专利名称：基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗电子器械领域，特别涉及一种基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪。
背景技术：
心脏病是威胁人类生命的严重疾病，随着人们生活节奏的加快以及工作压力的增加， 心脏病的发病率不断增加。我国心脏病患者超过2000万，每年有107万人死于心脏病。 而与此同时，我国人口死因最新排行调查显示，近20年我国人口总死亡率下降20.05%， 在前18位主要死因疾病位次中，呼吸系统疾病居首位。据统计，呼吸系统疾病(不包括肺 癌)在我国城市的死亡率病因中占第四位，在农村则占第一位。因此，建立有效地延伸到 医院以外的远程心电监护及救护体系，是提高心血管疾病防治水平的有效途径。现有的医 疗监护设备一般存在以下问题。首先，由于传统的心肺功能监护仪大多体积庞大，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 即了解病人心肺功能状况的情况，医务人员深感不便。其次，在现有的医疗监护系统中， 患者身上佩戴的传感器采集的数据多通过有线的方式即串行口通讯电路(RS-232/485)或 者USB传送到PC上或通过串口网服务器传到局域网上。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， 而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，从而导致所检测的数据不 准确或者意义不大。再者，现有各种医用设备组网为有线方式，不灵活方便，且需网络布 线的要求和费用。现有技术还存在的检测参数单一、扩展能力不强、交互能力差等缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种体积小、功耗低、便携性高、成本低、扩展交互能力 好的基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现 一种基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监 护仪，包括便携式电源管理模块、生理信号采集与调理模块，其特征在于还包括与生理信 号采集与调理模块相连的Zigbee无线数据收发模块。
所述Zigbee无线数据收发模块由芯片CC2430及其外围电路组成，外围电路包括电源 电路，晶振时钟电路，射频输入/输出匹配电路和射频天线。
现有的心电和呼吸率检测装置都是独立运行的，分别采用不同的传感装置。为此，本 实用新型进一步地采用心电与呼吸共用电极系统。电极系统采用3个Ag-Cl电极，使用时分别置于人体左右锁^^正下方和左下腹，通过3个电极可以采集I、II两个导联的心电信号， 通过右锁骨正下方和左下腹的两个电极来检测呼吸频率信号。
为了便于数据传输，为了使无线网络出现故障时能够不间断地监测，所述的基于Zigbee 的心电和呼吸率监护仪还包括USB通讯模块和/或RS-232通讯模块。
所述USB通讯模块由PDIUSBD12芯片及其外围电路构成，所述RS-232通讯模块由 MAX232芯片及其外围电路构成。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和效果
1、 本实用新型在不增加电极的基础上，可同时检测心电图和呼吸率信号，相比以往 的参数检测，可提供更加便捷的方法来检测生命体征信息；
2、 本实用新型采用Zigbee技术替代传统的有线连接，从而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；
3、 本实用新型基于Zigbee技术，体系结构更先进，更利于功能扩展、二次开发和执 行快速复杂的信号检测和分析处理；
4、 Zigbee技术抗干扰能力强、可多结点接入、成本低廉，因此本实用新型具有低成 本、高可靠性、易于扩展的特点。
图1为基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪系统框图； 图2为Zigbee无线数据收发模块框图3为基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪生理信号采集与调理模块电路原理图； 图4为基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪片上软件系统框图； 图5为上位机软件功能层次结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及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。 实施例1
如图l所示的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，包括便携式电源管理模块、生理信 号采集与调理模块、Zigbee无线数据收发模块、RS-232与USB通讯模块和上位机数据分 析处理模块，所述USB通讯模块预留数据与外界的传输功能。其中RS-232与USB模块采 用MAX3232芯片与PDIUSBD12芯片；Zigbee无线数据收发模块由芯片CC2430和外围 原件组成，外围元件包括电源电路，晶振时钟电路，射频输入/输出匹配电路和射频天线。 生理信号与采集调理模块采用AD620芯片、LM324芯片和CD4013芯片。
如图2所示，Zigbee数据无线收发模块芯片CC2430同时内嵌了一个高性能51内核的单片机处理单元、 一个14位的A/D转换单元和一个RF单元，因此无线通讯模块同时实现 了生理信号的A/D转换、数据缓冲、数据无线收发和数据接口控制的功能。
本实用新型按如下工作原理进行的首先生理信号是由各自的传感器来拾取的，例如 ECG (动态心电图)导联电极来检测反映心脏电生理活动的心电信号，由RR (呼吸率)电 极来检测反映肺部呼吸的频率信号。本实施例中，RR电极共用ECG导联电极中的两个电 极。以上信号分别送到各自的生理信号检测和调理电路单元，针对各种信号的特点和要求 进行放大、滤波等相关处理，并将信号调整到一定的幅度(此处位0 1.25V以内)；再经 十四位的Zigbee A/D转换单元把模拟信号转换成数字信号；数据经过Zigbee CPU单元进行 简单的预处理和缓冲，由Zigbee RF单元进行无线传输；上位机数据处理分析诊断系统对 数据进行分析处理和阈值比较及报警，同时由显示终端实时以图形和数据的方式实时显示 ECG、呼吸波形和测量结果，并将结果存储在上位机的数据库当中，以便回放及日后查阅。
如图3所示，Zigbee无线数据收发模块主要由CC2430, MAX3232芯片构成。CC2430 芯片以及电感L1、 L2、 L3，晶振Y1、 Y2，电容Cll、 C12、 C13、 C14、 C15、 C16、 C17、 C18、 C19、 C20、 C21、 C22、 C23、 C24，电阻R22、 R23、 R24及接插件P4构成输入/输 出射频匹配电路；MAX3232芯片以及电容C1、 C2、 C3、 C4、 C5构成RS-232通讯电路； 运放U1A以及电阻R3、 R4、 R5、 R6， 二极管D1，发光二极管LED1构成低压报警电路。
如图4所示，基于Zigbee的穿戴式无线心电和呼吸率监护仪的片上软件部分主要包括 嵌入式操作系统和片上驱动程序。嵌入式操作系统和硬件相关，片上驱动程序负责RS-232 协议，USB协议，Zigbee协议的协议编程，实现对硬件电路底层硬件的相关操作。
如图5所示，基于Zigbee的穿戴式无线心电和呼吸率监护仪的上位机软件系统主要包 括数据分析处理，自动诊断，异常报警，数据存贮和结果显示打印功能。
本实施例实现了医疗监护设备中的相关生理参数的检测存储和实时显示，提供了更准 确的生命体征信息；生理数据分析诊断、阈值设置及监督报警；用Zigbee技术实现生理数 据传输的无线化；拥有一套高效的嵌入式数据预处理系统、操作系统和上位机数据分析诊 断应用软件。
本实施例包括硬件电路、片上软件和上位机软件系统三个部分。
该基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪硬件电路部分 (1)生理信号采集和调理模块通过改进的三电极系统，实现了对心电信号和呼吸信 号的同时拾取，对高频、工频干扰信号进行滤波和抑制，对模拟量进行放大、量程调整和 基线漂移抑制。由于人体信号十分微弱，在检测生理信号的同时存在强大的干扰，如工频 50Hz和极化电压等干扰。因此，前极采用运放组成并联型差动放大器，后级电路采用廉价 的普通运算放大器，将双端信号转换为单端信号输出。(2) Zigbee数据无线收发模块芯片CC2430同时内嵌了一个高性能51内核的单片机 处理单元、 一个14位的A/D转换单元和一个RF单元，因此无线通讯模块同时实现了生理 信号的A/D转换、数据缓冲、数据无线收发和通用接口控制的功能。
(3) RS-232和USB通讯模块通过采用相关的芯片，在CC2430内嵌单片机的控制下， 实现了将通过无线方式所收集到的数据上传至上位机处理系统的功能。
该基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪片上软件部分 (1 )嵌入式Zigbee通讯网络系统采用Mississippi State University开发的 ZigBee -subset/ffiEE 802.15.4 TMMulti-platform Protocol Stack作为协议栈。此协议栈功能完 善，结构简单，性能稳定，抗干扰能力强，开发周期短，可移植性强。
(2)片上应用软件程序符合Zigbee通讯规范，同时实现系统对各种硬件资源的控制。 该基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪系统还包括上位机软件系统 (1)智能化上位机生理参数诊断分析显示应用软件，应用现代时域、频域及时频结 合的小波分析方法，它不仅使检测更精密、更准确，而且能对数据进行快速自动分析处理， 并结合医学专家经验解决生物医学信号自动检测、分析及显示。
本实用新型用Zigbee无线通讯方式替代常规的有线电缆，能够同时采集、实时显示， 二十四小时生理信息存储，心肺功能数据分析诊断并监督报警，内含嵌入式应用软件，实 时检测人体心电和呼吸率信号。
权利要求1、一种基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪，包括便携式电源管理模块、生理信号采集与调理模块，其特征在于还包括与生理信号采集与调理模块相连的Zigbee无线数据收发模块。
2、 根据权利要求l所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特征在 于，生理信号采集与调理模块采用心电与呼吸共用电极系统。
3、 根据权利要求l或2所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特 征在于所述Zigbee无线数据收发模块由芯片CC2430及其外围电路组成。
4、 根据权利要求3所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特征在 于所述芯片CC2430的外围电路包括电源电路，晶振时钟电路，射频输入/输 出匹配电路和射频天线。
5、 根据权利要求1或2所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特 征在于还包括USB通讯模块。
6、 根据权利要求5所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特征在 于所述USB通讯模块由PDIUSBD12芯片及其外围电路构成。
7、 根据权利要求5所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特征在 于还包括RS-232通讯模块。
8、 根据权利要求7所述的基于Zigbee的心电和呼吸率监护仪，其特征在 于所述RS-232通讯模块由MAX232芯片及其外围电路构成。
专利摘要本实用新型公开了一种基于Zigbee的穿戴式心电和呼吸率监护仪，包括便携式电源管理模块、生理信号采集与调理模块，其特征在于还包括与生理信号采集与调理模块相连的Zigbee无线数据收发模块。本实用新型以穿戴式检测技术为基础，采用了全新的低功耗无线数据通讯解决方案，实现了一种具有心电和呼吸率生理信号无线传输以及实时分析、处理和显示功能的监护仪，具有便携性高，不间断实时检测，低功耗，低成本，检测精度高，抗运动干扰能力强，微型化以及舒适度高等优点。
文档编号H04B5/00GK201227272SQ20082005124
公开日2009年4月29日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者吴效明, 林绍杰, 陈延慧, 韩俊南 申请人:华南理工大学