專利名稱：基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療電子器械領域，特別涉及一種基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀。
背景技術：
心臟病是威脅人類生命的嚴重疾病，隨著人們生活節(jié)奏的加快以及工作壓力的增加， 心臟病的發(fā)病率不斷增加。我國心臟病患者超過2000萬，每年有107萬人死于心臟病。 而與此同時，我國人口死因最新排行調查顯示，近20年我國人口總死亡率下降20.05%， 在前18位主要死因疾病位次中，呼吸系統疾病居首位。據統計，呼吸系統疾病(不包括肺 癌)在我國城市的死亡率病因中占第四位，在農村則占第一位。因此，建立有效地延伸到 醫(yī)院以外的遠程心電監(jiān)護及救護體系，是提高心血管疾病防治水平的有效途徑。現有的醫(yī) 療監(jiān)護設備一般存在以下問題。首先，由于傳統的心肺功能監(jiān)護儀大多體積龐大，附件較 多，因此在危重病人搶救，外出巡診、野戰(zhàn)條件等特定應用場合，在現場醫(yī)護人員需要立 即了解病人心肺功能狀況的情況，醫(yī)務人員深感不便。其次，在現有的醫(yī)療監(jiān)護系統中， 患者身上佩戴的傳感器采集的數據多通過有線的方式即串行口通訊電路(RS-232/485)或 者USB傳送到PC上或通過串口網服務器傳到局域網上。由于將檢測設備通過有線方式連到 人體上進行監(jiān)測的傳統方法會使患者感覺受到束縛，無法放松心情，影響日常工作生活， 而人體處于自然狀態(tài)時的生理信號才能真實地反映其生理狀況，從而導致所檢測的數據不 準確或者意義不大。再者，現有各種醫(yī)用設備組網為有線方式，不靈活方便，且需網絡布 線的要求和費用?，F有技術還存在的檢測參數單一、擴展能力不強、交互能力差等缺陷。
實用新型內容
本實用新型的目的在于提供一種體積小、功耗低、便攜性高、成本低、擴展交互能力 好的基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀。
本實用新型的目的通過下述技術方案實現 一種基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān) 護儀，包括便攜式電源管理模塊、生理信號采集與調理模塊，其特征在于還包括與生理信 號采集與調理模塊相連的Zigbee無線數據收發(fā)模塊。
所述Zigbee無線數據收發(fā)模塊由芯片CC2430及其外圍電路組成，外圍電路包括電源 電路，晶振時鐘電路，射頻輸入/輸出匹配電路和射頻天線。
現有的心電和呼吸率檢測裝置都是獨立運行的，分別采用不同的傳感裝置。為此，本 實用新型進一步地采用心電與呼吸共用電極系統。電極系統采用3個Ag-Cl電極，使用時分別置于人體左右鎖^^正下方和左下腹，通過3個電極可以采集I、II兩個導聯的心電信號， 通過右鎖骨正下方和左下腹的兩個電極來檢測呼吸頻率信號。
為了便于數據傳輸，為了使無線網絡出現故障時能夠不間斷地監(jiān)測，所述的基于Zigbee 的心電和呼吸率監(jiān)護儀還包括USB通訊模塊和/或RS-232通訊模塊。
所述USB通訊模塊由PDIUSBD12芯片及其外圍電路構成，所述RS-232通訊模塊由 MAX232芯片及其外圍電路構成。
本實用新型與現有技術相比，具有如下優(yōu)點和效果
1、 本實用新型在不增加電極的基礎上，可同時檢測心電圖和呼吸率信號，相比以往 的參數檢測，可提供更加便捷的方法來檢測生命體征信息；
2、 本實用新型采用Zigbee技術替代傳統的有線連接，從而使人體處于自然狀態(tài)，檢 測得到的信號能夠更真實地反映其生理狀況；
3、 本實用新型基于Zigbee技術，體系結構更先進，更利于功能擴展、二次開發(fā)和執(zhí) 行快速復雜的信號檢測和分析處理；
4、 Zigbee技術抗干擾能力強、可多結點接入、成本低廉，因此本實用新型具有低成 本、高可靠性、易于擴展的特點。


圖1為基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀系統框圖； 圖2為Zigbee無線數據收發(fā)模塊框圖3為基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀生理信號采集與調理模塊電路原理圖； 圖4為基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀片上軟件系統框圖； 圖5為上位機軟件功能層次結構圖。
具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式 不限于此。 實施例1
如圖l所示的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，包括便攜式電源管理模塊、生理信 號采集與調理模塊、Zigbee無線數據收發(fā)模塊、RS-232與USB通訊模塊和上位機數據分 析處理模塊，所述USB通訊模塊預留數據與外界的傳輸功能。其中RS-232與USB模塊采 用MAX3232芯片與PDIUSBD12芯片；Zigbee無線數據收發(fā)模塊由芯片CC2430和外圍 原件組成，外圍元件包括電源電路，晶振時鐘電路，射頻輸入/輸出匹配電路和射頻天線。 生理信號與采集調理模塊采用AD620芯片、LM324芯片和CD4013芯片。
如圖2所示，Zigbee數據無線收發(fā)模塊芯片CC2430同時內嵌了一個高性能51內核的單片機處理單元、 一個14位的A/D轉換單元和一個RF單元，因此無線通訊模塊同時實現 了生理信號的A/D轉換、數據緩沖、數據無線收發(fā)和數據接口控制的功能。
本實用新型按如下工作原理進行的首先生理信號是由各自的傳感器來拾取的，例如 ECG (動態(tài)心電圖)導聯電極來檢測反映心臟電生理活動的心電信號，由RR (呼吸率)電 極來檢測反映肺部呼吸的頻率信號。本實施例中，RR電極共用ECG導聯電極中的兩個電 極。以上信號分別送到各自的生理信號檢測和調理電路單元，針對各種信號的特點和要求 進行放大、濾波等相關處理，并將信號調整到一定的幅度(此處位0 1.25V以內)；再經 十四位的Zigbee A/D轉換單元把模擬信號轉換成數字信號；數據經過Zigbee CPU單元進行 簡單的預處理和緩沖，由Zigbee RF單元進行無線傳輸；上位機數據處理分析診斷系統對 數據進行分析處理和閾值比較及報警，同時由顯示終端實時以圖形和數據的方式實時顯示 ECG、呼吸波形和測量結果，并將結果存儲在上位機的數據庫當中，以便回放及日后查閱。
如圖3所示，Zigbee無線數據收發(fā)模塊主要由CC2430, MAX3232芯片構成。CC2430 芯片以及電感L1、 L2、 L3，晶振Y1、 Y2，電容Cll、 C12、 C13、 C14、 C15、 C16、 C17、 C18、 C19、 C20、 C21、 C22、 C23、 C24，電阻R22、 R23、 R24及接插件P4構成輸入/輸 出射頻匹配電路；MAX3232芯片以及電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5構成RS-232通訊電路； 運放U1A以及電阻R3、 R4、 R5、 R6， 二極管D1，發(fā)光二極管LED1構成低壓報警電路。
如圖4所示，基于Zigbee的穿戴式無線心電和呼吸率監(jiān)護儀的片上軟件部分主要包括 嵌入式操作系統和片上驅動程序。嵌入式操作系統和硬件相關，片上驅動程序負責RS-232 協議，USB協議，Zigbee協議的協議編程，實現對硬件電路底層硬件的相關操作。
如圖5所示，基于Zigbee的穿戴式無線心電和呼吸率監(jiān)護儀的上位機軟件系統主要包 括數據分析處理，自動診斷，異常報警，數據存貯和結果顯示打印功能。
本實施例實現了醫(yī)療監(jiān)護設備中的相關生理參數的檢測存儲和實時顯示，提供了更準 確的生命體征信息；生理數據分析診斷、閾值設置及監(jiān)督報警；用Zigbee技術實現生理數 據傳輸的無線化；擁有一套高效的嵌入式數據預處理系統、操作系統和上位機數據分析診 斷應用軟件。
本實施例包括硬件電路、片上軟件和上位機軟件系統三個部分。
該基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀硬件電路部分 (1)生理信號采集和調理模塊通過改進的三電極系統，實現了對心電信號和呼吸信 號的同時拾取，對高頻、工頻干擾信號進行濾波和抑制，對模擬量進行放大、量程調整和 基線漂移抑制。由于人體信號十分微弱，在檢測生理信號的同時存在強大的干擾，如工頻 50Hz和極化電壓等干擾。因此，前極采用運放組成并聯型差動放大器，后級電路采用廉價 的普通運算放大器，將雙端信號轉換為單端信號輸出。(2) Zigbee數據無線收發(fā)模塊芯片CC2430同時內嵌了一個高性能51內核的單片機 處理單元、 一個14位的A/D轉換單元和一個RF單元，因此無線通訊模塊同時實現了生理 信號的A/D轉換、數據緩沖、數據無線收發(fā)和通用接口控制的功能。
(3) RS-232和USB通訊模塊通過采用相關的芯片，在CC2430內嵌單片機的控制下， 實現了將通過無線方式所收集到的數據上傳至上位機處理系統的功能。
該基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀片上軟件部分 (1 )嵌入式Zigbee通訊網絡系統采用Mississippi State University開發(fā)的 ZigBee -subset/ffiEE 802.15.4 TMMulti-platform Protocol Stack作為協議棧。此協議棧功能完 善，結構簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，開發(fā)周期短，可移植性強。
(2)片上應用軟件程序符合Zigbee通訊規(guī)范，同時實現系統對各種硬件資源的控制。 該基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀系統還包括上位機軟件系統 (1)智能化上位機生理參數診斷分析顯示應用軟件，應用現代時域、頻域及時頻結 合的小波分析方法，它不僅使檢測更精密、更準確，而且能對數據進行快速自動分析處理， 并結合醫(yī)學專家經驗解決生物醫(yī)學信號自動檢測、分析及顯示。
本實用新型用Zigbee無線通訊方式替代常規(guī)的有線電纜，能夠同時采集、實時顯示， 二十四小時生理信息存儲，心肺功能數據分析診斷并監(jiān)督報警，內含嵌入式應用軟件，實 時檢測人體心電和呼吸率信號。
權利要求1、一種基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀，包括便攜式電源管理模塊、生理信號采集與調理模塊，其特征在于還包括與生理信號采集與調理模塊相連的Zigbee無線數據收發(fā)模塊。
2、 根據權利要求l所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特征在 于，生理信號采集與調理模塊采用心電與呼吸共用電極系統。
3、 根據權利要求l或2所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特 征在于所述Zigbee無線數據收發(fā)模塊由芯片CC2430及其外圍電路組成。
4、 根據權利要求3所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特征在 于所述芯片CC2430的外圍電路包括電源電路，晶振時鐘電路，射頻輸入/輸 出匹配電路和射頻天線。
5、 根據權利要求1或2所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特 征在于還包括USB通訊模塊。
6、 根據權利要求5所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特征在 于所述USB通訊模塊由PDIUSBD12芯片及其外圍電路構成。
7、 根據權利要求5所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特征在 于還包括RS-232通訊模塊。
8、 根據權利要求7所述的基于Zigbee的心電和呼吸率監(jiān)護儀，其特征在 于所述RS-232通訊模塊由MAX232芯片及其外圍電路構成。
專利摘要本實用新型公開了一種基于Zigbee的穿戴式心電和呼吸率監(jiān)護儀，包括便攜式電源管理模塊、生理信號采集與調理模塊，其特征在于還包括與生理信號采集與調理模塊相連的Zigbee無線數據收發(fā)模塊。本實用新型以穿戴式檢測技術為基礎，采用了全新的低功耗無線數據通訊解決方案，實現了一種具有心電和呼吸率生理信號無線傳輸以及實時分析、處理和顯示功能的監(jiān)護儀，具有便攜性高，不間斷實時檢測，低功耗，低成本，檢測精度高，抗運動干擾能力強，微型化以及舒適度高等優(yōu)點。
文檔編號H04B5/00GK201227272SQ20082005124
公開日2009年4月29日 申請日期2008年7月24日 優(yōu)先權日2008年7月24日
發(fā)明者吳效明, 林紹杰, 陳延慧, 韓俊南 申請人:華南理工大學