网，在同一个医院内时，完成近程 监护；不在同一医院内时，完成远程监护；

无线体域网包括：

同组采集节点与同组的网关节点组成，选用如图1、图2、图3中的网关节点中的某一个，通讯遵守 Zigbee协议，本例体域网通讯距离在5-100m内可以调节。

局域网包括：

无线局域网，如图1、图2、图3

近程监护：由在同一医院的网关节点、监控终端、主服务器构成，遵守射频通讯协议，包括Zigbee、 Simplici、蓝牙；

远程监护：远端由在同一居民小区的网关节点、插有射频通讯模块的非便携式人机接口模块组成，近 端由在异地的监控终端\主服务器与插有射频通讯模块的非便携式人机接口模块构成，遵守射频通讯协 议，包括Zigbee、Simplici、监牙；

有线局域网如图1、图2、图3

近程监护：由在同一医院的非便携式监护仪、非便携式监控终端、主服务器与当地局域网构成，遵守 前述的有线通讯协议；

远程监护：远端由在同一居民小区的非便携式计算机与当地局域网构成；近端由异地的非便携监控终 端\主服务器与当地局域网构成，遵守前述的有线通讯协议。

2.无线心电采集节点如图1、图2、图3贴附于肢体及胸部，位于图的I、II、III、avR、avL、avF，V1、 V2、V3、V4、V5、V6处，图1中I及avR，II及avL，III及avF处各共用一个心电采集节点，V1、V2、 V3、V4、V5、V6处各有一个采集节点，9个采集节点完成12导联心电信号的采集；

图1、图2、图3中采集节点到体域网的联线为无线通信虚拟线；图1、图2、图3中其它各组件间的 的联线为相互间的通讯联线，无箭头的联线所联接部分是近程通讯部分，双箭头联线相连的部分是远程通 讯部分。

3.如图4，采集节点由无线贴片式微型电极与前置放大电路模块电连接，前置放大电路模块与ADC模块电 连接，ADC模块与Zigbee收发模块电连接，供电单元给采集节点各模块供电。其中：

心电信号前置放大模块采用负反馈差动放大电路，将贴片式微型电极采集到的心电信号进行放大，放 大后将信号传输给ADC模块；ADC模块对数据采集、滤波、模数转换、存储和控制；数据加密、压缩； 对数据填加采集时间和含组别及电极名称的地址标识；ADC模块也接受包括来自网关节点的指令，包括： 系统程序初始化时对时、分配ID，ID含采集节点的组别及电极名称信息，如V1.1；V1代表电极V1，“.1” 代表组别，同组的其它采集节点该位置均为“.1”，网关节点也同；工作模式的指令(可以处在关闭、休眠、 激活状态)；

Zigbee通讯模块：接收ADC处理好的数据，发射\存储ADC处理好的数据，接收网关节点的指令， 包括：通讯距离控制的指令(数据发射距离的控制，如5-100m内可以调控)；工作模式的指令(可以处在 关闭、休眠、激活状态)；数据实时发送\储存于Zigbee通讯模块的指令；

供电单元给采集节点各模块供电，本例选用松下的钮扣电池PR675H，1.4V，606maH，可以供本节点1 到数天的电能，且尺寸很小，仅直径11.6mmX5.4mm。

4.部分网关节点结构如图5、图6，

短距离网关节点，如图5：由Zigbee通讯模块与微处理器连接，供电单元给网关节点各模块供电；

长短距离两用网关节点，如图6：由Zigbee通讯模块及远程通讯定位模块与微处理器连接，供电单元给 网关节点各模块供电；

多参数监护仪由人机接口模块与短距离网关节点\长短距离网关节点构成，也是网关节点，其中：

人机接口模块：包括用于显示心电特征参数(及其它参数)的液晶显示屏、键盘、声音、视频多媒体组 件；供电单元：电源电路加AC或DC电源，用于提供整个人机接口模块的电源；该人机接口模块可以是 含以上组件的便携式专用嵌入式终端、高端手机或PDA及非便携式的平板电脑、台式机或笔记本电脑， 非便携式的含有线通信模块，包括：以太网、RJ-485及ADSL；

多参数监护仪类型包括：

短距离多参数监护仪：

便携式多参数短距离监护仪：插入\嵌入短距离网关节点的人机接口模块，如：便携式专用嵌入式终 端、高端手机或PDA，可以接入无线体域网及无线局域网；

非便携式多参数短距离监护仪：插入\嵌入短距离网关节点的人机接口模块，人机接口模块是连入互 联网的任何形式的非便携式计算机(家用PC或其它PC)，可以接入无线体域网及无线局域网\有线局域 网；

长短距离两用多参数监护仪：插入\嵌入长短距离监护两用网关节点的人机接口模块，如：便携式专 用嵌入式终端、高端手机或PDA，可以接入无线体域网及移动网\无线局域网；

图5的Zigbee通讯模块接收采集节点处理过的心电数据，输入微处理器；也将微处理器生成的各导 联心电图及经无线局域网传输到监控终端或主服务器，从而实现监控；也接受监控终端及主服务器的指令， 包括：工作模式及通讯距离的控制，有关闭、休眠、激活三种工作模式，通讯距离在5-100m内可以调控。

图6的Zigbee通讯模块\远程通讯定位模块，除有图5Zigbee通讯模块的功能外，还将监控对象的位 置经无线局域网\移动网传输到监控终端或主服务器，从而实现监控和定位；

图5、图6中的微处理器包括：CPU、外设接口、Flash模块、USB接口，其中：

CPU接收监护终端\服务器的指令完成程序初始化，包括：接受系统对时，以及含组别和电极名称的 地址(ID)分配；接受系统指令使微处理器处于三种工作模式之一(关闭、休眠、激活)；识别标记着采 集节点地址的心电数据，仅接收同组采集节点的心电数据，解压缩、解密数据，提取同组同一时间(精 确到100微秒)的3到18导的心电信号，放大、分析、计算、整合、完成各导联心电图的生成；按心电 的采集时间标记心电图的产生时间及本网关节点的地址，以标记心电图的发生时间和对象；压缩生成的 各导联心电图数据，储存心电图数据；实时显示心电特征参数及其它生理参数；Flash模块负责存储；外 设接口扩展为SPI(串行外围设备接口)与Zigbee收发模块和远程通讯及定位模块相连接，外设接口将信号 输出给Zigbee射频通讯模块和远程通讯定位模块；USB接口：用于和USB模块电连接，通过USB模块， 插入人机接口模块；

供电单元：电源电路加纽扣电池\手机电池\USB接口供电，用于提供节点正常工作的电源；例如： 短距离网关节点+纽扣电池(松下的PR675H，1.4V，606maH，直径11.6mmX5.4mm)；或长短距离两用网关节 点+大容量手机电池(大于1500maH)；或网关节点嵌入或插入人机接口模块USB接口，由人机接口模块 的USB接口供电，电能包括：手机电池、市电或其它。

5.监控终端：通过嵌入\插入人机接口模块的Zigbee通讯模块\有线通讯模块\远程通讯模块接入无线\有线局 域网\移动网(网络1\网络2)，与系统其余部分交互通讯；应用通讯及心电管理软件对进入管辖的各种节 点管理，包括：为采集节点分配含组别及电极名称的地址、网关节点的含组别的地址分配；与采集节点、 网关节点对时；程控各种节点的工作模式和通讯距离；主动或被动接收网关节点生成实时或历史的心电图 或和其它生理参数，与有人机接口的网关节点节点采用包括文字、语音、视频等方式交换信息，如发出诊 疗意见和建议，接受节点的请求。

6.主服务器：

可以是满足需要的任何一种计算机，主服务器包含：心电数据库、通信控制软件及通讯模块。心电数 据库包括：存储的病人心电等其它生理信息，以及病人、护士和医生的个人资料，维护心电数据库数据； 通信控制软件包括：管理采集节点、网关节点、监控终端与心电服务器的接入控制、权限控制、通信等， 对采集节点、网关节点进行地址分配、分组、命名、对时；用于控制采集节点及网关节点关闭、休眠、激 活三种工作模式的电路；用于控制采集节点及网关节点通讯距离的电路。通讯模块：射频通讯模块\有线通 讯模块包括：以太网、RJ-485及ADSL，可与有线\无线局域网相连，继之与互联网及移动网相连，承担 与系统其余部分的交互通讯。

8.人机接口模块包括：

用于显示心电特征参数及其它参数的液晶显示屏、键盘、声音、视频多媒体组件；供电单元： 电源电路加AC或DC电源，用于提供整个人机接口模块的电源；该人机接口模块可以是含以上组件的、 可用于便携式专用嵌入式终端、高端手机或PDA及非便携式的平板电脑、台式机或笔记本电脑，含有线 通信模块，包括：以太网、RJ-485及ADSL。

9.射频通讯模块包括：

用于无线体域网\无线局域网的通讯，集成于采集节点、网关节点；或单独嵌入或插入人机接口模块， 如：计算机、监护仪、监控终端、主服务器；在医院内多将其嵌入人机接口模块，在医院外可将其通过 USB模块插入人机接口模块。

10.USB模块包括：

用于连接短距离网关节点\长短距离两用网关节点\Zigbee通讯模块与人机接口模块的USB接口，用 于数据的传输及该节点的供电。

11.所述心电信号前置放大模块，如图7，采用TI公司的微功耗仪表放大芯片，型号是INA333，放大倍数 为1000倍，由于生物电信号很微弱，故对放大电路的要求很高，INA321A芯片为低功耗仪用集成运放， 其特点是：静态电流小；内部增益可通过管脚的不同连接而变化；增益精度高，且漂移小；共模抑制比高； 失调电压小；非线性失真小；失调电压的漂移小；输入电阻高。

12.所述ADC模块选用Texas Instruments公司的ADS1251，如图8，用于将放大电路输入的心电信号滤波、 模数转换，标记数据的采样时间和地址。该模块有高达10,000的采样率，不仅可以采集一般心电信号，还 可以采集起搏器信号，兼有滤波功能，故不需要再配置滤波电路。

13.所述射频通讯模块，采用Texas Instruments公司的Chipcon系列RF射频芯片，型号为CC2531，如图9， 射频通讯模块具有通讯距离远、低功耗、所述Zigbee模块接口灵活，有USB接口，故可以嵌入或插入人 机接口模块(包含于：采集节点、网关节点、监护仪、监控终端及或主服务器、计算机)。Zigbee协议具 有无网络使用费，设备投入低，通信更可靠，抗干扰性好，工作频段灵活等诸多优点，能达到很好的传输 效果。其不工作时由软件控制处于省电模式状态。

14.所述微处理器采用Texas Instruments公司的MSP430FG4619芯片，如图10，其集成了CPU、4KB RAM、 120KBFlash、DAC、LCD驱动、外设接口等功能模块。具有很强的数据处理能力，执行速度高达125ns， 宽电压(1.8-3.6V)工作。

15.所述GSM/GPRS模块选用BENQ公司的GSM/GPRS模块M22为三频模块，如图12。该模块集成有基 带处理器、FLASH闪存、RF接口、普通I/O口、通用异步收发器、SIM卡接口、电池及LED接口。

16.所述GPS模块选用西安华迅微电子有线公司HX8211，如图11。特点体积小，6.0mmx6.0mmx1.6mm， 24GPS信号获得通道，高敏感度，高定位精度：2.5m CEP，低功耗：43mW

17.所述电源电路选用Texas Instruments公司RICHTEK公司的TPS61029DRC，如图13。用于给系统中的 其它模块供电，该模块有很宽的输入电压(0.9-6.5V)及输出电压(1.8-5.5)；在设计中需要电源模块提 供两路电压：4V，3V。其中GPRS模块需要4V电压，在发送和接收数据时需要的电流比较大，在尖峰时刻 需要2A左右的电流；前端心电信号获取、处理电路需要3V电压，工作时的最大电流不会超过1A电流。 该电源均可满足。

如图4所示，心电电极采集心电信号经过INA333的VIN+和VIN-的管脚输入片，微弱的心电信号 在INA321A完成心电信信号的放大，放大之后的心电信号，经由INA333的VOUT输出。从INA333的 VOUT输出的心电信号，经ADC模块(此处为ADS1251)滤波、采样、模数转换后，压缩、加密，加时 间及地址(组别及电极名称)标记，送到采集节点的Zigbee射频通讯模块(CC2531)实时发射到网关节 点\储存于采集节点(通讯如图1所示)。

如图5所示，短距离网关节点Zigbee射频通讯模块，收到采集节点的数据后，识别同一组的心电数据， 送微处理器处解压缩、解密，将不同地址来源(不同电极)的、同一时间的心电数据提取；分析、合成处 理后，生成各导联心电图，可以实时显示\储存于网关节点\传输到监控终端、主服务器实时显示\储存；监 控终端\主服务器也通过人机接口与监护对象完成信息交互(通讯如图1、图2、图3所示)。

或

如图6所示，长短距离两用网关节点Zigbee射频通讯模块，收到采集节点的数据后，识别同一组的心 电数据，送微处理器处解压缩、解密，将不同地址来源(不同电极)的、同一时间的心电数据提取；分 析、合成处理后，生成各导联心电图，可以实时显示\储存于网关节点\通过GPRS\GPS模块将心电数据及 位置信息经移动网发射到互联网\通过Zigbee通讯模块发射数据到无线局域网，最终到达监控终端及主服 务器，监控终端及主服务器实时显示\储存心电数据；监控终端及主服务器也通过人机接口与监护对象完 成信息交互(通讯如图1、图2、图3所示)。

18.所述ADS、Zigbee通讯芯片、MCU、远程通讯定位模块、微处理器，其不工作时由监控终端\主服务 器的管理软件控制处于省电模式状态。如：

(1)控制Zigbee通讯芯片的通讯距离，如采集节点与非便携式监护仪同在一室时，采集节点5m的通讯 距离，接近最低功耗，网关节点可以由人机接口模块的市电供给。

(2)控制ADC、Zigbee射频通讯模块、MCU工作模式(关闭、休眠、激活)，休眠时功耗仅数微安。 可以使节点功耗可以降到最低，有利于长时间监控。

本实施例装置可以有多种组合供选择，尤其是网关节点，其中：1.采集节点+非便携式监护仪(非便携 式人机接口模块+室内网关节点)模式是最方便实用、功耗最低的一种，即“采集节点+体域网+非便携式 监护仪+有线局域网+互联网”，此模式时，网关节点的供电时长是无限的，采集节点可以方便地贴在身上， 通讯距离控制在5m，通过无线方式(无导联线)把心电信号发送到非便携式监护仪，非常适合室内监护； 或2.“采集节点+便携式短距离网关节点+无线局域网”模式，采集节点通讯距离5m，网关节点100m，功耗 不高，监护对象有较大的活动范围，适合100m范围室内外内监护；或3.“采集节点+长短距离网关节点+ 无线局域网\移动网”可以利用免费移动网实现近远程监护，监护对象可处于室内\外的无线局域网通讯范 围内\外，全球无缝隙监护，适合室内外甚至野外监护。以上方式监护对象身体均有充分活动度、几乎无约 束情况下，进行连续24小时以上，3-18导联实时近远程监护，同时监护对象与监控终端可以信息交互。