專利名稱：在電話傳送醫(yī)療監(jiān)視器中的同步并行聲學傳輸?shù)闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明涉及監(jiān)視生物信號和把記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆陔娫捑W(wǎng)絡上的接收站的領域。更具體地說，本發(fā)明涉及由在允許數(shù)字化生物數(shù)據(jù)以數(shù)字形式并行傳輸?shù)碾娫捑€可聽范圍中的特定頻率代表的幾個邏輯電平的實現(xiàn)。兩頻率交變同步序列的實現(xiàn)允許經(jīng)電話網(wǎng)絡在聲頻音調(diào)中數(shù)字數(shù)據(jù)的同步并行傳輸。
背景技術：
電話傳送生物監(jiān)視器是一種用于獲得、存儲記錄的生物信號和把其傳輸?shù)竭h程接收站的手技電池操作裝置。監(jiān)視器使用電話線的聲頻帶來經(jīng)電話網(wǎng)絡傳輸存儲的數(shù)據(jù)。電話傳送醫(yī)療監(jiān)視器預定供具有心臟問題的病人的擴展流動救護用途之用。病人能致動其ECG的記錄并且把記錄發(fā)射到遠程接收站，而不需要裝置對于電話線的電氣連接。這提供監(jiān)視器的安全和簡單操作。
典型的電話傳送監(jiān)視器把幾部分，即獲得ECG信號的事件，以數(shù)字形式存儲在存儲器中。存儲的ECG波形經(jīng)使用聲頻音調(diào)的常規(guī)電話網(wǎng)絡傳輸。用于電話傳送傳輸?shù)腅CG信號的編碼與模擬信號的熟知頻率調(diào)制(FM)編碼非常類似。
大多數(shù)工業(yè)電話傳送監(jiān)視器使用從裝置到站的單向傳輸而沒有反饋或信號交換，因為用于從站返回的聲頻數(shù)據(jù)接收的硬件復雜和不可靠。發(fā)現(xiàn)不實用的是，是使用與在一側有麥克風而在另一側有揚聲器的電話聽筒的尺寸匹配的大型裝置，因為病人不能提供用于可靠聲頻調(diào)制解調(diào)器操作的適當條件。而且這樣一種裝置體積太龐大并且使用不便。
把1650-2150Hz的普遍使用頻帶分配給頻率編碼模擬ECG信號的傳輸。大多數(shù)電話傳送監(jiān)視器使用1900Hz作為中央頻率，對于模擬信號傳輸在100Hz/mV頻率偏差下具有±2.5mV動態(tài)ECG信號范圍。事實上，可用頻帶寬度較寬，因為正常電話線供給600-3600Hz帶寬。
窄頻帶的使用和在電話傳送監(jiān)視器中反饋的缺少使得不可能以數(shù)字形式在適當時間內(nèi)串行傳輸ECG數(shù)據(jù)，因此獲得的模擬信號以模擬形式使用頻率調(diào)制技術傳輸。
ECG數(shù)據(jù)初始以數(shù)字形式存儲在存儲器中，這種數(shù)字數(shù)據(jù)用于聲頻信號的直接產(chǎn)生，而不借助于一些種類的硬件電壓頻率轉換器把數(shù)字數(shù)據(jù)轉換回模擬電壓和然后把重新存儲的模擬電壓轉換成模擬頻率。
對于數(shù)據(jù)編碼監(jiān)視器，專門對于ECG值的每一個產(chǎn)生一系列頻率。就是說，如果數(shù)據(jù)具有8位的分辨率，則監(jiān)視器對于模擬ECG信號的每個可能值產(chǎn)生在1650-2150Hz范圍內(nèi)的256個不同頻率。
在每個抽樣周期處更新輸出聲頻頻率的值。當實際抽樣周期時間的每一半或三分之一更新頻率時，一些監(jiān)視器使用雙或甚至三重傳輸速率(加速傳輸)。
因此可理解的是，在電話傳送傳輸期間，在一個時刻僅使用單頻率。
500Hz寬頻帶(1650-2150Hz)的使用限制模擬(頻率調(diào)制)電話傳送傳輸?shù)木取?br> 為了在1650-2150Hz頻帶中提供具有8位精度的模擬信號的聲學傳輸，由在發(fā)射機中的頻率編碼器和在接收機中的頻率譯碼器應該保持1.960Hz/單位(500HZ/255)的頻率分辨率，或者在2150Hz下好于0.09％。換句話說，對于值254和255，頻率差是0.06％。
要求0.488Hz/單位的頻率分辨率以便得到10位的精度，并且對于值1023和1024，頻率差僅是0.0001％。
由于以上考慮，通過聲學電話傳送傳輸保持甚至8位精度也是一項復雜的任務。
在實際中，工業(yè)電話傳送系統(tǒng)達到的整體精度是7位或3.90Hz/單位(在2150Hz下是0.18％的精度)。
當前，少量技術用在用于頻率調(diào)制數(shù)據(jù)譯碼的工業(yè)接收站中。
最簡單的方法使用模擬頻率電壓轉換以驅(qū)動低分辨率圖表記錄器。
另一種方法重新存儲原始模擬信號，并且然后把它數(shù)字化以便由計算機進一步分析。這種技術要求信號的至少兩次轉換頻率到電壓和模擬到數(shù)字。要理解，每次轉換引入對于信號的附加相位、頻率及振幅失真。這種技術要求對于計算機的專用附件通常是昂貴的定制設計的濾波器組或鎖相環(huán)器件、控制器及模數(shù)轉換器。它也要求由合格人員更新流行的計算機。
另一種最近開發(fā)的方法使用經(jīng)聲卡或聲音調(diào)制解調(diào)器由計算機接收的聲音記錄。把聲音以數(shù)字形式用非常高的質(zhì)量和用很小的記錄失真記錄到計算機存儲器中。每個現(xiàn)代計算機裝有這樣的一個卡。接收站的軟件分析記錄波以便恢復原始信號。這種軟件利用數(shù)字濾波或頻譜分析。這些方法也把相位、頻率及振幅失真引入到記錄的模擬信號。數(shù)字濾波或頻譜分析在先有技術中是熟知的。
在上述心電圖編碼和譯碼方法中，原始ECG信號的如下轉換發(fā)生(i)原始ECG信號的模數(shù)轉換；和(ii)數(shù)字化ECG信號的順序數(shù)字頻率轉換；和(iii)頻率模擬轉換和模數(shù)轉換；或(iv)軟件頻率數(shù)字轉換。
初始模數(shù)轉換(i)以規(guī)定分辨率和抽樣速率數(shù)字化模擬信號。
數(shù)字化信號的頻率編碼(ii)在原始信號的振幅和相位中引入非線性。
頻率模擬轉換和模數(shù)轉換(iii)與初始模數(shù)轉換不同步，并因此把另外的失真引入到原始信號。
軟件頻率數(shù)字轉換(iv)由于初始ECG信號的意外平均對于在頻譜分析中的窗口定位具有不確定性或在數(shù)字濾波中有顯著的相位和頻率失真。該問題與加速傳輸?shù)氖褂靡黄甬a(chǎn)生。
所有這些缺陷把模擬信號的頻率編碼的方法在電話傳送中的使用僅限制到心臟節(jié)奏失常的基本分析。
由于ECG信號的實際初始樣本的計時、振幅和相位的不確定性這種方法的整體精度不會滿足美國國家標準對于診斷心電圖裝置EC11-1982的要求。
便利的是，提供一種在電話傳送醫(yī)療監(jiān)視器中以數(shù)字形式傳輸數(shù)字化生物信號的方法，以便獲得診斷質(zhì)量生物數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的目的本發(fā)明的一個目的在于，提供一種用來在電話傳送生物監(jiān)視器中以數(shù)字形式傳輸數(shù)字化生物信號的方法和設備，基本上克服或修正了上述缺點。
本發(fā)明的公開根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開有一種在電話線上同步并行傳輸數(shù)字信號的方法，所述方法包括步驟產(chǎn)生一個具有至少兩個頻率的同步信號；同時從數(shù)字信號產(chǎn)生具有至少兩個分離頻率的數(shù)據(jù)信號；把所述同步信號和所述數(shù)據(jù)信號轉換成具有與所述同步信號和所述數(shù)據(jù)信號的頻率相對應的頻率的聲頻信號，以在電話線上傳輸；及在電話線上同時傳輸聲頻信號的至少三個頻率。
最好，傳輸信號的最高頻率小于數(shù)據(jù)信號的二次諧波的頻率。
在一種最佳形式中，同步信號在其傳輸期間作為高或低信號呈現(xiàn)以便規(guī)定新的數(shù)據(jù)傳輸。同步信號的變化周期由接收機的響應時間確定。在其它最佳形式中，根據(jù)同步信號的總頻帶實現(xiàn)多于兩個邏輯電平。
最好，數(shù)據(jù)信號是二進制代碼的10位字，并且對于同時傳輸分裂成兩個5位字。自然，在傳輸字中的位數(shù)量能分裂成任何數(shù)量。
使用其中常規(guī)電話線的通常有用頻帶是600-3600Hz的最佳實施例，輸出頻率作為具有50％工作循環(huán)的方波TTL或CMOS脈沖產(chǎn)生。
附圖的簡要描述現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明，在附圖中


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種電話傳送監(jiān)視器的配置的方塊圖；圖2表示圖1的電話傳送監(jiān)視器的同步序列；圖3表示用于圖1的電話傳送監(jiān)視器的編碼；圖4表示使用圖1的電話傳送監(jiān)視器的幾個10位樣本的傳輸；圖5表示在使用圖1的電話傳送監(jiān)視器的電話傳送傳輸中的聲頻頻率的分布；及圖6表示用于圖1的電話傳送監(jiān)視器用途的混頻器。
實現(xiàn)本發(fā)明的最好模式在本發(fā)明的一個最佳實施例中，描述了一種用于經(jīng)聲學電話線的ECG信號的同步數(shù)字傳輸?shù)姆椒?。一個ECG信號最好在500HZ樣本頻率和10位分辨率下獲得，并且存儲在電話傳送生物監(jiān)視器的存儲器中，該監(jiān)視器是一種建立在一個單芯片微型控制器上的單通道電話傳送ECG監(jiān)視器，如在圖1中看到的那樣。監(jiān)視器最好是帶有用作電話傳送接收站的聲卡的流行計算機。
當然，除ECG信號之外和/或在模數(shù)轉換信號的不同設置下數(shù)字化的信號也能使用這種方法傳輸。
參照圖1，一個ECG放大器1放大ECG信號。ECG放大器1的輸出連接到一個模數(shù)轉換器(ADC)2的一個輸入上。模數(shù)轉換器2由一個微型控制器3控制。微型控制器3從ADC 2接收數(shù)字化ECG信號的一個10位值。微型控制器3產(chǎn)生用于一個揚聲器4的輸出聲頻頻率。
在數(shù)據(jù)傳輸中最重要的條件是發(fā)射機和接收機的同步或傳輸字的開始和結束的同步，從而接收機能可靠地識別接收數(shù)據(jù)的邊界。在串行非同步傳輸中，專用開始和停止位確定接收字節(jié)的開始和結束。
發(fā)射機和接收機的同步用在并行和串行同步數(shù)據(jù)傳輸中。產(chǎn)生一個專用同步信號以便告訴接收機在其輸入上的新數(shù)據(jù)是適用的。
在常規(guī)微處理器系統(tǒng)中，同步信號作為在專用同步線上的高或低電平呈現(xiàn)。這根線在接收機的處理時間期間足以保持“有效數(shù)據(jù)”狀態(tài)。
在能讀新數(shù)據(jù)之前然后有一個“數(shù)據(jù)無效”狀態(tài)的一定時段。這些“數(shù)據(jù)無效”等待狀態(tài)的時段是必要的，因為它們?yōu)椤皵?shù)據(jù)有效”狀態(tài)提供初始條件，例如同步信號從高到低電平的過渡。
在電話傳送傳輸中，適用信號電平的數(shù)量僅由適用頻帶和在電平之間的可接收頻率分離限制。例如，如果總頻帶2000Hz，并且為了較好抗噪聲度邏輯電平隔離10Hz，則能實現(xiàn)高達200個邏輯電平。
在本發(fā)明最佳實施例中的同步信號由每個指示“新數(shù)據(jù)”狀態(tài)的兩個頻率呈現(xiàn)。這些頻率在傳輸期間按一個規(guī)定周期改變，允許數(shù)據(jù)傳輸而不需要等待狀態(tài)。同步信號的改變周期由接收機的響應時間確定。接收機能探測一個新同步頻率越快，能把同步時段設置得越短。在新同步頻率探測中有一定延遲，并且它與數(shù)字濾波和頻譜分析的本質(zhì)有關。由于獲得一定數(shù)量的分析信號周期的必要性，同步邏輯電平的較高頻率要求較短的探測時間，因此為了同步目的最好使用最高頻率。
同步的實現(xiàn)解決兩個主要問題由于在頻譜分析中窗口的準確定位改進了傳輸ECG樣本的主要頻率探測的可靠性；和最短的同步周期定義最快的傳輸速率。不管實際信號獲得抽樣速率如何，傳輸速率不會影響傳輸質(zhì)量。當然，監(jiān)視器的實際抽樣速率對于接收站應該是已知的。
圖2表示在本發(fā)明最佳實施例中的一個同步序列。每個同步周期7改變兩個同步頻率5和6。每次改變對應于新ECG數(shù)據(jù)樣本的傳輸，并且使接收機能夠開始接收這個新樣本。
如上所述，模數(shù)轉換的10位分辨率在一個數(shù)字化信號中形成1024個不同數(shù)字值。在使用FM編碼的模擬傳輸中，它要求以非常高精度產(chǎn)生至少1024個頻率。另一方面，所有1024個值僅包裝在10位二進制代碼中。這個10位二進制字能分裂成在每個中只有32個值的兩個5位字。因此為了傳輸只需要產(chǎn)生64個不同頻率。每個10位值僅由兩個5位字定義的兩個頻率代表。當然，為了抗噪聲度足夠地分離這些頻率。
與同時帶有“新數(shù)據(jù)”同步信號的5位字相對應的兩個頻率的同時產(chǎn)生將包括一個同步并行10位字。
圖3表示用于10位ECG值8的電話傳送傳輸?shù)木幋a和把接收數(shù)據(jù)譯碼成10位值14。值或字8分裂成兩個5位字9和10。字9攜帶10位字8的5個最無意義位，而字10攜帶10位字8的最有意義位。構成兩個頻率集15和16，并且與5位字有關。每個頻率集包括每個與5位字的32個值之一相對應的32個特定頻率。頻率集16(頻率f1-t32)與最無意義字9有關，而頻率集15(頻率f33-f64)與最有意義字10有關。然后從頻率集15和16分別選擇兩個頻率11和12。頻率11代表5位字10的32個值之一，而頻率12代表5位字9的32個值之一。
在通過接收機接收和測量時，把每個頻率譯碼成一個對應5位字。頻率12形成字17，而頻率11形成字13。最無意義字17保持不變。把最有意義字13首先重新存儲到其二進制形式，并且然后每個位乘以其權重因數(shù)。這個過程形成一個新的5位字18。把兩個字17和18添加在一起，并且形成一個等于傳輸樣本8的原始值的10位值。
當然，在傳輸字中的總位數(shù)可能是不同的，并且字能分裂成任何數(shù)量個較簡單的字。例如，一個兩通道ECG監(jiān)視器使用四個頻率集同時傳輸兩個10位字，或者一個16位字能分裂成四個頻率集，使每個集16個頻率。當然，頻率集的數(shù)量能等于在原始字中的位數(shù)。在這種情況下，每個頻率集只包括兩個頻率。
圖4表示幾個10位樣本的傳輸。三個傳輸通道20、21和22分配用于同步的頻帶(20)、頻率集2(21)和頻率集1(22)。根據(jù)最佳實施例，對于通道20中的同步僅使用兩個頻率5和6。通道21和22每個包含32個頻率。三個頻率同時傳輸。兩個同步頻率5和6的每一個指示一個新數(shù)據(jù)樣本。頻率23和24代表傳輸10位字的最有意義和最無意義半部。一個樣本值25與用于首先傳輸?shù)臉颖镜膄8和f54的表示例子相對應。
使用其中常規(guī)電話線的通常有用頻帶是600-3600Hz的最佳實施例，輸出頻率作為具有50％工作循環(huán)的方波TTL或CMOS脈沖產(chǎn)生。傳輸?shù)姆讲}沖引起二次和三次諧波的產(chǎn)生，就是說，對于1800Hz信號，產(chǎn)生3600Hz的二次和5500Hz的三次諧波。疊加到傳輸信號上的這些諧波引起干擾和潛在的數(shù)據(jù)丟失。
如果最高傳輸頻率比最低傳輸頻率的二次諧波的頻率低，則幾個頻率的同時傳輸而沒有與較高諧波的干擾是可能的。
圖5表示在電話傳送傳輸中的聲頻頻率的分布。電話線的整個頻帶由線30指示。當把最低傳輸頻率設置到電話線頻帶的最大傳輸頻率的一半時，達到最大頻帶31。在這個例子中，有用頻帶是1800-3590Hz。
再次參照圖5，用于頻率集1的頻率分配表示為通道32，頻率集2表示為通道33，及表示同步通道34。相對于最高使用頻率表示由二次諧波產(chǎn)生的頻帶35的最低部分。在這個例子中，所有使用的頻率產(chǎn)生具有比最高傳輸頻率高的頻率的諧波。
幾個頻率產(chǎn)生的技術在先有技術中是熟知的。在最佳實施例中，在三個獨立輸出上同時產(chǎn)生三個頻率。輸出信號混合在一起，并且施加到揚聲器44上，如圖6中所示，其中表示三個獨立產(chǎn)生的TTL或CMOS信號的一個簡單混頻器。一個微型控制器40產(chǎn)生一個經(jīng)一個限流電阻器R1連接到揚聲器44一側上的同步信號41。
一個微型控制器40也產(chǎn)生信號42和43。把信號42分配給頻率集1(f1-f32)。把信號43分配給頻率集2(f33-f64)。信號42和43連接到揚聲器44另一側上。
再參照圖6，揚聲器44最好是具有2,000歐姆典型阻抗和250-4,000Hz振蕩頻率的壓電揚聲器。在最佳實施例中，使用來自Kingstate Electronics的KPE-007壓電揚聲器。R1、R2和R3的值是相等的。在表示的配置中，揚聲器44由TTL或CMOS輸出信號以偽推挽模式驅(qū)動。當然，在這種用途中能使用各種模擬混頻器。
上文僅描述了本發(fā)明的一些實施例，并且對其能形成對于熟悉本專業(yè)的人員顯然的修改，而不脫離本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種在電話線上同步并行傳輸數(shù)字信號的方法，所述方法包括步驟產(chǎn)生一個具有至少兩個頻率的同步信號；同時從數(shù)字信號產(chǎn)生具有至少兩個分離頻率的數(shù)據(jù)信號；把所述同步信號和所述數(shù)據(jù)信號轉換成具有與所述同步信號和所述數(shù)據(jù)信號的頻率相對應的頻率的聲頻信號，以在電話線上傳輸；及在電話線上同時傳輸聲頻信號的至少三個頻率。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中傳輸信號的最高頻率小于數(shù)據(jù)信號的二次諧波的頻率。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中同步信號在其傳輸期間作為高或低信號呈現(xiàn)以便規(guī)定新的數(shù)據(jù)傳輸。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項所述的方法，其中同步信號的變化周期由接收機的響應時間確定。
5.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的方法，其中根據(jù)同步信號的總頻帶實現(xiàn)多于兩個邏輯電平。
6.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的方法，其中數(shù)據(jù)信號是二進制代碼的多位字，并且對于多重傳輸分裂成多個多位字。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中數(shù)據(jù)信號是二進制代碼的10位字，并且對于同時傳輸分裂成兩個5位字。
8.根據(jù)權利要求1至7任一項所述的方法，其中常規(guī)電話線的通常有用頻帶是600-3600Hz，輸出頻率作為具有50％工作循環(huán)的方波TTL或CMOS脈沖產(chǎn)生。
全文摘要
公開了一種在電話線上同步并行傳輸數(shù)字信號的方法。該方法包括步驟產(chǎn)生一個具有至少兩個頻率(6和7)的同步信號；同時從數(shù)字信號產(chǎn)生具有至少兩個分離頻率的數(shù)據(jù)信號；把同步信號和數(shù)據(jù)信號轉換成具有與同步信號和數(shù)據(jù)信號的頻率相對應的頻率的聲頻信號，以在電話線上傳輸；及在電話線上同時傳輸聲頻信號的至少三個頻率。
文檔編號A61B5/00GK1494793SQ01820541
公開日2004年5月5日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權日2000年11月10日
發(fā)明者哈里·路易斯·帕蘭特, 哈里 路易斯 帕蘭特 申請人:哈里·路易斯·帕蘭特, 艾倫·邁克爾·謝爾, 哈里 路易斯 帕蘭特