CN102178529B - 基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统 - Google Patents

基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统 Download PDF

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本发明公开了一种基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,该系统包括:监测节点,用于监测使用者的呼吸流量、血氧饱和度以及姿态,并将监测数据通过无线方式发送至便携设备上;便携设备,由使用者携带,用于对所述监测数据进行预处理,并将经预处理后的监测数据发送至监测终端;监测终端,用于对所述便携设备发送的检测数据进行存储以及处理,根据相关呼吸疾病体征模板,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。本发明的系统可方便使用者日常活动、实现远程监测、方便普及使用、且可用于特定呼吸疾病远程诊断监护。

Description

基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统技术领域[0001] 本发明涉及医疗及电子通信技术领域,尤其涉及一种基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统。背景技术[0002] 目前,阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、哮喘和慢性阻塞性肺病这三种呼吸疾病严重危害人类健康。对以上三种呼吸疾病的诊断和监护方法可以从对人体的呼吸、血氧和人体姿态监测三方面着手。[0003] 近几十年来,国内外的研究者们采用了各种方法检测人体的呼吸信号,形成了各自的理论和方法。其中包括压力传感器法、温度传感器法、阻抗法、电容式传感器法、流量传感器法(包括测压式、热式和超声式)、红外成像法等。流量传感器法可以实时监测呼吸气流流量,可得到更全面的人体呼吸参数,其中的热式流量传感器主要为热线、热膜流量传感器。热式流量传感器由于具有体积小巧、灵敏度高和响应速度快等优点,很适合应用到便携设备当中。[0004] 血氧饱和度(S02)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(Hb02)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的浓度,它是呼吸循环的重要生理参数。 传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出血氧分压(P02)计算出血氧饱和度。这种方法比较麻烦,且不能进行连续的监测。取而代之的常用测量方法是采用指套式光电传感器。[0005] 进行姿态测量的方法目前主要有惯性法、磁感应法、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)法和光学测量法等。其中属于惯性法的三轴加速度计可以静态或者动态测量物体的加速度,是可以应用到人体姿态测量的一种简单方法。[0006] 体域网(Body Area Network,BAN),是附着在人体身上的一种网络,由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或称BAN协调器)组成。每一传感器既可佩戴在身上,也可植入体内。由于这些传感器通过无线技术进行通信,所以体域网也叫无线体域网(WBAN)。体域网是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术,在国际上已经得到了广泛研究,包括医疗技术提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士正在开展战略性合作,但目前仍处在早期阶段,在毫瓦级网络能耗、互操作性、系统设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战。[0007] 现有的用于呼吸疾病诊断和监护设备主要存在以下几方面不足之处:[0008] (I)虽然可以对人体多项体征进行监测,但是采用的是有线通信方式,在长期使用时,不方便使用者的日常活动,且不能实现远程监测;[0009] (2)体积、重量大,设备成本较高,不方便普及使用,需要价廉的便携设备;[0010] (3)某些便携式呼吸疾病监测设备,只能实现对若干体征参数的测量和纪录,没有设置针对特定疾病的监护诊断算法,因此不能进行实时诊断。发明内容[0011](一)要解决的技术问题[0012] 本发明要解决的技术问题是:提供一种可方便使用者日常活动、实现远程监测、方便普及使用、且可用于特定呼吸疾病远程诊断监护的系统。[0013] (二)技术方案[0014] 为解决上述问题,本发明提供了一种基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统, 该系统包括:监测节点,用于监测使用者的呼吸流量、血氧饱和度以及姿态,并将监测数据通过无线方式发送至便携设备上;便携设备,由使用者携带,用于对所述监测数据进行预处理,并将经预处理后的监测数据发送至监测终端;监测终端,用于对所述便携设备发送的监测数据进行存储以及处理,根据处理后的数据以及相关呼吸疾病体征模板,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据;所述监测终端进一步地:对呼吸流量、血氧饱和度和姿态三类体征参数进行数据融合,用姿态信息作情景感知,得到使用者不同运动状态下的呼吸、血氧情况;根据数据融合的结果,获得呼吸暂停时间及次数、呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、分钟通气量、血氧饱和度和人体运动状态或睡眠姿态的参数表,作为使用者的实时体征;将所述实时体征与预设的针对阻塞性睡眠呼吸暂停、哮喘和慢性阻塞性肺病三种特定呼吸疾病的体征模板进行比对,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。[0015] 其中,所述监测节点进一步包括:呼吸流量传感器节点,用于监测使用者的呼吸流量,并将监测获得的呼吸气流流量值通过无线方式发送至便携设备上;血氧监测传感器节点,用于监测使用者的血氧饱和度,并将监测获得的血氧饱和度值通过无线方式发送至便携设备上;姿态测量传感器节点,用于测量使用者的睡眠、运动姿态以及运动速度,并将测量获得的姿态数据通过无线方式发送至便携设备上。[0016] 其中,所述呼吸流量传感器节点进一步包括:呼吸软管,插入使用者鼻腔;流量传感器,置于所述呼吸软管中,用于监测使用者的呼吸流量;信号调理电路,用于对所述流量传感器输出的信号进行调理;单片机,对经所述信号调理电路调理过的信号进行采样及处理,输出呼吸气流流量值至无线模块;无线模块,用于将所述呼吸气流流量值通过无线方式发送至所述便携设备。[0017] 其中,所述血氧监测传感器节点进一步包括:指套,套在使用者的手指上;光电传感器,置于所述指套内,用于监测使用者的血氧饱和度;信号调理电路,用于对所述光电传感器输出的信号进行调理;单片机,用于对经所述信号调理电路调理过的信号进行采样及处理,输出血氧饱和度值至无线模块;无线模块,用于将所述血氧饱和度值通过无线方式发送至所述便携设备。[0018] 其中,所述姿态测量传感器节点进一步包括:三轴微机电加速度计,佩戴于使用者胸前,用于测量使用者的睡眠、运动姿态以及运动速度;信号调理电路,用于对所述三轴微机电加速度计输出的信号进行调理;单片机,用于对经所述信号调理电路调理过的信号进行采样及处理,输出姿态测量数据至无线模块;无线模块,用于将所述姿态测量数据通过无线方式发送至所述便携设备。[0019] 其中,所述便携设备进一步包括:预处理模块,用于对所述监测节点发送的监测数据进行滤波处理;呼吸体征分析模块,用于将所述呼吸气流流量值换算成呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、以及分钟通气量;显示模块,用于对所述预处理模块以及呼吸体征分析模块处理过的监测数据进行显示;报警模块,用于当监测数据中的相应参数超出设定范围时进行报警提示;通讯模块,用于将所述预处理模块以及呼吸体征分析模块处理过的监测数据传送至监测终端。[0020] 其中,所述流量传感器为微型热膜传感器。[0021] 其中,所述信号调理电路为恒温测量电路。[0022] 其中,所述通讯模块通过GPRS或3G网络与所述监测终端进行数据传输。[0023] 其中,所述监测终端进一步包括:数据融合模块,用于对所述便携设备发送的监测数据进行数据融合;体征参数获取模块,用于根据所述数据融合模块的处理结果,获得使用者实时体征参数表;评估模块,用于根据所述参数表以及相关呼吸疾病体征模板,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。[0024](三)有益效果[0025] 本发明的系统具有如下有益效果:[0026] I、针对三种特定呼吸疾病设计特定的算法进行诊断监护,提高了诊断监护的针对性和实时性;[0027] 2、使用本发明的系统,医生可完全掌握人体呼吸、血氧和姿态三方面体征,为相关呼吸疾病诊治提供了全面的体征参数依据;[0028] 3、本发明的系统基于无线体域网结构,使用者佩戴传感器节点和携带便携设备后可自由活动;[0029] 4、传感器节点体积小巧,便于携带;[0030] 5、选用如手机做便携设备,整套系统成本集中在传感器节点上,由于各传感器节点本身成本低廉,故整套系统成本低廉,方便推广应用。附图说明[0031] 图I为依照本发明一种实施方式的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统结构原理图;[0032] 图2为依照本发明一种实施方式的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统中呼吸流量监测传感器节点的结构框图;[0033] 图3为依照本发明一种实施方式的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统中血氧监测传感器节点的结构框图;[0034] 图4为依照本发明一种实施方式的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统中姿态测量传感器节点的结构框图;[0035] 图5为依照本发明一种实施方式的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统中监测终端运行的呼吸疾病诊断监护算法的流程图。具体实施方式[0036] 本发明提出的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,结合附图及实施例详细说明如下。[0037] 如图I所示,依照本发明一种实施方式的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,包括:由呼吸流量传感器节点I、血氧监测传感器节点2和姿态测量传感器节点(整合到呼吸流量传感器节点I中)组成的检测节点;便携设备3,如手机,由使用者随身携带,用于对监测节点通过无线方式(如蓝牙、ZigBee)发送的监测数据进行预处理(如滤波、呼吸体征分析、参数显示,并且在相应参数超出正常范围时启动报警功能),并将经预处理后的监测数据通过GPRS或3G网络传输到因特网4,因特网4相当于一个云平台,上面接有计算机群,作为进行数据存储、数据融合和医生监测的监测终端5,用于对便携设备发送的检测数据进行存储以及处理,得到使用者个体的相关疾病病情的评估数据。[0038] 如图2所示,呼吸流量传感器节点中,包括在使用者在鼻腔中插入的呼吸软管1-1。以及置入该呼吸软管1-1中的传感器的敏感元件,该传感器敏感元件为微型流量传感器1-2,如可采用微型热膜传感器,微型热膜传感器的制备可参照申请号为 200810115672. I的中国发明专利。使用者呼吸时,呼吸气流即通过软管1_1流经流量传感器1-2。流量传感器1-2工作在相应的信号调理电路1-3中,该信号调理电路1-3类型可以选择恒流式、恒压式或恒温式调理电路,由于恒温电路性能最优,其突出优点是动态响应快、灵敏度高,优于其他两种方式,因此本实施例选用恒温测量电路。恒温测量电路的输出电压通过单片机1-4采样并经过简单的数据处理,将流量传感器1-2的输出电压转换为呼吸气流流量值,之后单片机1-4将数据传送给无线模块1-5 (如蓝牙、ZigBee),由无线模块 1-5向便携设备3 (如手机)实时传输数据。[0039] 血氧监测传感器节点2结构如图3所示。基于人体血液中的氧合血红蛋白和没被氧合的还原血红蛋白对于不同波长光的吸收系数不同的原理和在红光660nm与红外光 940nm处吸收系数差异较大的事实,该血氧监测传感器节点2采用目前常用的对该波长附近的红光和红外光进行双谱定量分析检测的方法进行血氧监测。包括套在使用者手指上作为传感器节点的指套2-1,指套2-1中置有由一对发光二极管和光频转换芯片(如TSL235) 组成的光电传感器2-2、信号调理电路2-3、单片机2-4及无线模块2-5 (如蓝牙、ZigBee)。 光电传感器2-2中,光频转换芯片将光强转化为频率;单片机2-4接收到频率信号并进行简单的数据处理,将频率值重新解读成光强值,得出血氧饱和度值;之后单片机2-4将数据传送给无线模块2-5 (如蓝牙、ZigBee),由无线模块2_5向便携设备3 (如手机)实时传输数据。[0040] 姿态测量传感器节点结构如图4所示。图4中,传感器采用三轴微机电加速度计1-6,三轴微机电加速度计1-6具有小型、低功耗的优点,适合应用到便携设备中。本姿态测量传感器节点与呼吸监测传感器节点I整合到一起,共用单片机1-4和无线模块1-5,佩戴在使用者胸前。当使用者改变姿态或在运动中时,三轴微机电加速度计1-6感知三维的加速度。感知三轴加速度的目的是用来判断使用者的睡眠及运动姿态。例如,在睡眠中可根据三轴微机电加速度计1-6的两轴加速度值计算使用者的睡眠姿态(包括仰卧、俯卧和侧卧);另外根据竖直方向的加速度变化可计算行走中的使用者的步速。三轴微机电加速度计1-6的输出信号经过信号调理电路1-7和单片机1-4后,在单片机1-4中完成姿态计算, 由单片机1-4将姿态数据传送给无线模块1-5 (如蓝牙、ZigBee),由无线模块1_5向便携设备3(如手机)实时传输数据。[0041] 便携设备3 (如手机)上,运行程序对监测数据进行预处理,主要为根据监测节点输出的信号解算出各项体征参数(如将呼吸气流流量值解算成呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、分钟通气量等呼吸相关参数),并通过GPRS或3G网络将数据传输到因特网4,在便携设备3(如手机)上显示各体征的参数值,并且在相应参数超出正常范围时启动报警功能。 其进一步包括:预处理模块,用于对所述监测节点发送的监测数据进行滤波处理;呼吸体征分析模块,用于将所述呼吸气流流量值换算成呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、以及分钟通气量;显示模块,用于对所述预处理模块以及呼吸体征分析模块处理过的监测数据进行显示;报警模块,用于当监测数据中的相应参数超出设定范围时进行报警提示;以及通讯模块,用于将所述预处理模块以及呼吸体征分析模块处理过的监测数据传送至监测终端。[0042] 监控终端5进一步包括:数据融合模块,用于对所述便携设备3发送的监测信号进行数据融合;用于对所述便携设备发送的监测数据进行数据融合;体征参数获取模块,用于根据所述数据融合模块的处理结果,获得使用者实时体征参数表;评估模块,用于根据所述参数表以及相关呼吸疾病体征模板,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。[0043] 在监测终端5上运行的呼吸疾病诊断监护算法如图5所示,具体步骤如下:[0044] SI :对便携设备3发送的呼吸相关参数、血氧饱和度和姿态三类体征参数进行数据融合,用姿态信息作情景感知,得到使用者不同运动状态下的呼吸、血氧情况。[0045] S2:根据数据融合的结果,获得诸如呼吸暂停时间及次数、呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、分钟通气量、血氧饱和度和人体运动状态或睡眠姿态的参数表,作为使用者的实时体征。[0046] S3:将实时体征与预设的针对阻塞性睡眠呼吸暂停、哮喘和慢性阻塞性肺病三种特定呼吸疾病的体征模板进行比对,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。譬如对于睡眠呼吸暂停,可以用呼吸暂停时间及次数、血氧饱和度和睡眠姿态(用作情景感知)这三项参数组成的实时体征与睡眠呼吸暂停综合征的包含这三项参数的体征模板作比对。如果使用者的实时体征与疾病模板的匹配度较高,则可确诊使用者患有相应疾病。[0047] 对于上述3种呼吸疾病患者,每次对比结果均存储在云平台上,根据对比结果的匹配程度变化规律评估患者病情是好转还是恶化,并具有病情急重的报警功能。在远程端的医生既可以查看程序评估疾病的结果,也可以实时查看每个使用者的实时体征数据进行人工诊断。[0048] 以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1. 一种基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在干,该系统包括: 监测节点,用于监测使用者的呼吸流量、血氧饱和度以及姿态,并将监测数据通过无线方式发送至便携设备上; 便携设备,由使用者携帯,用于对所述监测数据进行预处理,并将经预处理后的监测数据发送至监测终端; 监测终端,用于对所述便携设备发送的监测数据进行存储以及处理,根据处理后的数据以及相关呼吸疾病体征模板,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据; 所述监测終端进ー步地:对呼吸流量、血氧饱和度和姿态三类体征參数进行数据融合,用姿态信息作情景感知,得到使用者不同运动状态下的呼吸、血氧情況;根据数据融合的结果,获得呼吸暂停时间及次数、呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、分钟通气量、血氧饱和度和人体运动状态或睡眠姿态的參数表,作为使用者的实时体征;将所述实时体征与预设的针对阻塞性睡眠呼吸暂停、哮喘和慢性阻塞性肺病三种特定呼吸疾病的体征模板进行比对,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。
2.如权利要求I所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述监测节点进ー步包括: 呼吸流量传感器节点,用于监测使用者的呼吸流量,并将监测获得的呼吸气流流量值通过无线方式发送至便携设备上; 血氧监测传感器节点,用于监测使用者的血氧饱和度,并将监测获得的血氧饱和度值通过无线方式发送至便携设备上; 姿态测量传感器节点,用于测量使用者的睡眠、运动姿态以及运动速度,并将测量获得的姿态数据通过无线方式发送至便携设备上。
3.如权利要求2所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述呼吸流量传感器节点进一歩包括: 呼吸软管,插入使用者鼻腔; 流量传感器,置于所述呼吸软管中,用于监测使用者的呼吸流量; 信号调理电路,用于对所述流量传感器输出的信号进行调理; 单片机,对经所述信号调理电路调理过的信号进行采样及处理,输出呼吸气流流量值至无线模块; 无线模块,用于将所述呼吸气流流量值通过无线方式发送至所述便携设备。
4.如权利要求2所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述血氧监测传感器节点进ー步包括: 指套,套在使用者的手指上; 光电传感器,置于所述指套内,用于监测使用者的血氧饱和度; 信号调理电路,用于对所述光电传感器输出的信号进行调理; 单片机,用于对经所述信号调理电路调理过的信号进行采样及处理,输出血氧饱和度值至无线模块; 无线模块,用于将所述血氧饱和度值通过无线方式发送至所述便携设备。
5.如权利要求2所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述姿态测量传感器节点进一歩包括:三轴微机电加速度计,佩戴于使用者胸前,用于测量使用者的睡眠、运动姿态以及运动速度; 信号调理电路,用于对所述三轴微机电加速度计输出的信号进行调理; 单片机,用于对经所述信号调理电路调理过的信号进行采样及处理,输出姿态测量数据至无线模块; 无线模块,用于将所述姿态測量数据通过无线方式发送至所述便携设备。
6.如权利要求2所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述便携设备进ー步包括: 预处理模块,用于对所述监测节点发送的监测数据进行滤波处理; 呼吸体征分析模块,用于将所述呼吸气流流量值换算成呼吸频率、潮气量、吸呼时间比、以及分钟通气量; 显示模块,用于对所述预处理模块以及呼吸体征分析模块处理过的监测数据进行显示; 报警模块,用于当监测数据中的相应參数超出设定范围时进行报警提示; 通讯模块,用于将所述预处理模块以及呼吸体征分析模块处理过的监测数据传送至监测终端。
7.如权利要求3所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述流量传感器为微型热膜传感器。
8.如权利要求3所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在干,所述信号调理电路为恒温測量电路。
9.如权利要求6所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述通讯模块通过GPRS或3G网络与所述监测终端进行数据传输。
10.如权利要求I所述的基于体域网的呼吸疾病远程诊断监护系统,其特征在于,所述监测终端进ー步包括: 数据融合模块,用于对所述便携设备发送的监测数据进行数据融合; 体征參数获取模块,用于根据所述数据融合模块的处理结果,获得使用者实时体征參数表; 评估模块,用于根据所述參数表以及相关呼吸疾病体征模板,获得使用者个体的相关呼吸疾病的评估数据。
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