专利名称：基于ZigBee的病房无线监护系统的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗电子器械领域，特别涉及一种对人体多种生理参数进行检测、传输、存 储和监护预警的基于ZigBee的病房无线监护系统。
背景技术：
目前使用有线连接的传统监护系统往往体积和功耗大，只能在特定区域内使用，缺乏灵
活性，限制了病人和医护人员的行动；且易引起患者的不舒适，特别是需要长期监护的患者， 难以实现患者真实生理状况的实时监护，影响检测数据的准确性。而无线技术可改变传统有 线监护方式，为患者提供舒适、持续的生命特征参数的监测服务。可使病房医疗监护系统中 的设备具有微型化，无线化的特点，并能以低成本建立具有良好扩展性的无线网络系统，快 速、方便地解决使用有线方式所不易实现的网络联通问题。由于没有线缆的限制，用户可在 天线覆盖范围内移动，而不影响实时信息交换；由于不需要繁琐的布线工作，建网时间可以 大大减少，减少对正常医务工作的干扰时间；无线网络，特别是多用户接口时，没有有线网 络的布线杂乱等问题，维修十分简单快捷；效率更高，可给用户带来更高的投资效益。
以往医疗网络系统的解决方案，多采用有线方式或简单的无线数据发射、接收方式。整 个系统的建设和更新工程较为复杂，成本也很昂贵，没有很好的扩展性，安装在用户身上的 传感器也难以自由、灵活地移动和接入。同时，无法实现联网监护，这可能导致关键数据丢 失；监护不同的病人时，还必须在使用地点重新进行网络连接操作。若操作不当或操作次数 过多，可导致网络接口损坏，影响设备正常使用。
在我国，人口数量不断增长，医疗卫生资源和医务人员明显供不应求。政府的预测报告 显示，2015年，将会有114000个护士职位空缺。因此，在将来，对医生、护士等医务人员 的有效利用率将受到极大的挑战。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种对人体多种生理参数进行检测、传输、存储和监 护预警的基于ZigBee的病房无线监护系统。 本发明的目的可通过下述技术方案实现
一种基于ZigBee的病房无线监护系统，包括多种内置ZigBee模块的生理参数微型化模 块、包括ZigBee模块的监护基站、护士中央服务器，所述生理参数微型化模块通过ZigBee 与监护基站无线连接，监护基站与护士中央服务器相连接，所述病房无线监护系统采用三层 管理结构， 一台护士中央服务器管理多台监护基站，每台监护基站管理多个不同类型的生理
参数微型化模块。所述生理参数微型化模块的种类包括心电模块、血氧模块、呼吸模块、心 音模块、体温模块。所述监护基站包括数据接收处理模块、信号分析诊断模块、通信模块以 及数据存储模块。所述护士中央服务器包括通信模块、信息管理模块以及数据库服务器。
进一步地，ZigBee的体系结构从下往t包括物理层、数据链路层和应用层。
本发明的目的也可通过下述技术方案实现
一种基于ZigBee的病房无线监护系统，包括多种内置ZigBee模块的生理参数微型化模 块、ZigBee路由器、ZigBee网络协调器、护士中央服务器，所述生理参数微型化模块、ZigBee 路由器以及ZigBee网络协调器构成无线树型局域网，ZigBee网络协调器与护士中央服务器 相连。所述生理参数微型化模块的种类包括心电模块、血氧模块、呼吸模块、心音模块、体 温模块。所述护士中央服务器包括数据接收处理模块、信号分析诊断模块、通信模块、信息 管理模块以及数据库服务器。
为实现病区中的病人无线式监护，为患者提供舒适的医疗监护服务，本发明创新性地提 出将传感器微型化，采用穿戴式检测技术，对病人进行包括心电、心音、脉搏、体温、心率、 血氧等多种生理参数的实时检测，并采用最新的ZigBee短距离无线通信技术，构建基于 ZigBee的病房无线监护系统。系统采用ZigBee无线检测传输方式，低功耗、低成本、组网 方便、检测参数多样、扩展交互能力好。ZigBee通信技术不但能够实现长期、持续的监测， 而且能够对病人的健康状况以及生理信息进行实时的显示，有助于医生的会诊。同时依靠减 少医生与病人之间的面对面的会诊，能够帮助弥补医疗卫生资源的不足，也能维持或提高保 健质量。基于ZigBee技术的无线生理参数微型化模块，可实时检测人体的心电、心率、血氧 饱和度、血压、呼吸频率和体温等重要参数，并进行信号无线传输，为医学临床诊断提供重 要的病人信息，而且可实现对各参数的监督报警、信息存储和传输。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果本发明的特色是无线化、微型化、自动 化，根据医院具体实际可提供相应的解决方案。利用ZigBee技术，创新性地将传感器与Zigbee 模块微型化后集成为一个整体生理参数检测模块，实现生理参数无线传输的贴身式检测，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；系统传输等量的生理数据所耗能量仅为蓝牙的三十分之一；另外，病人受监护范围 可从病房扩大到病区，大大增加了病人的活动空间；ZigBee芯片的成本相对较低，基于ZigBee 技术的系统具有很高的抗干扰能力和多点接入能力，使得本系统具有低功耗、微型化、低成 本、组网方便、检测参数多样、扩展交互能力好、高可靠性的特点。
本发明可采集心电信号、心率、心音、血氧饱和度和体温等多种生理参数并采用ZigBee 技术无线传输数据，ZigBee接入终端实时接收数据。监护基站实现了对各参数的监督报警、 信息存储和传输，可实现病房集中无线监护、病人随身移动监护，帮助医护人员对患者病情 进行监测和防护，为患者提供舒适的医疗监护服务。
本发明可大大减少医生巡房、护士测量、记录病人生命体征参数的时伺和工作量，从而 提高病房医疗监护管理工作效率。
图l为基于ZigBee的病房无线监护系统的总体结构图2为基于ZigBee的病房无线监护系统在病区中的应用及结构分布图3为ZigBee四层结构图及优化三层协议栈；
图4为监护基站系统的层次结构图5为护士中央服务器系统的层次结构图6为基于ZigBee的病房无线监护系统在病人移动监护中的应用及树型结构分布图； 图7为基于ZigBee的病房无线监护系统在病人移动监护中护士中央服务器系统的层次
结构图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 实施例1
如图1所示基于ZigBee的病房无线监护系统，包括多种内置ZigBee模块的生理参数微 型化模块、包括ZigBee模块的监护基站、护士中央服务器，生理参数微型化模块通过ZigBee 与监护基站无线连接，监护基站与护士中央服务器相连接。采用三层管理结构，即一台护士 中央服务器管理多台监护基站，每台监护基站管理多个不同类型的生理参数微型化模块。生 理参数微型化模块的种类包括心电模块、血氧模块、呼吸模块、心音模块、体温模块。
每个生理参数微型化模块包括信号预处理电路及无线射频电路，无线射频电路以CC2430 为核心。
每个无线模块通过ZigBee与主节点无线数据传输，主节点通过RS232与监护基站相连。 如图1所示为基于ZigBee的病房无线监护系统，多个无线生理参数微型化模块先通过 传感器与预处理电路将生物医学信号转换成电信号，并进行干扰抑制、信号滤波和放大等预 处理；然后通过CC2430内置ADC对数据进行采样、量化，再将转换后的数字信号送入基于 ZigBee技术的RF发射器送往主节点。主节点将数据通过RS232送往监护基站。监护基站将 多个无线生理参数微型化模块整合起来，对一个病人的心电、血氧、呼吸、心音和体温等生
理参数进行监测，显示监护和报警信息；结合其他生化参数和病人信息确定病人病情状态。 监护基站可以与护士中央服务器进行通讯，并接受服务器的控制。护士中央服务器连接多台 监护基站，使得护士既可同时监护多名病人的状况，又可对某个病人的生理信息进行特定观 察，为医生和患者提供人性化服务。而且，护士中央服务器负责管理病人信息并与医院信息 系统连接。
如图2所示，基于ZigBee的病房无线监护系统在病区中的应用及星型群体结构分布图， 采用无线通信方式，实现了护士中央服务器与各个病房床边监护基站间的实时通信，具有安 装维护方便、稳定性高、抗干扰能力强、功耗低以及利用率高等优点。系统由护士中央服务 器、床边监护基站群和无线生理参数微型化模块群组成。护士中央服务器位于护士站，管理 多台监护基站，通过局域网值班护士可同时监护多名病人的状况。每台监护基站协调一个躯 域传感网，采用星型拓扑结构管理多个生理参数微型化模块，无线监护病人多个生理参数。 ZigBee作为一种供固定或移动设备使用的、低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线连接技 术，非常适合组建穿戴式监护的前端无线传感网络，可以大大减少危重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。
如图3所示为ZigBee四层结构图及优化三层协议栈。四层结构图从下往上为物理层 (PHY)、数据链路层(MAC)、网络层(NET)、应用层(APL)，本实施例去掉网络层，优化成 三层结构。系统采用Chipcon公司的CC2430射频芯片，它是具有高性能8051内核的无线单 片机，在单个芯片上集成了微控制器、ZigBeeRF前端和数模转换等电路。协议栈根据ZigBee 协议自行开发，并根据应用实际优化协议栈。由于无线生理参数微型化模块子节点RFD结构 相对固定，数据传输仅在子节点RFD与监护基站主节点C00RD间进行，因此采用星型拓扑结 构，网络构建周期短，数据传输效率高。在星型网络中，网络层的功能变得冗余，因此本发 明对网络层协议进行精简，实现ZigBee协议栈从MAC层直接跳跃到APL层，从而提高网络效 率。另外网络中各节点的IEEE地址统一分配，消息目的节点的短地址均已知，因此采用静态 PAN IDs、直接消息模式，以免产生网络冲突。
主节点C00RD扫描信道，如果管理层实体找到合适通道，则利用所得信息为新网络选择 一个PAN标识符。网络建立成功后，可启动各RFD先后进行MAC层复位、信道扫描、PAN选 择、连接请求，若得到C00RD的请求确认和连接响应，则RFD成功入网，各无线生理参数微 型化模块子节点RFD开始工作。另外，根据各节点IEEE地址的唯一性建立了长短地址映射机 制，在整个网络运行中均使用16位短地址模式而非64位长地址模式，以提高网络传输效率 及网络性能。
ZigBee的理论传输速率为250kbps，但实际上每完成1Byte的负载需要外加大约50Bytes 的帧信息，因此，即使使用非应答式信号传递模式，完成一次收发至少要5ms以上。为进一 步提高实际传输速度，采用FIF0 (先进先出)缓冲技术。即每个RFD将采样得到的数据暂存 进缓冲区，直到接收到C00RD的发送命令时才一并将所有数据发给C00RD。而C00RD每隔五 个中断(25ms)对五个传感器节点轮流发送命令，从而取得数据实时性与网络高效性的折中。
系统应用的一大特点是在一定的空间构建多个相对独立的无线网络(如图2)， ZigBee网 络有16个信道，而应用中每一信道均满负荷，所以在病区内最多只能构建16个独立的躯感 网。并采用信道及网标锁定技术，即各网络使用不同信道，设定不同PANID。从而使得每个 网络具有唯一的信道、网标，避免了网络冲突，提高了网络的稳定性。
为保证网络对数据的纠错能力，在MAC层中使用帧校验序列(FCS)。帧校验序列字段FCS 是一个16比特的序列，它具有很强的检错能力，能检测出在任何位置上的3个以内的错误、 所有的奇数个错误、16个比特之内的连续错误以及大部分的大量突发错误。通过检査所传输 帧数据的完整性，FCS可以进行高级别的物理差错控制。首先，传输方使用基于帧中所有位 的值的算法得出序列号。然后接收方对接收到的帧采用相同的算法，将得到的值与CRC作比 较。由于系统涉及对病人的无线监护控制，网络的安全性至关重要。为防止恶意破坏，采用 基于链路密钥和网络密钥的网络安全服务。通过设置主节点C00RD的网络层PIB (PAN Information Base,个域信息库)属性，为网络提供安全服务。另外，COORD对入网的路由 或子节点进行验证，防止非法节点入网。从而为病人提供安全的监护控制。
如图4所示为监护基站系统的层次结构图，监护基站的系统包括数据接收处理模块、信 号分析诊断模块、通信模块以及数据存储模块。每一模块的功能及特点如下
数据接入模块通过RS 232或USB2. 0与ZigBee网络协调器通信，包括驱动和通信应答 协议。RS 232采用115200kbps波特率，USB2. 0采用480Mbps速率，远远满足病区生理数据 吞吐量要求。
网络通信模块监护基站通过局域网连接到护士中央服务器，和中央服务器进行数据通 信，利用Socket以及多线程技术实现。采用流式套接字，提高对用户的响应速度并且实时处 理所需数据以便同时完成工作；多线程通过利用用户事件之间很小的时间段在后台处理数据 以实现监护基站和中央服务器之间的实时网络通信。
数据处理模块对心电信号、容积波采用整系数线性二阶五点平均滑动低通滤波器，能 对50Hz工频陷波，对高频干扰有较好的抑制作用，而且滤波器对ECG信号的中心频率幅值损 失不大，17Hz的相对幅值为83%;对呼吸信号采用20点平均滑动低通滤波器。
辅助诊断模块采用基于形态匹配的特征提取算法对心电图、容积波、呼吸波进行特征
提取；采用小波分析法对心音图进行特征提取。使用神经网络构建生理参数诊断专家库对各 种信号进行实时分析。
异常报警模块根据专家库诊断结果，对潜在病理性信号进行报警，提示护士对病人进 行及时护理。
数据库访问模块数据库管理系统采用Microsoft SQL Server 2000， ODBC接口实现数 据的访问。主要建立患者信息库及生理参数库。
图形化人机接口 用可视化程序设计语言￥^1^1[++编制应用程序，充分利用Windows MFC 的图形界面风格，多任务管理以及与设备无关性支持等特长，为护士提供人性化操作界面。 包括波形显示、信息输入、参数设定等功能。
如图5所示为护士中央服务器系统的层次结构图，护士中央服务器的系统包括包括通信 模块、信息管理模块以及数据库服务器。每一模^t的功能及特点如下
网络通信模块主要与各个监护基站建立连接，实现数据接收及远程控制。并与医院信
息系统、信息科服务器连接，纳入医院信息的统一管理体系。
异常报警模块随时处于监听状态，响应基站的报警。
手动诊断模块为临床医师提供历史数据，并测量各种生理参数，方便医师做进一步诊断。
数据库访问模块建立患者信息数据库，包括患者信息的添加、修改、删除等操作，建立 患者病历信息表。定期备份各个监护基站的数据。
用户界面监护管理模块供医护人员随时查询任一患者当前生理状态，査询患者历史生 理信息。屏幕波形显示模块的功能是供医护人员直观地观察患者的生理信息和进行相关操作， 包括普通患者监护区、重症监护区。
实施例2
为进一步扩大用户在病区无线监护网络系统中的可移动区域，如图6系统采用树型拓扑 构建病区的全无线网络。根据三个核心栈参数(栈深度MaxD印th:5，最大子节点数 MaxChildren=17，和最大路由数MaxRoutersPerParent=4)构建三层树型拓扑结构，采用传 统四层体系结构。ZigBee网络协调器建立网络，如果管理层实体找到合适通道，则为新网络 选择一个PAN标识符。网络建立成功后，ZigBee路由器可通过预先分配的父设备直接同网络 连接。ZigBee路由器成功入网，则可启动各无线生理参数微型化模块入网并开始工作，并与 病区网络协调器进行通讯。微型化模块、路由器、网络协调器、护士中央服务器之间能进行 交互式无线通信，形成了一个分布式无线交互通信网络。从而实现病人在病区任何位置的移 动生理监护。系统组网灵活简便，根据病区具体实际提供多种解决方案。克服了有线方式的
连线繁琐、安装复杂、故障率高和维护困难等缺点。
如图7所示为基于ZigBee的病房无线监护系统在病人移动监护中护士中央服务器系统的 层次结构图，护士中央服务器的系统包括数据接收处理模块、信号分析诊断模块、通信模块、 信息管理模块以及数据库服务器。每一模块的功能及特点如下
数据接入模块通过RS 232或USB2. 0与ZigBee网络协调器通信，包括驱动和通信应答 协议。RS 232采用115200kbps波特率，USB2. 0采用480Mbps速率，远远满足病区生理数据 吞吐量要求。—
数据处理模块对心电信号、容积波采用整系数线性二阶五点平均滑动低通滤波器，能 对50Hz工频陷波，对高频干扰有较好的抑制作用，而且滤波器对ECG信号的中心频率幅值损 失不大，17Hz的相对幅值为83X;对呼吸信号采用20点平均滑动低通滤波器。
辅助诊断模块采用基于形态匹配的特征提取算法对心电图、容积波、呼吸波进行特征 提取；采用小波分析法对心音图进行特征提取。使用神经网络构建生理参数诊断专家库对各 种信号进行实时分析。
异常报警模块根据专家库诊断结果，对潜在病理性信号进行报警，提示护士对病人进 行及时护理。
网络通信模块主要与各个监护基站建立连接，实现数据接收及远程控制。并与医院信
息系统、信息科服务器连接，纳入医院信息的统一管理体系。
数据库访问模块建立患者信息数据库，包括患者信息的添加、修改、删除等操作，建立 患者病历信息表。定期备份各个监护基站的数据。
用户界面监护管理模块供医护人员随时査询任一患者当前生理状态，查询患者历史生 理信息。屏幕波形显示模块的功能是供医护人员直观地观察患者的生理信息和进行相关操作， 包括普通患者监护区、重症监护区。
权利要求
1.一种基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，包括多种内置ZigBee模块的生理参数微型化模块、包括ZigBee模块的监护基站、护士中央服务器，所述生理参数微型化模块通过ZigBee与监护基站无线连接，监护基站与护士中央服务器相连接，所述病房无线监护系统采用三层管理结构，一台护士中央服务器管理多台监护基站，每台监护基站管理多个不同类型的生理参数微型化模块。
2、 根据权利要求1所述的基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，所述生理参 数微型化模块的种类包括心电模块、血氧模块、呼吸模块、心音模块、体温模块。
3、 根据权利要求1所述的基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，所述监护基 站包括数据接收处理模块、信号分析诊断模块、通信模块以及数据存储模块。
4、 根据权利要求l所述的基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，所述护士中 央服务器包括通信模块、信息管理模块以及数据库服务器。
5、 根据权利要求l所述的基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，ZigBee的体 系结构从下往上包括物理层、数据链路层和应用层。
6、 一种基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在T，包括多种内置ZigBee模块的生 理参数微型化模块、ZigBee路由器、ZigBee网络协调器、护士中央服务器，所述生理参数微 型化模块、ZigBee路由器以及ZigBee网络协调器构成无线树型局域网，ZigBee网络协调器 与护士中央服务器相连。
7、 根据权利要求6所述的基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，所述生理参 数微型化模块的种类包括心电模块、血氧模块、呼吸模块、心音模块、体温模块。
8、 根据权利要求6所述的基于ZigBee的病房无线监护系统，其特征在于，所述护士中 央服务器包括数据接收处理模块、信号分析诊断模块、通信模块、信息管理模块以及数据库 服务器。
全文摘要
本发明公开了一种基于ZigBee的病房无线监护系统，包括多个无线生理参数微型化模块、监护基站、护士中央服务器。本发明还公开了基于ZigBee的病房无线监护系统在病区集中无线监护、病人随身移动监护中的应用。本发明可采集心电信号、心率、心音、血氧饱和度和体温等多种生理参数并采用ZigBee技术无线传输数据，可实现病区集中无线监护、病人随身移动监护，方便医护人员对患者病情进行监测和防护。本发明本系统具有低功耗、微型化、低成本、组网方便、检测参数多样、扩展交互能力好、高可靠性的特点；能够更真实地反映人体生理状况；可以大大减少危重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。
文档编号H04L12/28GK101371801SQ20081019907
公开日2009年2月25日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者吴效明, 张攀登, 林绍杰 申请人:华南理工大学