CN104939832A - 一种微动呼吸检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种微动呼吸监测装置由电容式检测电极、数据采集终端、实时动态监护仪、上位机组成。数据采集终端内置呼吸信号检测电路、呼吸信号处理电路、RAM模块及DSP模块，呼吸信号检测电路包括LC振荡电路、微分电路及解调电路。电容式检测电极位于人体胸部，与数据采集终端内呼吸信号检测电路相连接。数据采集终端对电容式检测电极输出的信号进行调制解调、滤波放大及模数转换，并将其存储到RAM模块中。在DSP模块的控制下，呼吸信号数据通过数据线传输到实时动态监护仪，实时动态监护仪对呼吸信号进行简单地分析，并通过3G/4G/蓝牙/Wi-Fi或以太网将数据发送到上位机，上位机对呼吸信号数据作进一步分析，从而实现呼吸状态的实时检测。

Description

一种微动呼吸检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实时动态呼吸检测装置与方法，特别是一种微动呼吸检测系统，基于3G/4G/蓝牙/Wi-Fi及以太网数据传输，实现呼吸状态的实时动态检测，适用于家庭或社区医疗服务，实现健康状况的实时跟踪。

背景技术

呼吸是一项重要的生理指标，对高危病人的呼吸状态进行检测可以观察病人的生理状态，判断病人的生命特征。对普通人进行睡眠时呼吸检测有助于预防心脑血管类疾病的发生。计算机技术、微电子技术、无线电通信技术、微弱信号检测技术以及材料科学的快速发展，使得穿戴式健康监测系统成为人们的研究重点。穿戴式健康检测系统可以方便地穿在使用者身上，而不影响其正常生活，可对使用者的生理参数进行24小时实时监测，能在使用者危险期及时提供生理参数信息。传统的呼吸检测方法主要包括应变片式压力传感器法与热敏电阻法，应变片式压力传感器与热敏电阻都需要与人体直接接触，长时间的呼吸检测会给受测者带来不适。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微动呼吸监测装置与方法，电容式检测电极通过导线与数据采集终端连接，数据采集终端对检测的呼吸信号进行滤波放大处理，并通过模数转换器转换成数字信号。数据采集终端通过数据线将呼吸信号数据传输到实时动态监护仪，实时动态监护仪可以实时观察呼吸状态，并通过3G/4G/蓝牙/Wi-Fi将呼吸信号数据传输到上位机，或者数据采集终端直接通过以太网将呼吸信号数据传输到上位机，实现呼吸状态的实时检测。

本发明的技术解决方案为：一种微动呼吸监测装置由穿戴设备、数据 采集终端、实时动态监护仪、上位机组成，其中穿戴设备包括穿戴衣、电容式检测电极。电容式检测电极为片状导体材料，通过穿戴衣将其置于人体表面，电容式检测电极与人体间形成一个耦合电容，人体与电容式检测电极作为耦合电容的两个极板，人体肌肉、皮肤、衣物等组织作为耦合电容的电介质。数据采集终端内置呼吸信号检测电路、滤波放大电路、模数转换电路、RAM模块及DSP模块，呼吸信号检测电路包括LC振荡电路、微分电路、解调电路。人体呼吸运动时的胸廓变化导致人体与电容式检测电极之间的耦合电容值发生变化，LC振荡电路、微分电路及解调电路用来检测这种变化，滤波放大电路的作用是对采集到的呼吸信号进行滤波，滤除混杂在呼吸信号中的噪声，并将滤波后的信号进行放大至模数转换器可以识别的范围，模数转换电路将滤波放大之后的呼吸信号转换为数字信号，RAM模块用来暂存经处理的呼吸信号数据，采用的芯片为IDT70V24PF穿戴设备内的电容式检测电极通过导线与数据采集终端内呼吸信号检测电路相连接，数据采集终端对检测的呼吸信号进行滤波放大及模数转换，并将其存储到RAM模块中。DSP模块通过地址总线和数据总线与RAM模块互连，呼吸信号数据通过ARINC-429接口传输到实时动态监护仪，实时动态监护仪可随时查看呼吸状态，并通过3G/4G/蓝牙/Wi-Fi将数据发送到上位机。实时动态监护仪采用防水设计，内置聚合物电池；采用墨水屏，可显示呼吸数据图像；可以进行GPS/基站定位，快速获得使用者的当前地理位置；支持异常呼吸信号报警功能。EMAC/MDIO为DSP模块所用芯片TMS320C6747的以太网外扩模块，在DSP模块的控制下数据采集终端也可以直接通过以太网将呼吸信号数据传输到上位机。上位机装有监护软件，可以建立和存储数据、显示呼吸信号图像、提取或计算呼吸信号特征信息、识别异常的呼吸信号，能够根据实时动态监护仪或测量单元传送的数据包对呼吸信号作进一步分析，最终实现使用者呼吸状态的动态实时监测。

上述方案的原理是：穿戴设备内的片状电容式检测电极与人体之间形成一个耦合电容，人体与检测电极作为耦合电容的两个极板，人体肌肉、皮肤、衣物等组织作为耦合电容的电介质。当人体呼吸时，由于胸腔的运动，使得测量电极与人体形成的耦合电容的电容值发生变化，将被测电容接入LC振荡电路中，随着被测电容值的改变，LC振荡电路的振荡频率也将发生改变，即振荡回路的振荡频率被人体的呼吸信号所调制，从而通过调频解调的方法实现对人体的呼吸信号的检测与采集。采集到的呼吸信号非常微弱，并混杂着很强的噪声，因此采用滤波放大电路对采集的信号进行滤波放大处理，将信号放大到模数转换器可以识别的范围，然后将其进行模数转换。转换后的呼吸信号数据暂存在RAM模块中。数据采集终端通过数据线与实时动态监护仪保持连接，在DSP模块的控制下数据采集终端将RAM模块中的呼吸信号数据发送到实时动态监护仪，实时动态监护仪可以随时查看使用者的呼吸状态。实时动态监护仪通过3G/4G/蓝牙/Wi-Fi将呼吸信号数据发送到上位机，或者在DSP模块控制下数据采集终端将RAM模块中的呼吸信号数据直接通过以太网输出到上位机，上位机中装有监护软件，可建立和存储数据，实现呼吸状态的实时检测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用TMS320C6747中的EMAC/MDIO模块实现DSP模块与以太网之间的通讯，可实现呼吸信号数据的以太网下载方式，适用场合更广泛。

(2)本发明采用了ARINC-429接口，可使呼吸信号数据通过该接口传输到实时动态监护仪，实时动态监护仪可随时查看呼吸状态，提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明所述微动呼吸监测装置系统示意图；

图2为本发明所述DSP模块控制系统模块示意图；

图3为本发明所述的以太网接口模块；

图4为本发明所述RAM模块示意图；

图5为本发明所述的ARINC-429接口模块示意图；

具体实施方式

如图1所示，微动呼吸监测装置由穿戴设备、数据采集终端、实时动态监护仪、上位机组成，其中穿戴设备包括穿戴衣、电容式检测电极。电容式检测电极为片状导体材料，通过穿戴衣将其置于人体表面，电容式检测电极与人体间形成一个耦合电容，人体与电容式检测电极作为耦合电容的两个极板，人体肌肉、皮肤、衣物等组织作为耦合电容的电介质。数据采集终端内置呼吸信号检测电路、滤波放大电路、模数转换电路、RAM模块及DSP模块，呼吸信号检测电路包括LC振荡电路、微分电路、解调电路。人体呼吸运动时的胸廓变化导致人体与电容式检测电极之间的耦合电容值发生变化，LC振荡电路、微分电路及解调电路用来检测这种变化，滤波放大电路的作用是对采集到的呼吸信号进行滤波，滤除混杂在呼吸信号中的噪声，并将滤波后的信号进行放大至模数转换器可以识别的范围，模数转换电路将滤波放大之后的呼吸信号转换为数字信号，RAM模块用来暂存经处理的呼吸信号数据，采用的芯片为IDT70V24PF穿戴设备内的电容式检测电极通过导线与数据采集终端内呼吸信号检测电路相连接，数据采集终端对检测的呼吸信号进行滤波放大及模数转换，并将其存储到RAM模块中。DSP模块通过地址总线和数据总线与RAM模块互连，呼吸信号数据通过ARINC-429接口传输到实时动态监护仪，实时动态监护仪可随时查看呼吸状态，并通过3G/4G/蓝牙/Wi-Fi将数据发送到上位机。实时动态监护仪采用防水设计，内置聚合物电池；采用墨水屏，可显示呼吸数据图像；可以进行GPS/基站定位，快速获得使用者的当前地理位置；支持异常呼吸信号报警功能。 EMAC/MDIO为DSP模块所用芯片TMS320C6747的以太网外扩模块，在DSP模块的控制下数据采集终端也可以直接通过以太网将呼吸信号数据传输到上位机。上位机装有监护软件，可以建立和存储数据、显示呼吸信号图像、提取或计算呼吸信号特征信息、识别异常的呼吸信号，能够根据实时动态监护仪或测量单元传送的数据包对呼吸信号作进一步分析，最终实现使用者呼吸状态的动态实时监测。

图2为本发明所述DSP模块控制系统模块示意图；所述DSP模块通过地址总线和数据总线与RAM模块互连；通过DSP模块内部的EMAC/MDIO模块与以太网接口模块互连，实现与以太网数据接口的通讯；DSP模块通过数据总线与地址总线与ARINC-429接口模块相连，实现呼吸信号数据的传输。

图3为本发明的以太网接口模块电路图。EMAC/MDIO为DSP模块所用芯片TMS320C6747的以太网外扩模块，KSZ8001为MICREL公司的物理层以太网收发器。TMS320C6747通过自带的EMAC/MDIO外设与KSZ8001连接完成数据的以太网帧格式打包发送和解包的功能。该外设由EMAC控制模块、MDIO模块和EMAC模块3个部分组成，每个模块都有与之对应的控制寄存器并通过寄存器总线映射到存储空间。MDIO总线由图3中的MDIO_D和MDIO_CLK组成，MDIO_CLK用来同步MDIO_D传输帧前导码以及对KSZ8001及其寄存器地址读写等数据访问操作。EMAC模块负责发送和接收数据包，通过RMII标准总线与KSZ8001连接。RMII标准总线的发送和接收的数据内容分别由RMII_TXD_0和RMII_TXD_1引脚以及RMII_RXD_0和RMII_RXD_1引脚传输并以2位并行的方式工作。RMII_TXEN端信号为高电平时发送数据有效，RMII_CRS_DV为高电平和RMII_RXER为低电平时接收数据有效。外部时钟源同时向TMS320C6747和KSZ8001提供50MHZ的时钟来同步RMII的信号。KSZ8001的ENT_TX+和ENT_TX+以及ENT_RX+ 和ENT_RX+分别连接以太网水晶头的发送和接收引脚，ENT_LED0-4连接以太网水晶头的信号指示灯。

图4为本发明的RAM模块电路图。IDT70V24PF与DSP模块信号交联。DSP_A0-11为地址总线，DSP_D0-15为数据总线，DSP_CS_RAM模块为DSP模块对RAM模块的片选信号，DSP_R/W为读/写信号，DSP_OE为DSP模块对RAM模块的使能信号。DSP_BUSY信号连接DSP模块的一个GPIO口，用来告诉DSP模块RAM模块正处于BUSY状态，DSP_BUSY信号为低有效。

图5为本发明的ARINC-429接口模块电路图。所用的429收发芯片HS3282和HS3182可实现ARINC-429的两路接收和一路发送功能。429_D0-15为16位数据总线与DSP模块相连。429_RDY1和429_RDY2分别为两路接收通道的接收REDAY信号；429_SEL为HS3282芯片的选通信号；429_EN1和429_EN2分别为两路接收通道的数据使能信号；ARINC-429数据的收发格式是32位的，429_PL1和429_PL2分别是低16位和高16位选择信号；429_TX/R为HS3282芯片的发送、接收标志位；429_ENTX为HS3282芯片的发送使能位。以上信号都与CPLD模块相连，通过由CPLD利用DSP模块给出的信号解码之后来操作HS3282芯片。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

Claims (1)

1.一种微动呼吸监测装置，其特征在于：由穿戴设备、数据采集终端、实时动态监护仪、上位机组成，其中穿戴设备包括穿戴衣、电容式检测电极。电容式检测电极为片状导体材料，通过穿戴衣将其置于人体表面，电容式检测电极与人体间形成一个耦合电容，人体与电容式检测电极作为耦合电容的两个极板，人体肌肉、皮肤、衣物等组织作为耦合电容的电介质。数据采集终端内置呼吸信号检测电路、滤波放大电路、模数转换电路、RAM模块及DSP模块，呼吸信号检测电路包括LC振荡电路、微分电路、解调电路。人体呼吸运动时的胸廓变化导致人体与电容式检测电极之间的耦合电容值发生变化，LC振荡电路、微分电路及解调电路用来检测这种变化，滤波放大电路的作用是对采集到的呼吸信号进行滤波，滤除混杂在呼吸信号中的噪声，并将滤波后的信号进行放大至模数转换器可以识别的范围，模数转换电路将滤波放大之后的呼吸信号转换为数字信号，RAM模块用来暂存经处理的呼吸信号数据，采用的芯片为IDT70V24PF穿戴设备内的电容式检测电极通过导线与数据采集终端内呼吸信号检测电路相连接，数据采集终端对检测的呼吸信号进行滤波放大及模数转换，并将其存储到RAM模块中。DSP模块通过地址总线和数据总线与RAM模块互连，呼吸信号数据通过ARINC-429接口传输到实时动态监护仪，实时动态监护仪可随时查看呼吸状态，并通过3G/4G/蓝牙/Wi-Fi将数据发送到上位机。实时动态监护仪采用防水设计，内置聚合物电池；采用墨水屏，可显示呼吸数据图像；可以进行GPS/基站定位，快速获得使用者的当前地理位置；支持异常呼吸信号报警功能。EMAC/MDIO为DSP模块所用芯片TMS320C6747的以太网外扩模块，在DSP模块的控制下数据采集终端也可以直接通过以太网将呼吸信号数据传输到上位机。上位机装有监护软件，可以建立和存储数据、显示呼吸信号图像、提取或计算呼吸信号特征信息、识别异常的呼吸信号，能够根据实时动态监护仪或测量单元传送的数据包对呼吸信号作进一步分析，最终实现使用者呼吸状态的动态实时监测。