康复训练过程中相关生理信息的远程测量模块 技术领域 本发明涉及一种生理信息监测技术， 具体地涉及一种用于远程测量康复训练过程 中相关人体生理信息的装置。
背景技术 近年来， 由于中风病发病率的增加以及运动损伤患者的增多， 极大地促进了康复 医疗器械的发展和需求。而患者在进行康复训练的过程中， 往往需要远程实时监测患者的 生理信息， 以便为医师正确诊断病情和制定科学的康复训练方案提供基本依据。 不过， 医院 所使用的生理信息测量装置通常价格昂贵、 体积较大且使用不便， 在测量多重生理信号时， 使用者必须在身上通过电线连接所有的传感器， 通常可能还需要一台较庞大的主机， 这将 严重限制使用者的行动。 再者， 若需要在测量期间移动时， 医护人员就必须重新对连接线进 行配接， 这也给医护人员造成很多麻烦。
如何简单、 方便地进行生理信息的监测一直是当前研究的趋势， 市面上已经出现 小型化、 可携式的生理监测装置， 在测量时可放置在身边或直接佩戴在身上， 但部分可携式 产品并未从根本上减轻使用者的负重， 多数产品在追求小型化的同时却简化了其功能， 往 往只能测量单一的生理信号， 且不支持对生理信息的远程监测。 因此， 仍需加强生理信息监 测装置的简便性与实用性， 解决特殊场合远程监测的需求。
发明内容
本发明的主要目的即在于提供一种多重生理信息测量模块， 其体积小， 重量轻， 在 不增加使用者负担的前提下可以完成对多种生理信号的提取。
本发明的另一个目的在于提供一种多重生理信息远程测量模块， 其可以通过无线 传输接口与本地 PC 机进行无线连接， 再由本地 PC 机通过网络将使用者的相关生理信息发 送给远端监护中心， 即可实现远程监护的目的。
本发明的又一目的在于提供一种用于康复训练过程中的多重生理信息远程测量 模块， 其使用简单， 便于佩带与移动， 能够远程实时测量使用者在康复训练过程中的多种生 理信息。为达到上述目的， 本发明的技术方案具体是这样实现的 ：
一种康复训练过程中相关生理信息的远程测量模块， 包括 ：
a、 数据采集端的肌电检测模块、 血氧检测模块、 肌张力检测模块、 呼吸检测模块、 微处理器模块和无线发送模块 ；
b、 数据接收端的无线接收模块以及本地端计算机 ；
c、 远端计算机 ；
肌电检测模块的信号输入端、 血氧检测模块的信号输入端、 肌张力检测模块的信 号输入端以及呼吸检测模块的信号输入端分别与相应的肌电、 血氧、 肌张力以及呼吸信号 传感器连接 ； 肌电检测模块的信号输出端、 血氧检测模块的信号输出端、 肌张力检测模块的 信号输出端以及呼吸检测模块的信号输出端分别通过 A/D 转换模块连接微处理器模块的输入端 ； 微处理器模块的数据接收 / 发送端连接无线发送模块的有线数据接收 / 发送端 ； 无线发送模块的无线数据接收 / 发送端对外收发无线数据信号 ；
无线接收模块接收来自无线发送模块的无线数据信号， 然后传给本地端计算机 ； 本地端计算机通过因特网与远端计算机通信 ；
所述肌电检测模块包括前置放大电路、 二阶高通滤波器、 二阶低通滤波器、 二级 放大电路以及电平抬高电路 ； 前置放大电路接收来自肌电传感器的信号， 并放大 ； 放大后 到信号依次经过二阶高通滤波器、 二阶低通滤波器、 二级放大电路以及电平抬高电路后输 出；
所述血氧检测模块包括传感器驱动电路、 D/A 转换电路、 I/V 转换电路和放大电 路；
所述微处理器模块的控制信号输出端通过 D/A 转换电路连接传感器驱动电路的 控制端， 传感器驱动电路的驱动输出端连接血氧传感器的光源输入端 ； 血氧传感器的光敏 传感器输出端连接 I/V 转换电路的输入端， I/V 转换电路的输出端经放大电路连接微处理 器模块的输入端 ；
所述肌张力检测模块包括第一分压跟随电路和第二分压跟随电路 ； 第一分压跟随 电路的输入端与肌张力传感器的顶柱力信号输出端相连， 第一分压跟随电路的输出端即为 肌张力信号 Fb ； 第二分压跟随电路的输入端与肌张力传感器绷带所施加力信号输出端相 连， 第二分压跟随电路的输出端即为肌张力信号 Ft ； 所述呼吸检测模块包括补偿电路和前置放大电路 ； 补偿电路对来自呼吸信号传感 器的信号进行补偿， 补偿后的信号经前置放大电路输出。
微处理器模块是混合信号单片机 ；
无线发送模块是蓝牙无线传输模块 ； 混合信号单片机的 UART 接口与蓝牙无线传 输模块的 UART 接口进行通信 ；
无线接收模块包括 USB 接口、 串口转 USB 电路和蓝牙无线传输模块 ； 蓝牙无线传输 模块接收到的无线数据信号经串口转 USB 电路转换后， 传给 USB 接口 ； 本地端计算机的 USB 接口与无线接收模块的 USB 接口连接。
对于肌电检测模， 所述二阶高通滤波器与二阶低通滤波器共用同一双运放电路， 二级放大与电平抬高电路共用同一双运放电路 ； 肌电传感器的输出端先经过阻容滤波后以 差分信号形式与前置放大电路的输入端连接。
对于血氧检测模块的光源包括红光二极管和红外光二极管 ；
所述传感器驱动电路包括 PNP 三极管 Q1、 PNP 三极管 Q2、 NPN 三极管 Q3 和 NPN 三 极管 Q4 ；
Q1 的集电极分别连接红光二极管阳极与红外光二极管阴极、 Q2 的集电极分别连 接红光二极管阴极与红外光二极管阳极 ； Q1、 Q2 的发射极连接高电平 ；
Q3 的集电极分别连接红光二极管阳极与红外光二极管阴极、 Q4 的集电极分别连 接红光二极管阴极与红外光二极管阳极 ； Q3、 Q4 的发射极接地 ；
Q1、 Q2 的基极分别经过一电阻与微处理器模块的控制信号输出端引脚相连， 由微 处理器模块控制血氧传感器的红外光二极管与红光二极管的交替亮灭 ； Q3、 Q4 的基极分别 与 D/A 转换电路的电压输出端 VOUTB、 VOUTA 连接， 其输出电压的大小用于调节红光二极管
与红外光二极管的发光强度， 电压越大， 发光二极管的亮度越强。 。
对于血氧检测模块， I/V 转换电路是电流电压转换器 ； 血氧传感器的光敏传感器 的阴极连接 I/V 转换电路的第一输入端， I/V 转换电路的第二输入端与光敏传感器阳极之 间加偏置电压 ； I/V 转换电路的输出端连接到放大电路的一个输入端， 放大电路的另一个 输入端连接 D/A 转换电路的一个输出端。
血氧传感器的控制原理是， 传感器驱动电路可以与血氧传感器的红光二极管阳极 与红外光二极管阴极端、 红光二极管阴极与红外光二极管阳极端分别连接， 在微处理器模 块的作用下， 控制血氧传感器的红光二极管与红外光二极管交替发光， 并在 D/A 转换电路 的作用下， 调节红光和红外光发光二极管的发光强度， 以保证光线在透过不同人群的手指 后， 强度在合适的范围内 ；
上述 D/A 转换电路的数据 / 控制信号输入端、 时钟信号输入端分别与微处理器模 块的数据 / 控制信号输出端、 时钟信号输出端连接 ； 血氧传感器的光敏传感器阴极输出的 微弱光电流信号连接到 I/V 转换电路的一个输入端， 并在 I/V 转换电路的另一个输入端与 血氧传感器的光敏传感器阳极上加一偏置电压以消除暗电流干扰， I/V 转换电路将接收到 的微弱光电流信号放大并转换为电压信号， 输出叠加在一起的血氧直流分量与极微弱的交 流分量信号 ； I/V 转换电路的输出端连接到放大电路的一个输入端， 放大电路的另一个输 入端连接 D/A 转换芯片的一个输出端以减除血氧的直流分量信号， 放大电路提取出极微弱 的交流分量信号并放大后输出血氧的交流分量信号。
肌电检测模块的原理是， 前置放大电路接收来自肌电传感器的差分电势信号 ( 例 如由三个电极组成的肌电传感器， 该三个电极输出的信号即为肌电传感器的信号 )， 并放大 得到毫伏级的肌电信号 ； 此时的肌电信号中混杂有较多的高频干扰与低频干扰， 经过二阶 高通滤波器与二阶低通滤波器能够很好地滤除 ； 再经二级放大电路放大后， 得到干扰较小 的伏特级的肌电信号 ； 最后通过电平抬高电路将肌电信号中的负电压成分抬升到正电压范 围， 即可将得到的肌电信号输入 A/D 转换的相应引脚。
本远程测量模块的原理说明如下 ：
其包括 ： 多种生理信号感测元件， 它包括多个传感器 ： 一个脉搏血氧传感器、 一个 肌电传感器、 一个呼吸传感器以及一个肌张力传感器， 在康复训练过程中， 使用者可根据需 要佩戴上述 4 个传感器中的一种或两种以上传感器以获取其相应的生理信号 ；
连接接口， 用于连接上述生理信号感测元件 ；
肌电检测模块， 其包括肌电信号放大、 滤波处理电路， 用于检测肌电信号 ；
血氧检测模块， 其包括血氧饱和度相关信号放大、 处理以及传感器控制电路， 用于 检测血氧饱和度相关信号 ；
肌张力检测模块， 主要包括肌张力信号放大电路， 用于检测肌张力信号 ；
呼吸检测模块， 其包括呼吸信号处理、 放大电路， 用于检测呼吸信号 ；
微处理器模块， 用于采集和处理上述生理信号， 并通过串口与无线发送模块建立 通信 ；
无线发送模块， 用于将提取到的相关生理信息发送给本地端 PC 机 ；
电源模块， 用于给整个电路系统供电， 所述电源模块包括一节锂电池、 电池充电接 口和电源处理模块， 其中， 电源处理模块提供对电池进行充电与电路系统供电的功能 ；无线接收模块， 用于建立所述生理信息测量模块与本地 PC 机之间的无线连接， 接 收由无线发送模块发送来的生理信息 ；
本地端人机交互系统， 用于接收并实时显示使用者的相关生理信息， 且能存储、 管 理使用者的个人信息及相关生理信息， 还可通过网络将上述信息发送到远端的监护中心 ；
远端监护中心人机交互系统， 通过 Internet 网络实时或定期接收来自本地端使 用者的个人信息和相关生理信息， 并能对上述信息进行存储与管理， 使得监护中心的医师 能够及时掌握使用者在康复训练过程中的相关生理信息， 并可作为医师诊断使用者的康复 情况与制定下一步康复训练方案的基本依据。
与现有生理信息监测装置相比， 本发明具有以下优点 ：
(1) 本发明通过 Internet 网络连接本地端 PC 机与远端监护中心， 实现医师远程 监护使用者的生理信息， 满足了远程康复训练的需求。(2) 生理信息测量模块与本地端 PC 机之间通过无线连接， 不影响使用者在康复训练过程中的移动， 减少了使用者接线的麻烦。 (3) 可测量多种生理信号。(4) 通过选用小封装元器件减小测量模块的体积与重量， 便于使 用佩戴。 附图说明
图 1 显示本发明康复训练过程中相关生理信息远程测量模块的组成结构示意图 ； 图 2 显示本发明生理信息测量模块的肌电检测模块电路图 ； 图 3 显示本发明生理信息测量模块的血氧检测模块电路图 ； 图 4 显示本发明生理信息测量模块的肌张力检测模块电路图 ； 图 5 显示本发明生理信息测量模块的呼吸检测模块电路图 ； 图 6 显示本发明生理信息测量模块的微处理器电路图 ； 图 7 显示本发明生理信息测量模块的无线发送模块电路图 ； 图 8 显示本发明生理信息测量模块的电源模块电路图 ； 图 9 显示本发明生理信息测量模块的无线接收模块电路图。具体实施方式
以下将结合附图及具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
一种康复训练过程中相关生理信息的远程测量模块， 包括 ：
a、 数据采集端的肌电检测模块、 血氧检测模块、 肌张力检测模块、 呼吸检测模块、 微处理器模块和无线发送模块 ；
b、 数据接收端的无线接收模块以及本地端计算机 ；
c、 远端计算机 ；
无线接收模块接收来自无线发送模块的无线数据信号， 然后传给本地端计算机 ； 本地端计算机通过因特网与远端计算机通信 ；
肌电检测模块的信号输入端、 血氧检测模块的信号输入端、 肌张力检测模块的信 号输入端以及呼吸检测模块的信号输入端分别与相应的肌电、 血氧、 肌张力以及呼吸信号 传感器连接 ； 肌电检测模块的信号输出端、 血氧检测模块的信号输出端、 肌张力检测模块的 信号输出端以及呼吸检测模块的信号输出端分别通过 A/D 转换模块连接微处理器模块的输入端 ； 微处理器模块的数据接收 / 发送端连接无线发送模块的有线数据接收 / 发送端 ； 无线发送模块的无线数据接收 / 发送端对外收发无线数据信号 ；
所述肌电检测模块包括前置放大电路、 二阶高通滤波器、 二阶低通滤波器、 二级 放大电路以及电平抬高电路 ； 前置放大电路接收来自肌电传感器的信号， 并放大 ； 放大后 到信号依次经过二阶高通滤波器、 二阶低通滤波器、 二级放大电路以及电平抬高电路后输 出；
所述血氧检测模块包括传感器驱动电路、 D/A 转换电路、 I/V 转换电路和放大电 路；
所述微处理器模块的控制信号输出端通过 D/A 转换电路连接传感器驱动电路的 控制端， 传感器驱动电路的驱动输出端连接血氧传感器的光源输入端 ； 血氧传感器的光敏 传感器输出端连接 I/V 转换电路的输入端， I/V 转换电路的输出端经放大电路连接微处理 器模块的输入端 ；
所述肌张力检测模块包括第一分压跟随电路和第二分压跟随电路 ； 第一分压跟随 电路的输入端与肌张力传感器的顶柱力信号输出端相连， 第一分压跟随电路的输出端即为 肌张力信号 Fb ； 第二分压跟随电路的输入端与肌张力传感器绷带所施加力信号输出端相 连， 第二分压跟随电路的输出端即为肌张力信号 Ft ； 所述呼吸检测模块包括补偿电路和前置放大电路 ； 补偿电路对来自呼吸信号传感 器的信号进行补偿， 补偿后的信号经前置放大电路输出。
微处理器模块是混合信号单片机 ；
无线发送模块是蓝牙无线传输模块 ； 混合信号单片机的 UART 接口与蓝牙无线传 输模块的 UART 接口进行通信 ；
无线接收模块包括 USB 接口、 串口转 USB 电路和蓝牙无线传输模块 ； 蓝牙无线传输 模块接收到的无线数据信号经串口转 USB 电路转换后， 传给 USB 接口 ； 本地端计算机的 USB 接口与无线接收模块的 USB 接口连接。
对于肌电检测模， 所述二阶高通滤波器与二阶低通滤波器共用同一双运放电路， 二级放大与电平抬高电路共用同一双运放电路 ； 肌电传感器的输出端先经过阻容滤波后以 差分信号形式与前置放大电路的输入端连接。
对于血氧检测模块的光源包括红光二极管和红外光二极管 ；
所述传感器驱动电路包括 PNP 三极管 Q1、 PNP 三极管 Q2、 NPN 三极管 Q3 和 NPN 三 极管 Q4 ；
Q1 的集电极分别连接红光二极管阳极与红外光二极管阴极、 Q2 的集电极分别连 接红光二极管阴极与红外光二极管阳极 ； Q1、 Q2 的发射极连接高电平 ；
Q3 的集电极分别连接红光二极管阳极与红外光二极管阴极、 Q4 的集电极分别连 接红光二极管阴极与红外光二极管阳极 ； Q3、 Q4 的发射极接地 ；
Q1、 Q2 的基极分别经过一电阻与微处理器模块的控制信号输出端引脚相连， 由微 处理器模块控制血氧传感器的红外光二极管与红光二极管的交替亮灭 ； Q3、 Q4 的基极分别 与 D/A 转换电路的电压输出端 VOUTB、 VOUTA 连接， 其输出电压的大小用于调节红光二极管 与红外光二极管的发光强度， 电压越大， 发光二极管的亮度越强。 。
对于血氧检测模块， I/V 转换电路是电流电压转换器 ； 血氧传感器的光敏传感器
的阴极连接 I/V 转换电路的第一输入端， I/V 转换电路的第二输入端与光敏传感器阳极之 间加偏置电压 ； I/V 转换电路的输出端连接到放大电路的一个输入端， 放大电路的另一个 输入端连接 D/A 转换电路的一个输出端。
具体到本例中，
请参阅图 1， 其显示根据本发明的康复训练过程中相关生理信息的远程测量模块 的组成结构示意图。如图 1 所示， 其包括用于连接传感器的连接接口、 肌电检测模块、 血氧 检测模块、 肌张力检测模块、 呼吸检测模块、 微处理器模块、 无线发送模块、 电源模块、 无线 接收模块、 本地端计算机以及远端计算机。一个肌电传感器、 一个血氧传感器、 一个肌张力 传感器与一个呼吸传感器分别与相应的连接接口连接 ； 肌电检测模块、 血氧检测模块、 肌 张力检测模块与呼吸检测模块分别通过相应的连接接口接收传感器的输出信号， 检测出肌 电、 血氧、 肌张力与呼吸信号后与微处理器内部集成的 A/D 转换模块的引脚连接 ； 微处理器 的 UART 输入输出端分别与无线发送模块的输出输入端连接 ； 无线接收模块通过 USB 接口与 本地端计算机连接， 与本地端人机交互系统建立通信 ； 本地端计算机通过 Internet 网络和 远端计算机连接。
肌电检测模块电路图如图 2 所示， 肌电检测模块由前置放大电路 201、 二阶高通滤 波器 202、 二阶低通滤波器 203、 二级放大电路 204 以及电平抬高电路 205 组成， 前置放大 电路采用型号为 AD8226 的低功耗仪用放大器， 二阶高通滤波器与二阶低通滤波器共用一 低功耗、 低噪声的双运放芯片 ADA4841-2， 二级放大与电平抬高电路也共用一双运放芯片 ADA4841-2。肌电传感器的输出端通过阻容滤波后以差分信号形式与仪用放大器 AD8226 的 输入端连接， 仪用放大器 AD8226 的输出端与二阶高通滤波器 202 的输入端 ( 电容 C0-4 的 一端 ) 连接， 二阶高通滤波器 202 的输出端 (ADA4841-2 的 1 引脚 ) 与二阶低通滤波器 203 的输入端 ( 电阻 R0-6 的一端 ) 相连， 二阶低通滤波器 203 的输出端 (ADA4841-2 的 7 引脚 ) 与二级放大电路 204 的输入端 (R0-10 的一端 ) 连接， 二级放大电路 204 的输出端与电平抬 高电路 205 的输入端 (R0-15) 相连， 电平抬高电路 205 的输出端 OUT1 即为肌电信号， 与微 处理器的 A/D 转换模块的相应引脚 (P1.3) 相连。
血氧检测模块电路图如图 3 所示， 血氧检测模块由传感器驱动电路 301、 D/A 转换 电路 302、 I/V 转换电路 303 以及放大电路 304 组成， D/A 转换电路 302 选用型号为 DAC7573 的 12 位数模转换芯片， I/V 转换电路 303 采用低噪声运放 AD8663， 放大电路 304 选用单运放 芯片 AD4841-1。传感器驱动电路 301 中 Q1、 Q2 的基极分别经过一电阻与微处理器的 P0.1、 P0.0 引脚相连， Q3、 Q4 的基极分别与 D/A 转换电路 302 的输出端 VOUTA、 VOUTB 连接 ； D/A 转 换芯片 DAC7573 的 I2C 总线的数据信号 SDA、 时钟信号 SCL 分别与微处理器的 P0.2、 P0.3 引脚相连， 控制信号引脚 LDAC 与微处理器的 P0.7 引脚相连， DAC7573 的输出端 VOUTC 连接 至放大电路 304 的正向输入端 ； I/V 转换电路 303 的输出端 OUT2 为叠加在一起的血氧直流 分量与极微弱的交流分量信号， 与微处理器的 A/D 转换模块的相应引脚 (P1.0) 相连 ； 放大 电路 304 的输出端 OUT3 即为血氧的交流分量信号， 与微处理器的 A/D 转换模块的相应引脚 (P1.5) 相连。
肌张力检测模块电路图如图 4 所示， 由分压跟随电路 401 与 402 组成， 跟随器采用 双运放 ADA4841-2。 分压跟随电路 401 的输入端 SIG1 与肌张力传感器的顶柱力信号相连， 跟 随器的输出端 OUT4 即为肌张力信号 (Fb)， 与微处理器的 A/D 转换模块的相应引脚 (P1.6)相连 ； 分压跟随电路 402 的输入端 SIG2 与肌张力传感器绷带所施加力信号相连， 跟随器的 输出端 OUT5 即为肌张力信号 (Ft)， 与微处理器的 A/D 转换模块的相应引脚 (P1.7) 相连。
呼吸检测模块电路图如图 5 所示， 由补偿电路 501 和前置放大电路 502 组成， 前置 放大电路 502 采用仪用放大器 AD8221。补偿电路 501 中呼吸传感器的一端与电阻 R2-7、 R2-2 连接， 另一端与电阻 R2-2、 R2-4 连接， 并作为输出连接至前置放大电路 502 的正向输入 端， 电阻 R2-1、 R2-3 连接至前置放大电路 502 的反向输入端 ； 前置放大电路 502 中 AD8221 的 输出引脚 7 经过由 R2-8、 C2-1 组成的阻容滤波器后作为前置放大电路 502 的输出端 OUT6， 与微处理器的 A/D 转换模块的相应引脚 (P1.4) 相连。
请参阅图 6， 微处理器选用型号为 C8051F410 的混合信号单片机， 其串口 UART 的发 送引脚 (P0.4) 与无线发送模块的 UART 接收引脚相连， C8051F410 的 UART 接收引脚 (P0.5) 与无线发送模块的 UART 发送引脚相连。无线发送模块如图 7 所示， 选用 BC417 蓝牙无线传 输模块。
电源模块电路图如图 8 所示， 由充电接口 801、 5V 升压电路 802、 3.3V 降压电路 803、 3V 参考电压电路 804 以及 -5V 反向电路。充电接口 801 与一节锂电池相连， 正极作为 5V 升压电路 802 的输入端 ； 5V 升压电路 802 选用升压芯片 TPS61032， 其外围电路接法参照 其技术手册， 输出端 5VDD 为 5V 电压 ； 3.3V 降压电路 803 采用线性低压差芯片 LM1117， 其 外围电路接法参照其技术手册， 输入端为 5V 电压， 输出端 3.3 VDD 为 3.3V 电压 ； 3V 参考电 压电路 804 选用芯片 AD1583， 其外围电路接法参照其技术手册， 输入端为 5V 电压， 输出端 为 3V 电压， 作为 D/A 转换芯片 DAC7573 以及微处理器 (C8051F410)A/D 转换模块的参考电 压； -5V 反向电路选用芯片 MAX660， 其外围电路接法参照其技术手册， 输入端为 5V 电压， 输 出端 -5VDD 为 -5V 电压。
无线接收模块电路图如图 9 所示， 由 USB 接口 901、 串口转 USB 电路 902 以及 BC417 蓝牙无线传输模块 903 组成。USB 接口 901 选用 B 型 USB 接口， 与本地端计算机连接 ； 串口 转 USB 电路 902 选用芯片 CP2102， CP2102 的 USB 数据线引脚 D+、 D- 分别与 USB 接口 901 的 D+、 D- 引脚连接， 其 UART 接收、 发送引脚分别与 BC417 蓝牙无线传输模块 903 的 UART 发送、 接收引脚相连。