专利名称：模糊心电图智能计测传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学领域，特别是一种模糊心电图智能计测传感器。
背景技术：
心血管疾病已成为危害人类健康、引起死亡的重要原因，而当前对心血管疾病的 检测主要依赖于心电信号的检测，尤其是心电图技术。 1903年，荷兰生物学家Williem Einthoven博士创造性地发现了心电现象的基本 原理后，研制了记录心脏电活动的技术，并发明了常规心电图(简称为EKG)，为此他获得 了诺贝尔奖。"常规心电图"时域分析精度高，但记录时间很短，属短时程型，其输出信号只 能用于心电波形打印，连进行长时程的半自动分析都不可能。1957年，美国实验物理学家 Norman J. Holter博士首创了可达24h以上的长时程型的动态心电图(简称为DCG，惯称为 Holter)，于1961年开始应用于临床，20世纪70年代得到广泛应用。但这种长时程装置始 终为失真大、精度差、不能全自动分析等一系列问题所困扰，临床应用上表现有很大的局限 性。 最初的动态心电图的记录器是背在患者背上的一个重约31. 9Kg的设备，后来出 现了盒式磁带为记录介质的模拟式心电记录器。由于磁带的低频响应很差，导致ST段波形 的失真，早期的Holter只用于心律失常的检测。20世纪90年代初，出现了小容量固态记录 器为记录介质的数字式心电记录器。进入21世纪，随着大规模集成的快闪存储器的制造技 术的飞速发展，又出现了大容量固态记录器为记录介质的数字式心电记录器，使得采用无 失真压縮或不压縮的固态记录器的心电波形记录质量优于磁带记录器。但数字式心电记录 器仍可能会发生新的信号失真，因为微处理器和数字器件不认识也不能处理连续变化的信 号，必须把连续变化的心电信号变成在时间上是间断的数字信号，这个转换过程成为时间 采样。采样过程的结果实际上是用离散的数据近似地表示连续变化的心电信号，这就有可 能产生另外一种失真——信号采样失真。只有当采样频率够高(超过信号的上限频率的二 倍)的时候，离散的数字信号才有可能保真地还原成连续的心电信号。
迄今为止，现行的长时程心电图记录器存在以下几个主要缺点
1.数字式记录器没有模拟式记录器那种低频失真，但分析精度仍然很差，这体现 在两个方面一是传统的Holter在幅值上只能检出QRS波而不能检测到P波、T波等微小 心电信号；二是传统的Holter在时间上的采样频率过低，只能够还原QRS波而不能还原P 波和T波。 2.无论是长时程还是短时程的心电信号记录器，其采集的心电数据都是一维心 电条图(只有幅值轴标注而只有没有逐点的时间轴上标注)，这就使得主计算机同步分析 受检者的心电条图、活动空间范围、检查活动日志和其他生命体征参数(例如动态血压、脉 搏、血氧、呼吸等)几乎没有可能。 3. Holter的数字式记录器所采集的心电数据的参数维度太少，除了信号的幅值量 度以外基本上没有别的信息可供分析原因，即使目前最现代化的分析系统的自动识别率较低，因此要求具有一定的经验并且熟悉常见心律失常的临床意义的心电图医生介入的半自动分析。 4.以往的所有的长时程心电图仪，无论是模拟式(例如磁带)的还是数字式(例如PCMCIA卡、闪存卡)的，其前端的记录器都只能描记或存储心电信号，事后再拿到后台的心电分析系统来回放，因而都只是离线传输的"心电信号记录器"，而不是在线传输的"心电信号传感器"。 本申请的发明人和陈士良经过多年的研究，曾发明了心电频谱图检测仪(发明专利号为ZL01129553.8，专利证书号第186351号，授权公告日2004年12月22日)。该发明虽然在高保真技术方面进行较大的探索和创新，基本解决了上述的第一个缺点，不仅可以高保真地检测到P波、T波等微小心电信号，当然也可以保真地描记和复制包括QRS波群在内的整个心搏周期的时域信号，并且依靠存储技术的进步也可以解决好长时程的记录问题，但又暴露了一个新问题记录器选定的采样频率越高，离散的数字信号恢复成连续变化的信号失真误差固然会越小，但对记录器的存储空间容量的要求却越高，信号处理的时间也越长。可见，由于高保真计测指标(例如信号采样频率)与数据处理资源(例如存储空间、处理时间等)构成了一对矛盾。解决矛盾的思路是让心电信号检测装置具有"自适应"能力心电信号斜率越大(即心电信号变化越快)，采样频率越高；反之，心电信号斜率越小(即心电信号变化越缓)，采样频率就越低。 由于上述的第二个缺点揭示了目前的数字式记录器所采集的一维心电条图没有时间轴标注，只能按收发的先后时序和"定长"的时距顺序排列，但如果采样周期是"变长"的时距，就会发生心电条图的"伸縮失真"，从而使得心电条图无法得到正确表达；况且一旦在实时通信发生"通信中断"，或是出现"坏点剔除"，也很难实现心电条图的"断点再续";因此需要对一维心电条图加注"时间戳"(即对具有幅值轴标注的心电数据再加上幅值轴标注和时间轴标注)，以合成为二维心电条图。 从上述的第三个缺点的分析可见，Holter之所以实现不了全自动分析，除了没有运用更为智能化的复杂的分析算法之外，其可用于数据融合的参数维度太少也是一个重要的原因。如果以二维心电条图为主图，再以受检者的活动空间范围信息和实时记载的检查日志为附图，就可以合成为实时传感并且在线分析的"模糊心电图"，这与只能离线分析的"动态心电图"是有本质上的差别的，这种智能的"模糊心电图"的出现，为解决目前无法实现心电图医生训导下的全自动的模糊聚类分析提供了可能性。 上述的第四个缺点之所以反映以往的长时程心电信号检测装置只是"心电信号记
录器"而不是"心电信号传感器"，关键是其不能在线实时传输心电信号。 此外，即便是Holter能够实现"在线实时传输"方式，但在院外外出(或在院内离
开床前)时，这种"在线实时传输"方式还不能让受检者"拖"着线。这也是新型心电图仪
器必须面临的问题。 1973年，捷克斯洛伐克生理学家Jan Penaz用体积描记器技术在手指进行无创性、连续性动脉血压检测；在1978 1985年间，荷兰的TNO生物医学仪器制造公司生产出手指动脉血压固定性检测装置(Fin即res);随后，又在此基础上进行改进，设计出一种动态、轻型、电池供电的可以连续24h记录并能连续性的血压储存的新设备(Port即res);近来，这个生物医学仪器制造公司又生产出第一台可用于太空飞行试验的新型设备
4(Cardiopres)，它是一种先进的动态检测装置，可以同步进行无创性手指动脉血压以及标准的3通道心电图记录，而且具有两种呼吸压力评估信号。遗憾的是，这种医学设备也是离线的"信号记录器"而不是在线的"信号传感器"，既不能在线实时传输心电信号，而且所记录的信号也没有时间轴标注。更重要的是，这些医学仪器所分析的主图是动态血压曲线，而心电图仅仅是一个附图，并不是主角。 自适应、高保真、多维度和实时传感是衡量心电图检测器水平高低的四大技术指标，要想"和谐地"圆满解决好上述关系，变采样周期由"固定不变"为"自适应"，变检测精度由"精度差"为"高保真"，变信息内容由"单维度"为"多维度"，变"离线记录"为"在线传感"，就必须探求方法创新，这也就是本发明提出模糊心电图这一全新概念的技术背景。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种模糊心电图智能计测传感器。
本发明的上述目的是由如下技术方案来实现的 —种模糊心电图智能计测传感器，包括有置挂在人体上的袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1、便携式模糊心电图传感器主机2和便携式模糊心电图传感器主机底座3三大部件。
本发明的
如下 图1为本发明的模糊心电传感器的组成结构框图。
图2为本发明的模糊心电传感器的电原理图。
图3为本发明的一实施例的模糊心电传感器的电原理图。 图4为本发明的心电采样控制神经模糊控制器的技术原理图。其中，图4(a)为心电采样神经模糊控制器的基本物理结构；图4(b)为心电采样神经模糊控制器的控制流过程结构；图4(c)为心电采样神经模糊控制器的知识流过程结构。
图5为本发明的多维向量数据融合算法的技术原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明实施作进一步阐述 参见图l，所示为本发明的模糊心电传感器的组成结构框图。 本发明如前述的模糊心电图智能计测传感器规定的装置，包括有袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1、便携式模糊心电图传感器主机2和便携式模糊心电图传感器主机底座3三大部件。 袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1置挂在人体上，与便携式模糊心电图传感器主机2无线相连；便携式模糊心电图传感器主机2通常搁放在便携式模糊心电图传感器主机底座3上(处于"在台(挂机"状态时)，此时其通过内置的有线调制解调器传感模糊心电图；也可以携带便携式模糊心电图传感器主机2外出(处于"在台(挂机"状态时)，此时其通过内置的MTK移动电话装置传感模糊心电图。 其工作原理是，袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1采集具有12导联心电
5向量、血压向量、脉搏向量、血氧向量和呼吸向量的多维体征信号条图，并"在线"传感给便携式模糊心电图传感器主机2 ;便携式模糊心电图传感器主机2先是综合自身采集受检者的GPS空间位置信息和检查日志，以及从袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1传感来的体征信号条图，然后再又通过有线通信(处于"在台(挂机)"位置)或无线通信(处于"离台(摘机)"位置)的方式，将所测量的受检者的体征信号条图、GPS空间位置信息和活动事件信息合成模糊心电图，再将模糊心电图实时发送给后台的心电分析系统；需要时，后台的心电分析系统可以从袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1"离线"获取备份的二维体征信号条图，也可以从便携式模糊心电图传感器主机2获取备份的模糊心电图主图。 图2所示为本发明的模糊心电传感器的电原理图。 本发明如前述的模糊心电图智能计测传感器规定的装置，包括有袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1、便携式模糊心电图传感器主机2和便携式模糊心电图传感器主机底座3三大部件。袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器l由心电条图传感器4、血压信号传感器5、脉搏信号传感器6、血氧信号传感器7、呼吸信号传感器8、 A/D变换器18、虚拟仪器系统主控单元19和锂电池DC-DC电源20八个功能单元组成(其中，心电条图传感器4包括电极导联功能单元13、模拟量心电信号处理功能单元14、主信号A/D变换器15、心电采样神经模糊控制器16和数字量心电信号处理功能单元17六个模块)。便携式模糊心电图传感器主机2，由多媒体主控群件10、活动轨迹传感器9、MTK移动电话装置11、在台/离台状态开关电路12和微型UPS电源25五个功能单元组成；便携式模糊心电图传感器主机底座3，由在一个AC-DC整流滤波及稳压电路和一个开关触点组成。
下面就图2中的主要功能单元具体说明如下
1.心电条图传感器4
1. 1电极导联功能单元13 (1)本发明的贴片电极22是由能贴附于体表皮肤的被衬、处于被衬中央的"Ag-AgCl"或"Zn-Cu"电极芯和其表面的导电糊构成的被衬粘附力强、透气性好、吸汗、导电性能良好的贴片电极。 (2)心电导联系统是指在记录心电信号时，心电仪器的输入导线连接电极，放置在机体特定的测试部位(正输入端)、参比部位(负输入端)和接地部位的连接方式。本发明的导联系统23为原理公知的导联系统之一。 一对带贴片电极的导线就形成一个通道。
1. 2模拟量心电信号处理功能单元14 (1)当被测心电信号的幅值变化范围很大时，为保证测量精度的一致性，采用程控放大器11将拾取的体表心电电势信号进行前置放大。具体做法是通过控制改变放大器的增益，对幅值小的信号采用大增益，对幅值大的信号改用小增益，使A/D转换器信号满量程达到均一化。程控放大器的反馈回路中包含一个精密梯形电阻网络或权电阻网络，使其增益可按十进制的规律进行控制。例如， 一条具有3条增益控制线AO、 Al和A2的程控放大器，就具有8级十进制增益(范围10-6 102)。 (2)有源滤波器25是由低通滤波器和工频陷波器"级联"组成，用于滤掉高频的肌
电干扰和工频干扰。 1.3主信号A/D变换器15
6
为达到自适应高保真地测量一维心电条图(即高保真模/数转换心电信号)的目的，采取三个方面的措施 (1)选用的A/D变换器的每一输入通道都内置有采样保持电路，并包括有一个具有扫描功能的输入多路复用器(多路模拟开关)，不仅可以自由转换某一个通道的心电信号，而且可以避免输入的多导联心电信号由于采样的不同步性导致相互之间出现时滞。
(2)在幅值轴测量时，选用位数^ 16的A/D转换器器件，并且适当设定其前端"级联"的心电电压放大器的增益，以保证测量幅值为毫伏级的P波、T波等微小心电信号。
(3)给主信号A/D转换器和程控放大器安装心电采样神经模糊控制器，心电采样神经模糊控制器根据模糊控制表给出不同情况下的相应控制方案，一方面根据心电信号变化的强弱，"自适应"地向主信号A/D转换器的START端口发出的心电信号采样频率是"变频"而不是"定频"的程控时钟指令(最大采样频率^4KHz);另一方面根据心电信号的幅值大小，"自适应"地向程控放大器的增益控制线给出量程自动切换指令；从而从幅值轴大小和时间轴节拍两个维度地控制着A/D转换器，"自适应"将心电信号由连续变化的模拟量信号形式转换成间断变化的数字量信号形式。 A/D转换后，心电条图传感器中的单片计算机运行基于MCU中断处理技术的心电
数据采集程序，读入数字量信号形式的心电信号。 1. 4数字量心电信号处理功能单元17 心电数据处理方法包括高通数字滤波器算法、对一维心电条图加注"时间戳"方法、12导联心电图推导算法和实时传递12导联二维心电条图算法四个模块。其应用形式是将其制成基于MCU的专用软件包。
(1)模块al :高通数字滤波器算法 高通数字滤波器一个用于消除基线漂移的计算机软件，常见的数字滤波软件有中位值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、加权递推平均滤波、一阶惯性滤波和复合滤波等算法(高通数字滤波器可以对频率极低的信号进行滤波，这是模拟滤波器所不及的)。
(2)模块a2 :对一维心电条图加注"时间戳"算法 由于从噪声中提取的心电数据没有时间轴标注，只能按收发的先后时序和"定长"
的时距顺序排列，如果采样周期是"变长"的时距，就会发生心电条图的"伸縮失真"，从而
使得心电条图无法得到正确表达；况且一旦在实时通信发生"通信中断"，或是出现"坏点剔
除"，或是如果采样周期是"变长"的时距，也很难实现心电条图的"断点再续"；因此需要对
心电数据加注"时间戳"。所谓加注"时间戳"，是指对所采集的已具有幅值轴标注的数字量
心电信号根据"变长"的时距大小，逐点进行时间轴标注，使其合成二维心电条图。 (3)模块a3 :12导联心电图推导算法 心电MCU通过12导联心电图推导算法(多通道扩展为12导联的推导公式为公知)，将多通道(通道数《9，一般为3)的二维心电条图扩展为12导联的二维心电条图。
(4)模块a4 :实时传递12导联二维心电条图方法 通过双MCU通信，心电MCU将12导联二维心电条图实时传递给生命体征信号虚拟仪器系统主控单元。 1. 5心电采样神经模糊控制器16的工作原理参见图3。 2.血压信号传感器5、脉搏信号传感器6、血氧信号传感器7、呼吸信号传感器8、A/D变换器18和虚拟仪器系统主控单元19
2. 1血压、脉搏、血氧和呼吸信息传感器 多维体征条图传感器阵列包括血压信号传感器、脉搏信号传感器、血氧信号传感器、呼吸信号传感器及其各自的包括放大器和滤波器在内的调理电路。 本发明的血压信号获取方法是基于原理为公知的手指动脉血压检测技术的；而呼吸信号获取方法是用热敏电阻(或气敏电阻)测定鼻或口腔气流；脉搏信号获取方法是用生理压力传感器测定脉搏信息；血氧信号获取方法是用半导体应变片测定血氧饱和度，这些传感方法的原理也是公知的。 本发明所述的微弱的血压信号、脉搏信号、血氧信号和呼吸信号被采集后，先要分别送到各自的调理电路(包括放大器、低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器)；然后，再将这四种去除了干扰的模拟量信号送到一个多通道A/D变换器(与模糊控制器不同的是，其START端口输入的是一个"定频"时钟信号)。
2. 2A/D变换器18 A/D变换器18将前述的四种信号由连续变化的模拟量信号形式转换成间断变化的数字量信号形式；最后，A/D转换后，通过运行基于MCU中断处理技术的心电数据采集程序，将数字量形式的生命体征信号测量值读入单片计算机(例如MCU芯片或ARM处理器芯片)，并在中断处理程序中，对所采集的已具有幅值轴标注的数字量心电信号根据"定长"的时距大小，逐点进行时间轴标注)，使其合成二维体征数据并储存在单片计算机的内存储器(RAM)中。 2. 3虚拟仪器系统主控单元19 虚拟仪器系统主控单元19中的单片计算机上，加载了体征数据预处理软件。这一软件包括12导联二维心电条图接收方法cl、二维体征信号数据读取方法c2、实时无线传递模糊心电图主图方法c3和离线获取备份模糊心电图主图方法c4四个模块组成。
(1)模块bl :接收12导联二维心电条图 通过双MCU通信，从心电条图传感器接收12导联二维心电条图。
(2)模块b2 :读取二维体征信号数据 从单片计算机的内存储器(RAM)中读取二维体征信号数据。
(3)模块b3 :多维体征向量数据融合为模糊心电图主图 利用多传感器数据融合技术，将心电向量、血压向量、脉搏向量、血氧向量、呼吸向量和时间向量的高保真二维体征条图合成为模糊心电图的"主图"。多传感器数据融合算法的工作原理参见图4。
(4)模块b4 :实时无线传递模糊心电图主图 单片计算机与蓝牙通信模块的接口技术原理为公知。袖珍型生命体征虚拟仪器系统主控单元通过蓝牙通信模块与便携式模糊心电图传感器主机无线相连，将二维体征信号全图从蓝牙通信接口发射出去，同时将其备份在内置的外存储器(如flash/SD卡/U盘等海量半导体存储器件)中。
(5)模块b5 :离线获取备份模糊心电图主图 需要时，心电图医生可通过USB接口如同"读取"U盘一样，获取心电条图传感器的外存储器中的备份二维心电条图(需要时)。而Holter是先向可拆卸式外存储器(如
8flash盘、SD卡等)"写入"一维心电条图，然后通过人工拔插可拆卸式外存储器，再由心电离线分析系统将一维心电条图从可拆卸式外存储器间接"读取"出来。后者(传统的长时程心电图记录器)在获取心电数据时需要人工拔插，而前者(本发明)则不需要，这样可以避免一些不必要的机械损坏。因而，这种外存储器是不需拔插的"只读型"而不是Holter那样需要拔插的"先写后读型"。
3.活动轨迹传感器9 活动轨迹传感器(9)是基于GPS芯片的。采用超大规模集成的GPS芯片(其原理是公知的)来接收并传感卫星发射的GPS位置信息(包括经度、纬度、高度)、GPS速度信息(包括速度、方向)和GPS时间信息(包括日期、时间)的传感器装置的构建方法，即利用GPS信息来确定受检者活动范围，从而辅助诊断受检者处于敏感地区易发心律失常的病因，或是掌握受检者发作心律失常时所处的空间位置。基于GPS的活动轨迹信息传感方法(b)的实现形式是，将其制成一个基于GPS芯片技术的活动轨迹信息采集软件模块；
4. MTK移动电话装置11 MTK移动电话装置11是基于MTK移动电话装置的。MTK移动电话(其原理为公知)上的多媒体移动通信芯片和多媒体人机对话装置的手机键盘输入、手机光笔输入、手机振铃输出功能和手机屏显输出功能，构成一个多用户系统"鹏终端"(而不是网络系统的"客户端")。可以利用这一"哑终端"在手机上逐字屏显并逐字发送给ARM处理器芯片(其原理为公知)，通过人机对话来在线记录受检者活动事件进而了解受检者活动内容，从而辅助诊断受检者从事某种活动易发心律失常的病因，或是掌握受检者发作心律失常时正在从事何种活动。基于MTK移动电话装置的活动事件在线记录方法的实现形式是，将其制成一个基于MTK多媒体移动通信芯片的活动事件在线记录程序软件包；
5.多媒体主控群件10 多媒体主控群件10包括带ASM核的处理器40、多维向量合成模糊心电图程序cl、模糊心电图多媒体流媒体编码器程序c2、多媒体播放模糊心电图流媒体软件c3、模糊心电图全图实时联网传感模块c4和备份模糊心电图全图离线获取模块c5。
(1)模块cl :多维向量合成模糊心电图程序 首先，将具有位置向量、速度向量、时间向量的GPS信息和具有人机对话向量和时间向量的活动事件信息按时间轴标注同步合成为模糊心电图的"附图"。然后，再将模糊心电图主图信息(具有心电向量、血压向量、脉搏向量、血氧向量、呼吸向量和时间向量)、模糊心电图附图信息(具有位置向量、速度向量、活动事件信息和时间向量)，按时间轴标注同步合成为模糊心电图全图。其同步合成原理如图2所示。 多维向量合成模糊心电图全图方法的应用形式是将其制成基于MTK移动电话的专用软件包。
(2)模块c2 :模糊心电图多媒体流媒体编码器程序 MTK手机的多媒体播放器功能，可以用来多媒体播放模糊心电图流媒体。采用基于带ARM核的处理器芯片的流媒体编码器程序(其编码原理为公知)对模糊心电图进行编码(例如MPEG4码)。 (3)模块c3 :多媒体播放模糊心电图流媒体软件 采用用基于MTK多媒体通信模块的流媒体解码器(其硬件解码原理为公知)对模糊心电图进行解码，然后在液晶显示屏上实时播放受检者的模糊心电像，从而实现利用随身携带的类似于手机一样的便携式模糊心电图传感器主机对受检者进行"心电监护"的目的。 MTK手机的短信功能、彩铃功能和WAP网络浏览器功能，还可以用来把心电图医生根据在线传感的模糊心电图所进行的诊断结论，以及指导受检者采取相应急救措施的知识，传达给受检者或其家人，为患者在第一时间赢得宝贵的救治机会。
(4)模块c4 :模糊心电图全图实时联网传感模块 MTK手机的GSM/GPRS无线通信功能，可以当作带ARM核的处理器芯片的一个无线MODEM ;再加上为带ARM核的处理器芯片所配备的一个有线MODEM,就可以实现与后台心电分析系统短线或无线联网的传感技术。即通过有线通信(当便携式模糊心电图传感器主机处于"在台(挂机)"位置)或无线通信(当便携式模糊心电图传感器主机处于"离台(摘机)"位置)的方式，将所测量的受检者的模糊心电图实时发送给后台的心电分析系统。
(5)模块c5 :备份模糊心电图全图离线获取模块 需要时，心电图医生可通过USB接口如同"读取"U盘一样，获取模糊心电传感器的
外存储器中的模糊心电图(这种外存储器是不需拔插的"只读型"而不是Holter那样需要
拔插的"先写后读型")。 6.在台/离台状态开关电路12 在台/离台状态开关电路12是一个触电开关，其输出端同时与带ASM核的处理器芯片40和MTK多媒体移动通信模块45的中断端口相连，向二者指示便携式模糊心电图传感器主机2是处于"在台(室内)"还是"离台(室外)"状态。
袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1的工作原理是 电极导联功能单元13的输入端(贴片电极)粘贴在人体体表，其输出端同时与模拟量心电信号处理单元14和心电采样神经模糊控制器16的输入端相连；心电采样神经模糊控制器16的一个输出端同时与主信号A/D变换器15的采样控制端口和数字量心电信号处理功能单元17的中断端口相连，另一个输出端与模拟量心电信号处理功能单元14的增益控制线相连。 主信号A/D变换器15在心电采样神经模糊控制器16的调控下，对输入端的连续变化的模拟量心电信号进行采样和数字化，并通过数据总线向后端的数字量心电信号处理功能单元17输出转换后的数字量心电信号(即没有时间轴标注的一维心电条图)。如同传统的长时程数字式心电记录器一样，主信号A/D变换器15的输出端也与数字量心电信号处理功能单元17的输入端相连，数字量心电信号处理功能单元17响应心电采样神经模糊控制器16的中断后，在中断处理过程中采集从主信号A/D变换器15所输出的一维心电条图(即采集的数字量信号只有幅值轴标注而没有时间轴标注)。中断结束后，数字量心电信号处理功能单元17对从主信号A/D变换器15所采集的心电数据进行预处理首先，对通过中断处理程序心电数据进行高通数字滤波(其算法原理为公知)，用于消除基线漂移；然后，加注"时间戳"(即对所采集的已具有幅值轴标注的数字量生命体征信号逐点进行时间轴标注)，使其合成二维生命体征信号条图；再后，将多通道(《9，通常是3)心电数据扩展为12导联的心电数据(导联信号推导公式为公知)；最后将直接或间接测量得到的12导联心电数据传送给虚拟仪器系统主控单元19。
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与此同时，血压信号传感器5、脉搏信号传感器6、血氧信号传感器7、呼吸信号传感器8分别形成去除干扰的血压信号、脉搏信号、血氧信号和呼吸信号送到A/D变换器18的输入端口 ；主信号A/D变换器15在"定频时钟"的调控下，对输入端的连续变化的模拟量生命体征信号进行采样和数字化，并通过数据总线向后端的虚拟仪器系统主控单元18输出转换后的数字量生命体征信号；虚拟仪器系统主控单元19对血压、脉搏、血氧和呼吸等数字量生命体征信号加注"时间戳"(即对所采集的已具有幅值轴标注的数字量生命体征信号逐点进行时间轴标注)，使其合成二维生命体征信号条图。
便携式模糊心电图传感器主机2及其底座3的工作原理是 虚拟仪器系统主控单元19分别接收12导联二维心电条图和二维生命体征信号条图，并将二者合成模糊心电图"主图";然后，通过蓝牙通信模块将模糊心电图"主图"发射给便携式模糊心电图传感器主机2，并备份在其内置的外存储器中；在需要时，心电图医生也可以经USB接口像"读盘"一样(无需人工拔插)，向"离线"获取存储在生命体征信号虚拟仪器系统主控单元19中备份的模糊心电图"主图"。 多媒体主控群件10分别与活动轨迹传感器9、PTK移动电话装置11、在台/离台状态开关电路12有线相连，并与袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1无线相连。活动轨迹传感器采用超大规模集成的GPS芯片(其原理为公知)来接收并传感卫星发射的GPS位置信息(包括经度、纬度、高度)、GPS速度信息(包括速度、方向)和GPS时间信息(包括日期、时间)，并传感给多媒体终端主控群件10。受检者可以通过其原理为公知的MTK移动电话装置11中的手机键盘输入功能、手机光笔输入功能、手机振铃输出功能、手机屏显输出功能，经过其中的MTK多媒体移动通信芯片的"鹏终端"传递，实现与多媒体主控群件10的应答式人机对话，并将活动事件"在线记录"到多媒体主控群件10。多媒体主控群件IO无线接收到袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器1实时发来的模糊心电图"主图"后，然后将从活动轨迹传感器9有线接收的GPS空间位置信息和活动事件信息按时间轴标注进行同步的多传感器数据融合，再将这些多维向量同步合成完整的模糊心电图全图。
模糊心电图形成后，便携式模糊心电图传感器主机2将多媒体主控群件10当作流媒体编码器对模糊心电图进行编码(MPEG4信号)，而将其原理为公知的MTK多媒体移动通信芯片11当作流媒体解码器对模糊心电图进行解码。模糊心电图经解码后再在液晶显示屏上实时播放受检者的模糊心电图(人机对话期间除外)，从而实现利用随身携带的类似于手机一样的多媒体人机对话装置对受检者进行心电监护的目的。与此同时，多媒体终端主控群件10又通过有线通信(在台/离台状态开关电路12显示便携式模糊心电图传感器主机2处于"在台(挂机)"位置)或无线通信(在台/离台状态开关电路12显示便携式模糊心电图传感器主机2处于"离台(摘机)"位置)的方式，将所测量的受检者的模糊心电图实时发送给后台的心电分析系统。 图3所示为本发明的一实施例的模糊心电传感器的电原理图。 1.电极导联功能单元13，包括有贴片电极22和导联系统23两个模块。贴片电极
22由7个Zn-Cu导联电极组成，分别连有红、白、棕、黑、桔、蓝、绿等7种颜色的优质导线，粘
附于人体的规定安放部位以拾取体表心电信号；然后依据导联系统23选定7电极导线三通
道双极导联系统(接线方式)的规定，将其中的红色和白色组成第一通道，棕色和黑色组成
第二通道，桔色和蓝色组成第三通道，绿色为无干电极接地。这三个通道的各输出端均同时
11连到程控放大器和调理电路的输入端。 2.模拟量心电信号处理功能单元14，包括有程控放大器24和有源滤波器25两个 模块。程控放大器24和有源滤波器25顺序依次相连。程控放大器24具有量程自动切换 功能，受控于神经元芯片硬件31，其3条增益控制线分别与神经元芯片的3条I/O线相连， 其输入端与电极导联功能单元13的输出端相连，将拾取的体表心电电势信号进行前置放 大并送到各自的有源滤波器25，有源滤波器25是由低通滤波器和50Hz工频陷波器"级联" 组成，用于滤掉高频的肌电干扰和工频干扰。三个通道的有源滤波器25的输出端分别与一 个16位的主信号A/D变换器15的三个输入端相连。 3.主信号A/D变换器15为运算放大器(实施例选型TLC2254，其原理为公知)，内 置有采样保持电路，并包括有一个多通道的具有扫描功能的输入多路复用器，可以顺序转 换各个通道或自由转换某一个通道。主信号A/D变换器15的采样选通控制由心电信号采 样模糊控制器16给定的采样频率(最大采样频率^ 4KHz)将心电信号由连续变化的模拟 量信号形式转换成间断变化的数字量信号形式。 4.心电采样神经模糊控制器功能单元16，包括有由调理电路26、采样控制A/D变 换器27、神经元芯片硬件28、模糊推理机软件模块29和模糊控制表知识库30五个模块，调 理电路26的输入端与电极导联功能单元13的输出端相连，调理电路26、采样控制A/D变换 器27与神经元芯片硬件28依次相连，而模糊推理机软件模块29和模糊控制表知识库30 加载在神经元芯片硬件28之中。其中，调理电路26包括有原理为公知的放大器和滤波器 两个部分；采样控制A/D变换器27和神经元芯片硬件29均是商品化的超大规模集成电路 芯片(实施例选型分别MAX1168和MC143150，其原理均为公知)；而模糊推理机软件模块 29和模糊控制表知识库(30)均为基于查表法的专用软件包。神经元芯片硬件28内置多 个片内定时/计数器，可通过内置的一个多路选择开关"程控"这些片内定时/计数器的输 出。其中一个片内定时/计数器被设置为"定频"时钟，其输出端接到采样控制A/D变换器 15的采样选通端口 ；而另一个片内定时/计数器被设置为"变频"时钟，其输出端同时接到 心电MCU硬件31的中断端口和主信号A/D变换器功能单元15的采样选通端口 。心电采样 神经模糊控制器16的输入量是从有源滤波器25输出的心电信号，其输出量的第一路是第 一个片内定时/计数器输出的"定频"时钟信号，第二路是第二个片内定时/计数器输出的 "变频"时钟信号，而第三路是神经元芯片的3条I/O线。 5.数字量心电信号处理功能单元17，包括有心电MCU硬件34和加载在其上的心 电数据处理软件32两个模块。心电MCU硬件31的输入端口与主信号A/D变换器15的输出 端口相连，心电MCU硬件31的中断端口与心电采样神经模糊控制器16的一个输出端相连。 主信号A/D变换器15在心电采样神经模糊控制器16的调控下，对输入端的连续变化的模 拟量心电信号进行采样和数字化，并通过数据总线向后端的数字量心电信号处理功能单元 17输出转换后的数字量心电信号(即没有时间轴标注的一维心电条图)。心电MCU硬件31 响应心电采样神经模糊控制器16的中断后，在中断处理过程中采集从主信号A/D变换器15 所输出的一维心电条图(即采集的数字量信号只有幅值轴标注而没有时间轴标注)。中断 结束后，心电MCU硬件31运行原理为公知的心电数据处理软件32，对从主信号A/D变换器 15所采集的心电数据进行预处理首先，对通过中断处理程序心电数据进行高通数字滤波 (其算法原理为公知)，用于消除基线漂移；然后，加注"时间戳"(即对所采集的已具有幅
12值轴标注的数字量生命体征信号逐点进行时间轴标注)，使其合成二维生命体征信号条图； 再后，将多通道(《9，通常是3)心电数据扩展为12导联的心电数据(导联信号推导公式 为公知)；最后，直接或间接测量得到的12导联心电数据传送给虚拟仪器系统主控单元19。
6.血压信号传感器5、脉搏信号传感器6、血氧信号传感器7、呼吸信号传感器8所 分别形成去除干扰的血压信号、脉搏信号、血氧信号和呼吸信号，并将其送到A/D变换器18 的输入端口 ；A/D变换器18在"定频时钟"的调控下，对输入端的连续变化的模拟量生命体 征信号进行采样和数字化，并通过数据总线向后端的虚拟仪器系统主控单元19输出转换 后的数字量生命体征信号；虚拟仪器系统主控单元19对血压、脉搏、血氧和呼吸等数字量 生命体征信号加注"时间戳"(即对所采集的已具有幅值轴标注的数字量生命体征信号逐点 进行时间轴标注)，使其合成二维生命体征信号条图。 7.虚拟仪器系统主控单元19，包括有单片计算机33、体征数据预处理软件34、基 本外存储器35、扩展外存储器36、蓝牙通信模块38和USB接口 37六个模块。其中，单片计 算机33分别与基本外存储器34、扩展外存储器35、蓝牙通信模块38和USB接口 37相连， 而体征数据预处理软件34加载在基于flash盘的基本外存储器35之中。单片计算机33 通过运行体征数据预处理软件34，对12导联心电、血压、脉搏、血氧和呼吸等数字量生命体 征信号进行预处理首先，使这些生命体征信号合成模糊心电图"主图"；然后，通过蓝牙通 信模块39将二维体征数据发射给便携式模糊心电图传感器主机2，并备份在基于SD卡的 扩展外存储器36中；在需要时，心电图医生也可以经USB接口像"读盘"一样(无需人工拔 插)，"离线"获取备份在基于SD卡的扩展外存储器36中的模糊心电图"主图"资料。
8.多媒体主控群件10，包括有蓝牙通信模块39、带ASM核的处理器芯片40、活动 事件在线记录程序41 、模糊心电图信号处理软件42、有线M0DEM44和USB接口 43六个模块。 蓝牙通信模块39、带ASM核的处理器芯片40和有线M0DEM44均是商品化的超大规模集成电 路芯片(实施例选型分别为S3C44B0X和MD5628D-L-C，其原理均为公知)，而活动事件在线 记录程序41和模糊心电图信号处理软件42为专用软件包。 9.活动轨迹传感器9是一个商品化的GPS芯片(实施例选型丽1010，其原理均 为公知)，而MTK移动电话装置(11)，包括有MTK多媒体移动通信芯片45和具有手机键盘 输入、手机光笔输入、手机振铃输出、手机屏显输出等项功能的多媒体人机对话装置46两 个模块。MTK多媒体移动通信芯片45也是商品化的超大规模集成电路芯片(实施例选型 MT6226，其原理均为公知)。 10.锂电池DC-DC电源20，包括一个功率达到1000mah的CMOS电平锂电池(满足 MCU、USB接口的蓝牙接口的数字电源+3. 6V)及其配套用的一个EMI滤波器、三个DC-DC电 荷泵芯片(模拟电源±5V、 A/D基准源+3V)和一个锂电池在线充电器，为袖珍型生命体征 信号虚拟仪器系统传感器1提供四种电平。本电源还设置了电压不足的光电显示，提醒患 者及时更换电池或在线充电。 11.微型UPS电源21为便携式模糊心电图传感器主机2提供+3. 6V的不间断的直 流电源，包括有优先使用交流供电电路以及掉电时自动转换为锂电池供电电路、充电及充 电保护电路、自动定时电路、电源充电及电池电压指示电路。当便携式模糊心电图传感器主 机2 "在台"时，由微型UPS电源30采用交流电源进行AC-DC转换供电。而当便携式模糊 心电图传感器主机2 "离台"时，则由锂电池50供电。
图4所示为本发明的心电采样控制神经模糊控制器的技术原理图。其中，图4(a) 为心电采样神经模糊控制器的基本物理结构；图4(b)为心电采样神经模糊控制器的控制 流过程结构；图4(c)为心电采样神经模糊控制器的知识流过程结构。 本发明所述的心电采样神经模糊控制器技术，是一种包括有由调理电路模块26、 采样控制A/D变换器模块27、神经元芯片硬件模块28、模糊推理机软件模块29和模糊控 制表知识库30五个模块的实现了模糊推理机和神经网络的集成技术。其中，神经网络技 术的核心是商品化的超大规模集成的神经元芯片(其原理是公知的)，而模糊推理机实际 上是一套包括有模糊控制表知识库和模糊推理算法的软件(被加载在神经元芯片之中)。 采样控制A/D变换器的START端口受神经元芯片中的一个片内定时/计数器输出的"定频 (f > 4KHz)"时钟信号所控制。下面分别叙述模糊控制表知识库、模糊推理算法和神经元芯 片的实现方法 ①模糊控制表知识库30 本发明所述的模糊控制表知识库是离线建立过程的，其常规设计方法可采用查表 法或Mamdani法。模糊控制表知识库的应用形式是制成基于查表法或Mamdani法的专用软 件包。 查表法的建立过程是首先，选用从采样控制A/D变换器采集的心电信号数据作 为模糊控制器的输入语言变量，把控制主信号A/D变换器4节拍的采样频率作为输出语言 变量；其次，将输入语言变量数值x、输入语言变量差分值y和输出语言变量数值z的语言 值(模糊子集)个数取成N(例如N二7)个，其中输入语言变量差分值y的模糊子集为{"负 大(心电信号变化极快)"、负中(心电信号变化较快)"、"负小(心电信号变化稍快)"、"零 (心电信号变化适中，不快不慢)"、"正小(心电信号变化稍慢)"、"正中(心电信号变化较 慢)"、"正大(心电信号变化极慢)"h输入语言变量差分值y的论域为[-①，+①];再次， 总结以往的控制经验而得到一系列模糊条件语句的集合；最后，离线建立模糊控制表，并将 其推导的隶属函数置于模糊控制表知识库。 Mamdani法的建立过程是首先，建立有关心律正常、室上性心律失常、室性心律 失常的心电信号知识库；其次，医学专家依据临床经验定义属概念(如心电信号"偏快"这 个模糊概念)及其相应的初始隶属函数，心电模糊控制器则根据属概念通过语义关系产生 其他新概念，进而得出新概念初始隶属函数；再次，心电模糊控制器还要通过学习调整各个 概念的初始隶属函数，以满足实际测量要求；最后，心电模糊控制器根据最大隶属度原则， 给出在测量各种心电信号时给出与其相对应的不同的采样频率信号的模糊控制表。
②模糊推理算法29 —旦模糊控制表知识库的离线建立起来，那么本发明所述的模糊推理的算法也可 采用查表法或Mamdani法。模糊推理算法的应用形式是制成基于查表法或Mamdani法的专 用软件包。
查表法首先，动态测量心电信号；其次，将根据其数值大小，通过模糊化将心电
信号的变化程度划分为"极慢"、"较慢"、"稍慢"、"不快不慢"、"稍快"、"较快"、"极快"等多
种模糊情况；再次，简单地在线查表运算，给出与其相对应的不同的采样频率信号。 Mamdani法首先，动态测量各种心电信号；其次，将根据其数值大小，通过模糊化
将心电信号的变化程度划分为"极慢"、"较慢"、"稍慢"、"不快不慢"、"稍快"、"较快"、"极快"等多种模糊情况；再次，通过查询知识库、匹配等手段进行模糊推理；最后，去模糊化，给出 与其相对应的不同的采样频率信号。
③神经元芯片28 模糊元芯片内部装有三个微处理器，分别为MAC处理器(通信处理器)、网络处理 器和应用处理器。MAC处理器完成介质访问控制，即0SI七层协议的1和2层(其中包括碰 撞回避算法)，它和网络处理器间通过使用网络缓冲区达到数据的传送。网络处理器完成 0SI的3 5层网络协议，它处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和 路由等进程。网络处理器使用网络缓冲区与MAC处理器进行通信，使用应用缓冲区和应用 处理器进行通信；应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。 本发明所述的模糊算法就是加载在应用处理器上的。 神经元芯片通过它的多个I/O 口与其他设备互联。这些引脚可以根据不同外部设 备I/0的要求，灵活地配置输入输出方式；采用Neuron C语言，编程人员可以定义一个或多 个引脚作为输入/输出对象。 神经元芯片带有两个16位片内定时/计数器。其中一个定时/计数器是多路选择 定时器，它的输入可以通过一个多路选择开关，从多个I/O 口中选择一个，输出可连至指定 的I/O 口 ；另一个定时/计数器是专用定时/计数器，它的输入和输出都是固定不变的I/O 口 。本发明中， 一个定时/计数器以固定频率的时钟信号接到采样控制A/D转换器的START 端口 ；另一个定时/计数器以"变频"而不是"定频"的时钟信号接到主信号A/D转换器的 START端口和单片计算机的中断端口上，从而可以"自适应"地根据心电信号变化趋势的强 弱动态确定采样频率的大小，以控制着A/D转换节拍。
图5所示为本发明的多维向量数据融合算法的技术原理图。 信息融合的结构有多种模式，本发明采用了一种较通用的多传感器信息融合模 式。由n个传感器集成后组成多传感器系统，提供n个对象及环境信息，系统中设立m个融 合节点对这n个信息进行融合(如果只有一个融合节点(m= l)，则n个传感器信息都是这 个融合节点的输入信息)。在图4中，虚线箭头表示了它们在各个节点的融合过程中所起 的作用。融合节点的输入输出信息一般都是向量的形式。传感器1和2的输出信息S1和 S2在融合节点1被融合成新的信息S12，它再与传感器3的信息在节点2融合成新的信息 S123。如此下去，从n个传感器系统中获得的信息可以最终被融合成一个结果信息S，送入 融合数据库中。融合数据库存放信息融合的结果，中间节点的融合结果也可以作为输出直 接送入融合数据库中，如图4中点划线所示。
图4中右边所示的几个模块说明如下 ①专家知识库。 一般来说，信息融合的完成，除了具有适当的融合算法外，还应当
有必要的领域知识进行监督和指导，这些领域知识就构成了专家知识库。 ②传感器模型库。其中存放了各种传感器的模型，定量地描述了传感器的特性以
及各种外界条件对传感器特性的影响。 ③信息协调管理。在一般情况下，多传感器往往从不同的坐标框架对环境中的同 一特征进行描述，它们所表示的时间、空间和表达方式可能各不相同，必须将它们统一到一 个共同的时空参考系中。该模块完成了时间因素、空间因素和工作因素的全面协调管理，并 对传感器进行选择，投入最合适和可靠的传感器组以适应不同的条件。
15
④信息融合方法。对于不同的任务和不同的对象应采用不同的方法，或者综合使 用几种方法。信息融合方法是多传感器信息融合的核心。 以上所述为本发明及其和较佳实例的具体阐述，然其并非用以限定本发明精神与 发明实体仅止于上述说明内容和实施例，对于本行的技术人员在此基础上可以做出各种改 进和变换。是以，在不脱离本发明精神与范围内所作的修改，均应包括在本发明的权利要求 范围内。
权利要求
一种模糊心电图智能计测传感器，其特征在于包括有生命体征信号虚拟仪器系统传感器(1)、模糊心电图传感器主机(2)和模糊心电图传感器主机底座(3)三个分体式部件；其中，所述的生命体征信号虚拟仪器系统传感器(1)中的心电条图传感器(4)包括有一个能够“自适应”地根据心电信号强弱和信号变化大小来双重调节程控放大器的幅值量程和主信号A/D变换器的时距长短的心电采样神经模糊控制器(16)。
2. 根据权利要求1所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于生命体征信号虚拟 仪器系统传感器(1)和模糊心电图传感器主机(2)两个分体式部件之间是无线连接的。
3. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述生命体征信 号虚拟仪器系统传感器(1)内置有数字量心电信号处理功能单元(17)和虚拟仪器系统主 控单元(19) ;二者均加载了"时间戳"算法，前者所输出是既有幅值轴标注又有时间轴标注 且采样时距"变长"的心电条图主图数据，后者所输出的是既有幅值轴标注又有时间轴标注 且采样时距"定长"的具有血压向量、脉搏向量、血氧向量和呼吸向量的体征条图附图数据。
4. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述生命体征信 号虚拟仪器系统传感器(l)，其特征在于其采用了多传感器数据融合算法对心电条图数据 和体征条图数据进行了数据融合，使其输出量是既有幅值轴标注又有时间轴标注且具有心 电向量、血压向量、脉搏向量、血氧向量和呼吸向量的二维体征条图数据。
5. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述模糊心电图 传感器主机(2)，采用GPS芯片作为受检者活动轨迹传感器，并用于收集受检者活动轨迹信 息。
6. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述模糊心电图 传感器主机(2)，采用MTK移动电话装置(11)自身的人机对话部件作为受检者活动事件在 线记录器，并用于收集受检者活动内容信息。
7. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述模糊心电图 传感器主机(2)，采用了多传感器数据融合算法对二维体征条图数据、受检者活动轨迹信息 和活动内容信息进行了数据融合，使其输出量是具有心电向量、血压向量、脉搏向量、血氧 向量、呼吸向量、活动轨迹向量、活动事件向量和时间向量的模糊心电图全图数据。
8. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述模糊心电图 传感器主机(2)，可以多媒体播放12导联模糊心电图全像。
9. 根据权利要求2所述的模糊心电图智能计测传感器，其特征在于，所述生命体征信 号虚拟仪器系统传感器(1)和模糊心电图传感器主机(2)，其特征在于心电图医生还均可 以在事后经过USB接口离线提取备份体征条图数据或备份模糊心电图全图数据时，不必人 工拔插其内置的外存储器。
全文摘要
本发明公开了一种模糊心电图智能计测传感器装置，包括有置挂在人体上的袖珍型生命体征信号虚拟仪器系统传感器、便携式模糊心电图传感器主机和便携式模糊心电图传感器主机底座三大部件。本发明采用了神经模糊控制器技术和无线实时通信技术，为心电图医生提供了在线获得可靠的、高保真的、具有幅值轴标注和时间轴标注12导联心电图数据，以及具有位置向量、速度向量、时间向量的GPS信息和具有人机对话向量和时间向量的活动事件信息，以至模糊心电图全图的功能。
文档编号A61B5/0452GK101785671SQ200910037018
公开日2010年7月28日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者陈跃军 申请人:陈跃军