多生理参数（共7篇）
多生理参数 篇1
0 引言
由于平均寿命的增长和人口出生率的下降,使世界人口老龄化问题凸显。老年人慢性病和退化性疾病需要长期追踪与治疗,但多数病人不可能长期留在医院治疗,而是采取了定期回院复诊的治疗方式,缺乏长期有效的病情监控与护理,既浪费了病人往返医院的时间和金钱,也增加了病人的精神压力。特别是有些慢性病需要监测发病时的生理参数,此外多数病人具有自由活动的能力,但现有的监护方式使得病人被束缚于医院和病床上[1]。远程监护是指利用信息技术实现对病人生理参数的远距离监护[2]。多生理参数远程监护系统可使患者在社区或家里得到医院同样的服务,对提高我国基层医疗单位的医疗保健水平有重要意义。生理参数的远程监护目前已成为生物医学工程领域的研究热点[3,4,5,6]。
随着现代通信技术的高速发展及其在医疗领域的广泛应用,给远程监护的研究带来了新的发展[7]。除心电以外,临床上其他重要的生理参数:血压、体温、血氧饱和度、呼吸波等也成为远程监护的内容,使远程监护系统逐渐趋于完善。
1 多生理参数远程监护系统发展现状
随着网络通信技术高速发展,这种先进技术被越来越多的应用于远程监护领域。目前的研究主要集中在基于Internet和无线通信网的远程监护系统的开发。
1.1 基于Internet的远程监护
目前有些远程监护系统通过电话线连接到监护中心服务器上[8,9,10],由于电话网的普及,这种方法被广泛的应用。
重庆大学刘细亮等人利用VC++搭建一个软件平台[8],能够在平台内实现心电信号的实时图像传输,医疗监护人员能够在系统监护终端实时看到客户端检测到的心电图并进行分析,以便及时给对方提出建议,达到远程医疗监护的目的。通过VC++编程,建立了一个客户/服务器模型,把家庭和医疗中心相连接,在远程诊断的基础上,程序的家庭端可与监护仪器相连,并从串口实时读入采集的数据,医疗中心端对接收到的数据可以实时地进行初步预处理,并存入数据库。另外,将医疗中心端软件和中心数据库链接,方便查找患者的历史信息,以能做出更准确的诊断。监护软件分为家庭端和医疗中心端,家庭端通过电话线连接到Internet上,可以选择不同的医疗中心,而医疗中心则通过自己的局域网与Internet相连接,也可以连接多个家庭。
家庭端通过电话线连接到Internet上,监护数据的传输速度较慢。近年来,随着计算机网络的日益普及,各种新的、更高带宽的接入方式不断进入日常生活,所需费用也逐渐低廉,为远程医疗、远程监护等提供了良好的基础支持[11]。
1.2 基于无线通信网的远程监护
基于Internet的远程监护系统由于其设备的局限,只能应用于固定环境,使得受监护人群的活动范围仍然受到限制。此外,系统必须是可以接入Internet的工作站或PC机,从而造成较高的功耗和成本[7]。像心电这样重要的生理参数,需要随时监护,仅仅依靠该系统进行监护仍然不能体现出系统的优势。因此,基于无线通信网的心电远程监护系统日益成为研究的重点。
基于无线通信网的远程监护系统主要由监护终端、无线远程传输网络和医院或社区监护中心组成[12]。近年来,随着生物医学传感器的小型化[13],用于采集和传输生理数据的监护终端趋于小型化,产生了便携式生理信号采集器。与无线远程传输网络结合起来,使患者可以在一定范围内自由移动,而不必受监护装置的限制[13,14]。当前较为常见的无线通信技术有CDMA[10]、GPRS[12,14]以及蓝牙技术[15,16]等。
1.2.1 基于GPRS的无线远程监护。
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,它是在GSM系统基础上发展出来的一种新的承载业务。与原有的GSM系统相比较,GPRS在数据传输上进行了彻底的革新。GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换数据承载和传输方式,因此,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。
基于GPRS移动通信网的心电监护是一种新型长时间心电监护系统,由于GPRS网络可以支持点对点连接,因此两个GPRS监护终端可以经由移动网连接进行通信,使患者与医生或家属之间可以直接进行沟通。患者还可以通过GPRS网接入Internet网来与监护中心进行通信[17]。
高凤梅等人提出了一种基于GPRS的嵌入式多生理参数远程监护系统设计方案[12]。该监护系统分为三部分:监护终端,无线远程传输网络和医院或社区的监护中心。监护终端完成心电、心音、血压、体温、呼吸等多生理参数数据的采集、分析和显示,有异常时报警并向监控中心发送数据。无线远程传输网络采用已存在的GPRS和Internet网络。医院或社区监护中心采用装有监护软件并接入Internet的PC机接收数据和分析显示,并给出诊断意见、治疗方案或采取救助措施。系统整体框图如图1。监护终端采用嵌入式系统来实现,选用基于ARM 9内核的S3C2410作主处理器,它低功耗,高性能,小尺寸,外围接口丰富,内含MMU Memory Manage Unit,适合高端的嵌入式系统的应用。S3C2410上运行ARM-Linux嵌入式操作系统。GPRS通信模块选SIM300,是目前性价比较高的GPRS模块,与S3C2410通过串口相连。
1.2.2 基于蓝牙技术的无线远程监护。
蓝牙技术是目前应用比较广泛的一种近距离无线传输技术,随着其市场化进程的推进,标准化程度越来越高[18]。蓝牙技术是一种开放性的短距离无线数据和语音通信的全球规范,可用于取代各种医疗仪器之间繁杂的电缆连接。蓝牙工作于2.4GHz国际通用ISM(industry scientific and medical)频段,为避免其他无线通信系统以及蓝牙设备之间的相互干扰,采用了跳频技术frequency hopping进行数据传输。蓝牙的跳频速度为1600hops/s,即每隔625μs改变一次通信频道。相比其它工作在相同频段的系统,蓝牙跳频更快。蓝牙技术可以主动检测到通讯范围内的其他蓝牙设备并由用户决定是否连接,支持点对点或点对多点的连接,设备自身具有组建临时网络的能力,不需要任何服务器[19]。目前,基于蓝牙通信的远程监护系统研究逐渐成为热点。蓝牙技术具有跳频快、数据包短、功率低、稳定、抗干扰能力强、辐射小等特点,适用于从医疗设备直接自动收集患者信息并通过网络传输到数据库,远程实时监护患者情况[20],为远程监护提供了另一技术条件。
陈轶炜等人设计了一种基于蓝牙通讯的便携式心电监护系统[15],系统由心电采集盒与家庭端的掌上电脑组成(如图2所示)。心电采集盒以MSP430单片机为核心来控制心电数据的采集与放大,通过BCM-03蓝牙模块将心电数据发送到掌上电脑。掌上电脑作为家庭端的设备,在对心电波形进行显示、分析和存储的同时,还可通过modem拨号上网或者通过WIFI连接到无线局域网与远程医疗中心站通讯,实现心电图远程监护的功能。
Fahim Sufi等人设计了一种基于移动通信网的远程监护系统[19],此系统还处于实验阶段。这种远程监护系统主要包括病人中心端(PCP)和医生中心端(DCP)以及移动通信网络(MGWS)。病人端采用PDA和移动电话。病人端数据采集处理程序采用C#语言编写,在.NET平台上进行开发。还可通过上网或者Wi Fi等连接到无线局域网与远程监护中心站通讯,实现生理参数的远程监护。
1.2.3 基于CDMA的无线远程监护。
CDMA是在扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA比其他通信系统有非常重要的优势:(1)覆盖范围广CDMA系统理论上覆盖半径是GSM系统的2倍;(2)系统容量大在相同的频谱利用率条件下,CDMA系统的容量是GSM系统容量的4~5倍;(3)绿色环保为了克服“远近效应”,CDMA系统采用了功率控制(Power Control)技术,移动台的发射功率尽可能小;(4)频率利用率高由于CDMA系统采用不同的伪随机码对用户信号进行调制,从频域的角度看,所有信号的频谱是重叠在一起的,其频谱的利用率非常高;(5)隐蔽性和保密性好扩频调制后信号频谱近似为白噪声,具有良好的保密性能;同时,扩频增益越大,扩频信号占用的带宽越宽,相应的功率谱密度越低,因此具有良好的隐蔽性;(6)建网成本低CDMA网络覆盖范围大,系统容量高,所需基站少,降低了建网成本[21]。由于其独到之处,即使在蓝牙、GPRS等无线通讯技术风靡的今天,CDMA仍然在全球占有一席之地,并且被确立为3G家族标准的基本技术。
目前,CDMA已应用于远程监护系统的研究。基于CDMA网络的远程心电监护系统充分利用了CDMA网络覆盖的广泛性和Internet网在医院的普及性,能够使病人在CDMA网络覆盖范围内,实时地从前端移动监护仪获取远程心电数据,并通过CDMA网络将数据上传到医院的中央监护系统[22]。
周玉彬等人设计了基于CDMA的无线远程监护系统[23]。本系统由若干便携机和中央工作站接收系统组成。每个便携机利用CDMA 1X无线通讯网络,将采集到的人体生理监测信号通过广域的Internet网络传送到的特定的中央工作站,中央工作站接收并记录、分析、保存每一个便携机的数据。无线监护便携机采用Philips 2138 ARM7系列CPU、用于存储显示来自采集模块的波形和参数,数据发射模块采用DT-GS800 CDMA。中央工作站接收系统软件主要包括数据采集存储、数据显示和数据管理以及分析等功能,系统结构功能图如图3所示。
2 小结与展望
远程监护系统不仅可以方便慢性病患者在家中进行生理参数的监测,同时也可以用于重伤患者的监护,这对于在自然或人为原因造成的灾难中受重伤的患者的存活有着重要意义[19]。近年来,网络通信技术的高速发展使生理参数的远程实时监护成为可能,从基于电话网的远程监护到基于Internet的远程监护,数据传输速度得到了提高。无线通信技术(特别是第三代3G通信技术)的发展,使远程监护系统越来越趋于无线化、便携化、模块化和人性化。无线通信与Internet相结合是未来远程监护系统的发展趋势。远程监护系统的发展,无论是对增强医院的医疗能力,还是对减轻患者负担都具有非常重要的意义。同时,也将有力地促进社区医疗的稳步发展。
多生理参数 篇2
关键词：生理参数检测,学习仪,开放式
1 引言
《医用电子仪器原理与维修》是医用电子仪器维护专业最为核心的一门课程。目前,由于医用电子仪器比较贵重,不能大量购买此类设备用于教学,使得实践教学较难开展,因此大部分院校实施该课程的实践教学时,都是以一类典型设备为载体,在此基础上再进行拓展。以生理电测量类仪器为例,大多利用光电6511或东江11B(A)心电图机为学习载体,学生往往是拆开心电图机,对照原理图从输入放大、显示、键控制和电源等4个部分逐一分析学习原理和结构,而脑电、肌电等设备就在此基础上进行简单而表浅的拓展。
这种现状存在几个问题:学生将电路原理图和实物电路对照起来学习难度大,对于集成度高的电路则更加无法入手;学生所学的电路原理停留于理论,实际运用上存在困难;对现代医用电子仪器逐渐普及的微机控制、处理和显示技术的学习无法深入。
开放式人体多生理参数检测学习仪就是基于以上问题的考虑而研制的,在对经典医用监护仪的结构与原理进行剖析的基础上,搭建一个开放式微机平台,根据目前各种典型生理参数信息检测电路设计出分立模块,有机组合制成专供教学使用的学习仪。
2 系统的设计
该学习仪根据现代常见医用电子仪器的基本结构设计,体现理论与实践内容的系统性,涵盖了传感器技术、模数电路技术、单片机软硬件技术等内容,结构及原理框图如图1所示[1]。
系统的电路、模块、接口、程序按照开放式思路设计,在软件和硬件上可以在之后简便地进行修改、完善、调试。在教学上为学生提供一个可全方位切入进行学习的教学平台,满足科研、教学的需要。以下重点介绍检测电路、A/D转换部分、单片机系统和开放式设计的关键技术。
2.1 检测电路与A/D转换部分
系统的检测电路选择人体常见且有代表性的3种生理信息(体温、心电、血氧饱和度)作为采集的目标,通过各类型传感器及其电路完成电能量转换(采集)。
2.1.1 体温检测
利用温度传感器测量腋下温度,并转换为与之对应的电信号,经过预处理最后送入单片机[2,3],其流程如图2所示。体温探头选用AD590作为温度传感器,它具有灵敏度高、线性度好、响应速度快、良好的线性度和一致性等特点,通过外围电路调整后,AD590的输出电压为5~45 mV,反映体温5~45℃。
2.1.2 心电信号检测
为使导联线更加简单,该学习机采用监护仪上常用的“左右手检测,右腿浮地驱动”的导联方式,检测电路设计也较简单,如图3所示。其中,前置放大电路使用KT-2集成芯片,使输入阻抗提高至100 MΩ,主放大部分采用3级运放电路,其中最后一级增益可调,使用AH6561集成运放,通过负反馈通路选择×0.5、×1和×2这3种增益倍数,利用模拟开关控制,由键控部分经单片机发出增益选择信号。心电信号最后经由N120B(TL072)组成的缓冲放大器,送至A/D转换器转换为数字信号[4]。该生理信息采集模块主要锻炼学生电路方面的开发和调试技能,并学习利用单片机实现前端电路的控制。
2.1.3 血氧检测
考虑到目前医用电子仪器的开发方式已经发展到模块化运用,该部分设计采用广泛使用的指夹式血氧探测探头及其附带电路,其基本原理如图4所示,主要体现对成熟电路模块的迁移运用能力[5,6]。
该电路输出为血氧饱和度和脉搏的变化曲线,经A/D转换电路实现数字化,并由单片机处理显示。
2.1.4 A/D转换器
A/D转换器作为系统多路检测信号共用的模块,采用图5(a)所示的结构,由模拟开关进行信号输入通道的切换,其切换动作由键盘通过单片机发出指令完成。A/D转换器本身选择12位逐次逼近式串行的A/D转换芯片MAXl87,转换速度为8.5μs,能耗低,采用8脚DIP封装,外接元件简单,使用方便,完全可以满足对心电信号的采集速度和系统便携式的要求。MAXl87的SCLK(时钟)、CS(片选)、DOUT(数据)端分别与AT89S52的P3.0、P3.1、P3.2脚连接,通过控制MAXl87的串口时序,完成A/D连续转换的读写操作[7],其基本连接图如图5(b)所示。
2.2 控制与显示部分
控制模块采用4×4键盘输入,其中定义用于信号通道选择4个;心电模块控制6个,包含增益调节、闭锁信号和校准信号输入等;血氧检测模块控制2个;温度检测模块自动与手动模式切换1个;复位按钮1个;备用按钮2个。以温度检测为例,系统初始化后,系统处于体温自动测量模式下,AT89S52定时从温度传感器电路和实时时钟中读取温度数据和时间信息,再将两者进行组合成一条记录,然后存储在存储器中,同时将最新的一条记录送往液晶显示模块进行显示。而通过键盘进入手动模式后下,由键盘给一操作信号控制单片机完成上述工作。
显示部分选择240×128的图形液晶模块,实时显示血氧、体温数值以及心电波形,显示清晰,方便观察[8]。
2.3 单片机核心及软件部分
单片机核心使用AT89S52芯片,它具有以下标准功能:8 KB Flash,1 000次擦写周期,256 B RAM,32 bit I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,3个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。这些丰富的资源使得该学习仪可以灵活地设计和拓展。
该学习仪的系统软件采用单片机C语言编制。为了便于程序调试和提高可靠性,同时方便学生进行学习,软件采用模块化结构程序设计方法,主要包括初始化程序、主程序、定时中断服务程序、串行口中断服务程序、各子程序模块等。主程序完成系统初始化,打开多路转换开关,查询各种状态并控制相应操作等功能。
系统软件工作过程如图6所示。系统软件在启动后先进行系统硬件和操作系统的初始化,然后进入系统主程序,等待键盘响应,当按键按下选择需要实现的功能时,系统向单片机发出命令采集相应的生理信号,并等待接收采集的数据,接收数据后进入数据处理子程序,计算得到所要求的生理参数和波形,并进行显示、存储或传输。
由于AT89S52片内的Flash存储器只有8 KB,为了提高其存储能力,可以扩展一片K9F2808(u)0b存储器,它是一种NAND Flash存储器,内部存储空间为16 MB,是一款理想的大容量数据存储芯片。串口接收数据时,读操作自动访问接收寄存器,然后将数据存储到K9F2808中。以采集心电信号为例,如以200 Hz的采样频率和一点位一个字节计算,这个Flash可以存储24 h的心电数据[9]。
2.4“开放式”的设计方法
为了使整个系统体现良好的教学适用性,方便学生从系统的各个方面进行切入学习研究,设计上采用“开放式”的思路,不仅是系统本身开放,其研发过程也完全开放,主要体现在:
(1)硬件电路方面,参考经典产品的结构进行设计,电路板采用较大的实验板制作,元器件和线路的布局与原理图直观对应,在关键点设置测试点、通断开关和插孔等,方便测量和电路改造。例如,在心电检测电路中预留闭锁、电极脱落检测、光电耦合等功能模块的扩展接口,在后期学习中,鼓励学生进行创新实验,通过理论与实践的结合设计出电路,与该系统对接实现相关功能。另外,单片机系统采用通用的接口,兼容其他功能模块接入,实现可拓展性。
(2)软件方面,以C语言为基础,采用模块化结构程序设计方法进行系统编程,程序语言给以逐行注释。同时预先按照几种编程思路进行软件编写和调试,作为备用程序包,实训时学生可以验证程序的语法规则,也可以进行修改再写入调试,还可以按照课程需求设计应用型编程题库,让学生进行自主选择,利用课余时间完成拓展[10]。同时,电路设计软件和程序开发环境完全开放,方便学生快速进入学习状态。
(3)辅助资料方面,将开发过程中相关的资料进行梳理及整合,形成书面材料,针对医用电子仪器维护专业各门课程中运用在该系统的各种知识和理论,设计出实训项目,项目列表如表1所示。同时编写相关的实训指导书,便于学生自主学习。
各实训项目虽属于不同的课程,但之间存在着紧密的联系,例如:传感器电路的设计需要各种检测、放大、输出电路的基础理论;A/D转换电路需要配合单片机处理I/O接口等。在这些项目的设计上遵循从简单到复杂、由单元到模块、再由模块到整体的原则,尽量做到深入浅出。所有课程结束时,可以根据专业方向设计一个综合性的项目,将所有课程串接起来,使这些单一的知识和技能汇成解决实际问题的合力。
3 结果分析
在上述方案的指导下,通过整体电路的设计、系统平台和各模块的搭建,最后开发出一个用于人体生理电、体温和血氧饱和度等典型生理信息测量的教学仪器。由于在开放式的指导思路下完成研制,该学习仪具有诸多特点。
3.1 应用效果良好
开放性的设计使得该仪器直观易懂,易于切入学习,学生在演示、检测、调试、开发设计等环节中可以由浅入深地学习医用电子仪器的系统结构和各模块的基本原理,并进行“模仿训练”和“创新尝试”,也使教学形式更加生动灵活。
3.2 改变了以往的教学模式
全过程开放使该学习仪像一本教材,其“目录”就是这个研发过程中的每一个步骤或每一个项目,学生可以通过“目录”切入具体的知识点进行学习,又可在学习仪上实践而达到具体技能的训练,学习和训练的目的性大大增强。而教师可以将精力集中在学生的学习引导上,从而根本上改变了以前“填鸭式的知识讲解”和“机械式的实践操作”的教学模式。
3.3 具有较好的适用性
该学习仪的适用性主要表现在研制过程和使用范围2个方面:
(1)人体生理参数测量技术已经比较成熟,有很多相关的理论和实践资料可以参考,这使得该学习仪的研制基础变得简单,其研制过程也有章可循,适合一般院校开展研究,具有较好的适用性。
(2)学习仪运用于教学的设计初衷,使其具有结构简单清晰、各模块相对独立、检测调试方式成熟、成本较低等特点,其使用范围也大大拓展。
3.4 提升教学资源的利用率
利用现有医用电子仪器专业实践教学资源的支撑作用,将传感器器件、模电、数电实验台、单片机实验箱等各种设备仪器进行有机组合,可以完成人体多生理参数测量的简单验证、集中开发和调试应用,通过这一过程将各种单一功能的实验室的实验设备仪器有机联合起来,产生了“1+1>2”的效益,大大提升了实践教学资源的利用效率。
4 结束语
本研究立足于现代医用电子仪器的基本原理和结构,结合新型教学仪器的基本要求,体现了高等教育培养创新型实用性人才的改革思路。我院经过长期的研究和实践,在该学习仪的平台上,满足了《医用传感器》、《单片机技术与应用》、《医用电子技术基础》、《医用电子仪器原理与设计》等核心课程“理实一体化”教学的需要,并可以将各课程进行有机结合,开发出具有明确的岗位技能培养目标的综合性实训项目,使教学效率和效果都大幅度提升[11]。
可以说,开放式人体多生理参数检测学习仪的研制,不仅仅是一个软硬件的开发过程,更是一种教学模式方法的形成过程。对学生而言,在学习仪上的重复调试、研究,再到创新的过程就是学习的过程;而对于教师,搭建学习仪这个平台的过程也就是组织教学资料,设计教学环节的过程,这是对教学很好的促进。
参考文献
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多生理参数 篇3
目前,无线技术已经开始在医疗监护领域逐步应用,但大多是具有基站的单星形拓扑结构的应用,而不是真正意义上的无线传感器网络[2]。Zig Bee协议(IEEE802.15.4)是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准,主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。对于生理参数的监护,Zig Bee技术的应用有以下几方面的优势:(1)低成本:监护传感器节点是低成本的。(2)低功耗:内置电池正常使用时间不低于1个月,减少因频繁更换电池带来的麻烦。(3)性能可靠:这些产品无须大量维护、经久耐用。(4)伸缩性能好:可连接网络几百至几千个设备[3]。Zig Bee是目前最适合用于生理数据采集的短距离无线通信技术。本研究的目的正是利用Zig Bee技术实现患者多生理参数的无线传输和监测分析。
1 系统结构概况
用于对病区进行监控的无线传感网络系统包括数据采集节点、接收节点以及PC监视系统3个部分。采集节点佩戴在病人身上,每个节点均具备采集生理参数的功能,并能通过Zig Bee协议射频方式发送到接收节点,节点内置的嵌入式软件能够实现通信链路的保存和管理,从而实现节点的组织功能[4]。每个节点都具备传感器信号的采集、处理、节点间的通信和信息的路由等功能。接收节点获取病人的数据后传输到PC系统中,PC监视系统通过设计的Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,Lab VIEW)程序可以实时地看到病人的生理参数。根据无线传感器网络的功能需求以及系统的组成,本着成本低、功能高、稳定可靠性高、技术实现简捷的原则,本文设计的基于Zig Bee的嵌入式无线传感网络的系统结构,见图1。
2 节点的硬件设计
无线传感网络系统的组织元素是节点,在应用系统中,要求传感器节点具有体积小、功耗低、抗干扰能力强等特点。本研究利用GAINZ开发平台设计采集节点和接收节点[5]。节点的系统构架包括前端传感采集模块、数字处理模块、无线射频模块和电源模块,节点硬件整体框图,见图2。其中,数字处理模块和无线射频收发模块是围绕核心部件ATmega 128芯片和CC2420芯片进行整体硬件构架设计的。ATmega128L是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器[6]。CC2420芯片是CHIPCON公司专门为低功耗无线通信设计的无线通信模块,CC2420 RF收发器集成了支持不同调制格式的调制解调器,并且为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激活提供广泛的硬件支持,使其更加适用于无线环境恶劣的地方[7]。
采集节点设计有多种传感器,通过这些传感器可以检测到生理数据,ATmegal 128L单片机经过A/D转换器获取数字化的数据并通过SPI接口传输到CC2420芯片。本研究中设计的传感器模块的功能包括心电、温湿度、加速度等数据的采集,同时在硬件扩展板上留有接口以便其他感兴趣信号的采集。
心电信号的采集采用双极性标准肢体导联I方式,导联线使用三导联线,除了两路分别接左右手的电极外,另一路作为右腿驱动电路。其主要电路结构包括前置放大器、低通滤波、高通滤波、主放、50Hz陷波、电平提升和A/D转换等部分[8]。由于ATmegal 128L中的A/D只能量化单极性信号,因此,在心电信号采集前必须进行整体电平提升,使心电波形全部处于零电平(地线电平)之上,再送MCU的A/D采样端口。温/湿度传感器模块芯片选用了瑞士盛世瑞恩生产的SHT系列温/湿度数字传感器芯片,该传感器是一款高度集成的温/湿度传感器芯片,提供全标定的数字输出。在加速度测量电路中,采用美国Freescale公司的MMA7260QT 3轴加速度传感器设计加速度模块,3轴信号分别送MCU A/D采样端口。加速度也是一个很重要的参数,可用来监测病人的运动状态。多生理参数采集和分析系统节点实物,见图3。
3 节点的软件设计
本系统的软件采用AVR Stuidio开发编译环境,无线数据传输的核心是CC2420 RF芯片,其通讯标准为Zig Bee协议(IEEE 802.15.4)[9]。IEEE 802.15.4标准网络内的无线传输过程中采用冲突监测载波监听机制,网络拓扑结构主要是星型网。本研究采用了标准定义的2.4G的数据传输频率,这是一种采取O-QPSK的调制方式[10]。在无线传感器网络设计中、采取了主机轮巡查问机制和突发事件报告机制。主机每隔一定时间向每个传感器发送取数命令,传感器收到取数命令后向主机回发数据。在发生紧急事件时,传感器节点容许主动向中心节点发送报告。
系统软件设计分为3层,硬件驱动层、操作系统内核层(包括协议层)及应用层。硬件驱动层提供了所有硬件设备的驱动,主要包括CC2420驱动、ADC模块驱动、串口驱动以及板级初始化;OS内核层提供了简单高效的任务管理、内存管理、设备管理、功耗管理以及无线通信协议栈;应用层主要是利用操作系统层提供的API编制相应的应用程序,传感采集、射频通信、串口通信等。系统设计中内核层与硬件驱动层接口采用直接函数调用的接口方式,因为硬件部分对时间有严格要求,采用消息方式效率太低。应用层与内核层之间接口从软件整体模块的结构性和移植方面考虑,采用消息方式。
发送节点的软件设计流程为:发送节点上电后首先对CC2420进行初始化,然后尝试加入网络,如果加入网络成功,当接收到网络协调器发出开始采样的指令时,开始采集数据,利用ATmegal128L片上的A/D转换器进行A/D采样,然后将数据包发送到网络协调器。发送节点RFD模块的程序流程,见图4。
接收节点的软件设计流程为:接收节点上电后首先对CC2420进行初始化,然后建立一个无线网络,当有RFD节点加入时,分别给每一个RFD节点分配地址。当需要开始采集信号数据时,由网络协调器向RFD模块发送指令,其后等待接收采样数据,如接收到数据,则通过RS232口将数据上传给PC机。网络协调器模块的流程,见图5。
4 PC上的显示、存储和分析
在接收节点数据通过RS-232接口传输到PC中。本研究利用Labview程序设计了一个虚拟仪器,通过Labview虚拟仪器可以实现所获取数据的图形显示,实时地呈现病人的生理数据。另外,如果需要对生理数据进行存储以进一步分析,也可以通过该Labview程序实现,Express VI可以以.txt或者.xls的格式存储生理数据。利用Labview的MATLAB Script node,还可以实现心电信号的小波分析和HRV分析,以及温度、湿度、加速度等信号的分析[11]。对生理数据的呈现、存储和分析对后期的研究具有重要的意义。
5 结果与讨论
系统设计完成后进行了联合调试,利用串口调试助手和后端显示平台Labview查看到接收的数据包格式相符,采样率匹配,达到了设计的预期要求。通过被试者对系统的运行进行测试,可以采集到被试者的心电和加速度数据,以及实时的环境温度,系统测试终端界面,见图6。从图中可以看到,界面最上方为被试者的心电波形图;界面右下方为加速度显示界面,用来反映被试者的运动状态;左下方是功能选择区,包括串口参数选择控件、传感器节点选择控件以及接收数据字节显示。通过这些功能控件,本系统可以实现多节点收发以及实时监测的功能。
目前,该系统虽然能初步应用于临床监护数据采集,但还需进一步的改进和提高。系统仅仅采集了比较常用的体温、加速度和心电参数等。而事实上,仅仅这几个参数是不够的,临床还需要更多的生理参数来确定病人的生理状态,如血氧饱和度、血压等。另外,目前系统采用的ATmega128储存和处理能力在应对大规模组网还是略显不足,在以后的应用中可考虑使用ARM处理器作为接收节点,并存储数据。最后,为了便于对医疗效果的评估,需要建立相应的数学模型和一个健全的数据库管理系统,以便于以后的管理、分析和数据挖掘。在后期的研究中,我们将地这些方面工作作为重点,以推动该系统在临床的广泛应用。
摘要：本文介绍一种基于ZigBee协议的无线传感网络系统,系统采用MCU+RF的方案设计,以ATmegal 128L作为传感器节点的MCU,CC2420作为RF射频模块。采集节点具有6个通道可获取病人的生理参数和环境数据,然后将这些数据传输到接收节点,再通过RS232接口连接到PC。终端设计的Labview程序可以对采集的多种生理参数进行显示、存储和分析。
关键词：传感器网络,生理参数监测,Zigbee协议
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多生理参数 篇4
随着计算机和无线通信网络的发展,无线网络的覆盖率正在逐年提高。我国优质医疗资源相对集中,为能使更多人享受到优质、低价的医疗服务,笔者对低价实用的远程医疗系统进行了初步研究。目前的多生理参数远程监护仪多是基于PC和有线网络的,价格昂贵,体积庞大,使用不便[1]。随着社区医疗、家庭医疗的兴起,病源更加分散。为能更快、更准确地了解患者的各种生理变化,对多生理参数远程监护仪的需求日益增长,要求也越来越高。移动通信技术、嵌入式系统的发展,为多生理参数监护系统提供了新的方法[2]。新一代的移动通信网络GPRS(General Packet Radio Service)与IP网络无缝联结,按流量收费,覆盖范围广,接入速度快,传输速度高;它提供的数据传输业务适合突发事件的传输,如生理参数监护、环境监测;而且无线传输方式使患者不受活动状态、地点限制,更易接受,是很有潜力的一种无线远程传输方式。嵌入式系统领域日新月异,以ARM为代表的32位高端单片机的出现,使嵌入式系统的应用出现了一个飞跃,使网络无处不在,而且性价比越来越高,为我们进行多参数生命监护仪的研究工作奠定了物质基础。
2 GPRS数据业务原理
GPRS是基于GSM(Global System for Mobile Commun cation),引入分组数据单元,添加分组控制单元(Packet Contro Unit,PCU)、服务支持节点(Service GPRS Supporting Node,SGSN)和网关支持节点(Gateway GPRS Supporting Node,GGSN)新组件来提供无线数据业务[3]。采用GPRS方式接入Internet,在链路层采用的是PPP(Point to Point Protocol)协议[4,5],PPP协议不需要差错控制、排序和流量控制,易于实现,而且支持对多种高层协议(如IP、TCP、UDP)的复用,是目前应用最广泛的广域网协议之一。PPP协议由两部分组成:帧结构和LCP、PAP、IPCP协议[6],其中帧结构就是PPP报文的结构组成。LCP(Link Control Protocol)链路层控制协议用于建立、构造、测试链路连接;PAP(Password Authentication Protocol)认证协议用于处理密码验证部分;IPCP(Internet Protocol Control Protocol)Internet控制协议用于设置网络协议环境,并分配IP地址。一旦协商完成,链路已经创建,IP地址已经分配,就可以按照协商的标准进行IP报文的传输了。一个PPP会话分4步:建立连接、连接质量控制、网络层协议配置、连接终止。
本设计中,利用GPRS模块接入的过程如图1所示,首先是MCU向SIM300发出AT命令以发起连接,然后GGSN回应连接,和MCU之间进行PPP协商,经过LCP、PAP、IPCP协议的执行,建立起Internet连接。
当无线终端获得IP地址后,就成为一个独立的Internet主机,可以浏览资源或远程传输数据,因此,采用GPRS方式的关键是建立连接获得IP地址,即拨号上网。
3 整体设计
该监护系统分为3部分:监护仪、无线远程传输网络和医院或社区的监护中心。监护仪采用嵌入式系统来实现,选用基于ARM9内核的S3C2410作主处理器,它功耗低,性能高,尺寸小,外围接口丰富,内含MMU(Memory Manage Unit),可以直接运行ARM-Linux嵌入式操作系统,适用于高端的嵌入式系统。GPRS通信模块选择SIM300,是目前性价比较高的GPRS模块,SIM300模块与S3C2410通过串口相连。S3C2410上运行ARM-Linux嵌入式操作系统,ARM-Linux是移植在ARM平台上的Linux操作系统。Linux内核的源代码中已经有针对各种不同处理器的硬件适配层,在“arch/”目录下面,其中就包括ARM,但是在实际的系统中,还应该根据系统板的硬件配置进行移植。选择Linux操作系统,在于它独特的优点:开放的源代码,丰富的软件资源;模块化的结构,易于裁减和移植;内核功能强大,性能高效稳定,完善的网络通信、图形、文件管理机制。监护仪完成心电、心音、血压、体温、呼吸等多生理参数数据的采集、分析、显示,有异常时报警并向监控中心发送数据。无线远程传输网络采用已存在的GPRS和Internet网络。医院或社区监护中心采用装有监护软件的PC通过Internet接收数据,分析显示,给出诊断意见、治疗方案或者采取救助措施。系统整体框图如图2。
4 ARM-Linux和GPRS下的远程数据传输
4.1 ARM-Linux和GPRS下Internet的接入
4.1.1 ARM-Linux和GPRS下接入Internet的条件分析
由于在嵌入式操作系统下,没有像PC操作系统封装好的工具,所以许多功能的实现要自己动手从底层做起。PPP协议的两个组成部分(帧结构和LCP、PAP、IPCP协议)在Linux下的实现分别对应着内核部分和用户级部分。Linux内核2.4版本已提供了对PPP的支持,用户级部分包括pppd(PPP daemon)进程和应用程序[7]。pppd是一个后台进程,其本身并不处理IP数据包,其所完成的功能主要有两项:一是运行初期建立通信链路;二是建立Socket接口并且处理LCP、IPCP等数据包。而在内核部分由PPP driver完成对IP数据包进行PPP协议报头的封装,其他应用程序直接调用Socket接口发送IP数据包。在Redcat 9下可以利用KPPP这个GUI下封装好的工具,diald工具或者直接采用ppp-on、ppp-off和ppp-dialer-on脚本文件实现拨号上网。但不管怎样,其实质都是运行起pppd进程拨号接入Internet。
根据项目的实际特点,考虑到降低功耗和成本,希望有数据传输时自动拨号,没有数据传输时断开连接,这要求对拨号进程pppd的启动方式进行控制,而使用KPPP或者拨号脚本ppp-on、ppp-off和ppp-dialer-on在拨号时机的控制管理上较弱,同时在嵌入式环境中也不适合用KPPP。我们采用diald(dial-on-demand)工具启动pppd进程。diald工具是不用KPPP或者拨号脚本ppp-on、ppp-off和ppp-dialer-on就能启动pppd进行拨号的管理拨号程序[8]。还有一点要注意的是,以上所说的进程的配置原本是用于普通的调制解调器的,使用GPRS无线调制解调器接入移动梦网要修改相应的配置文件。所以本项目ARM-Linux下拨号上网需要满足如下4个条件:内核支持PPP协议;进行拨号的进程pppd;启动pppd的拨号进程;正确的配置文件。
4.1.2 ARM-Linux和GPRS下接入Internet的具体实现
在Kernel内核目录下,执行make menuconfig进行配置,选中PPP上网方式,然后交叉编译,重新下载烧写内核就实现了内核支持PPP协议。对于拨号的进程,下载PPP和Diald软件包,修改编译器,生成可执行文件pppd、chat和diald,并修改相应的配置文件,把可执行文件和配置文件放入相应的目录。
在ARM-Linux下主要是pppd进程执行PPP协议实现拨号的。拨号的实现框图如图3所示。diald进程用来启动pppd进程,设定为开机运行,它的配置文件diald.conf指明启动PPP的方式。diald进程启动pppd进程,同时通过diald.tty S1传递参数配置pppd。pppd进程调用chat脚本进行初始化Modem并拨号连接GPRS网络。当连接建立后,pppd进程执行LCP、PAP、IPCP协议,获得动态IP,建立接入Internet的链路。
ARM-Linux下PPP软件拨号要使用的配置文件主要有:diald.conf、diald.tty S1和chat.tty S1。diald.conf配置文件指明启动pppd的方式。该文件其实是一个规则表,规则主要有两个:ignore和accept。ignore表示此种协议的数据包不会引发拨号连接,而accept则反之,表示将引发拨号连接。在后面的Socket要用流式套接字,所以从diald网站上下载有关TCP协议的设置规则配置文件,使检测到流量拨号,无流量时断开。diald.tty S1脚本包含了diald进程传递给pppd进程用来配置pppd的参数,相当于Linux下的ppp-on脚本,主要指明所使用的串口设备、通信速率、具体拨号脚本的路径和本地IP获得方式等,根据diald网站的资料编写,注意拨号脚本路径的设置和要动态方式获得本地IP方式。chat.tty S1脚本用于初始化modem并拨号连接GPRS网络,这个脚本文件的修改要注意,因为从网上找到的大部分是对于有线方式的modem,而且不同的GPRS模块AT指令不是完全一样,在修改时要注意查看相关的数据手册,不过在刚开始调试时越简单越好。脚本实现的关键语句如下,对区别于有线普通modem的地方进行了注释:
4.2 远程通信的实现
当建立了Internet连接,无线终端就成为一个独立的Internet主机,可以浏览资源或远程传输数据,在ARM-Linux系统下可以直接使用Socket套接字编程实现数据远程传输。套接字的基本模式是C/S(客户/服务器)。无线终端工作在客户模式,而远程Internet网上的监控中心PC工作在服务器模式。使用Socket的数据流进行通信,首先在服务器端使用socket()建立一个通信端点,用bind()命令把自身的IP和端口绑定到这个端点上,然后调用listen()侦听连接请求。当远程的客户机使用connect()连接服务器正在监听端口时,连接将会在队列中等待,直到服务器accept()处理它。在服务器accept()处理了连接请求后,将会生成一个描述这个端口的套接字,利用这个套接字就可以进行数据通信。在客户端通信程序执行前,服务器端的程序必须完成端口的绑定并开始侦听。客户端程序基本流程是:请求连接,得到服务器端允许后,调用数据收发函数进行数据的传输。
5 结论
本研究基于新一代的移动通信网络GPRS,以Linux为操作系统,在ARM嵌入式平台上设计开发出了多生理参数远程监护仪,较好地解决了目前多参数监护仪体积庞大、价格昂贵、远程传输不便的问题。为老龄人群、亚健康人群以及其他须及时获得生理数据的人群的预防保健和日常监护提供了新的手段,促进了以家庭、社区为模式的健康监护的发展。
摘要：目的:研制具有无线远程传输能力、功耗低、体积小、价格低的多生理参数监护仪。方法:把嵌入式和移动通信技术相结合,采用基于ARM9核的S3C2410为主芯片,ARM-Linux为嵌入式操作系统,SIM300为GPRS通信模块接入Internet,来实现多生理参数无线远程传输。结果:实现了基于GPRS的嵌入式多生理参数远程监护系统。结论:该仪器体积小巧,易扩展,且数据传输稳定、可靠,便于远程监护和数据共享。
关键词：GPRS,ARM-Linux,PPP,多生理参数,远程监护仪
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智能医院生理参数无线监护系统 篇5
随着信息技术的发展以及数据通信科技的进步,无论是人们日常生活还是商业应用等方面对于智能化的需求日益增强。当代生活中智能家居的概念越来越深入人心,而现在智能家居的应用概念不再狭窄,在许多领域可以利用相同的技术实现既定的功能。医院、养老院等医保场所是居民生活中的重要公共场所,这些场所遍布各个城市的角落,数量巨大并且用户对于其服务质量要求较高,因此对于此类医保场所服务性的改进也是当前研究的热点。
目前生理参数监测系统广泛应用于医院中,但是普遍存在一些问题。首先,传统的生理参数监测系统采用的都是较大型的拖线设备,这样就使得使用者必须考虑布线问题以及维修问题。虽然监测效果稳定,但是成本较高,监测点固定不方便移动,并且维修处理操作也不方便。其次,医保工作人员每天需要定时对每一个被监测者分别进行例行检查并统计,这样不仅工作量大费时费力,而且效率低,同时又给病患或用户的日常生活带来不便。最后,大量拖线监测设备通过拖线电缆附在患者身上获取信号,这也大幅度地限制了使用者的活动空间造成了不便。
在此背景下,本文结合无线传感网技术以及Zig Bee设计了一套智能医院生理参数无线监护系统。该系统运用无线传感网的形式建立网络结构, 由节点采集体温、血压、脉搏等生理参数。将采集到的数据信息通过Zig Bee无线传输技术汇总,通过上位机显示所有节点信息并可以利用上位机进行数据分析处理。同时,作为检测系统还具备参数异常报警功能,方便医护人员发现异常及时采取措施。节点采用可穿戴设备设计,不会阻碍限制用户日常生活动作空间。设备轻便、灵活,提升了用户舒适度; 系统扩展性强,覆盖范围广,数据采集方便快捷且实时性强,具有很强的现实实用意义。
1 系统总体设计
本系统利用基于Zig Bee的无线传感网技术,借鉴了国内外的智能家居研究经验,设计了如图1所示的智能医院生理参数无线监护系统。其中A, B,…,X是作为基站的路由器节点,直接或间接通过协调器节点与上位机通信。A1、A2、B1、B2等代表生理信息采集节点,他们发出的信息必须通过带路由功能的基站节点转发才能到达协调器。每一位用户佩戴可穿戴式设备,如背心、腕带等作为终端信息采集节点即传感器节点[1]。信息采集节点上的各种生理指标传感器如呼吸传感器、脉搏传感器、体温传感器等对所需要测量的生理指标数据进行测量并在简单地处理之后通过Zig Bee网络将数据传输给作为路由器节点的基站。路由器节点将接收到的所有数据信息中转给协调器节点。最后协调器节点通过串口上传给上位机,方便上位机统一显示、处理以及分析相关生理参数数据。
Zig Bee网络拓扑结构可以为星形、树形、网状结构,每个网络都有一个协调器,其具有对整个网络的管理能力[2]。根据智能医院生理参数无线监护系统的实际要求特性,采用树形拓扑结构足以满足设计功能要求且复杂度不高。医院需要实时监护的大部分是重病患者或者传染科患者,数量并没有很多, 且医院楼层房间布局固定,覆盖面有限,在大型医院内则只需增加路由器节点就能够利用Zig Bee的多跳技术增加路由器节点从而扩大覆盖面。如图2所示,系统包含一个协调器节点作为整个监控网络的中心,这个节点可以设在每层楼的护士站,方便医护人员监测数据并及时将信息发送给医生。在协调器统一管理下可以连接多个路由器节点以及信息采集节点。其中路由器节点负责某一区域的通信以及信 息收集,可以连接多个其他的路由器以及信息采集节点,因此可以分段放置于医院走廊过道中,从而扩大覆盖面。
智能生理参数无线监护系统硬件主要由信息采集节点即传感器节点、路由器节点、协调器节点、电源模块四部分组成[3]。
1. 1 信息采集节点
信息采集节点具有多种传感器收集多种生理参数如脉搏、呼吸、体温等从而实现对多种生理参数的监测。信息采集节点模块化框图如图3所示,无线模块采用 的是德州 仪器公司 生产的CC2530, CC2530采用了新一代的2. 4GHz So C片上系统,支持IEEE802. 15. 4标准,其内部集成了一个抗干扰和灵敏度都较高的RF收发器和一个标准增强型8051微处理器[4]。因此在负责无线收发功能的基础上,同时实现对传感器的控制以及对传感器所采集数据的初步 处理。无线部分 还包括功放 芯片CC2591、天线以及必要的外围电路。使用CC2591的目的是为了加强无线信号的避障能力,扩大无线信号的覆盖面积。
传感器节点利用阻抗法对人体呼吸参数进行采集,人体胸腔相当于一个容积可变的导体,对于高频电流,胸腔的阻抗变化会形象电阻的变化。因此,随着呼吸引起胸腔体积变化,胸部的阻抗也会随之变化。利用这一点就能够通过检测胸部电压变化来监测人体呼吸的情况。本系统选用的是GXF - 4型胸腹部呼吸传感器,其具有灵敏度高、功耗低、方便佩戴等特点。
脉搏传感器选用HK - 2000A脉搏传感器,其采用高集成化工艺,具有抗干扰能力强、性能稳定、过载能力大、一致性好的特点并且使用寿命长。因为内部集成了调理电路,所以不需要加滤波电路,可以完成脉搏数据的实时采集,模拟信号输出同步于脉搏信号并且设有门限值[5]。当脉搏数大于120或者小于40时,上位机会发出报警信号。
用于体温检测的传感器选用的是DS18B20, 将其改装成探头式并利用佩戴式设备将其置于病人的腋下。体温监测同样设有门限报警值,当低温高于37. 8摄氏或者低于34. 0摄氏度的时都会向上位机报警提醒病人体温状态或者设备佩戴问题。
1. 2 电源模块
系统中作为生理参数信息采集节点的穿戴设备以及路由器节点由4节5号电池提供供电并由CC2530协调完成电源管理功能,从而减少拖线,方便维护、布局以及病人走动。协调器节点与上位机之间直接 通信,因此协调 器节点由 上位机直 接供电[6]。
CC2530所用的是3. 3V逻辑电平,系统设计利用TPS79533将5V转化为3. 3V,设计电路如图4所示。
2 软件设计
系统软件设计利用IAR Embedded Workbench for MSP430 V4开发平台,采用C语言编写软件系统程序。
患者的生理参数信息数据由患者身上的穿戴设备将传感器上的数据集成,通过Zig Bee技术通过路由器中转传输给终端协调器,并由协调器上传给上位机进一步处理。信息采集节点拥有一个64bit的IEEE地址,或者利用16bit短地址缩小数据包大小。系统由全功能设备( FFD) 协调器建立网络,所有网络内部节点首先需要初始化并且通过扫描才能被允许与协调器传输通信。所有带路由功能的路由器节点全是FFD,可以将信息采集节点传送来的数据中转给协调器或者通过其他路由器节点转发给协调器。而所有的信息采集节点全部都是精减功能设备 ( RFD) ,只能利用路由器节点即FFD将采集到的生理参数信息传输出去,RFD之间不能相互通信[7]。
系统节点软件流程如图5所示。
3 系统性能测试与结果
系统中两个节点之间有最大通信距离,经测试两个节点间在室内80米内无门、无墙障碍时通信正常。因此针对医院实际情况可以适当扩大或者缩小路由器节点的数量以满足系统通信的需求。医院环境中无门、无墙的情况不可能出现,因此可以通过增设路由器节点保证系统通信的质量。
为了验证系统通信的可行性、稳定性以及数据传输的准确性,对系统的通信质量进行了模拟测试。由上位机系统发送信号,通过协调器发送出去,经过路由器节点转发至终端节点。终端节点在收到数据之后再回发数据,最终原路返回又通过串口回传到上位机。将发送的数据与接收到的数据进行比较, 变动测试时间、节点距离以及变动路由器数量,经过多次测试得到结果如表1 - 3所示。
由表1所显示的结果可知,正常情况下节点通信正常且稳定,随着测试时间增加,误码率有所提升,但是通信质量仍然维持在较高的水平。由表2结果可知节点距离对于通信质量也会产生影响,通信距离越长数据传输准确率越低。由表3所示结果得知中转节点数越多通信质量越高。综上所述,正常情况下节点间的通信稳定且质量高。在医院的多墙壁阻隔应用环境下,只需降低通信距离,增加节点数就能够很好地维持通信的质量。因此所设计的系统完全能够满足医院生理参数无线监护系统的实际需求,并且性能稳定,通信准确。
根据需求适量配置系统节点规模,合理布局节点间距离模拟了生理参数无线监护系统。在系统正常运行且通信稳定时,对信息采集节点以及系统功能进行测试。系统测试模式可以是按键手动检测, 也可以定时采集节点数据。将串口通信采集到的生理参数信息在上位机上显示出来。协调器接收到的数据情况如图6所示。
4 结束语
多生理参数 篇6
生理参数监测在远程监护系统中作为远程医疗的重要组成部分,用于实现患者生理数据的采集和实时传输。近年来,生物医学传感器和监护终端趋向小型化和便携化,与无线远程传输网络结合起来,使患者可以在一定范围内自由移动,而不必受监护装置的限制。国内外关于远程监护的研究主要集中在几个方面,围绕传感器设计和远程通信等技术问题,围绕特定疾病的远程医疗方案及其临床评价;包括便携式、低功耗的传感器节点设计,传感器节点的软硬件平台体系结构研究和基于网络的远程通信方法等问题。可以通过对特定慢性病实施常规远程监护有效降低患者的再入院率。利用网络和传感器技术实现医学信息的测量和远程传输,供医院的专家进行远程诊断,也可以用于动态跟踪病态发展。远程监护的无线传感器节点主要用于采集人体生理指标,并通过一定方式将数据传输到监护平台。本地终端程序完成对数据的采集并无线传送,主控监护平台接收数据并实时显示。应用程序通过发送AT指令使数据发往远程终端。
本文的特点是应用无线网络,基于Zig Bee传送血压和血氧参数,并基于Wi Fi传送心电信号,在嵌入式系统平台上可以显示出各个参数和相应曲线。采集的血压模块,心电模块,血氧饱和度等参数通过串口与ARM处理器连接。再通过GPRS模块发送到手机上。可对远端患者的主要生理参数,如心电、血压、血氧饱和度等进行监测。适合自理能力较差的老年人,可以脱离监护人员的视线自由活动。
1 远程监护系统总体方案设计
远程监护系统主要由Zig Bee网络、主控监护平台和远程通信三部分组成。Zig Bee网络的功能是完成各个生理数据的采集,将数据发送到主控监护平台,在主控监护平台的界面中显示出来,并存储到数据库中,主控监护平台通过对GPRS模块进行AT指令控制,将测量的生理数据传送到远程终端。系统框图如图1 所示。
系统选用Zig Bee技术作为主要的短距离数据传输技术,Zig Bee传输数据可靠性高、容易实现、功耗低、成本低,对于实时传输大量数据,则可能会出现传输速率低,存在迟滞延时的问题。系统设计中的心电数据以实时数据包形式发送,要求显示实时数据曲线,因此加入Wi Fi技术,Wi Fi传输数据速度快,可靠性高,灵活性以及无线覆盖范围广,但功耗较大使用成本较高。为节约成本,只使用Wi Fi技术传输心电数据。因此本设计采用两种短距离无线传输技术,根据采集到的不同信号特点选择传输方式,能够使传输数据更加安全、可靠,也能够降低成本。系统的主控监护平台以S5PV210为核心,采用Linux操作系统。与PC机比较,嵌入式系统的优点可以概括为体积小、成本低、可靠性高、稳定性好及功耗低等,嵌入式Linux源代码开放、系统内核可裁剪、内核网络结构完整,所以选择它作为操作系统。监护平台的界面程序是基于Qt/Embedded设计开发的,Qt/Embedded开源免费,采用Qt/Embedded开发工具,能够使在PC机上开发的应用程序在稍加修改的情况下就能够运行在基于Qt/Embedded的嵌入式平台上,应用程序具有高度的可移植性。系统的远程通信部分采用GPRS远程传输技术,GPRS技术具有传输速率高、覆盖范围广、操作简单等特点,在远程数据传输中具有独特的优势,只需要对GPRS模块进行相应的指令控制就能够实现远程通信。
2 血压测量站点设计
2.1 血压测量模块常用指令
血压测量站点由血压测量板和血压传感器两部分组成,血压测量模块为SUPER NIBP 200A,支持成人、小儿、新生儿三种病人模式,测量范围宽。 SUPER NIBP 200A通过串口与微处理器通信,接收外部命令,完成相应操作,返回系统状态和相应数据。数据格式为起始位+8 位数据位+1 位停止位,波特率设为4 800 b/s。
SUPER NIBP 200A的当前状态可由微处理器通过相应的指令进行控制。
微处理器向传感器发送的命令格式为:
<STX>ab;;cd<ETX>
其中:<STX>为ASCII码的正文起始标志,其值为02;ab为命令代码对应的ASCII码值;符号;为“;”对应的ASCII码值;cd为2 位十六进制校验和对应的ASCII码值,校验和是此前各位数值之和的低8 位,不包括<STX>;<ETX> 为ASCII码的正文结束标志,其值为03。在程序中定义一个结构体,用于存放微处理器发送的指令格式。
SUPER NIBP 200A模块测量方式有自动测量、手动测量和连续测量等,自动测量方式又可以按照周期不同进行细致划分,可设置47 条指令用于控制SUPER NIBP 200A的模块功能。部分指令如表1 所示。
2.2 血压测量流程图
血压测量站点的应用层主要完成血压数据的采集,通过对血压测量模块通信协议和指令的分析,实现血压数据的采集。血压测量流程图如图2 所示。
血压测量站点实物图如图3 所示。
2.3 血氧测量站点设计
血氧测量站点由血氧测量板和血氧传感器两部分组成,实物图如图4 所示。
血氧饱和度SPO2,即血液中血氧的浓度,是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比,是反映血液循环系统和呼吸循环的重要参数之一。SPO2 监测是一种无创性技术通过测量所选光波波长的吸收来测定氧合血红蛋白及脉率。测量的具体方法是将指尖部位插入在指套式传感器,使其位于两个发光管和一个光探测器之间,测量时两个发光管交替发光,光探测器接收透射光信号,获取脉搏波然后通过数字处理,根据血氧饱和度的测量模型计算血氧饱和度。
血氧板能够提供快速准确的血氧饱和度和脉率的测量。血氧板通过串口与微处理器通信,数据格式为起始位+8 位数据位+1 位停止位,波特率设为4 800 b/s。血氧板将测量的数据以数据包的形式发送给微处理器,数据包为5 B格式,每秒钟发送60 个包。程序设计中定义一个结构体,用来存放血氧板发送的数据包,血氧板可以测量的生理数据有脉率和动脉血氧饱和度等。
2.4 心电测量站点设计
心电测量板集成了Zig Bee模块CC2530、Wi Fi模块和心电测量模块Mini8001 等,Zig Bee模块实现加入Zig⁃Bee协调器创建的网络。由于心电测量的数据要求实时显示,数据包大,Zig Bee已经满足不了需求,采用Wi Fi模块进行心电数据的传输。心电测量模块主要是用来测量心电数据。模拟心电信号发生器产生模拟人体心电动态信号,顺序产生P波、RS波、T波等正常人的连续心电信号。
2.4.1 心电测量原理
心电监护是检测和预防心律失常的重要手段。心律失常是一种极其常见而又非常重要的心电活动异常状态,常见的综合症状有血液循环失常、心动过缓、心动过速等,严重的甚至会猝死。心电图指的是心脏在每个心动周期中,由起搏点、心房、心室相继兴奋,伴随着心电图生物电的变化,通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化图形(ECG),心脏有节奏的收缩和舒张,使心肌产生的电激动沿着特殊的传导系统下传,产生一系列的电生理变化,通过在体表放置两个电极,获取这些电信号,两点电极之间的电位差,形成一条连续的曲线,这条连续的曲线就是ECG。一个完整的ECG波反映了心脏跳动不同阶段的状态,一般有由P波、QRS综合波、T波和U波组成。
2.4.2 心电测量模块
系统采用Mini8001 心电测量模块通过异步串行通信与微处理器进行通信,数据格式为起始位+8 位数据位+1 位停止位,波特率设为57 600 b/s。发送数据包格式如表2 所示。
基本格式说明:
(1)01H是包开始标志,之后的是数据字节,都大于0x80。
(2)高位字节包含了后面字节的最高位bit7,Bit0是ECG的bit7,Bit1 是心率低字节的bit7,Bit2 是心率高字节的bit7,Bit3 是心率STATUS的bit7,Bit4~Bit6 没有使用,Bit7 固定是1。
(3)ECG心率低字节、心率高字节,它们的Bit7 固定为1,数据的bit7 在高位字节中:
心率=心率高字节×256+心率低字节
在程序中定义一个结构体用来存储心电测量模块测量的数据。
心电测量站点程序设计主要是对Zig Bee协议栈的应用层设计,在应用层需要完成心电数据的采集和传输。心电数据是实时显示,采用Wi Fi传输。心电测量模块Mini8001 将模拟心电信号发生器产生的数据发送给Wi Fi模块。心电数据显示流程图如图5 所示。
2.5 远程监护系统界面设计
远程监护系统监护平台界面程序是基于嵌入式Linux操作系统平台,使用Qt Creator软件设计实现显示和存储数据功能。界面设计分为欢迎界面、显示界面、远程通信界面和数据库存储界面。首先进入欢迎界面,延时3 s后进入到显示界面,此时给各个测量站点上电,可以将测量的生理数据显示在界面上。进入远程通信界面,执行相应操作可将生理数据传输到远程终端,进入数据库存储界面可查看测量历史数据。显示界面显示测量的生理数据,并且提供到各个界面的跳转功能。
2.5.1 监护系统界面设计工作流程图
血氧和脉率的数据通过血氧测量站点测得,血压数据通过血压测量站点测得,这两者都是通过协调器串口传送到主控监护平台。测量的心电数据通过Wi Fi直接传送给主控监护平台,并以实时曲线的方式显示。监护系统界面设计工作流程图如图6 所示。
2.5.2 远程通信功能
远程通信界面模拟手机的基本功能,实现了对测量数据的远程发送。设置0~9 十个数字键,按下相应的按钮,就会在对应的文本框中显示相应的数字。利用信号和槽机制,按下按钮激活click()信号,执行相应的槽函数。对GPRS模块进行AT指令的控制。当按下send⁃Msg按钮时,click()信号被触发,则调用相应的槽函数gprs_send_message()。
当测量数据上传到监护平台后,在显示界面的相应位置显示出来,同时将数据存储到数据库中,方便医生和病患日后查看。系统中的数据库是针对某个病人设计的,数据存储量较小。使用数据库软件设计生成数据库文件look_history.db,并将该文件拷贝到应用程序工程中。在界面程序中,需要添加SQLITE数据库驱动,并且将数据库名称设置成需要的数据库文件名。将远程监护系统的程序在虚拟机的Fedroa14 环境下编译,将生成的可执行文件yuancheng和数据库文件look_history.db通过SD卡拷贝到开发板目录/bin,改变这两个文件的可执行权限,编写脚本文件setqt4env,配置Qt4.7 的环境变量。将此应用程序设置成开机自启动,将文件/etc/init.d/rc S中的/bin/qtopia &替换成需要执行的程序。这样,每次开机,程序就会自动执行并进入到远程监护系统的欢迎界面。搭建好远程监护系统,系统上电,各测量站点和协调器上电,等待几秒,待Zig Bee组网成功后,依次按下各测量站点的测量按键进行测量,每个站点测量完成后将数据发送给协调器,如果此时点击“远程通信”按钮,进入远程通信界面如图7 所示。
远程通信界面中短信编辑区可以显示测量数据,在电话号码编辑区输入手机号,点击“send Msg”按钮,将测量信息发送出去,或者点击“call”按钮,建立通话连接。如果点击“历史记录”按钮,进入数据库界面,发现已经将测量的数据存入了数据库中如图8 所示。
3 结语
远程监护系统的设计研究具有十分重要的意义。对患者的生理参数可以进行实时监测,并通过无线网络将数据传送至主控监护平台,主控监护平台对数据进行实时处理和分析。通过主控监护平台的显示屏随时了解健康状况。远程监护借助于ARM处理器、传感技术和现代无线通信技术,是一种体积小、功耗低、实时安全的便携式人体健康参数无线监测系统。对正常人的生理参数进行监护,可以评估个人的健康状况,适时调整生活习惯,从而达到预防疾病的目的。
摘要：文中阐述远程监护系统总体方案,描述远程监护系统节点结构图和节点组网功能。说明血压测量站点设计、血压测量模块命令和血压测量流程图,并进行血氧测量站点和心电测量站点设计。以S5PV210为核心的Tiny210嵌入式平台,采用Linux操作系统,基于Qt Creator软件进行远程监护系统界面设计。将测量的生理数据显示在界面上。ZigBee网络能够接收并传递测量的生理数据,监护平台的图形界面能够正常显示接收的生理数据,实现对心电数据的实时曲线的绘制,并且能够实现数据的存储和远程通信的功能。
关键词：血压测量,心电图,ZigBee网络,远程通信,嵌入式系统
参考文献
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多生理参数 篇7
生命健康监护及生理参数采集向来是重要课题,以往的生命健康监护仪,体积通常比较大,而且价格昂贵,这类仪器主要应用于医院的病房,尤其是对重症病人的监护。近年来蓝牙技术得到极大的发展,这项技术已经相对成熟[1、2],各种类型的产品也开始大规模应用,安全的问题也有了相应的研究和解决方法。许多医院部署的便携式查房系统也带有蓝牙的功能,即查房时医生和护士可使用PDA(Personal Digital Assistant,掌上电脑)直接无线获取患者的信息。基于目前基础,我们设计了一个基于蓝牙技术的多生理参数采集系统。本系统具有体积小、使用方便、功能强大等优点,可随身携带,检测人体的某些重要生理参数,并具有实时显示以及保存数据的功能。
1 技术背景
蓝牙技术是一种用于替代移动设备或固定电子设备之间连接电缆的近距离无线链路。它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立了一个特别连接,并工作在全球通用的2.4GHz ISM(Industrial、Scientific、Medical,即工业、科学、医学)频段上。CLASS2.0版本蓝牙协议数据速率为2Mb/s,完全可以满足医疗监护、生理数据采集的数据传输。
蓝牙有比较完善的方法来解决数据传输的稳定性和安全性。蓝牙工作的ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带,使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如普通病房中的一些设备,如某些空调、呼叫器、无线电话、微波炉等,都可能是干扰源。但是蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道(hop channel),在一次连接中,无线电收发器按一定的码序列(即规律的“伪随机码”),不断地从一个信道“跳”到另一个信道,只有收发双方是按这个规律进行通信,而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰;跳频的瞬时带宽是很窄的,但通过扩展频谱技术可以使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带,使干扰影响变得很小。与其它工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更短,这使蓝牙比其它系统更稳定。FEC(Forward Error Correction,前向纠错)的使用抑制了长距离链路的随机噪音。用二进制调频(FM)技术的跳频收发器抑制干扰和防止衰落,保证数据传输的准确度。
另外,蓝牙的生态安全问题是指当蓝牙设备靠近人体时是否会带来危害,对此人们非常关心。随着无线技术的深入研究,辐射也成了消费者非常关心的问题。由世界卫生组织、IEEE(电器和电子工程师协会)等专家组成的小组表示,检测中并未发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。由于蓝牙使用和微波炉一样的频率范围,这个频率是否会带来不良的后果,目前也尚无定论。一些组织认为蓝牙输出功率很小(只有1m W),是微波炉使用功率的百万分之一,是移动电话的一小部分,而在这些输出中,也仅仅有一小部分被物体吸收,基本检测不到温度的增加。蓝牙理想的连接范围为10厘米~10米,但是通过增大发送电平可以将距离延长至100米。我们设计的系统是在病房中使用,10米的通信范围完全满足应用的需求,不需要增大发送电平。
2 系统构建
目前大部分比较有实力的医院已经给医生和护士配备了基于PDA设计的移动工作站,我们设计本系统的目的就是基于PDA系统平台的支持下,在院内普通病房实现无线生理数据的采集,同时该系统也可以方便地移植到家庭和社区的监护应用中去。我们采用蓝牙网络覆盖病房方法来实现数据的无线传输。系统的框架如图1所示。每一个测量生理参数的设备都带上一个蓝牙的接口,使用有蓝牙功能的PDA读取各个模块的测量数据;同时PDA也具有WLAN(无线局域网)的功能,可以通过WLAN把数据传输至HIS(医院信息系统)服务器;也可以通过护士站的HIS工作站的电脑,使用Active Sync的接口方式,把数据传输至HIS服务器。
2.1 硬件系统
基于蓝牙技术的便携式监护系统的硬件系统设计必须符合医用和便携的需要。每个模块上具备开/关机按钮、实时显示的液晶屏幕、电源和充电管理模块,以及标准的锂电充电电池。系统主要分为两大类,即蓝牙接口模块与生理参数采集模块。
蓝牙接口模块由Delta公司的CS120蓝牙模组和陶瓷天线构成。CS120模块采用的蓝牙芯片是英国SCR公司rom版本的Blue Core3蓝牙内核,该内核的Firmware(固件)版本为Handphone V2.07,使用AT指令进行控制。制作完成的蓝牙接口模块是一个功能独立的模块,具有较高的通用性。封装好的电路对外部留出5条接线:电源线,地线,重启线和串口发送接收线等。任何MCU只要通过串口,在115.2kbps波特率下给蓝牙模块发送配置的指令后,蓝牙模块就可以当作一个通用透明串口使用。
生理参数采集模块的功能主要采用基于低功耗嵌入式MSP430系列单片机、一些高精度的放大器和功能传感器来实现。采集模块按照功能需要选择不同的单片机。如体温测量模块,采用MSP430f1232单片机和体温测量芯片来实现,MSP430f1232单片机在体温数据采集上只需从体温测量芯片上读取脉冲数据即可,MSP430f1232单片机功能完全满足测温场合的需求。脉搏和血氧饱和度测量模块采用的是MSP430FG439单片机,该芯片上带有内置的ADC(模数转换器)、DAC(数模转换器)、运算放大器,一个MSP430FG439芯片加上Nellcor公司的双光源探头NELLCOR520就可以实现血氧饱和度和脉搏的测量。
温度测量模块和脉搏、血氧饱和度测量模块已经开发完成,在这些模块稳定运行的基础上,为其添加蓝牙的功能,使其能实现无线的传输。为了减少开发的成本与难度,可以购买一些功能比较成熟的生理参数测量模块,如台湾Tai Doc公司的血压和血糖测量模块,这些模块使用串口的方式进行数据传输,只需要把这些模块的串口读到的数据通过串口中断的方式发给通信的MCU(单片机,微型控制器),由通信MCU负责蓝牙的配对及数据的传输和控制。
2.2 软件系统
软件系统由两个部分组成,一个部分是PDA上运行的软件,该部分软件是基于Windows Mobile 6.0操作系统采用C#语言开发的应用管理程序,主要有通信控制、数据显示、数据保存、用户管理等功能。PDA上的软件的蓝牙控制部分的程序能自动扫描周围的蓝牙设备,自动建立连接,并读取蓝牙串口数据,进行显示,验证确认,并最终保存。蓝牙控制及数据读取部分流程如图2所示。为了保证录入HIS的数据的安全性,数据提交到HIS服务器之前,需要有护士的确认才能提交。该部分软件已经嵌入到北京天健公司的移动护士工作站中。
另一部分软件是基于TI公司的低功耗的单片机MSP430设计的[5,6,7],该部分软件的主要部分采用C语言开发的嵌入式软件,在功能上实现了:(1)生理数据采集,对数据进行处理和显示;(2)对蓝牙进行初始化,对被动配对的应答或是主动配对的发起,然后通过串口服务进行数据的传输。MSP430系列单片机自身带有丰富的中断资源、五种低功耗的模式、内置放大器、内置模数转换器,这些功能对系统的开发带来极大的方便,减低了硬件系统的复杂性,也减低了功耗,基本符合便携要求,满足在普通病房生理参数测量方面的要求。
3 测温模块的实现
以体温采集部分为例来说明系统的实现,体温测量模块设计是所有采集模块中最容易实现的。设计体温测量模块重点考虑的几点是:(1)必须达到了医用体温测量的要求;(2)体积较小,方便病人使用,即使在未培训情况下也能使用本体温计;(3)要求在没有人工参与情况下就能实现数据的传输;(4)充电一次至少能使用一个星期。本体温测量模块完全实现了上述的要求,体温测量模块的设计最大的问题在采用何种电源方案。体温测量模块的最大的功耗是蓝牙模块,蓝牙提供串口服务的时候电流一般都在30m A左右,体温测量模块采用的电源是锂电充电电池。在硬件设计的时候,选择带有软件编程控制的电源管理芯片,我们采用了美信公司的芯片MAX8883。该芯片是带有双路输出的低压差线性稳压器,一路为3.0V提供给单片机和蓝牙模块供电,一路为1.5V提供给温度芯片供电;同时该芯片还带有关断输出的功能,设计者只需通过单片机编程对这个关断功能进行控制就可以实现软件方式的关机,关机以后该芯片的漏电流只有1μA,基本上可以忽略不计。
体温测量模块的电路设计,体温测量模块有3种关机的方式:
(1)温度测量模块在测得温度后,若不对其进行操作,8分钟后就会自动关闭;
(2)在被PDA读取数据后,温度测量模块能自动关闭;
(3)用户可以自己关闭温度模块。
体温测量模块电路的软件流程图如图3所示。单片机通过中断计数的方式计算当前的体温,并判断体温是否最高。当得到稳定的最高温度后开始配置蓝牙模组,避免一启动就初始化蓝牙模组,合理软件的设计可以降低系统的功耗、延长电池的寿命。接着等待PDA读取数据,如果8分钟内数据没有被读取,体温数据被保存至单片机内flash后自动测量模块关机。如果数据被PDA读取,检测无误后PDA发送指令给体温测量模块,模块收到指令就能马上自动关闭。三种关机的方式联合使用确保电池的合理使用,极大地延长电池寿命。
4 总结
基于蓝牙技术的生理参数采集系统设计中,蓝牙传输技术已经实现,温度测量模块模具制作已完成。目前正在临床实验,检测体温测量模块和PDA软件运行的稳定性。普通病房每天测量的生理参数主要是体温、血压和脉搏。我们设计的这个系统,配合目前正在开展的无纸化病例系统,可很大程度上代替常规的病房生理参数测量、记录,具有较高的应用价值。
摘要：采用低功耗的单片机和蓝牙模块研制出一种便携式的住院病人生理参数采集系统,实现了医院内普通病房的无线生理数据采集功能。本文从硬件和软件两方面讨论了系统的设计和实现过程,并选择了体温测量模块的实现方法做重点介绍,阐明了蓝牙技术在医疗监护、生理参数采集中的应用方法。
关键词：蓝牙技术,生理参数,PDA,MSP430
参考文献
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