多通道呼吸生理信號無線監測系統及方法
2023-06-12 08:33:31
專利名稱：多通道呼吸生理信號無線監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及遙測無線監護技術，具體是指多通道呼吸生理信號無線監測系 統及方法。
背景技術：
基於GSM (Global System for Mobile Communications)禾口 GPRS (General Packet Radio Service)的無線監護儀雖然移動性強、但數據傳輸速率低，發 射功率大，而且通常只有一個通道。基於藍牙技術的遙測無線監護儀則傳輸 距離較短，使用受限。
呼吸疾病的診治有賴於呼吸信號的監測，呼吸信號的無線監測對6分鐘步 行試驗的評價，病房裡的病人的監測有重大價值。目前尚無多通道呼吸信號無 線監護系統。呼吸信號無線監護系統要求同時獲取多通道膈肌肌電、心電、呼 吸壓力及呼吸氣流等生物微弱信號。例如肌電信號幅度可能只有幾個微伏，但 其頻率較高，高達500Hz。而呼吸壓力及呼吸氣流信號的頻率則主要在0-20Hz
範圍。要實現無失真採集各種呼吸生物信號包括膈肌肌電、呼吸壓力及呼吸氣 流信號，要求高採樣率。另外，呼吸無線監護儀要求輕便可隨身攜帶，實時監 測。目前尚沒有能同時對多種呼吸生理信號進行長距離(達100米)高精度、 實時遙測的技術。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點與不足，提供一種多通道呼吸 生理信號無線監測系統及方法，受試者只需配戴可隨身攜帶的信號採集發送端 便可把5通道膈肌肌電信號或心電信號，3通道呼吸壓力及流量信號通過無線 方式傳送到遠端的監護中心，監護中心可對多通道信號進行實時或事後的顯 示、存儲、分析與處理。
本發明的目的通過下述方案實現本多通道呼吸生理信號無線監測系統， 包括依次連接的傳感器、數據採集發送端、數據接收端以及PC機，所述傳感 器為放置在病人身上的膈肌信號檢測管或多功能呼吸信號檢測管，所述數據採集發送端包括電源模塊及依次連接的多通道信號放大模塊、A/D採集與轉換模
塊、MCU控制模塊、無線發射模塊，所述電源模塊同時與多通道信號放大模塊、 A/D採集與轉換模塊、MCU採集發射控制模塊、無線發射模塊分別連接；所述 數據接收端包括相互連接的無線接收模塊、MCU接收控制模塊，所述MCU接收 控制模塊與PC機連接。
為更好地實現本發明，所述數據採集發送端由受試者隨身攜帶；所述數據 接收端放置在遠端監測室。
所述多通道信號放大模塊包括依次連接具有高輸入阻抗、高共抑制比和低 噪聲、低溫漂能力的放大器模塊以及多通道模擬幵關；該放大器模塊包含有依 次連接的放大器、濾波器及50HZ陷波器。
所述A/D採集與轉換模塊的作用是把放大模塊輸出的多通道模擬信號轉 換成數位訊號。由於膈肌肌電信號幅值十分微弱，故需要高精度A/D採集與轉 換模塊對其進行採樣，所述A/D採集與轉換模塊採用16位高精度數據採集芯 片以便於實時應用，由於本系統要監測的膈肌肌電信號頻率較高(大部分頻率 分布在20 — 250Hz)，因此這裡A/D採集與轉換模塊的採樣率取為lkHz，採樣 過程由MCU採集發射控制模塊控制。
所述MCU採集發射控制模塊為單片機，是整個數據採集發送端的核心，這 裡選用16位具有超低功耗、運行速度快、資源豐富、處理能力強、開發方便 等優點的單片機，以滿足採用普通電池供電也能維持本系統長時間連續使用的 要求。
所述MCU接收控制模塊同樣也為16位單片機，其可以通過USB傳輸模塊 與PC主機連接。
考慮到8通道呼吸信號無線監護系統要求的無線傳輸速率高、距離較遠以 及發射功率較低等因素，而GPRS網絡和藍牙技術都無法全部滿足上述要求， 電通道主要設定為在315、 433、 868和915MHz的頻率波段。本系統所述的無 線發射模塊和無線接收模塊是一對一設置，採用MSK調製解調方式、固定長度 數據包模式，工作頻段為433MHz的UHF頻段，採用頻分多址的方式，每個通 道的帶寬為200khz，傳輸速率為500kbps，發射功率為10dbm。
所述數據採集發送端的電源模塊採用低功耗設計，其有效電壓範圍為 2.5V — 3.2V，本系統可連續工作2個小時以上；電源模塊包括電源及其分別連 接的升壓器、線性穩壓器、二極體穩壓管，所述電源可以是普通電池或鋰電池，所述升壓器、線性穩壓器、二極體穩壓管組成穩壓電通道。生理信號為微弱信 號，要求系統有強抗幹擾能力和超低噪聲設計。電源模塊為數據採集發送端各 個模塊提供所需的各種供電電壓，電源模塊的性能決定著系統的性能。數據採集發送端各個模塊的供電電壓有+ 5V， +3.3V以及+ 2V。電池輸出電壓需經 升壓器升壓到+ 5V， 3.3V的電壓可由線性穩壓器得到，+2V電壓可以通過二極 管穩壓管得到。升壓器與線性穩壓器應採用具有低噪聲、低紋波、高效率等優 點的晶片，以保證採集數據的準確性。採用上述多通道呼吸生理信號無線監測系統進行多通道呼吸生理信號無 線監測的方法，是指數據採集發送端通過傳感器連續採集受試者的多項呼吸生 理信號，通過無線通信的方式，把數據傳送到遠端監測室的數據接收端並存儲 到計算機內，通過計算機主機根據接收的生理信號進行相應處理，其具體步驟為(1) 系統上電復位後先進行初始化，選擇工作方式，然後進入低功耗模式，等待MCU採集發射控制模塊的採樣定時器中斷；(2) 多通道信號放大模塊對多通道信號放大處理後，MCU採集發射控制 模塊採用採樣中斷服務的方法，對多通道信號放大模塊進行選通控制，通過 A/D採集與轉換模塊依次對多通道模擬信號進行採樣；A/D採集與轉換模塊對 採樣信號數據進行A/D轉換後傳送到無線發射模塊，由MCU採集發射控制模塊 控制無線發射模塊把數據無線發送到數據接收端；(3) 數據接收端通過無線接收模塊接收由數據採集發送端的無線發射模 塊發送過來的信號並存入MCU接收控制模塊，MCU接收控制模塊控制USB傳輸 模塊把數據傳輸到PC主機；(4) 通過PC主機根據接收的不同的生理信號進行相應處理則可實現的實 時顯示、存儲、分析與處理，從而實現多通道信號參數監護。為更好地實現本發明，步驟(1)所述採樣定時器的中斷定時為lms，即 設定lk的採樣頻率。步驟(2)所述採樣中斷服務的方法，對多通道信號放大模塊進行選通控 制，通過A/D採集與轉換模塊依次對多通道模擬信號進行採樣，具體步驟為採樣定時器中斷產生後，MCU採集發射控制模塊清看門狗，防止看門狗超 時復位，並判斷是否己經採集完各通道信號如果沒有採集完各通道信號，則MCU採集發射控制模塊控制A/D採集與轉換模塊採集當前通道信號並保存，然後再控制多通道信號放大模塊的多通道模 擬開關選通下一通道，循環以上過程直至處理完8通道信號；
如果已經採集完各通道信號，則MCU採集發射控制模塊控制多通道信號放 大模塊的多通道模擬開關選通0通道，以備下一輪採樣；判斷數據是否滿32 字節，如果是，則無線發送數據，退出中斷開，如果否，則直接退出中斷。
所述多通道信號放大模塊對信號放大處理的步驟包括多通道信號放大模 塊的放大器把輸入的多通道呼吸信號包括膈肌肌電\呼吸壓力及氣流信號進行 放大後濾波、陷波，然後通過多通道模擬開關選通的當前通道，輸入A/D採集 與轉換模塊的輸入端。
本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果本發明的數據採集發送端 具有微型化，隨身攜帶、低功耗工作時間長、取樣速率高、失真小特點；本系
統首次對呼吸信號包括膈肌肌電信號、心電信號呼吸壓力信號及流量進行無
線採集、傳輸。受試者只需配戴信號數據採集發送端便可把高達8通道的呼
吸信號或心電信號通過無線方式傳送到遠端的監護室，實時監測顯示、存儲、 分析與處理或待後進一步的分析處理，從而實現呼吸信號的無線監測。
圖1是本發明基於無線數據傳輸通信的多通道信號參數監護系統的結構
示意圖2為圖1所示多通道信號放大模塊的內部結構示意圖； 圖3為本發明基於無線數據傳輸通信的多通道信號參數監護方法的採樣 中斷服務程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明，但本發明的實施方式 不限於此。 實施例
如圖1所示，本多通道呼吸生理信號無線監測系統，包括依次連接的傳感 器、數據採集發送端、數據接收端以及PC機，所述傳感器為放置在病人身上 的膈肌信號檢測管或多功能呼吸信號檢測管，所述數據採集發送端包括電源模 塊及依次連接的多通道信號放大模塊、A/D採集與轉換模塊、MCU控制模塊、 無線發射模塊，所述電源模塊同時與多通道信號放大模塊、A/D採集與轉換模塊、MCU採集發射控制模塊、無線發射模塊分別連接；所述數據接收端包括相
互連接的無線接收模塊、MCU接收控制模塊，所述MCU接收控制模塊與PC機 連接。
所述數據採集發送端由受試者隨身攜帶；所述數據接收端放置在遠端監測
如圖2所示，所述多通道信號放大模塊包括依次連接具有高輸入阻抗、高 共抑制比和低噪聲、低溫漂能力的放大器模塊以及多通道模擬開關；該放大器 模塊包含有依次連接的濾波器及50HZ陷波器。
所述A/D採集與轉換模塊採用16位高精度數據採集晶片以便於實時應用， 本A/D採集與轉換模塊的採樣率取為lkHz,採樣過程由MCU採集發射控制模 塊控制。
所述MCU採集發射控制模塊、MCU接收控制模塊採用具有超低功耗、運行 速度快、資源豐富、處理能力強、開發方便等優點的16位單片機為單片機， 所述MCU接收控制模塊通過USB傳輸模塊與PC主機連接。
考慮到8通道呼吸信號無線監護系統要求的無線傳輸速率高、距離較遠以 及發射功率較低等因素，而GPRS網絡和藍牙技術都無法全部滿足上述要求， 電通道主要設定為在315、 433、 868和915MHz的頻率波段。本發明的無線發 射模塊採用Chipcon公司的CC1100無線數據傳輸晶片，其最大發射功率僅為 10dbm，在1.2kbps數據傳輸率和1%數據包誤差率下，接收靈敏度高達 -llOdBm。該RF收發晶片集成了一個高度可配置的數據機，它支持不同的 調製格式，數據傳輸率可達500kbps。 CC1100還為數據包處理、數據緩衝、突 發數據傳輸、清晰信道評估、鏈通道質量指示提供廣泛的硬體支持。CC1100 的主要操作參數和64位發射/接收FIFO (先進先出堆棧)可由MCU控制模塊 通過SPI接口控制。
由於CC1100不需要很多其它的外接電通道，可根據要求通過MCU靈活設 置晶片的各個參數。本系統所述的無線發射模塊和無線接收模塊是一對一設 置，採用MSK調製解調方式、固定長度數據包模式，工作頻段為433MHz的UHF 頻段，採用頻分多址的方式，每個通道的帶寬為200khz，傳輸速率為500kbps， 發射功率為lOdbm。
所述數據採集發送端的電源模塊採用低功耗設計，其有效電壓範圍為 2. 5V-3. 2V，本系統可連續工作2個小時以上；電源模塊包括電源及其分別連接的升壓器、線性穩壓器、二極體穩壓管，所述電源可以是普通電池或鋰電池， 所述升壓器、線性穩壓器、二極體穩壓管組成穩壓電通道。生理信號為微弱信 號，要求系統有強抗幹擾能力和超低噪聲設計。電源模塊為數據採集發送端各 個模塊提供所需的各種供電電壓，電源模塊的性能與系統的性能有關。數據採
集發送端各個模塊的供電電壓有+ 5V， +3.3V以及+ 2V。電池輸出電壓需經 升壓器升壓到+ 5V， 3.3V的電壓可由線性穩壓器得到，+2V電壓可以通過二極 管穩壓管得到。升壓器與線性穩壓器應採用具有低噪聲、低紋波、高效率等優 點的晶片，以保證採集數據的準確性。
如圖1所示，採用上述多通道呼吸生理信號無線監測系統的工作過程，是 指數據採集發送端通過傳感器連續採集受試者的多項呼吸生理信號，通過無線 通信的方式，把數據傳送到遠端監測室的數據接收端並存儲到計算機內，通過 計算機主機根據接收的生理信號進行相應處理，其具體步驟為
(1) 系統上電復位後先迸行初始化，選擇工作方式，然後進入低功耗模 式，等待MCU採集發射控制模塊的採樣定時器中斷；
(2) 多通道信號放大模塊對多通道信號放大處理後，MCU採集發射控制 模塊採用採樣中斷服務的方法，對多通道信號放大模塊進行選通控制，通過 A/D採集與轉換模塊依次對多通道模擬信號進行採樣；A/D採集與轉換模塊對 採樣信號數據進行A/D轉換後傳送到無線發射模塊，由MCU採集發射控制模塊 控制無線發射模塊把數據無線發送到數據接收端；
(3) 數據接收端通過無線接收模塊接收由數據採集發送端的無線發射模 塊發送過來的信號並存入MCU接收控制模塊，MCU接收控制模塊控制USB傳輸 模塊把數據傳輸到PC主機；
(4) 通過PC主機根據接收的不同的生理信號進行相應處理則可實現的實 時顯示、存儲、分析與處理，從而實現多通道信號參數監護。
步驟(1)所述採樣定時器的中斷定時為lms，即設定lk的採樣頻率。 如圖3所示，步驟(2)所述採樣中斷服務的方法，對多通道信號放大模
塊進行選通控制，通過A/D採集與轉換模塊依次對多通道模擬信號進行採樣，
具體步驟為
採樣定時器中斷產生後，MCU採集發射控制模塊清看門狗，防止看門狗超 時復位，並判斷是否已經採集完各通道信號
如果沒有採集完各通道信號，則MCU採集發射控制模塊控制A/D採集與轉換模塊採集當前通道信號並保存，然後再控制多通道信號放大模塊的多通道模 擬開關選通下一通道，循環以上過程直至處理完8通道信號；
如果己經採集完各通道信號，則MCU採集發射控制模塊控制多通道信號放 大模塊的多通道模擬開關選通0通道，以備下一輪釆樣；判斷數據是否滿32 字節，如果是，則無線發送數據，退出中斷開，如果否，則直接退出中斷。
如圖2所示，所述多通道信號放大模塊對信號放大處理的步驟包括多通 道信號放大模塊的放大器模塊把輸入的多通道呼吸信號包括膈肌肌電\呼吸壓 力及氣流信號進行放大以及濾波、陷波，然後通過多通道模擬開關選通的當前
通道，輸入A/D採集與轉換模塊的輸入端。
如上所述，便可較好地實現本發明，上述實施例為本發明較佳的實施方式， 但本實用新型的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用 新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效 的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求
1、多通道呼吸生理信號無線監測系統，其特徵在於包括依次連接的傳感器、數據採集發送端、數據接收端以及PC機，所述傳感器為放置在病人身上的膈肌信號檢測管或多功能呼吸信號檢測管，所述數據採集發送端包括電源模塊及依次連接的多通道信號放大模塊、A/D採集與轉換模塊、MCU控制模塊、無線發射模塊，所述電源模塊同時與多通道信號放大模塊、A/D採集與轉換模塊、MCU採集發射控制模塊、無線發射模塊分別連接；所述數據接收端包括相互連接的無線接收模塊、MCU接收控制模塊，所述MCU接收控制模塊與PC機連接。
2、 根據權利要求l所述多通道呼吸生理信號無線監測系統，其特徵在於 所述數據採集發送端由受試者隨身攜帶；所述數據接收端放置在遠端監測室。
3、 根據權利要求1所述多通道呼吸生理信號無線監測系統，其特徵在於 所述多通道信號放大模塊包括依次連接的放大器模塊以及多通道模擬開關；所 述放大器模塊包含有依次連接的放大器、濾波器及50HZ陷波器。
4、 根據權利要求l所述多通道呼吸生理信號無線監測系統，其特徵在於 所述A/D採集與轉換模塊採用16位高精度數據採集晶片，採樣率取為lkHz。
5、 根據權利要求l所述多通道呼吸生理信號無線監測系統，其特徵在於 所述MCU採集發射控制模塊、MCU接收控制模塊採用16位單片機，所述MCU接 收控制模塊通過USB傳輸模塊與PC主機連接。
6、 根據權利要求1所述多通道呼吸生理信號無線監測系統，其特徵在於 所述無線發射模塊和無線接收模塊是一對一設置，採用MSK調製解調方式、固 定長度數據包模式，工作頻段為433MHz的UHF頻段，採用頻分多址的方式，每 個通道的帶寬為200khz，傳輸速率為500kbps，發射功率為10dbm。
7、 採用權利要求l一6任一項所述多通道呼吸生理信號無線監測系統的多 通道呼吸生理信號無線監測方法，其特徵在於數據採集發送端通過傳感器連 續採集受試者的多項呼吸生理信號，通過無線通信的方式，把數據傳送到遠端 監測室的數據接收端並存儲到計算機內，通過計算機主機根據接收的生理信號 進行相應處理，其具體步驟為(1) 系統上電復位後先進行初始化，選擇工作方式，然後進入低功耗模式，等待MCU採集發射控制模塊的採樣定時器中斷；(2) 多通道信號放大模塊對多通道信號放大處理後，MCU採集發射控制模塊採用採樣中斷服務的方法，對多通道信號放大模塊進行選通控制，通過A/D採集與轉換模塊依次對多通道模擬信號進行採樣；A/D採集與轉換模塊對採樣信 號數據進行A/D轉換後傳送到無線發射模塊，由MCU採集發射控制模塊控制無 線發射模塊把數據無線發送到數據接收端；(3) 數據接收端通過無線接收模塊接收由數據採集發送端的無線發射模塊 發送過來的信號並存入MCU接收控制模塊，MCU接收控制模塊控制USB傳輸模塊 把數據傳輸到PC主機；(4) 通過PC主機根據接收的不同的生理信號進行相應處理則可實現的實 時顯示、存儲、分析與處理，從而實現多通道信號參數監護。
8、 根據權利要求7所述多通道呼吸生理信號無線監測方法，其特徵在於 步驟(1)所述採樣定時器的中斷定時為lms，即設定lk的採樣頻率；步驟(2)所述採樣中斷服務的方法，對多通道信號放大模塊進行選通控制， 通過A/D採集與轉換模塊依次對多通道模擬信號進行採樣，具體步驟為採樣定時器中斷產生後，MCU採集發射控制模塊清看門狗，防止看門狗超時復位，並判斷是否己經採集完各通道信號如果沒有採集完各通道信號，則MCU採集發射控制模塊控制A/D採集與轉 換模塊採集當前通道信號並保存，然後再控制多通道信號放大模塊的多通道模 擬幵關選通下一通道，循環以上過程直至處理完8通道信號；如果己經採集完各通道信號，則MCU採集發射控制模塊控制多通道信號放 大模塊的多通道模擬開關選通O通道，以備下一輪採樣；判斷數據是否滿32字 節，如果是，則無線發送數據，退出中斷開，如果否，則直接退出中斷。
9、 根據權利要求7所述多通道呼吸生理信號無線監測方法，其特徵在f: 所述多通道信號放大模塊對信號放大處理的步驟包括多通道信號放大模塊的放大器模塊把輸入的多通道呼吸信號包括膈肌肌電\呼吸壓力及氣流信號進行放大以及濾波、陷波，然後通過多通道模擬開關選通的當前通道，輸入A/D採集與轉換模塊的輸入端。
全文摘要
本發明提供多通道呼吸生理信號無線監測系統，包括依次連接的傳感器、數據採集發送端、數據接收端以及PC機，傳感器為病人身上的膈肌信號檢測管或多功能呼吸信號檢測管，採集發送端包括電源模塊及依次連接的多通道信號放大模塊、AD轉換模塊、MCU採集發射控制模塊、無線發射模塊，電源模塊同時與多通道信號放大模塊、AD轉換模塊、MCU採集發射控制模塊、無線發射模塊分別連接；接收端包括相互連接的無線接收模塊、MCU接收控制模塊，MCU接收控制模塊與PC機連接。病患攜帶本採集發送端便可把5通道膈肌肌電信號或心電信號，3通道呼吸壓力及流量信號通過無線方式傳送到遠端監護中心，實現多通道信號實時顯示、存儲、分析與處理。
文檔編號A61B5/08GK101278838SQ200810027770
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月29日 優先權日2008年4月29日
發明者羅遠明 申請人:羅遠明