CN201260671Y

CN201260671Y - 基于ZigBee的无线血氧监护指套

Info

Publication number: CN201260671Y
Application number: CNU2008202017011U
Authority: CN
Inventors: 吴效明; 林绍杰; 江丽仪; 韩俊南
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2018-10-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee的无线血氧监护指套，包括ZigBee模块、指套、光源、光源驱动电路，容积波信号预处理电路以及电源管理电路。本实用新型可采集血氧饱和度并采用ZigBee技术无线传输数据，可实现病人随身移动监护。本实用新型具有无线化、低功耗、微型化、高稳定性的特点；能够更真实地反映人体生理状况；可以大大减少病人身上的电缆连线，方便病人佩戴，又方便医生护士的诊疗操作。

Description

基于ZigBee的无线血氧监护指套

技术领域

本实用新型属于医疗电子器械领域，特别涉及一种对人体血氧饱和度进行检测、处理、传输和监护预警的基于ZigBee的无线血氧监护指套。

背景技术

缺氧在临床上重要特征是血氧饱和度显著下降，因此连续监测血氧饱和度是缺氧预警的重要手段。临床上采用双波长测量法实现血氧的无创检测。然而，现有的血氧检测装置一般存在以下问题。首先，在现有的血氧监护系统中，患者身上佩戴的指套采集的数据多通过有线的方式传送到PC上。由于将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使患者感觉受到束缚，无法放松心情，影响日常工作生活，从而导致所检测的数据不准确或者意义不大，人体处于自然状态时的生理信号才能真实地反映其生理状况。其次，由于传统的血氧监护模块大多体积庞大，附件较多，因此在危重病人抢救，外出巡诊、野战条件等特定应用场合，在现场医护人员需要立即了解病人血红蛋白携氧能力，医务人员深感不便。再者，现有血氧检测算法复杂繁琐，计算速度慢。同时，传统的血氧检测光源驱动方法消耗能量过大，不适合长时间监测。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种基于ZigBee的无线血氧监护指套。

一种基于ZigBee的无线血氧监护指套，包括指套、光源，容积波信号预处理电路以及电源管理电路，其特征在于，还包括ZigBee模块，ZigBee模块与电源和容积波信号预处理电路相连。

进一步地，所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，还包括容积波特征提取模块，容积波信号预处理电路经过容积波特征提取模块与ZigBee模块相连。ZigBee模块和容积波特征提取模块可通过CC2430芯片及其外围电路实现。

进一步地，容积波特征提取模块依次包括数据获取器、绝对不应期比较器、容积波形态模板匹配器和容积波形态自适应修正器。

进一步地，所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，还包括与光源驱动电路相连的光源脉冲调节器。

进一步地，所述电源管理电路采用TPS719芯片。

为实现病区中病人血氧的无线式、高可靠性监护，本实用新型创新性地将血氧监护指套微型化，采用穿戴式检测技术，对病人进行血氧饱和度实时检测，并采用最新的ZigBee短距离无线通信技术，设计基于ZigBee的血氧无线监护指套。本实用新型具有无线化、低功耗、微型化、高性价比的特点；能够更真实地反映血红蛋白携氧能力；可以大大减少病人身上的电缆连线，方便病人佩戴，又方便医生护士的诊疗操作。监护指套可采集容积波信号并对信号进行预处理、特征提取，采用ZigBee技术无线传输数据，可实现病人随身移动监护。

本实用新型的工作原理如下：光源驱动脉冲调节器控制光源驱动电路驱动红光、红外光两个二极管按照一定时序发光，指套通过检测动脉血液的红光、红外光透射光形成的两路容积波信号，经过容积波信号预处理电路、容积波特征提取模块、求取光强比值，进而实时检测人体血氧饱和度，并用ZigBee无线模块替代传统的有线连接实现容积波数据传输。由电源管理芯片分别输出模拟电压和数字电压，保证了电路供电的稳定性。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和效果：本实用新型的特色是无线化、低功耗、微型化、高稳定性。方便病人穿戴，大大减少了病人身上的有线连接，方便医生对病人进行各种治疗操作；采用ZigBee替代传统的有线连接，使人体处于自然状态，检测得到的信号能够更真实地反映其生理状况。

系统传输等量的容积波数据所耗能量仅为蓝牙的三十分之一，解决了血氧长时间无线监护的功耗问题。

采用光源驱动脉冲调节器，可将驱动能量减少到传统驱动的五分之一，大大节省电源能量，延长使用时间。

采用基于形态匹配的特征提取算法对容积波进行极大值定位，算法简单易实现，计算量小，可靠性高。

使用电源管理芯片，解决无线收发与光源驱动的竞争问题，提高了二极管发光稳定性；同时减少数字部分对模拟部分电路的干扰，提高信号质量。

基于硬件软件化设计理念，将传统电路的部分功能由单片机完成，从而实现模块的微型化。

附图说明

图1为基于ZigBee的无线血氧监护指套的总体结构图；

图2为光源驱动电路；

图3为容积波预处理电路；

图4为无线射频电路；

图5为电源管理电路；

图6光源脉冲调节器输出脉冲时序图；

图7容积波特征提取模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

图1为基于ZigBee的无线血氧监护指套的总体结构图，光源驱动脉冲调节器控制光源驱动电路驱动红光、红外光两个二极管按照一定时序发光，指套通过检测动脉血液的红光、红外光透射光形成的两路容积波信号，经过容积波信号预处理电路、容积波特征提取模块、求取光强比值，进而实时检测人体血氧饱和度，并用ZigBee无线模块替代传统的有线连接实现容积波数据传输。由电源管理芯片分别输出模拟电压和数字电压，保证了电路供电的稳定性。

图2为光源驱动电路，包括三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、二极管D2、D3、波长为660mn的红光发光二极管DS1和波长为890mn的红外光发光二极管DS2、电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20。本设计采用图6的脉冲信号对红光和红外光两路光源进行交替驱动，使发光二极管处于瞬时发光状态，从而大大提高发光管的瞬时发光强度，同时降低功耗。

图3为预处理电路包括电流电压转换电路、差动放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路。

1)光敏管D1、芯片U2A、电阻R13、电容C1构成电流转电压电路。

2)芯片U1A、U1B、U1D、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R8、R10、R11、R12、变位器R21构成差动放大电路，它由两级并联反相放大电路和一级差动放大电路组成，具有高输入阻抗、低失调电压、稳定放大倍数、低输出阻抗和较高抑制共模干扰能力等优点。信号经过差动电路初步放大后，噪声和温漂能得到一定的抑制。

3)芯片U1C、电阻R6、R7、电容C2、C3构成低通滤波电路，由于脉搏容积信号的频率属于低频，其主要频率分量一般在20Hz内。为了滤除脉搏信号中的高频干扰信号，尤其是50Hz工频干扰，同时也为防止后续A/D转换时信号的混叠，本设计采用截止频率为20Hz的二阶无限增益多路反馈低通滤波器。

4)电阻R9和电容C3构成高通滤波电路，经过低通滤波后容积脉搏信号含有伏特级的直流信号和毫伏级的容积脉搏波交流信号，将此信号采集进计算机后就可以作为计算心血管参数所需要的直流成分。为了获得计算脉搏血氧饱和度所需要的交流成分，还需要将低通滤波后容积脉搏波信号进行高通滤波，滤去直流成分。最后，将高通滤波后的信号进行交流放大就可以采集进计算机作为计算脉搏血氧饱和度所需要的交流成分。本高通滤波器采用一阶无源高通滤波器。电容C具有隔直通交作用，滤除信号中直流成分，输出交流成分。由于基线漂移的频率集中在0.7Hz以下，所以为了消除脉搏信号的基线漂移，此高通滤波器的截止频率设为0.7Hz左右。

图4为无线射频电路，以CC2430为核心，包括芯片CC1、电容C11、C13、C14、C15、C16、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C17、C18、电阻R22、电感L1、L2、L3、天线P1、晶振Y1、Y2和开关S1。其中，P1、L1、L2、L3、C11构成射频电路，Y1、Y2、C13、C14、C15、C16为系统提供两种工作频率，C5、C6、C7、C8、C9、C10、C17、C18为电源去耦电容，C12、S1、R22为复位电路。

采样电路使用CC2430内部A/D转换器，设置P0.2口为A/D转换口，1000Hz采样率、12位精度对两路信号进行采样。高采样率保证了容积波信号的高保真度，但数据量过大，会降低后续的信号处理速度。因此，对采集到的数据进行二次采样，通过十点平均将采样率降低为100Hz。

图5为电源管理电路，以TPS71933-33为核心，包括芯片U2、电容C19、C20、C21。TPS71933-33将电池所供电压分两路稳压输出，分别为电路的数字部分和模拟部分供电，解决无线收发与光源驱动的竞争问题，同时减少数字部分对模拟部分电路的干扰，提高信号质量。

图6为光源脉冲调节器输出脉冲时序图，驱动红光、红外光的两路时序分别由P0.0和P0.1产生。用定时器产生1ms中断，在每十个中断中的第一个P0.0输出高电平，驱动红光二极管发光，同时采集红光容积波数据，之后输出低电平；在第六个中断时P0.1输出高电平，驱动红外光二极管发光，同时采集红外光容积波数据，之后输出低电平。如此反复，则采样率为100Hz。利用脉冲驱动，可将驱动能量减少到传统驱动的五分之一，大大节省电源能量，延长使用时间。

图7为容积波特征提取模块流程图，采用基于形态匹配的特征提取算法对血氧容积波进行最大值PW定位。对PW的检测核心是对U角进行形态识别，通过对各类临床容积波的形态进行统计归纳发现，如若一个心动周期内的局部极大值点比其前第0.12秒时刻的幅值大0.5个心动周期极值差，再结合绝对不应期进行剔除，可确认该点为U角。再在U角后的0.08秒内寻找极大值，及该心动周期内的PW。以上算法均可应用与红光和红外光，运算速度快，精度高。从而可进一步计算得到精确的血氧饱和度。通过特征提取，若连续5个周期脉率超过160，则认为室性心动过速；若连续5个心动周期未检出特征点，则认为窦性停搏或是波形异常。系统将对以上异常进行报警。因此，该算法的总体流程为：单片机每次通过数据获取器采集到一个容积波数据，再在绝对不应期比较器中进行比较，如果其当前时刻与前一极大值所在时刻之差大于绝对不应期，则在容积波形态模板匹配器中将其特征与临床模板进行比较，若形态匹配，则确定该点为U角，并保存当前时刻及其数值，用容积波形态自适应修正器对容积波形态进行修正，求取上一心动周期极大值。否则继续采样新数据并根据以上流程进行判断。

本实用新型可采集病人血管容积波并采用ZigBee技术无线传输数据，ZigBee接入终端实时接收数据。上位机实现了对血氧值的监督报警、信息存储和传输。可实现病房中病人血氧饱和度的随身移动监护，帮助医护人员对患者的血氧携氧能力进行监测和防护，为患者提供舒适的医疗监护服务。

Claims

1、一种基于ZigBee的无线血氧监护指套，包括指套、光源，容积波信号预处理电路以及电源管理电路，其特征在于，还包括ZigBee模块，ZigBee模块与容积波信号预处理电路相连。

2、根据权利要求1所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，其特征在于，还包括容积波特征提取模块，容积波信号预处理电路经过容积波特征提取模块与ZigBee模块相连。

3、根据权利要求2所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，其特征在于，ZigBee模块和容积波特征提取模块通过CC2430芯片及其外围电路实现。

4、根据权利要求3所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，其特征在于，容积波特征提取模块依次包括数据获取器、绝对不应期比较器、容积波形态模板匹配器和容积波形态自适应修正器。

5、根据权利要求1所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，其特征在于，还包括与光源驱动电路相连的光源脉冲调节器。

6、根据权利要求1所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，其特征在于，ZigBee模块通过CC2430芯片及其外围电路实现。

7、根据权利要求1所述的基于ZigBee的无线血氧监护指套，其特征在于，所述电源管理电路采用TPS719芯片。