專(zhuān)利名稱(chēng)：基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于醫(yī)療電子器械領(lǐng)域，特別涉及一種對(duì)人體血氧飽和度進(jìn)行檢測(cè)、處理、 傳輸和監(jiān)護(hù)預(yù)警的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套。
背景技術(shù)：
缺氧在臨床上重要特征是血氧飽和度顯著下降，因此連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度是缺氧預(yù)警的 重要手段。臨床上采用雙波長(zhǎng)測(cè)量法實(shí)現(xiàn)血氧的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。然而，現(xiàn)有的血氧檢測(cè)裝置一般 存在以下問(wèn)題。首先，在現(xiàn)有的血氧監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，患者身上佩戴的指套采集的數(shù)據(jù)多通過(guò)有 線的方式傳送到PC上。由于將檢測(cè)設(shè)備通過(guò)有線方式連到人體上進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法會(huì)使患 者感覺(jué)受到束縛，無(wú)法放松心情，影響日常工作生活，從而導(dǎo)致所檢測(cè)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者意 義不大，人體處于自然狀態(tài)時(shí)的生理信號(hào)才能真實(shí)地反映其生理狀況。其次，由于傳統(tǒng)的血 氧監(jiān)護(hù)模塊大多體積龐大，附件較多，因此在危重病人搶救，外出巡診、野戰(zhàn)條件等特定應(yīng) 用場(chǎng)合，在現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)護(hù)人員需要立即了解病人血紅蛋白攜氧能力，醫(yī)務(wù)人員深感不便。再者， 現(xiàn)有血氧檢測(cè)算法復(fù)雜繁瑣，計(jì)算速度慢。同時(shí)，傳統(tǒng)的血氧檢測(cè)光源驅(qū)動(dòng)方法消耗能量過(guò) 大，不適合長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套。 一種基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，包括指套、光源，容積波信號(hào)預(yù)處理電路以及電
源管理電路，其特征在于，還包括ZigBee模塊，ZigBee模塊與電源和容積波信號(hào)預(yù)處理電路相連。
進(jìn)一步地，所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，還包括容積波特征提取模塊，容積 波信號(hào)預(yù)處理電路經(jīng)過(guò)容積波特征提取模塊與ZigBee模塊相連。ZigBee模塊和容積波特征提 取模塊可通過(guò)CC2430芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步地，容積波特征提取模塊依次包括數(shù)據(jù)獲取器、絕對(duì)不應(yīng)期比較器、容積波形態(tài) 模板匹配器和容積波形態(tài)自適應(yīng)修正器。
進(jìn)一步地，所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，還包括與光源驅(qū)動(dòng)電路相連的光源 脈沖調(diào)節(jié)器。
進(jìn)一步地，所述電源管理電路采用TPS719芯片。
為實(shí)現(xiàn)病區(qū)中病人血氧的無(wú)線式、高可靠性監(jiān)護(hù)，本實(shí)用新型創(chuàng)新性地將血氧監(jiān)護(hù)指套 微型化，采用穿戴式檢測(cè)技術(shù)，對(duì)病人進(jìn)行血氧飽和度實(shí)時(shí)檢測(cè)，并采用最新的ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)基于ZigBee的血氧無(wú)線監(jiān)護(hù)指套。本實(shí)用新型具有無(wú)線化、低功耗、 微型化、高性價(jià)比的特點(diǎn)；能夠更真實(shí)地反映血紅蛋白攜氧能力；可以大大減少病人身上的 電纜連線，方便病人佩戴，又方便醫(yī)生護(hù)士的診療操作。監(jiān)護(hù)指套可采集容積波信號(hào)并對(duì)信 號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取，采用ZigBee技術(shù)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)病人隨身移動(dòng)監(jiān)護(hù)。
本實(shí)用新型的工作原理如下光源驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)節(jié)器控制光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅光、紅外光 兩個(gè)二極管按照一定時(shí)序發(fā)光，指套通過(guò)檢測(cè)動(dòng)脈血液的紅光、紅外光透射光形成的兩路容 積波信號(hào)，經(jīng)過(guò)容積波信號(hào)預(yù)處理電路、容積波特征提取模塊、求取光強(qiáng)比值，進(jìn)而實(shí)時(shí)檢 測(cè)人體血氧飽和度，并用ZigBee無(wú)線模塊替代傳統(tǒng)的有線連接實(shí)現(xiàn)容積波數(shù)據(jù)傳輸。由電源 管理芯片分別輸出模擬電壓和數(shù)字電壓，保證了電路供電的穩(wěn)定性。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果本實(shí)用新型的特色是無(wú)線化、低功 耗、微型化、高穩(wěn)定性。方便病人穿戴，大大減少了病人身上的有線連接，方便醫(yī)生對(duì)病人 進(jìn)行各種治療操作；采用ZigBee替代傳統(tǒng)的有線連接，使人體處于自然狀態(tài)，檢測(cè)得到的信 號(hào)能夠更真實(shí)地反映其生理狀況。
系統(tǒng)傳輸?shù)攘康娜莘e波數(shù)據(jù)所耗能量?jī)H為藍(lán)牙的三十分之一，解決了血氧長(zhǎng)時(shí)間無(wú)線監(jiān) 護(hù)的功耗問(wèn)題。
采用光源驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)節(jié)器，可將驅(qū)動(dòng)能量減少到傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的五分之一，大大節(jié)省電源能 量，延長(zhǎng)使用時(shí)間。
采用基于形態(tài)匹配的特征提取算法對(duì)容積波進(jìn)行極大值定位，算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量 小，可靠性高。
使用電源管理芯片，解決無(wú)線收發(fā)與光源驅(qū)動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，提高了二極管發(fā)光穩(wěn)定性； 同時(shí)減少數(shù)字部分對(duì)模擬部分電路的干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。
基于硬件軟件化設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)電路的部分功能由單片機(jī)完成，從而實(shí)現(xiàn)模塊的微型化。


圖1為基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套的總體結(jié)構(gòu)圖； 圖2為光源驅(qū)動(dòng)電路；
圖3為容積波預(yù)處理電路；
圖4為無(wú)線射頻電路；
圖5為電源管理電路；
圖6光源脈沖調(diào)節(jié)器輸出脈沖時(shí)序圖7容積波特征提取模塊流程圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。 圖1為基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套的總體結(jié)構(gòu)圖，光源驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)節(jié)器控制光源 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅光、紅外光兩個(gè)二極管按照一定時(shí)序發(fā)光，指套通過(guò)檢測(cè)動(dòng)脈血液的紅光、 紅外光透射光形成的兩路容積波信號(hào)，經(jīng)過(guò)容積波信號(hào)預(yù)處理電路、容積波特征提取模塊、 求取光強(qiáng)比值，進(jìn)而實(shí)時(shí)檢測(cè)人體血氧飽和度，并用ZigBee無(wú)線模塊替代傳統(tǒng)的有線連接實(shí) 現(xiàn)容積波數(shù)據(jù)傳輸。由電源管理芯片分別輸出模擬電壓和數(shù)字電壓，保證了電路供電的穩(wěn)定 性。
圖2為光源驅(qū)動(dòng)電路，包括三極管Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 二極管D2、 D3、波長(zhǎng)為 660mn的紅光發(fā)光二極管DS1和波長(zhǎng)為890mn的紅外光發(fā)光二極管DS2、電阻R14、 R15、 R16、 R17、 R18、 R19、 R20。本設(shè)計(jì)采用圖6的脈沖信號(hào)對(duì)紅光和紅外光兩路光源進(jìn)行交替驅(qū)動(dòng)， 使發(fā)光二極管處于瞬時(shí)發(fā)光狀態(tài)，從而大大提高發(fā)光管的瞬時(shí)發(fā)光強(qiáng)度，同時(shí)降低功耗。
圖3為預(yù)處理電路包括電流電壓轉(zhuǎn)換電路、差動(dòng)放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路。
1) 光敏管D1、芯片U2A、電阻R13、電容C1構(gòu)成電流轉(zhuǎn)電壓電路。
2) 芯片U1A、 U1B、 U1D、電阻R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R 8、 RIO、 Rll、 R12、變位器R21 構(gòu)成差動(dòng)放大電路，它由兩級(jí)并聯(lián)反相放大電路和一級(jí)差動(dòng)放大電路組成，具有高輸入阻抗、 低失調(diào)電壓、穩(wěn)定放大倍數(shù)、低輸出阻抗和較高抑制共模干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)電 路初步放大后，噪聲和溫漂能得到一定的抑制。
3) 芯片U1C、電阻R6、 R7、電容C2、 C3構(gòu)成低通濾波電路，由于脈搏容積信號(hào)的頻率 屬于低頻，其主要頻率分量一般在20Hz內(nèi)。為了濾除脈搏信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)，尤其是 50Hz工頻干擾，同時(shí)也為防止后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)的混疊，本設(shè)計(jì)采用截止頻率為20Hz的 二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波器。
4) 電阻R9和電容C3構(gòu)成高通濾波電路，經(jīng)過(guò)低通濾波后容積脈搏信號(hào)含有伏特級(jí)的直 流信號(hào)和毫伏級(jí)的容積脈搏波交流信號(hào)，將此信號(hào)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)后就可以作為計(jì)算心血管參 數(shù)所需要的直流成分。為了獲得計(jì)算脈搏血氧飽和度所需要的交流成分，還需要將低通濾波 后容積脈搏波信號(hào)進(jìn)行高通濾波，濾去直流成分。最后，將高通濾波后的信號(hào)進(jìn)行交流放大 就可以采集進(jìn)計(jì)算機(jī)作為計(jì)算脈搏血氧飽和度所需要的交流成分。本高通濾波器采用一階無(wú) 源高通濾波器。電容C具有隔直通交作用，濾除信號(hào)中直流成分，輸出交流成分。由于基線 漂移的頻率集中在0.7Hz以下，所以為了消除脈搏信號(hào)的基線漂移，此高通濾波器的截止頻 率設(shè)為O. 7Hz左右。圖4為無(wú)線射頻電路，以CC2430為核心，包括芯片CC1、電容Cll、 C13、 C14、 C15、 C16、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 C10、 C17、 C18、電阻R22、電感L1、 L2、 L3、天線Pl、晶振Yl、 Y2 和開(kāi)關(guān)S1。其中，Pl、 Ll、 L2、 L3、 Cll構(gòu)成射頻電路，Yl、 Y2、 C13、 C14、 C15、 C16為系 統(tǒng)提供兩種工作頻率，C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 C10、 C17、 C18為電源去耦電容，C12、 Sl、 R22 為復(fù)位電路。
采樣電路使用CC2430內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)置P0.2 口為A/D轉(zhuǎn)換口， 1000Hz采樣率、12 位精度對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行采樣。高采樣率保證了容積波信號(hào)的高保真度，但數(shù)據(jù)量過(guò)大，會(huì)降 低后續(xù)的信號(hào)處理速度。因此，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣，通過(guò)十點(diǎn)平均將采樣率降低 為100Hz。
圖5為電源管理電路，以TPS71933-33為核心，包括芯片U2、電容C19、 C20、 C21。 TPS71933-33將電池所供電壓分兩路穩(wěn)壓輸出，分別為電路的數(shù)字部分和模擬部分供電，解 決無(wú)線收發(fā)與光源驅(qū)動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，同時(shí)減少數(shù)字部分對(duì)模擬部分電路的干擾，提高信號(hào)質(zhì)
圖6為光源脈沖調(diào)節(jié)器輸出脈沖時(shí)序圖，驅(qū)動(dòng)紅光、紅外光的兩路時(shí)序分別由PO.O和 PO. l產(chǎn)生。用定時(shí)器產(chǎn)生lms中斷，在每十個(gè)中斷中的第一個(gè)PO.O輸出高電平，驅(qū)動(dòng)紅光 二極管發(fā)光，同時(shí)采集紅光容積波數(shù)據(jù)，之后輸出低電平；在第六個(gè)中斷時(shí)PO. l輸出高電平， 驅(qū)動(dòng)紅外光二極管發(fā)光，同時(shí)采集紅外光容積波數(shù)據(jù)，之后輸出低電平。如此反復(fù)，則采樣 率為100Hz。利用脈沖驅(qū)動(dòng)，可將驅(qū)動(dòng)能量減少到傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的五分之一，大大節(jié)省電源能量， 延長(zhǎng)使用時(shí)間。
圖7為容積波特征提取模塊流程圖，采用基于形態(tài)匹配的特征提取算法對(duì)血氧容積波進(jìn) 行最大值PW定位。對(duì)PW的檢測(cè)核心是對(duì)U角進(jìn)行形態(tài)識(shí)別，通過(guò)對(duì)各類(lèi)臨床容積波的形態(tài) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納發(fā)現(xiàn)，如若一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的局部極大值點(diǎn)比其前第0. 12秒時(shí)刻的幅值大0. 5 個(gè)心動(dòng)周期極值差，再結(jié)合絕對(duì)不應(yīng)期進(jìn)行剔除，可確認(rèn)該點(diǎn)為U角。再在U角后的0.08秒 內(nèi)尋找極大值，及該心動(dòng)周期內(nèi)的PW。以上算法均可應(yīng)用與紅光和紅外光，運(yùn)算速度快，精 度高。從而可進(jìn)一步計(jì)算得到精確的血氧飽和度。通過(guò)特征提取，若連續(xù)5個(gè)周期脈率超過(guò) 160，則認(rèn)為室性心動(dòng)過(guò)速；若連續(xù)5個(gè)心動(dòng)周期未檢出特征點(diǎn)，則認(rèn)為竇性停搏或是波形異 常。系統(tǒng)將對(duì)以上異常進(jìn)行報(bào)警。因此，該算法的總體流程為單片機(jī)每次通過(guò)數(shù)據(jù)獲取器 采集到一個(gè)容積波數(shù)據(jù)，再在絕對(duì)不應(yīng)期比較器中進(jìn)行比較，如果其當(dāng)前時(shí)刻與前一極大值 所在時(shí)刻之差大于絕對(duì)不應(yīng)期，則在容積波形態(tài)模板匹配器中將其特征與臨床模板進(jìn)行比較， 若形態(tài)匹配，則確定該點(diǎn)為U角，并保存當(dāng)前時(shí)刻及其數(shù)值，用容積波形態(tài)自適應(yīng)修正器對(duì)容積波形態(tài)進(jìn)行修正，求取上一心動(dòng)周期極大值。否則繼續(xù)采樣新數(shù)據(jù)并根據(jù)以上流程進(jìn)行 判斷。
本實(shí)用新型可采集病人血管容積波并采用ZigBee技術(shù)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，ZigBee接入終端 實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)血氧值的監(jiān)督報(bào)警、信息存儲(chǔ)和傳輸?？蓪?shí)現(xiàn)病房中病人血 氧飽和度的隨身移動(dòng)監(jiān)護(hù)，幫助醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者的血氧攜氧能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和防護(hù)，為患者提 供舒適的醫(yī)療監(jiān)護(hù)服務(wù)。
權(quán)利要求1、一種基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，包括指套、光源，容積波信號(hào)預(yù)處理電路以及電源管理電路，其特征在于，還包括ZigBee模塊，ZigBee模塊與容積波信號(hào)預(yù)處理電路相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，其特征在于，還包括容積 波特征提取模塊，容積波信號(hào)預(yù)處理電路經(jīng)過(guò)容積波特征提取模塊與ZigBee模塊相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，其特征在于，ZigBee模塊 和容積波特征提取模塊通過(guò)CC2430芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，其特征在于，容積波特征 提取模塊依次包括數(shù)據(jù)獲取器、絕對(duì)不應(yīng)期比較器、容積波形態(tài)模板匹配器和容積波形態(tài)自 適應(yīng)修正器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，其特征在于，還包括與光 源驅(qū)動(dòng)電路相連的光源脈沖調(diào)節(jié)器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，其特征在于，ZigBee模塊 通過(guò)CC2430芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，其特征在于，所述電源管 理電路采用TPS719芯片。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于ZigBee的無(wú)線血氧監(jiān)護(hù)指套，包括ZigBee模塊、指套、光源、光源驅(qū)動(dòng)電路，容積波信號(hào)預(yù)處理電路以及電源管理電路。本實(shí)用新型可采集血氧飽和度并采用ZigBee技術(shù)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)病人隨身移動(dòng)監(jiān)護(hù)。本實(shí)用新型具有無(wú)線化、低功耗、微型化、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)；能夠更真實(shí)地反映人體生理狀況；可以大大減少病人身上的電纜連線，方便病人佩戴，又方便醫(yī)生護(hù)士的診療操作。
文檔編號(hào)A61B5/145GK201260671SQ20082020170
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者吳效明, 林紹杰, 江麗儀, 韓俊南 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)