隨著無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和傳感器等技術(shù)發(fā)展,醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)和方式將發(fā)生根本變化。高壓氧艙已廣 泛應(yīng)用于臨床疾病救治,艙內(nèi)生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是高壓氧治療過(guò)程中對(duì)危重病員進(jìn)行生理指標(biāo)監(jiān)護(hù)的重要設(shè)備。由于高壓氧艙內(nèi)的特殊環(huán)境,現(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)艙內(nèi)病人的 心電、血壓、呼吸、脈搏及血氧飽和度等參數(shù)的監(jiān)護(hù)存在局限性,主要表現(xiàn)在:①多個(gè)傳感器通過(guò)有線(xiàn)的方式和處理器相連接;②獨(dú)立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合;③ 不支持信號(hào)的持續(xù)采集和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理;④分別的監(jiān)護(hù)設(shè)備間無(wú)法共享無(wú)線(xiàn)通信資源。研制一種基于無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的可穿戴式多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備,可更好地適應(yīng)高壓 氧艙特殊環(huán)境和臨床救治的需要。該監(jiān)護(hù)儀要求心電、血壓、血氧飽和度、脈搏、呼吸、體溫檢測(cè)等電路模塊采用超低功耗器件,并結(jié)合硬、軟件省電設(shè)計(jì),使氧艙 內(nèi)監(jiān)護(hù)終端可采用電池供電;信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后,一方面在艙內(nèi)監(jiān)護(hù)終端(子機(jī))上顯示,并通過(guò)Zigbee等無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將采集信號(hào)送入艙外中央監(jiān)護(hù)PC終端 (主機(jī))上,實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外同步監(jiān)測(cè)。
1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)
小封裝、低功耗、無(wú)線(xiàn)通 信、安全性和互操作是醫(yī)療可穿戴式監(jiān)護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)的基本要求。本文所設(shè)計(jì)的生命特征監(jiān)護(hù)設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)PC主機(jī)、艙外主節(jié)點(diǎn) (coor—dinatornode)和艙內(nèi)的多參數(shù)采集傳感器子節(jié)點(diǎn)(sensornodes)等三個(gè)部分組成,主節(jié)點(diǎn)和各子節(jié)點(diǎn)之間通過(guò) IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,運(yùn)行可靠的星型無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。
主 節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)高壓氧艙內(nèi)各無(wú)線(xiàn)醫(yī)療傳感器子節(jié)點(diǎn)與艙外監(jiān)護(hù)主機(jī)PC之間的數(shù)據(jù)通信,提供透明的通信接口。無(wú)線(xiàn)通信接口主要功能包括網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)管理 兩個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)配置階段主要完成傳感器節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)和初始化,以確定傳感器節(jié)點(diǎn)的歸屬、數(shù)量和采樣頻率等。網(wǎng)絡(luò)配置完成后,主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管 理,包括信道共享、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)融合與處理等。子節(jié)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)心電、血壓、呼吸、血氧、體溫等生理信號(hào)的采集、檢測(cè)和監(jiān)護(hù),并通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口向 主節(jié)點(diǎn)傳輸,進(jìn)而由監(jiān)護(hù)主機(jī)存儲(chǔ)、處理采集數(shù)據(jù),主機(jī)可按監(jiān)護(hù)要求進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和異常狀態(tài)告警。
1.1主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
主 控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它通過(guò)串口與PC主機(jī)交互數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與艙內(nèi)子節(jié)點(diǎn)通信,同時(shí)管理和協(xié)調(diào)艙內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序和同步。其中,微處理器用TI 公司超低功耗的MSP430F149,無(wú)線(xiàn)通信模塊選用Chipcon公司的2.4GHz頻段射頻低功耗接口芯片CC2420,電源模塊采用DC/DC電 源變換模式。MSP430微控制器在16bitRISC核的基礎(chǔ)上集成了RAM和閃存,同時(shí)集成了8路A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳輸速度可編程的串口模塊和一個(gè)靈 活的時(shí)鐘子系統(tǒng),支持多種低功耗操作模式。CC2420芯片與IEEE802.15.4協(xié)議兼容,最大數(shù)據(jù)數(shù)率250Kbit/s,可編程控制輸出功率, 并支持錯(cuò)誤校正和加密。MSP430可通過(guò)SPI接口和中斷數(shù)字I/O線(xiàn)對(duì)CC2420進(jìn)行控制,如圖3所示。
1.2子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
傳 感器子節(jié)點(diǎn)的組成框圖如圖4所示,包含電源模塊、心電與呼吸監(jiān)測(cè)模塊、血壓監(jiān)測(cè)模塊、血氧飽和度與脈搏監(jiān)測(cè)模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸節(jié)點(diǎn)、微處理器模 塊、輸入與LCD顯示模塊等8個(gè)子模塊,主要執(zhí)行生命體征參數(shù)的采集、放大、濾波和無(wú)線(xiàn)傳輸,無(wú)線(xiàn)傳輸前,子節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、特征提取等信號(hào)預(yù)處理。
呼吸檢測(cè)選用阻抗法,為了降低電極接觸阻抗對(duì)檢測(cè)結(jié)果所產(chǎn)生的干擾,通常選擇雙電極阻抗法,用控制器MSP430集成的PWM產(chǎn)生兩路相差半個(gè)周期的62.5kHz方波對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波后可獲取呼吸信號(hào)。
血壓檢測(cè)采用無(wú)創(chuàng)袖套間接方式,可同時(shí)檢測(cè)收縮壓(SP)、平均壓(MP)、舒張壓(DP)3個(gè)血壓指標(biāo),其測(cè)量范圍為0~250mmHg(0~33.33kPa)。
血 氧飽和度檢測(cè)采用指端脈搏光電檢測(cè)法。根據(jù)朗伯一比爾定律(Lambert-BeerSlaw),單色光透過(guò)均勻溶液后的透射光強(qiáng)與溶液參數(shù)有關(guān)。還原血 紅蛋白與氧結(jié)合后,對(duì)某一波長(zhǎng)色光的吸光系數(shù)將發(fā)生很大變化。因此,在入射光強(qiáng)度不變的情況下,透射光強(qiáng)度的變化反映了血氧飽和度的變化。在設(shè)計(jì)時(shí),我們 利用MSP430的時(shí)鐘控制端口產(chǎn)生邏輯時(shí)序控制紅光和紅外光二極管工作,通過(guò)檢測(cè)透射光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)血氧飽和度的測(cè)量。體溫測(cè)量采用美國(guó)DALLAS公司 生產(chǎn)的高精度集成溫度傳感器DS1624,它具有分辨率高(可達(dá)0.03℃)、外圍電路簡(jiǎn)單、輸出直接為數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。
兩個(gè)微處理器模塊選用兩個(gè)MSP43OF149芯片,一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)采集模塊和LCD顯示的控制;另一個(gè)用于無(wú)線(xiàn)通信模塊的控制,并與芯片CC2420組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)。
另外,為了減少設(shè)備的體積和功耗,艙內(nèi)終端機(jī)采用單色超低工作電壓LCD屏,實(shí)時(shí)顯示心電、脈搏等生理參數(shù)波形。終端設(shè)計(jì)采用鋰電池供電,工作電壓為+3.3V。
2 軟件系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)
2.1功能要求與功能分布
基于Zigbee星型網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議IEEE802.15.4,可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的軟件系統(tǒng)主要具備控制程序、通信軟件和用戶(hù)界面等三大功能,具體分布在PC控制主機(jī)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件和傳感子節(jié)點(diǎn)軟件中,如圖5所示。
無(wú) 線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)軟件無(wú)線(xiàn)傳輸模塊每5ms(200Hz)間隔就中斷請(qǐng)求子傳感器板卡采集一次數(shù)據(jù),每100ms(10Hz)間隔就中斷請(qǐng)求子傳感器板卡按規(guī)定 格式傳輸一次數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意的是,子傳感器板是多參數(shù)采集傳感器協(xié)同工作,要求能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)體征參數(shù)測(cè)量,無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)軟件配置串口為UART模式,傳 輸速率為115.2kbit/s,免除了數(shù)據(jù)的沖突、丟失或錯(cuò)誤。
子傳感板軟件在軟件設(shè)計(jì)中,結(jié)合人體生理參數(shù)變化較緩慢的特點(diǎn),充分利用硬件定時(shí)器及軟件定時(shí)器,通過(guò)定時(shí)中斷進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)采集和多通道采集數(shù)據(jù)傳輸流程設(shè)計(jì),保證了高精度、實(shí)時(shí)性和高可靠性的數(shù)據(jù)采集與傳輸。
中央監(jiān)護(hù)界面通過(guò)中央監(jiān)護(hù)界面可實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對(duì)WSN的參數(shù)配置、接收主節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的采集數(shù)據(jù)、利用主機(jī)的處理能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、識(shí)別、評(píng)估和報(bào)警等。本監(jiān)護(hù)設(shè)備的中央監(jiān)護(hù)界面采用VB開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn),如圖6所示。
傳 感節(jié)點(diǎn)軟件和傳感器協(xié)調(diào)器軟件的程序流程分別如圖7和圖8所示。本流程在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上,結(jié)合TDMA技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)S- MAC協(xié)議思想而設(shè)計(jì)。從圖7可以看出,為了節(jié)省傳感節(jié)點(diǎn)的能耗,除加人網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、發(fā)送數(shù)據(jù)和偵聽(tīng)同步信標(biāo)幀時(shí)段外,傳感節(jié)點(diǎn)均處于休眠狀態(tài)。
3 時(shí)間同步協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在 多參數(shù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的可穿戴式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,分布式采樣、集中式信號(hào)處理與數(shù)據(jù)融合、有效的通信信道共享和傳感器節(jié)點(diǎn)需要可行的時(shí)間同步機(jī)制?,F(xiàn) 有的時(shí)間同步協(xié)議包括參考廣播同步(RBS)、延遲澳4量時(shí)間同步(DMTS)、傳感器網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議(TPSN)和洪泛時(shí)間同步協(xié)議(FTSP)等。綜合 考慮系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算復(fù)雜性等因素,本設(shè)備選用洪泛時(shí)問(wèn)同步協(xié)議FTSP進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。FTSP動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)根節(jié)點(diǎn),周期性地發(fā)送 時(shí)間同步消息,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到時(shí)間同步消息,它重新廣播這個(gè)消息,使時(shí)間同步消息泛洪整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議還用線(xiàn)性回歸來(lái)估計(jì)時(shí)鐘漂移,通過(guò)在MAC層插入 時(shí)間信息以改進(jìn)同步精度。
時(shí)間同步協(xié)議軟件的測(cè)試連接圖如圖11所示。主控節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)被連接到一 個(gè)公共的有線(xiàn)信號(hào)上,這個(gè)信號(hào)又連接到MSP430的帶計(jì)時(shí)器捕獲周期性地發(fā)送一個(gè)包含時(shí)間信息的信標(biāo)幀給從節(jié)點(diǎn)來(lái)維持網(wǎng)絡(luò)同步通信。在協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)時(shí), 需要對(duì)FTSP進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)時(shí)間同步所需的計(jì)算資源進(jìn)行最小化處理。Zig-Bee消息的時(shí)間固定點(diǎn)選擇為幀起始限定符 (SFD)。參考圖3中的CC2420射頻收發(fā)器與微控制器接口對(duì)應(yīng)管腳的高低電平,圖1O顯示了IEEE802.15.4物理幀格式l和時(shí)間信息獲取過(guò) 程。主節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)給控制器,指示SFD字節(jié)已被接收或發(fā)送。一旦SFD字節(jié)被發(fā)送,無(wú)線(xiàn)收發(fā)器驅(qū)動(dòng)SFD管腳,向微處理器提出中斷要求, 并啟動(dòng)時(shí)間捕獲。這樣,微處理器在SFD字節(jié)被發(fā)送后可立即獲得一個(gè)時(shí)間點(diǎn),并將該時(shí)間插入到當(dāng)前的時(shí)間同步消息中去。同樣,當(dāng)接收器接收到SFD,也隨 即產(chǎn)生一個(gè)本地時(shí)間信息,并把它和時(shí)間同步消息一起存儲(chǔ)。微控制器通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)間信息,可以確定本地時(shí)間和全網(wǎng)時(shí)間的偏移量,并調(diào)整本地時(shí)鐘與主節(jié)點(diǎn) (協(xié)調(diào)器)全局時(shí)鐘保持一致。
表 1給出了十六進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的時(shí)間同步測(cè)試結(jié)果。表中,左邊三個(gè)兩位十六進(jìn)制數(shù)分別表示小時(shí)、分鐘和秒,接著兩個(gè)兩位十六進(jìn)制數(shù)表示毫秒,最右邊的兩位十六 進(jìn)制數(shù)以10微秒為單位。從表中可以看出:當(dāng)同步校正間隔約為1s時(shí),以約100mS的頻度中斷一次進(jìn)行同步測(cè)試,其最大時(shí)間同步誤差為50us。顯然, 時(shí)間同步精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在時(shí)間同步測(cè)試過(guò)程中還發(fā)現(xiàn):提高同步消息發(fā)送的頻率,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間與全網(wǎng)時(shí)間可維持更好的同步。
本 可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)設(shè)備樣機(jī)已研制完成。采用本樣機(jī)對(duì)高壓氧艙中的10例病例(男5例,女5例,年齡22~71歲,平均年齡46.2歲)在2.0ATA艙 壓下進(jìn)行臨床測(cè)試(終端機(jī)與主機(jī)距離為10米),并與日本COLINBP288監(jiān)護(hù)儀檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。表2顯示的血氧飽和度、脈搏、心率、體溫、呼吸頻 率等參數(shù)的對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致很好。
基 于無(wú)線(xiàn)傳感檢測(cè)與通信技術(shù)研制的高壓氧艙專(zhuān)用設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)心電、血氧飽和度、脈搏、心率、體溫、呼吸頻率、血壓等多生命體征參數(shù)的多通路協(xié)同監(jiān)測(cè),并實(shí)現(xiàn) 艙內(nèi)外同步實(shí)時(shí)的傳輸、控制與顯示。監(jiān)護(hù)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低、可穿戴等特點(diǎn),可保證在高壓氧艙內(nèi)安全使用。臨床測(cè)試結(jié)果表明,該監(jiān)護(hù)設(shè)備符 合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,測(cè)試參數(shù)精確可靠,已具備良好的臨床應(yīng)用性能。本監(jiān)護(hù)設(shè)備針對(duì)高壓氧艙專(zhuān)用而研制,也可用于其他特種環(huán)境下患者生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù),對(duì)無(wú) 線(xiàn)傳感技術(shù)在醫(yī)療器械應(yīng)用研究方面進(jìn)行了有益的探索。
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