CN113854987A - 一种基于pwtt的无线血压连续监测*** - Google Patents
一种基于pwtt的无线血压连续监测*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于PWTT的无线血压连续监测***，包括协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端和上位机，其特征在于所述协调器基于Zigbee协议组建传感器网络，所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端分别采集人体心电ECG信号和脉搏PPG信号，接收并解析周期性发送的信标帧，完成两个终端ECG和PPG信号的同步采集；所述上位机对ECG和PPG信号进行幅值转换及滤波等信号预处理，完成波形显示、血压计算以及数据存储的功能。本发明基于PWTT测量血压的原理，结合无线传输技术的组网和同步技术，完成ECG和PPG信号的同步采集，摆脱充气袖带和传统导线的束缚，实现基于PWTT的无线血压连续监测，具有可扩展，可穿戴，成本低以及便携性等显著优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线血压连续监测***，尤其涉及一种基于脉搏波传导时间(PWTT)的可穿戴无线血压连续监测***。
背景技术
高血压是心脑血管病最主要的危险因素，且近些年来高血压疾病已经逐步发展为威胁人类健康的主要疾病之一。人体血压的起伏变化能够反映出体内部分器官病变，是衡量人体健康程度的重要指标，因此血压的监测对于患者来说是极其重要的检测手段，在临床诊断和医学治疗中提供重要的病情分析依据和判定标准。而在日常生活中，血压的连续监测对于高血压疾病的预判、监测和病情预警也逐渐发挥着重要的作用。
目前常见的血压监测方式主要分为有创血压监测和无创血压监测。早期的有创血压监测是通过观察***血管中的导管内柱条高低来检测血压，随后发展为用电子压力换能器替代导管来计算血压的检测方式。有创血压检测方式在重症病人的临床诊断和治疗中起到重要的作用，准确度高但是在测量血压过程中会对血管造成物理性的破坏，因此不适用于日常的血压监测。无创的血压检测弥补了有创血压检测对于血管损伤的不足，主要有容积补偿法，张力测量法，脉搏波波速或脉搏波传导时间测量法等，基于容积补偿法或张力测量法的电子血压计通常具有一个气泵装置，向袖带装置泵气后逐渐放气，配合压力传感器来测量血压值。这类无创血压检测方式虽然对血管无损害，广泛适用于高血压患者的诊断当中，然而由于监测过程中袖带中不断充气和放气对于被测者手臂会造成不适，限制了血压检测的频率，不适用于日常血压的连续监测。基于脉搏传导时间PWTT的血压监测方法是通过脉搏波的传导速度进而反映动脉弹性等血管的生理特征，前人对于基于脉搏波传导时间测量血压开展了许多研究，可以选取人体心电ECG信号以及脉搏波PPG信号作为两个参考信号计算脉搏传导时间PWTT，在一定程度上反映了PWTT和动脉血压的准线性。
目前基于PWTT的血压监测装置的不足之处在于该监测***不具有可穿戴性和拓展性。在不同部位的传感器通过较长的导线连接到一个主板或者是多个模块之间通过较长的导线连接，不方便穿脱，较长的导线收到外力拉扯也容易影响测试数据的准确性；有线连接的模块也不便增加其他的生命体征监测，功能相对固定，***的可拓展性弱。
发明内容
为了克服上述现有技术中的局限，本发明提出一种基于PWTT的无线血压连续监测装***，其特征在于，结合Zigbee无线传输技术，通过分立的采集终端组网同步数据以实现基于 PWTT的无线血压监测，摆脱了传统导线的束缚，具有易便携、可穿戴、成本低以及可连续检测的特点。本发明提出的技术方案为：
一种基于PWTT的无线血压连续监测***，包括协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端和上位机；所述协调器负责组建传感器网络和控制终端数据的同步采集传输，包括无线传输模块、电源管理模块以及串口转换模块，无线传输模块接收终端传输的数据后通过串口转换模块发送到上位机；所述可穿戴心电胸带终端，负责ECG信号的采集并无线传输至协调器，包括心电主电路模块、心电壳体、胸带；所述可穿戴脉搏腕带终端，负责PPG信号的采集并无线传输至协调器，包括脉搏主电路模块、脉搏壳体和腕带；所述上位机接收到协调器发送的数据后，进行ECG信号和PPG信号的预处理，并实时显示滤波后的波形以及血压的检测结果；所述协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端根据IEEE802.15.4标准组建网络，基于TIMAC协议栈实现信标网络的组建，串口数据收发以及终端同步采集信号等功能。
进一步地，所述心电主电路模块包括心电电极A、心电电极B、MCU模块、心电检测模块、电源管理模块以及无线传输模块，所述心电电极A和心电电极B与胸口皮肤直接接触，通过导线与心电检测模块相连接，MCU模块控制心电检测模块采集被测人体ECG信号，无线传输模块将采集的ECG信号无线传输至协调器。
进一步地，所述心电主电路模块通过螺丝固定在所述心电壳体中；所述心电壳体通过纽扣可拆卸的方式与胸带连接，心电壳体内侧留有心电检测模块与心电电极A、心电电极B连接的接口位置。
进一步地，所述脉搏主电路模块集成了MCU模块、光电脉搏检测模块、电源管理模块以及无线传输模块；所述光电脉搏检测模块，包括光电传感器、滤波放大电路、以及电平抬升电路，光电传感器用于探测PPG信号，滤波放大电路负责将采集的PPG信号进行滤波处理，放大有用信号，电平抬升电路将采集信号转换成MCU模块内部ADC采集量程内的信号，以便于进行模数转换；所述MCU模块控制内部ADC模块采集光电脉搏检测模块检测的人体PPG信号，无线传输模块将采集的PPG信号无线传输至协调器。
进一步地，所述脉搏主电路模块通过螺丝固定在脉搏壳体中，脉搏壳体通过松紧带可拆卸的方式与腕带连接，形成手环状结构，脉搏壳体靠近手腕皮肤处开窗留出光电脉搏检测模块的位置，光电脉搏检测模块的探测部分与皮肤之间无障碍物。
进一步地，所述心电电极A和心电电极B面积大小以及材质一样，电极可以为一次性医用电极、Ag/AgCl湿性电极或者干性电极等，也可以选取新型柔性材料或者导电布料自行设计成形状尺寸合适的电极。
进一步地，所述协调器组建信标网络，启动信标使能，设置协调器扩展地址、短地址、 Beacon帧属性进行MAC层参数设置，组网成功后定时发送信标帧，终端接收信标帧并解析信标负载，加入传感器网络或者同步执行开始/停止采集等指令。
进一步地，所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端，两者采集信号的采样率设定相同值，在加入传感器网络前调整各自的采集流程，使得从收到周期性信标帧到终端开始/停止采集信号所耗费的时间相当，时间误差在微秒精度时可认为所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端分别采集的ECG信号和PPG信号同步。
进一步地，所述信标网络规定了超帧结构，其中，超帧结构中的活跃区划分为16个等长的GTS时隙，所述可穿戴胸带终端和可穿戴腕带终端在请求加入信标网络时申请时隙，协调器应答后分配时隙，两个终端采用非竞争接入的方式传输数据，当有数据产生时在固定时隙中传输，避免多个终端数据同时传输造成的数据丢失或数据混杂。
进一步地，所述血压估算方程由公式(1)计算，
BP＝a+k*PWTT (1)
其中，PWTT分别是所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端分别采集的ECG信号和PPG信号之间的时间差，计算时间差选取的波形特征值分别为ECG信号的R波峰值和 PPG信号的波峰，采用微分阈值、放缩窗口阈值但不限于上述方法对ECG信号和PPG信号的特征点进行提取，a、k为血压估算曲线的系数，具有个体差异性，一般通过采集大量实测数据进行标定，可通过最小二乘法但不限于上述方法进行曲线拟合。
进一步地，所述上位机通过对采集的ECG信号进一步数据处理可得到心率、心率变异度等参数的检测结果，通过对采集的PPG信号进行处理可得到脉率的检测结果。
本发明方法的显著特征在于发明了一种基于PWTT的无线血压连续监测***，不同于传统基于脉搏波传导时间的血压监测方法，本发明在血压监测***中应用了基于IEEE802.15.4标准的Zigbee无线传输技术，在传感器网络实现人体分布模块生理信号的同步采集，分立的可穿戴设备之间无需额外的导线连接。本发明所述的无线血压连续监测具有可拓展、可穿戴、成本低、小型化等显著特点，测量位置受限小且穿脱方便，适用于血压的连续监测，基于无线传感网络可拓展为多生理参数同步监测***。
附图说明
图1为本发明无线血压监测***示意图。
图2为本发明协调器的结构框图。
图3为本发明心电主电路模块结构框图。
图4为脉搏主电路模块结构框图。
图5为本发明上位机的实时监测界面示例图。
具体实施方式
为使本发明所提技术方案更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述和介绍，但以下实施例只是描述性的，不是限制性的。
一种基于PWTT的无线血压监测***，参见附图1，包括协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端和上位机；所述协调器负责组建传感器网络和控制终端数据的同步采集传输；所述可穿戴心电胸带终端，负责ECG信号的采集并无线传输至协调器，包括心电主电路模块、心电壳体、胸带；所述可穿戴脉搏腕带终端，负责PPG信号的采集并无线传输至协调器，包括脉搏主电路模块、脉搏壳体和腕带；所述上位机接收到协调器发送的数据后，进行 ECG信号和PPG信号的预处理，并实时显示滤波后的波形以及血压的检测结果；所述协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端根据IEEE802.15.4标准组建网络，基于TIMAC协议栈实现信标网络的组建，串口数据收发以及终端同步采集信号等功能。
协调器的结构框图参见附图2，包括无线传输模块、电源管理模块以及串口转换模块。其中，无线传输模块采用TI公司的CC2530系列，基于IEEE802.15.4标准的Zigbee模块建立信标使能的传感器网络，通过按键中断触发串口中断服务函数，在中断服务函数中扫描信道并选取合适的信道组建网络，设置协调器扩展地址、短地址、Beacon帧属性进行MAC层参数设置，使能信标网络，组网成功后周期发送信标帧。串口模块采用CH340转换芯片，协调器接收到的终端数据通过该转换芯片可以实现数据兼容并传输到上位机。
心电主电路模块结构框图，如附图3所示，包括心电电极A、心电电极B、MCU模块、心电检测模块、电源管理模块以及无线传输模块。其中，MCU模块采用TI公司的MSP430F5528型号的微控制器，主要负责控制心电检测模块的数据采集以及数据传输，与无线传输模块进行数据传输。心电电极A和心电电极B采用一次性医用电极接触皮肤获取人体ECG信号，通过导线与心电检测模块相连接，心电检测模块采用ADS1298型号高精度生物模拟前端将ECG信号转换成数字信号，设置250sps的采样率，内部增益为12，数据通过SPI总线传输到MCU模块，无线传输模块采用CC2530型号微处理器，完成终端入网、解析信标帧以及数据无线传输等功能。
可穿戴心电胸带终端上电初始化，完成***时钟设置，串口设置，初始化ADS1298模块等步骤，等待协调器组网成功后，按下组网按键触发串口中断，发送入网请求，入网成功后定时接收协调器发送的信标帧，解析信标负载触发本地的采集任务，开启ADS1298数据转换并使能中断，ADS1298每隔4ms完成一次转换，并通过SPI通信与MCU模块进行数据传输。MCU 模块接收到ADS1298的转换数据后将数据打包通过串口发送给无线传输模块，无线传输模块接收串口传输的数据后触发串口中断时间，将数据帧封装成MAC层消息，无线传输到协调器。
脉搏主电路模块结构框图，如附图3所示，包括MCU模块、光电脉搏检测模块、电源管理模块以及无线传输模块。MCU模块采用TI公司的MSP430F5528型号的微控制器，内部包含 12位ADC模数转换模块，以250Hz的采样率对PPG进行模数转换，将数据传输到无线传输模块。光电脉搏检测模块包含光电传感器、滤波放大电路、以及电平抬升电路，其中光电传感器为NJL5310R表面贴装式光传感器，内部置有波长为525nm的LED发光二极管和灵敏度高的光电二极管，检测手腕处PPG信号。滤波放大电路对PPG信号进行降噪放大，提高信噪比。无线传输模块采用CC2530型号微处理器，完成组网请求、信标帧解析以及数据无线传输等功能。
可穿戴脉搏腕带终端上电初始化，完成***时钟设置，串口设置，ADC模块基本参数设置等步骤，等待协调器组网成功后，按下组网按键触发串口中断，发送入网请求，入网成功后定时接收协调器发送的信标帧，解析信标负载触发本地的采集任务，使能内部ADC中断，设置 ADC内部采样率为250Hz。MCU将ADC模块转换完成的数据打包通过串口发送给无线传输模块，无线传输模块接收串口传输的数据后触发串口中断时间，将数据帧封装成MAC层消息，无线传输到协调器。
在信标网络中，两个终端主电路模块的采集流程通过适当的延时函数控制时长，经过测试后两者从解析信标帧到下发采集命令之间的平均时间误差控制在38us左右。Zigbee***的信标网络规定了超帧的结构，超帧的活跃区划分为16个等长的时隙GTS，两个终端采用非竞争访问的方式协调器发送数据，在组网时申请固定的时隙后只在特定的时隙内进行数据传输，避免不同终端采用竞争访问方式传输数据导致的数据冲入与丢失。
在信标网络中，可穿戴心电胸带终端采集人体ECG信号，可穿戴脉搏腕带采集PPG信号，不同终端采用时分复用的方式接入信道，协调器接收到终端传输数据后通过串口转换模块将数据发送到上位机。
上位机具有信号预处理、显示、计算以及存储的功能，负责对协调器传输的ECG和PPG信号进行幅值转换和滤波处理，选取ECG信号R波峰值和PPG信号波峰值作为特征点，计算ECG 和PPG信号之间的特征点时间差为脉搏传导时间PWTT，将计算值代入血压估算方程得到血压的估算值。其中，血压估算方程中BP可以是收缩压SBP或者舒张压DBP，采用十位志愿者的测试数据拟合得到两组方程参数分别为：a＝110.3，k＝-0.176和a＝70.86，k＝-0.095，得到收缩压的估算方程为SBP＝110.3-0.176*PWTT，舒张压的估算方程为DBP＝70.86-0.095*PWTT，将实时计算的PWTT数值代入方程可估算SBP和DBP。上位机完成实时显示检测的ECG和PPG波形以及给出收缩压和舒展压的计算结果，参见附图5。
基于该无线血压连续监测***同步采集的信号还能进一步对呼吸、心率、心率变异性等生命体征进行实时监测，可根据需要扩展。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替换均落入本发明的权利要求所保护的范围。
Claims (11)
1.一种基于PWTT的无线血压连续监测***，如图1，包括协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端和上位机；所述协调器负责组建传感器网络和控制终端数据的同步采集传输，包括无线传输模块、电源管理模块以及串口转换模块，无线传输模块接收终端传输的数据后通过串口转换模块发送到上位机；所述可穿戴心电胸带终端，负责ECG信号的采集并无线传输至协调器，包括心电主电路模块、心电壳体、胸带；所述可穿戴脉搏腕带终端，负责PPG信号的采集并无线传输至协调器，包括脉搏主电路模块、脉搏壳体和腕带；所述上位机接收到协调器发送的数据后，进行ECG信号和PPG信号的预处理，并实时显示滤波后的波形以及血压的检测结果；所述协调器、可穿戴心电胸带终端、可穿戴脉搏腕带终端根据IEEE802.15.4标准组建网络，基于TIMAC协议栈实现信标网络的组建，串口数据收发以及终端同步采集信号等功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述心电主电路模块包括心电电极A、心电电极B、MCU模块、心电检测模块、电源管理模块以及无线传输模块，所述心电电极A和心电电极B与胸口皮肤直接接触，通过导线与心电检测模块相连接，MCU模块控制心电检测模块采集被测人体ECG信号，无线传输模块将采集的ECG信号无线传输至协调器。
3.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述心电主电路模块通过螺丝固定在所述心电壳体中；所述心电壳体通过纽扣可拆卸的方式与胸带连接，心电壳体内侧留有心电检测模块与心电电极A、心电电极B连接的接口位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述脉搏主电路模块集成了MCU模块、光电脉搏检测模块、电源管理模块以及无线传输模块；所述光电脉搏检测模块，包括光电传感器、滤波放大电路、以及电平抬升电路，光电传感器用于探测PPG信号，滤波放大电路负责将采集的PPG信号进行滤波处理，放大有用信号，电平抬升电路将采集信号转换成MCU模块内部ADC采集量程内的信号，以便于进行模数转换；所述MCU模块控制内部ADC模块采集光电脉搏检测模块检测的人体PPG信号，无线传输模块将采集的PPG信号无线传输至协调器。
5.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述脉搏主电路模块通过螺丝固定在脉搏壳体中，脉搏壳体通过松紧带可拆卸的方式与腕带连接，形成手环状结构，脉搏壳体靠近手腕皮肤处开窗留出光电脉搏检测模块的位置，光电脉搏检测模块的探测部分与皮肤之间无障碍物。
6.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述心电电极A和心电电极B面积大小以及材质一样，电极可以为一次性医用电极、Ag/AgCl湿性电极或者干性电极等，也可以选取新型柔性材料或者导电布料自行设计成形状尺寸合适的电极。
7.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述协调器组建信标网络，启动信标使能，设置协调器扩展地址、短地址、Beacon帧属性进行MAC层参数设置，组网成功后定时发送信标帧，终端接收信标帧并解析信标负载，加入传感器网络或者同步执行开始/停止采集等指令。
8.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端，两者采集信号的采样率设定相同值，在加入传感器网络前调整各自的采集流程，使得从收到周期性信标帧到终端开始/停止采集信号所耗费的时间相当，时间误差在微秒精度时可认为所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端分别采集的ECG信号和PPG信号同步。
9.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述信标网络规定了超帧结构，其中，超帧结构中的活跃区划分为16个等长的GTS时隙，所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端在请求加入信标网络时申请时隙，协调器应答后分配时隙，两个终端采用非竞争接入的方式传输数据，当有数据产生时在固定时隙中传输，避免多个终端数据同时传输造成的数据丢失或数据混杂。
10.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述血压估算方程由公式(1)计算，
BP＝a+k*PWTT (1)
其中，PWTT分别是所述可穿戴心电胸带终端和可穿戴脉搏腕带终端分别采集的ECG信号和PPG信号之间的时间差，计算时间差选取的波形特征值分别为ECG信号的R波峰值和PPG信号的波峰，采用微分阈值、放缩窗口阈值但不限于上述方法对ECG信号和PPG信号的特征点进行提取，a、k为血压估算曲线的系数，具有个体差异性，一般通过采集大量实测数据进行标定，可通过最小二乘法但不限于上述方法进行曲线拟合。
11.根据权利要求1所述的一种基于PWTT的无线血压连续监测***，其特征在于，所述上位机通过对采集的ECG信号进一步数据处理可得到心率、心率变异度等参数的检测结果，通过对采集的PPG信号进行处理可得到脉率的检测结果。
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