用于腦卒中病人康復(fù)訓(xùn)練的穿戴式無線生理參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳常鋮，宋愛國，李曉鵬，王 楠，柯 欣

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

腦卒中(俗稱中風(fēng))是中醫(yī)學(xué)對急性腦血管疾病的統(tǒng)稱，由于該病發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高、復(fù)發(fā)率高以及并發(fā)癥多等特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)界把它同冠心病、癌癥并列為威脅人類健康的三大疾病之一。近年來中風(fēng)病在我國的發(fā)病率逐年增加，這種疾病引發(fā)了患者肢體運(yùn)動功能的喪失及相關(guān)并發(fā)癥。醫(yī)學(xué)研究表明對于腦卒中后遺癥患者，對其偏癱部位進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是十分關(guān)鍵重要的醫(yī)療手段，及早進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練可以明顯減少殘疾的可能性。

血氧飽和度和呼吸參數(shù)是反映血液循環(huán)系統(tǒng)以及呼吸循環(huán)系統(tǒng)的重要生理參數(shù)，是評價中風(fēng)病人康復(fù)鍛煉效果的重要指標(biāo)，對中風(fēng)病患者進(jìn)行血氧飽和度和呼吸參數(shù)的監(jiān)測能夠讓醫(yī)生更全面把握病人各項(xiàng)生理指標(biāo)，給病人的治療效果提供一定的指導(dǎo)。臨床上對中風(fēng)偏癱患者的康復(fù)方法很大程度依賴于治療醫(yī)師對患者一對一的物理治療，這樣的方法不僅費(fèi)時費(fèi)力，也缺乏量化且客觀的評價［1］。

研制基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的穿戴式生理信息檢測的無線采集系統(tǒng)，用于監(jiān)控中風(fēng)病人的康復(fù)訓(xùn)練過程，能夠避免傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練依賴于醫(yī)師對患者一對一治療的缺點(diǎn)，大大節(jié)約了人力物力而且增大了患者在康復(fù)訓(xùn)練時的活動范圍，使患者的康復(fù)治療起到更好的效果。并且可以通過對患者監(jiān)控資料的分析為患者制定更好的康復(fù)方案，進(jìn)一步提高康復(fù)的效率［2］。

1 生理參數(shù)檢測系統(tǒng)概述

圖1所示的是我們自行設(shè)計(jì)的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)，它由控制模塊、無線通訊模塊以及傳感器模塊等部分組成。其中，控制模塊以C8051F320為核心，無線通訊模塊選用Jennic公司的JN5121－Z01－M00模塊，傳感器模塊包括血氧檢測探頭和呼吸檢測傳感器。

圖1 無線生理參數(shù)檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2所示為檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，微控制器(MCU)采用美國Cygnal公司的C8051F320，該單片機(jī)有與8051單片機(jī)兼容的高速CIP－51微控制器內(nèi)核，與MCS－51指令集完全兼容，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)有一個10 bit的ADC(±1LSB INL)，最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 kbit/s，片內(nèi)自帶有 USB 收發(fā)器［3］。

圖2 生理參數(shù)檢測系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

無線通訊模塊選用了Jennic公司的JN5121－Z01－M00如圖3所示，JN5121芯片是Jennic公司推出的高度整合的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器芯片，也是業(yè)界第一款兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、低成本無線微型控制器［4］。

圖3 JN5121－Z01－M00模塊實(shí)物圖

MCU通過UART與JN5121無線通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。路由(Router)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)(Coordinator)節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 血氧飽和度檢測模塊設(shè)計(jì)

文章采用雙波長透射式脈搏血氧飽和度檢測技術(shù)設(shè)計(jì)血氧飽和度檢測模塊，組成框圖如圖4所示。

圖4 血氧飽和度檢測模塊組成框圖

傳感器模塊中的紅光和紅外光二極管在脈沖時序控制下，分時照射手指，傳感器模塊中的光敏二極管BPW34接收透過手指的光信號，再經(jīng)過信號的放大、分離、濾波、電平轉(zhuǎn)移等處理得到四路信號分別為:紅光直流(Red_DC)、紅光交流(Red_AC)、紅外光直流(IRed_DC)、紅外光交流(IRed_AC)送至MCU采集處理。電平轉(zhuǎn)移電路的設(shè)計(jì)是為了使調(diào)理后的信號幅度在MCU的ADC采集電平范圍內(nèi)［1］。

2.2 呼吸參數(shù)檢測模塊設(shè)計(jì)

呼吸實(shí)質(zhì)上是人體內(nèi)外環(huán)境之間氣體的交換，實(shí)驗(yàn)證明:在氣道管徑不變的條件下，溫度的變化量(ΔT)與氣體流速的變化量(ΔV)線性相關(guān)，因此只要采用靈敏度高、溫度線性好、時間常數(shù)較小的熱敏傳感器，就能把微弱的呼吸信息檢測出來，再經(jīng)過調(diào)理放大就能自動地、實(shí)時地顯示呼吸波形、流速容量曲線、呼吸氣流速率、頻率、峰值以及潮氣量等多項(xiàng)肺功能參數(shù)［5－6］。

文章選用NTC型熱敏電阻MF52作為檢測呼吸信號的傳感元件，設(shè)計(jì)檢測模塊框圖如圖5所示。

圖5 呼吸參數(shù)檢測模塊框圖

系統(tǒng)工作時將傳感器模塊中熱敏電阻放置于人體鼻腔口，檢測到的信號經(jīng)過差分放大、程控放大以及濾波和電平轉(zhuǎn)移處理后送至MCU采集處理。本系統(tǒng)選用BURR-BROWN公司的PGA205作為程控放大器，PGA205可以簡單的通過控制端口A0和A1實(shí)現(xiàn)1、2、4、8倍的放大，從而減小不同人體之間呼吸強(qiáng)度的差異。

由于熱敏電阻熱電特性非線性現(xiàn)象嚴(yán)重，使用熱敏電阻需要進(jìn)行線性補(bǔ)償。線性補(bǔ)償電路如圖6所示。當(dāng)溫度變化時，要使RT線性變化，其中，R1為要串聯(lián)的電阻，R2為要并聯(lián)的電阻，rT為NTC熱敏電阻［7］。

圖6 熱敏電阻線性化電路

由圖6可知，RT=R1+R2rT/(R2+rT)，根據(jù)rT的溫度系數(shù)αTN等參數(shù)適當(dāng)選取R1、R2的值就可以在實(shí)現(xiàn)的一定溫度范圍內(nèi)RT的近似線性化［7］。將線性化后的電阻接入電橋即可檢測出溫度的變化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于C8051F320的程序設(shè)計(jì)

基于C8051F320的程序設(shè)計(jì)分為Router節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和Coordinator節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。

Router節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)檢測儀硬件時序控制、AD采樣控制、通過串口與無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

Coordinator節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)要用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)通過串口與無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。它的任務(wù)是向上接收PC機(jī)的控制命令，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，向下將PC機(jī)的控制命令發(fā)送個無線通訊模塊并接收無線通訊模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.2 無線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這種協(xié)議能夠確保無線設(shè)備在低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑葱切?、樹形和網(wǎng)狀。本文設(shè)計(jì)的生理參數(shù)采集系統(tǒng)主要采用的是網(wǎng)狀形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即Mesh拓?fù)洌涫疽鈭D如圖7所示。Mesh拓?fù)淇梢园粋€Coordinator節(jié)點(diǎn)和一系列的Router節(jié)點(diǎn)和End_Device節(jié)點(diǎn)。該類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，路由節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)通訊，從而使得信息的通訊變得更加有效。當(dāng)其中一個路由失效時，信息可以自動地沿著其它的路由路徑進(jìn)行傳輸［8－9］。

圖7 Mesh拓?fù)涞氖疽鈭D

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(Coordinator) 在無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)中，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，并且還作為上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行無線通訊的中轉(zhuǎn)點(diǎn)與連接點(diǎn)，它通過串口與 C8051F320相連，該C8051F320通過USB接口與上位機(jī)相連。當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)首先進(jìn)行Zigbee協(xié)議棧等一系列的初始化操作，然后進(jìn)行信道查詢，選擇較為安靜的信道來建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)為其提供信息路由和其它的服務(wù)［10］。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的串口通訊協(xié)議在程序中設(shè)置為:115200的波特率、無校驗(yàn)位、8 bit的數(shù)據(jù)位、1 bit的停止位，與之相連的C8051F320的串口程序的通訊協(xié)議需要與該節(jié)點(diǎn)的通訊協(xié)議相匹配。

圖8 Co節(jié)點(diǎn)程序流程圖

路由節(jié)點(diǎn)(Router) 本文所設(shè)計(jì)的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)中，路由節(jié)點(diǎn)位于生理參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)處，主要是負(fù)責(zé)將下位機(jī)所采集到的各種數(shù)據(jù)通過無線方式傳送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，同時還接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)來自上位機(jī)的控制命令。每個路由節(jié)點(diǎn)通過其串口與微控制器的串口相連接。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)上電時，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)所建立的網(wǎng)絡(luò)，然后按既定方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖9 Ro節(jié)點(diǎn)程序流程圖

本文無線通訊模塊程序設(shè)計(jì)在Jennic公司提供的Jennic CodeBlocks平臺上進(jìn)行，通過Jennic Flash Programmer實(shí)現(xiàn)程序下載。

在進(jìn)行無線通訊模塊的軟件設(shè)計(jì)時，需要用到JN5121模塊Zigbee協(xié)議棧開發(fā)的基本接口函數(shù)，這些函數(shù)是用戶的應(yīng)用和Zigbee協(xié)議棧進(jìn)行交互的基本接口。在實(shí)際的基于Zigbee協(xié)議棧的開發(fā)過程中，用戶需要在這些接口函數(shù)中添加自己相應(yīng)的應(yīng)用邏輯，定義自己的數(shù)據(jù)處理過程，并且通過這些接口函數(shù)在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)調(diào)用，它們將應(yīng)用程序的代碼和Zigbee協(xié)議棧緊密地聯(lián)系在一起。進(jìn)行無線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)時，還需要用到Zigbee協(xié)議棧開發(fā)的另外一種函數(shù)，即應(yīng)用框架接口函數(shù)。這類函數(shù)是用于解決發(fā)送數(shù)據(jù)和處理設(shè)備描述的問題，主要分為兩大類，一類是用于創(chuàng)建和發(fā)送數(shù)據(jù)請求的AFDE接口函數(shù)，另一類是用于添加、修改、刪除設(shè)備描述的AFME接口函數(shù)［10］。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 上位機(jī)程序

文章在Visual C++6.0平臺上利用MFC設(shè)計(jì)了無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)程序。上位機(jī)程序是基于對話框的應(yīng)用程序，主要用于實(shí)現(xiàn)USB通訊、測量數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)的存儲、波形顯示、相關(guān)檢測參數(shù)計(jì)算、測量時間記錄等功能。上位機(jī)軟件界面如圖10所示。

圖10 上位機(jī)軟件界面

3.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理部分中，采用了滑動平均算法對AD采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以減小噪聲干擾?；瑒悠骄惴ū磉_(dá)式為［11］:

采用了類微分和微分閾值法實(shí)現(xiàn)從血氧信號中提取脈搏信號［12］。類微分算法表達(dá)式為:

微分閾值法表達(dá)式為:

S2實(shí)際上是對S1的一種特殊微分，S3是在S2的基礎(chǔ)上再減去一個閾值，k、H為經(jīng)驗(yàn)值，本文選取k=4、H=0.2；S3的波形近似為三角波，根據(jù)其峰值便可得到周期，其周期即為脈搏周期。

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)Lambert-Beer定律即可得到血氧飽和度值計(jì)算公式［13－14］:

呼吸參數(shù)檢測的數(shù)據(jù)處理方法與血氧信號數(shù)據(jù)處理方法類似，先進(jìn)行滑動數(shù)據(jù)濾波處理，再經(jīng)微分閾值算法提取呼吸頻率數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的可行性和測量準(zhǔn)確性，本文在完成系統(tǒng)調(diào)試后分別在實(shí)驗(yàn)室對健康人體和在南京市同仁醫(yī)院康復(fù)科對中風(fēng)病人做了測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室健康人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

下面選取實(shí)驗(yàn)者1和實(shí)驗(yàn)者11的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡要分析:

采用滑動平均算法對AD采集到的實(shí)驗(yàn)者1和實(shí)驗(yàn)者11的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后得到數(shù)據(jù)波形分別如圖11(a)、(b)所示。

圖11 健康人員和中風(fēng)患者血氧脈搏數(shù)據(jù)波形

人體脈搏波包含主波、潮波、重博波和重播波谷等幾個特征。圖11(a)中波形主波和重博波明顯，且主波較窄，潮波不明顯，是正常人體脈搏的特征［15］，中風(fēng)病人的血氧脈搏波(圖11(b))波形的重博波不明顯。

采用類微分算法對實(shí)驗(yàn)者1和實(shí)驗(yàn)者11的血氧脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到數(shù)據(jù)波形分別如圖12(a)、12(b)所示。

圖12 類微分法得到的數(shù)據(jù)波形

從類微分法得到的數(shù)據(jù)波形可知，類微分法從血氧脈搏波中提取出了脈搏特征信號，但波形的底部存在一定幅度的波動。

為了較好的提取出脈搏特征，便于計(jì)算脈搏頻率，采用微分閾值法對實(shí)驗(yàn)者1和實(shí)驗(yàn)者11的脈搏波進(jìn)行處理，處理后波形分別如圖13(a)、13(b)所示。

圖13 微分閾值法得到的數(shù)據(jù)波形

微分閾值法得到的波形中，一個脈沖對應(yīng)一個脈搏，通過計(jì)算脈沖峰值間的時間T，即可得到心率數(shù)值。

呼吸波形如圖14所示。吸氣過程對應(yīng)于波形中的上升部分，呼氣過程對應(yīng)于波形中的下降部分。呼吸頻率的檢測方法與脈搏頻率的檢測方法相同。經(jīng)過對測量數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)中風(fēng)患者與健康人體的呼吸波形基本相同。

圖14 人體呼吸波形

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，中風(fēng)病人的血氧飽和度較正常人的低，中風(fēng)病人的血氧脈搏波波形中主波和重博波谷明顯，但重博波不明顯，醫(yī)學(xué)上可以根據(jù)中風(fēng)病人血氧脈搏波特征的來評定患者的康復(fù)效果。

5 結(jié)論

在完成本系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試后，對健康人體和中風(fēng)患者的生理參數(shù)進(jìn)行檢測驗(yàn)證，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)重復(fù)性好、性能穩(wěn)定可靠、使用方便靈活，能夠很好的實(shí)現(xiàn)了人體脈搏血氧信號和呼吸信號的檢測。

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