可穿戴式生命体征监护设备的研制

2014-02-20 18:54:53来源: 传感技术学报
    专门针对高压氧舱内生命体征多参数监测及健康监护的技术实现问题,提出了一种基于IEEE802.15.4协议的无线传感检测技术系统解决方案,阐述了无线传感检测系统的体系结构以及主控制节点与生命体征参数采集传感器节点的硬件设计方法,给出了软件系统架构、软件设计流程及监护软件工作界面,对MAC层帧结构、物理层帧结构及系统时问同步策略进行了详细分析和设计。该系统样机已进入临床实验阶段,文中还给出了患者的临床检测数据,并与实用的进口监护设备的检测数据进行了对比,验证了临床应用的可行性。

  随着无线通信网络和传感器等技术发展,医疗监护技术和方式将发生根本变化。高压氧舱已广泛应用于临床疾病救治,舱内生理监护系统是高压氧治疗过程中对危重病员进行生理指标监护的重要设备。由于高压氧舱内的特殊环境,现有监护设备对舱内病人的心电、血压、呼吸、脉搏及血氧饱和度等参数的监护存在局限性,主要表现在:①多个传感器通过有线的方式和处理器相连接;②独立的传感器间缺乏系统整合;③不支持信号的持续采集和数据的实时处理;④分别的监护设备间无法共享无线通信资源。研制一种基于无线传感技术的可穿戴式多参数监护设备,可更好地适应高压氧舱特殊环境和临床救治的需要。该监护仪要求心电、血压、血氧饱和度、脉搏、呼吸、体温检测等电路模块采用超低功耗器件,并结合硬、软件省电设计,使氧舱内监护终端可采用电池供电;信号采集转换后,一方面在舱内监护终端(子机)上显示,并通过Zigbee等无线传输技术将采集信号送入舱外中央监护PC终端(主机)上,实现舱内外同步监测。

 1系统体系结构与硬件设计

  小封装、低功耗、无线通信、安全性和互操作是医疗可穿戴式监护设备设计的基本要求。本文所设计的生命特征监护设备的系统结构如图1所示。系统主要由监护PC主机、舱外主节点(coor—dinatornode)和舱内的多参数采集传感器子节点(sensornodes)等三个部分组成,主节点和各子节点之间通过IEEE802.15.4无线通信协议构成一套结构简单、工作稳定,运行可靠的星型无线通信网络。

  主节点主要负责协调高压氧舱内各无线医疗传感器子节点与舱外监护主机PC之间的数据通信,提供透明的通信接口。无线通信接口主要功能包括网络配置和网络管理两个方面。网络配置阶段主要完成传感器节点的注册和初始化,以确定传感器节点的归属、数量和采样频率等。网络配置完成后,主节点负责无线网络的维护和管理,包括信道共享、时间同步、数据提取、数据融合与处理等。子节点分别负责心电、血压、呼吸、血氧、体温等生理信号的采集、检测和监护,并通过无线接口向主节点传输,进而由监护主机存储、处理采集数据,主机可按监护要求进行状态实时显示和异常状态告警。

  1.1主节点硬件设计

  主控节点结构如图2所示。它通过串口与PC主机交互数据,通过无线模块与舱内子节点通信,同时管理和协调舱内各节点的工作时序和同步。其中,微处理器用TI公司超低功耗的MSP430F149,无线通信模块选用Chipcon公司的2.4GHz频段射频低功耗接口芯片CC2420,电源模块采用DC/DC电源变换模式。MSP430微控制器在16bitRISC核的基础上集成了RAM和闪存,同时集成了8路A/D转换模块、传输速度可编程的串口模块和一个灵活的时钟子系统,支持多种低功耗操作模式。CC2420芯片与IEEE802.15.4协议兼容,最大数据数率250Kbit/s,可编程控制输出功率,并支持错误校正和加密。MSP430可通过SPI接口和中断数字I/O线对CC2420进行控制,如图3所示。


 


 

  1.2子节点硬件设计

  传感器子节点的组成框图如图4所示,包含电源模块、心电与呼吸监测模块、血压监测模块、血氧饱和度与脉搏监测模块、体温监测模块、无线传输节点、微处理器模块、输入与LCD显示模块等8个子模块,主要执行生命体征参数的采集、放大、滤波和无线传输,无线传输前,子节点也进行实时分析、特征提取等信号预处理。

  心电检测采用三电极胸部检测方法,选用具有高输入阻抗、低噪声、低漂移精密运算放大器AD620作为第一级放大器,并与呼吸检测电路共用。心电信号经过放大、滤波等处理后,一路进行A/D转换,用于心电波形显示;另一路信号送人一个中心频率为9~18Hz的低Q值带通滤波器,提取R波并抑制部分干扰,经波形变换后可获取心率信号。

  呼吸检测选用阻抗法,为了降低电极接触阻抗对检测结果所产生的干扰,通常选择双电极阻抗法,用控制器MSP430集成的PWM产生两路相差半个周期的62.5kHz方波对呼吸信号进行调制,对调制信号进行放大、解调和滤波后可获取呼吸信号。

  血压检测采用无创袖套间接方式,可同时检测收缩压(SP)、平均压(MP)、舒张压(DP)3个血压指标,其测量范围为0~250mmHg(0~33.33kPa)。

  血氧饱和度检测采用指端脉搏光电检测法。根据朗伯一比尔定律(Lambert-BeerSlaw),单色光透过均匀溶液后的透射光强与溶液参数有关。还原血红蛋白与氧结合后,对某一波长色光的吸光系数将发生很大变化。因此,在入射光强度不变的情况下,透射光强度的变化反映了血氧饱和度的变化。在设计时,我们利用MSP430的时钟控制端口产生逻辑时序控制红光和红外光二极管工作,通过检测透射光强度实现对血氧饱和度的测量。体温测量采用美国DALLAS公司生产的高精度集成温度传感器DS1624,它具有分辨率高(可达0.03℃)、外围电路简单、输出直接为数字信号等特点。

  两个微处理器模块选用两个MSP43OF149芯片,一个用于实现对各参数采集模块和LCD显示的控制;另一个用于无线通信模块的控制,并与芯片CC2420组成一个无线通信节点。

  另外,为了减少设备的体积和功耗,舱内终端机采用单色超低工作电压LCD屏,实时显示心电、脉搏等生理参数波形。终端设计采用锂电池供电,工作电压为+3.3V。

    2 软件系统功能与设计

  2.1功能要求与功能分布

  基于Zigbee星型网络无线通信协议IEEE802.15.4,可穿戴式医疗监护设备的软件系统主要具备控制程序、通信软件和用户界面等三大功能,具体分布在PC控制主机程序、网络协调器软件和传感子节点软件中,如图5所示。

  网络协调器软件在TI公司提供的MSP430开发平台IAR上用标准C语言实现,用于传输中央监护平台至指定ID的传感器模块,分配通信时隙,发送时间同步所需的信标消息;接收指定ID的传感器采集数据,并进行数据融合,向中央监护平台前转融合后的生命特征参数。

  无线通信节点软件无线传输模块每5ms(200Hz)间隔就中断请求子传感器板卡采集一次数据,每100ms(10Hz)间隔就中断请求子传感器板卡按规定格式传输一次数据。应该注意的是,子传感器板是多参数采集传感器协同工作,要求能同时进行多个体征参数测量,无线通信节点软件配置串口为UART模式,传输速率为115.2kbit/s,免除了数据的冲突、丢失或错误。

  子传感板软件在软件设计中,结合人体生理参数变化较缓慢的特点,充分利用硬件定时器及软件定时器,通过定时中断进行多传感器数据采集和多通道采集数据传输流程设计,保证了高精度、实时性和高可靠性的数据采集与传输。

  中央监护界面通过中央监护界面可实现主节点对WSN的参数配置、接收主节点传来的采集数据、利用主机的处理能力对数据进行存储、处理、识别、评估和报警等。本监护设备的中央监护界面采用VB开发实现,如图6所示。

  2.2系统软件流程

  传感节点软件和传感器协调器软件的程序流程分别如图7和图8所示。本流程在IEEE802.15.4协议基础上,结合TDMA技术和无线传感器网络S-MAC协议思想而设计。从图7可以看出,为了节省传感节点的能耗,除加人网络请求、发送数据和侦听同步信标帧时段外,传感节点均处于休眠状态。



    为了满足应用要求,网络协调器设定1s的超帧(superframezT_sfc-=Is)周期,每个传感节点有保留的50ms时隙(timeslot),来传输数据,如图9所示。超帧周期以网络协调器发送的信标消息(bea—conmessage)起始,信标消息含有时间同步信息。每个传感器节点在下一个预期的信标到来前,才唤醒它的射频接口为接收模式。显然,在TDMA时隙帧结构工作模式下,系统的时间同步要求较高,需要设计专门的时间同步协议。

    3 时间同步协议设计与实现

  在多参数采集传感器节点协同工作的可穿戴式监护系统中,分布式采样、集中式信号处理与数据融合、有效的通信信道共享和传感器节点需要可行的时间同步机制。现有的时间同步协议包括参考广播同步(RBS)、延迟澳4量时间同步(DMTS)、传感器网络同步协议(TPSN)和洪泛时间同步协议(FTSP)等。综合考虑系统的鲁棒性、稳定性、收敛性和计算复杂性等因素,本设备选用洪泛时问同步协议FTSP进行设计和实现。FTSP动态地选择一个根节点,周期性地发送时间同步消息,当一个节点接收到时间同步消息,它重新广播这个消息,使时间同步消息泛洪整个网络。该协议还用线性回归来估计时钟漂移,通过在MAC层插入时间信息以改进同步精度。

  在如图1中,主节点(协调器)作为标准时间源,应该注意,当时间产生并加入到消息中时,该消息已经开始发送了。当一个信标帧被发送时,处理器把整个帧载人发送FIFO,接着使能发送。然而,信标帧必定包含该帧开始发送后产生的时间。因此,在主节点发送信标帧的过程中,当产生SFD中断时,就提取出捕获计时器值并转换成全局时间。该全局时间通过RAM(随机)的读写方式插入到正在发送的FIFO发送队列中。这个过程必须足够快地完成,以保证整个信标帧正确发送。如果处理太慢,发送FIFO会向下溢出,发送消息失败。

  时间同步协议软件的测试连接图如图11所示。主控节点和传感器节点被连接到一个公共的有线信号上,这个信号又连接到MSP430的带计时器捕获周期性地发送一个包含时间信息的信标帧给从节点来维持网络同步通信。在协议软件实现时,需要对FTSP进行简化,采用ZigBee星型网络拓扑结构对时间同步所需的计算资源进行最小化处理。Zig-Bee消息的时间固定点选择为帧起始限定符(SFD)。参考图3中的CC2420射频收发器与微控制器接口对应管脚的高低电平,图1O显示了IEEE802.15.4物理帧格式l和时间信息获取过程。主节点无线收发器发送一个信号给控制器,指示SFD字节已被接收或发送。一旦SFD字节被发送,无线收发器驱动SFD管脚,向微处理器提出中断要求,并启动时间捕获。这样,微处理器在SFD字节被发送后可立即获得一个时间点,并将该时间插入到当前的时间同步消息中去。同样,当接收器接收到SFD,也随即产生一个本地时间信息,并把它和时间同步消息一起存储。微控制器通过比较两个时间信息,可以确定本地时间和全网时间的偏移量,并调整本地时钟与主节点(协调器)全局时钟保持一致。

  能力的数字I/0端口。每次当公共信号状态改变时,所有节点各自报告它们的全局时间信息。通过比较主处理器与从节点的时间信息,可确定从节点时间的绝对误差,从而修正同步精度。

  表1给出了十六进制数据表示的时间同步测试结果。表中,左边三个两位十六进制数分别表示小时、分钟和秒,接着两个两位十六进制数表示毫秒,最右边的两位十六进制数以10微秒为单位。从表中可以看出:当同步校正间隔约为1s时,以约100mS的频度中断一次进行同步测试,其最大时间同步误差为50us。显然,时间同步精度满足设计要求。在时间同步测试过程中还发现:提高同步消息发送的频率,网络节点时间与全网时间可维持更好的同步。

    4 临床测试结果与分析

  本可穿戴生命体征监护设备样机已研制完成。采用本样机对高压氧舱中的10例病例(男5例,女5例,年龄22~71岁,平均年龄46.2岁)在2.0ATA舱压下进行临床测试(终端机与主机距离为10米),并与日本COLINBP288监护仪检测结果进行对照。表2显示的血氧饱和度、脉搏、心率、体温、呼吸频率等参数的对比检测数据的一致很好。

  表3给出了本监护设备样机检测与人工实测血压数据的比较。通过线性回归一致性分析,本样机和人工测算的收缩压相关系数p=0.9749,舒张压相关系数p=0.8166,一致性较好。

       5 结论

  基于无线传感检测与通信技术研制的高压氧舱专用设备,可实现心电、血氧饱和度、脉搏、心率、体温、呼吸频率、血压等多生命体征参数的多通路协同监测,并实现舱内外同步实时的传输、控制与显示。监护设备具有结构紧凑、体积小、功耗低、可穿戴等特点,可保证在高压氧舱内安全使用。临床测试结果表明,该监护设备符合系统设计要求,测试参数精确可靠,已具备良好的临床应用性能。本监护设备针对高压氧舱专用而研制,也可用于其他特种环境下患者生命体征参数的监护,对无线传感技术在医疗器械应用研究方面进行了有益的探索。

关键字:生命体征  体征  监护  设备

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/0220/article_4505.html
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