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可穿戴式生命體征監(jiān)護設(shè)備基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感檢測技術(shù)系統(tǒng)解決方案

發(fā)布時間:2014-04-24 責(zé)任編輯:xiongjianhua

【導(dǎo)讀】本文針對可穿戴式生命體征監(jiān)護設(shè)備技術(shù)實現(xiàn)問題,提出一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感檢測技術(shù)系統(tǒng)解決方案。講解了無 線傳感檢測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及主控制節(jié)點與生命體征參數(shù)采集傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計方法。下面就講講具體內(nèi)容,大家多多了解和學(xué)習(xí)吧!

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)和傳感器等技術(shù)發(fā)展,醫(yī)療監(jiān)護技術(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)護系統(tǒng)是高壓氧治療過程中對危重病員進(jìn)行生理指標(biāo)監(jiān)護的重要設(shè)備。由于高壓氧艙內(nèi)的特殊環(huán)境,現(xiàn)有監(jiān)護設(shè)備對艙內(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)護存在局限性,主要表現(xiàn)在:①多個傳感器通過有線的方式和處理器相連接;②獨立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合;③ 不支持信號的持續(xù)采集和數(shù)據(jù)的實時處理;④分別的監(jiān)護設(shè)備間無法共享無線通信資源。研制一種基于無線傳感技術(shù)的可穿戴式多參數(shù)監(jiān)護設(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)護儀要求心電、血壓、血氧飽和度、脈搏、呼吸、體溫檢測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,使氧艙 內(nèi)監(jiān)護終端可采用電池供電;信號采集轉(zhuǎn)換后,一方面在艙內(nèi)監(jiān)護終端(子機)上顯示,并通過Zigbee等無線傳輸技術(shù)將采集信號送入艙外中央監(jiān)護PC終端 (主機)上,實現(xiàn)艙內(nèi)外同步監(jiān)測。

1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計

小封裝、低功耗、無線通 信、安全性和互操作是醫(yī)療可穿戴式監(jiān)護設(shè)備設(shè)計的基本要求。本文所設(shè)計的生命特征監(jiān)護設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由監(jiān)護PC主機、艙外主節(jié)點 (coor—dinatornode)和艙內(nèi)的多參數(shù)采集傳感器子節(jié)點(sensornodes)等三個部分組成,主節(jié)點和各子節(jié)點之間通過 IEEE802.15.4無線通信協(xié)議構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定,運行可靠的星型無線通信網(wǎng)絡(luò)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主 節(jié)點主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)高壓氧艙內(nèi)各無線醫(yī)療傳感器子節(jié)點與艙外監(jiān)護主機PC之間的數(shù)據(jù)通信,提供透明的通信接口。無線通信接口主要功能包括網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)管理 兩個方面。網(wǎng)絡(luò)配置階段主要完成傳感器節(jié)點的注冊和初始化,以確定傳感器節(jié)點的歸屬、數(shù)量和采樣頻率等。網(wǎng)絡(luò)配置完成后,主節(jié)點負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的維護和管 理,包括信道共享、時間同步、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)融合與處理等。子節(jié)點分別負(fù)責(zé)心電、血壓、呼吸、血氧、體溫等生理信號的采集、檢測和監(jiān)護,并通過無線接口向 主節(jié)點傳輸,進(jìn)而由監(jiān)護主機存儲、處理采集數(shù)據(jù),主機可按監(jiān)護要求進(jìn)行狀態(tài)實時顯示和異常狀態(tài)告警。

1.1主節(jié)點硬件設(shè)計

主 控節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。它通過串口與PC主機交互數(shù)據(jù),通過無線模塊與艙內(nèi)子節(jié)點通信,同時管理和協(xié)調(diào)艙內(nèi)各節(jié)點的工作時序和同步。其中,微處理器用TI 公司超低功耗的MSP430F149,無線通信模塊選用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靈 活的時鐘子系統(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, 并支持錯誤校正和加密。MSP430可通過SPI接口和中斷數(shù)字I/O線對CC2420進(jìn)行控制,如圖3所示。

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1.2子節(jié)點硬件設(shè)計


傳 感器子節(jié)點的組成框圖如圖4所示,包含電源模塊、心電與呼吸監(jiān)測模塊、血壓監(jiān)測模塊、血氧飽和度與脈搏監(jiān)測模塊、體溫監(jiān)測模塊、無線傳輸節(jié)點、微處理器模 塊、輸入與LCD顯示模塊等8個子模塊,主要執(zhí)行生命體征參數(shù)的采集、放大、濾波和無線傳輸,無線傳輸前,子節(jié)點也進(jìn)行實時分析、特征提取等信號預(yù)處理。

心 電檢測采用三電極胸部檢測方法,選用具有高輸入阻抗、低噪聲、低漂移精密運算放大器AD620作為第一級放大器,并與呼吸檢測電路共用。心電信號經(jīng)過放 大、濾波等處理后,一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,用于心電波形顯示;另一路信號送人一個中心頻率為9~18Hz的低Q值帶通濾波器,提取R波并抑制部分干擾,經(jīng)波 形變換后可獲取心率信號。

呼吸檢測選用阻抗法,為了降低電極接觸阻抗對檢測結(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)生兩路相差半個周期的62.5kHz方波對呼吸信號進(jìn)行調(diào)制,對調(diào)制信號進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波后可獲取呼吸信號。

血壓檢測采用無創(chuàng)袖套間接方式,可同時檢測收縮壓(SP)、平均壓(MP)、舒張壓(DP)3個血壓指標(biāo),其測量范圍為0~250mmHg(0~33.33kPa)。

血 氧飽和度檢測采用指端脈搏光電檢測法。根據(jù)朗伯一比爾定律(Lambert-BeerSlaw),單色光透過均勻溶液后的透射光強與溶液參數(shù)有關(guān)。還原血 紅蛋白與氧結(jié)合后,對某一波長色光的吸光系數(shù)將發(fā)生很大變化。因此,在入射光強度不變的情況下,透射光強度的變化反映了血氧飽和度的變化。在設(shè)計時,我們 利用MSP430的時鐘控制端口產(chǎn)生邏輯時序控制紅光和紅外光二極管工作,通過檢測透射光強度實現(xiàn)對血氧飽和度的測量。體溫測量采用美國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℃)、外圍電路簡單、輸出直接為數(shù)字信號等特點。

兩個微處理器模塊選用兩個MSP43OF149芯片,一個用于實現(xiàn)對各參數(shù)采集模塊和LCD顯示的控制;另一個用于無線通信模塊的控制,并與芯片CC2420組成一個無線通信節(jié)點。

另外,為了減少設(shè)備的體積和功耗,艙內(nèi)終端機采用單色超低工作電壓LCD屏,實時顯示心電、脈搏等生理參數(shù)波形。終端設(shè)計采用鋰電池供電,工作電壓為+3.3V。

2 軟件系統(tǒng)功能與設(shè)計

2.1功能要求與功能分布

基于Zigbee星型網(wǎng)絡(luò)無線通信協(xié)議IEEE802.15.4,可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的軟件系統(tǒng)主要具備控制程序、通信軟件和用戶界面等三大功能,具體分布在PC控制主機程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件和傳感子節(jié)點軟件中,如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件在TI公司提供的MSP430開發(fā)平臺IAR上用標(biāo)準(zhǔn)C語言實現(xiàn),用于傳輸中央監(jiān)護平臺至指定ID的傳感器模塊,分配通信時隙,發(fā)送時間同步所需的信標(biāo)消息;接收指定ID的傳感器采集數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,向中央監(jiān)護平臺前轉(zhuǎn)融合后的生命特征參數(shù)。

無 線通信節(jié)點軟件無線傳輸模塊每5ms(200Hz)間隔就中斷請求子傳感器板卡采集一次數(shù)據(jù),每100ms(10Hz)間隔就中斷請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,要求能同時進(jìn)行多個體征參數(shù)測量,無線通信節(jié)點軟件配置串口為UART模式,傳 輸速率為115.2kbit/s,免除了數(shù)據(jù)的沖突、丟失或錯誤。

子傳感板軟件在軟件設(shè)計中,結(jié)合人體生理參數(shù)變化較緩慢的特點,充分利用硬件定時器及軟件定時器,通過定時中斷進(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,保證了高精度、實時性和高可靠性的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

中央監(jiān)護界面通過中央監(jiān)護界面可實現(xiàn)主節(jié)點對WSN的參數(shù)配置、接收主節(jié)點傳來的采集數(shù)據(jù)、利用主機的處理能力對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、識別、評估和報警等。本監(jiān)護設(shè)備的中央監(jiān)護界面采用VB開發(fā)實現(xiàn),如圖6所示。

2.2系統(tǒng)軟件流程

傳 感節(jié)點軟件和傳感器協(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)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S- MAC協(xié)議思想而設(shè)計。從圖7可以看出,為了節(jié)省傳感節(jié)點的能耗,除加人網(wǎng)絡(luò)請求、發(fā)送數(shù)據(jù)和偵聽同步信標(biāo)幀時段外,傳感節(jié)點均處于休眠狀態(tài)。



為 了滿足應(yīng)用要求,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定1s的超幀(superframezT_sfc-=Is)周期,每個傳感節(jié)點有保留的50ms時隙(timeslot), 來傳輸數(shù)據(jù),如圖9所示。超幀周期以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)消息(bea—conmessage)起始,信標(biāo)消息含有時間同步信息。每個傳感器節(jié)點在下一個 預(yù)期的信標(biāo)到來前,才喚醒它的射頻接口為接收模式。顯然,在TDMA時隙幀結(jié)構(gòu)工作模式下,系統(tǒng)的時間同步要求較高,需要設(shè)計專門的時間同步協(xié)議。

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3 時間同步協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)


在 多參數(shù)采集傳感器節(jié)點協(xié)同工作的可穿戴式監(jiān)護系統(tǒng)中,分布式采樣、集中式信號處理與數(shù)據(jù)融合、有效的通信信道共享和傳感器節(jié)點需要可行的時間同步機制?,F(xiàn) 有的時間同步協(xié)議包括參考廣播同步(RBS)、延遲澳4量時間同步(DMTS)、傳感器網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議(TPSN)和洪泛時間同步協(xié)議(FTSP)等。綜合 考慮系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性、收斂性和計算復(fù)雜性等因素,本設(shè)備選用洪泛時問同步協(xié)議FTSP進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn)。FTSP動態(tài)地選擇一個根節(jié)點,周期性地發(fā)送 時間同步消息,當(dāng)一個節(jié)點接收到時間同步消息,它重新廣播這個消息,使時間同步消息泛洪整個網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議還用線性回歸來估計時鐘漂移,通過在MAC層插入 時間信息以改進(jìn)同步精度。

在 如圖1中,主節(jié)點(協(xié)調(diào)器)作為標(biāo)準(zhǔn)時間源,應(yīng)該注意,當(dāng)時間產(chǎn)生并加入到消息中時,該消息已經(jīng)開始發(fā)送了。當(dāng)一個信標(biāo)幀被發(fā)送時,處理器把整個幀載人發(fā) 送FIFO,接著使能發(fā)送。然而,信標(biāo)幀必定包含該幀開始發(fā)送后產(chǎn)生的時間。因此,在主節(jié)點發(fā)送信標(biāo)幀的過程中,當(dāng)產(chǎn)生SFD中斷時,就提取出捕獲計時器 值并轉(zhuǎn)換成全局時間。該全局時間通過RAM(隨機)的讀寫方式插入到正在發(fā)送的FIFO發(fā)送隊列中。這個過程必須足夠快地完成,以保證整個信標(biāo)幀正確發(fā) 送。如果處理太慢,發(fā)送FIFO會向下溢出,發(fā)送消息失敗。

時間同步協(xié)議軟件的測試連接圖如圖11所示。主控節(jié)點和傳感器節(jié)點被連接到一 個公共的有線信號上,這個信號又連接到MSP430的帶計時器捕獲周期性地發(fā)送一個包含時間信息的信標(biāo)幀給從節(jié)點來維持網(wǎng)絡(luò)同步通信。在協(xié)議軟件實現(xiàn)時, 需要對FTSP進(jìn)行簡化,采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對時間同步所需的計算資源進(jìn)行最小化處理。Zig-Bee消息的時間固定點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和時間信息獲取過 程。主節(jié)點無線收發(fā)器發(fā)送一個信號給控制器,指示SFD字節(jié)已被接收或發(fā)送。一旦SFD字節(jié)被發(fā)送,無線收發(fā)器驅(qū)動SFD管腳,向微處理器提出中斷要求, 并啟動時間捕獲。這樣,微處理器在SFD字節(jié)被發(fā)送后可立即獲得一個時間點,并將該時間插入到當(dāng)前的時間同步消息中去。同樣,當(dāng)接收器接收到SFD,也隨 即產(chǎn)生一個本地時間信息,并把它和時間同步消息一起存儲。微控制器通過比較兩個時間信息,可以確定本地時間和全網(wǎng)時間的偏移量,并調(diào)整本地時鐘與主節(jié)點 (協(xié)調(diào)器)全局時鐘保持一致。

能力的數(shù)字I/0端口。每次當(dāng)公共信號狀態(tài)改變時,所有節(jié)點各自報告它們的全局時間信息。通過比較主處理器與從節(jié)點的時間信息,可確定從節(jié)點時間的絕對誤差,從而修正同步精度。

表 1給出了十六進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的時間同步測試結(jié)果。表中,左邊三個兩位十六進(jìn)制數(shù)分別表示小時、分鐘和秒,接著兩個兩位十六進(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,以約100mS的頻度中斷一次進(jìn)行同步測試,其最大時間同步誤差為50us。顯然, 時間同步精度滿足設(shè)計要求。在時間同步測試過程中還發(fā)現(xiàn):提高同步消息發(fā)送的頻率,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間與全網(wǎng)時間可維持更好的同步。

4 臨床測試結(jié)果與分析

本 可穿戴生命體征監(jiān)護設(shè)備樣機已研制完成。采用本樣機對高壓氧艙中的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)行臨床測試(終端機與主機距離為10米),并與日本COLINBP288監(jiān)護儀檢測結(jié)果進(jìn)行對照。表2顯示的血氧飽和度、脈搏、心率、體溫、呼吸頻 率等參數(shù)的對比檢測數(shù)據(jù)的一致很好。

表3給出了本監(jiān)護設(shè)備樣機檢測與人工實測血壓數(shù)據(jù)的比較。通過線性回歸一致性分析,本樣機和人工測算的收縮壓相關(guān)系數(shù)p=0.9749,舒張壓相關(guān)系數(shù)p=0.8166,一致性較好。

5 結(jié)論

基 于無線傳感檢測與通信技術(shù)研制的高壓氧艙專用設(shè)備,可實現(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,并實現(xiàn) 艙內(nèi)外同步實時的傳輸、控制與顯示。監(jiān)護設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低、可穿戴等特點,可保證在高壓氧艙內(nèi)安全使用。臨床測試結(jié)果表明,該監(jiān)護設(shè)備符 合系統(tǒng)設(shè)計要求,測試參數(shù)精確可靠,已具備良好的臨床應(yīng)用性能。本監(jiān)護設(shè)備針對高壓氧艙專用而研制,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,對無 線傳感技術(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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