| 專門針對高壓氧艙內(nèi)生命體征多參數(shù)監(jiān)測及健康監(jiān)護的技術(shù)實現(xiàn)問題，提出了一種基于IEEE802．15．4協(xié)議的無線傳感檢測技術(shù)系統(tǒng)解決方案，闡述了無線傳感檢測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及主控制節(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，給出了軟件系統(tǒng)架構(gòu)、軟件設(shè)計流程及監(jiān)護軟件工作界面，對MAC層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)時問同步策略進行了詳細分析和設(shè)計。該系統(tǒng)樣機已進入臨床實驗階段，文中還給出了患者的臨床檢測數(shù)據(jù)，并與實用的進口監(jiān)護設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了臨床應(yīng)用的可行性。
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行生理指標監(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)。
主節(jié)點主要負責協(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)點負責無線網(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)點分別負責心電、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進行控制，如圖3所示。
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)點也進行實時分析、特征提取等信號預處理。
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方波對呼吸信號進行調(diào)制，對調(diào)制信號進行放大、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，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上用標準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消息；接收指定ID的傳感器采集數(shù)據(jù)，并進行數(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)送的信標消息（bea—conmessage）起始，信標消息含有時間同步信息。每個傳感器節(jié)點在下一個預期的信標到來前，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。
 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、收斂性和計算復雜性等因素，本設(shè)備選用洪泛時問同步協(xié)議FTSP進行設(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同步精度。
在如圖1中，主節(jié)點（協(xié)調(diào)器）作為標準時間源，應(yīng)該注意，當時間產(chǎn)生并加入到消息中時，該消息已經(jīng)開始發(fā)送了。當一個信標幀被發(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)送信標幀的過程中，當產(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進行簡化，采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對時間同步所需的計算資源進行最小化處理。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前的時間同步消息中去。同樣，當接收器接收到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制數(shù)分別表示小時、分鐘和秒，接著兩個兩位十六進制數(shù)表示毫秒，最右邊的兩位十六進制數(shù)以10微秒為單位。從表中可以看出：當同步校正間隔約為1s時，以約100mS的頻度中斷一次進行同步測試，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)用研究方面進行了有益的探索。 |
