基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李紅利，劉元建，張榮華，柳 干，王舒歡，修春波

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李紅利，劉元建，張榮華，柳 干，王舒歡，修春波

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合，以ZigBee和藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)為核心，提出了一種具有自動(dòng)切換工作模式和自動(dòng)診斷功能的無(wú)線社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以完成心電數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、在線診斷、異常報(bào)警與無(wú)線傳輸?shù)裙δ?系統(tǒng)可以自動(dòng)切換室內(nèi)外工作狀態(tài)，保證了24小時(shí)全天候監(jiān)護(hù)，其自嵌的心電分析算法可以實(shí)時(shí)分析采集的心電信號(hào)，自動(dòng)提取心電信號(hào)中的疾病特征與專家?guī)熘械男盘?hào)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)有關(guān)心臟疾病的自動(dòng)診斷和報(bào)警.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確采集心電信號(hào)并診斷，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)上，有利于對(duì)社區(qū)心臟疾病患者進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)護(hù).

心電信號(hào)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；ZigBee；社區(qū)醫(yī)療

雖然社會(huì)的醫(yī)療水平不斷提高，但是有些疾病的發(fā)病率卻依然在增加，尤其是心臟疾病，其在中老年群體中的發(fā)病率一直居高不下；另外心臟疾病具有偶然性與突發(fā)性的特點(diǎn)也給心電監(jiān)測(cè)帶來(lái)了許多麻煩[1]，這使得全天候心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在臨床應(yīng)用和社區(qū)醫(yī)療方面具有非常重要的價(jià)值.由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)儀器體積比較大并使用有線傳輸方式[2]，移動(dòng)不便，一般僅用于醫(yī)院中，近年來(lái)快速發(fā)展的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效解決這個(gè)問題.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)通過(guò)使用無(wú)線傳輸方式和集成片上系統(tǒng)使得心電設(shè)備變成了便攜式儀器[3]，并在采集終端加入心電算法，可以識(shí)別采集到的人體心電信號(hào)是否異常.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)縮短了醫(yī)患之間的距離，可以及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)患者的心電信號(hào)，不僅能夠提高救治效率，還能減少患者往返醫(yī)院的負(fù)擔(dān)，充分為患者考慮，具有廣闊的應(yīng)用前景.本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合，以ZigBee和藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)為核心，提出了一種具有自動(dòng)切換工作模式和自動(dòng)診斷功能的無(wú)線社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以完成心電數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、在線診斷、異常報(bào)警與無(wú)線傳輸?shù)裙δ?，從而改進(jìn)社區(qū)心臟病患者的監(jiān)護(hù)工作.

1 硬件設(shè)計(jì)

社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體方案圖Fig.1 Overall scheme of system diagram

圖1建立了一個(gè)全天候的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)[4].該網(wǎng)絡(luò)有2種工作模式.模式一是Zigbee模式，當(dāng)患者處于室內(nèi)時(shí)，采用Zigbee和Wifi傳輸方式，終端采集到心電信號(hào)后與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匹配綁定，通過(guò)Zigbee與Wifi協(xié)議的轉(zhuǎn)換把信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線路由傳輸?shù)缴鐓^(qū)醫(yī)療中心的電腦上.模式二是藍(lán)牙模式，當(dāng)患者處于室外，終端搜索不到網(wǎng)關(guān)時(shí)，自動(dòng)切換到藍(lán)牙模式，經(jīng)藍(lán)牙與手機(jī)相連，通過(guò)手機(jī)把心電信號(hào)發(fā)送到社區(qū)醫(yī)療中心.

終端有正常工作模式和省電模式.省電模式就是如果終端檢測(cè)到異常的心電則發(fā)出警報(bào)，并立刻把異常心電信號(hào)前后5 min分鐘的心電信號(hào)傳輸?shù)缴鐓^(qū)醫(yī)療中心，如果心電信號(hào)正常則不傳輸心電信號(hào).省電模式減少了數(shù)據(jù)發(fā)送量，減輕了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，更降低了功耗.

1.1 心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)與其他的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)一樣是一種非常微弱的信號(hào)[5]，其正常的幅值為0～4 mV，頻率一般在0.05～100 Hz，因個(gè)人所處環(huán)境和個(gè)人身體狀況不同而表現(xiàn)出較大的差異性.一般的心電采集電路通常是對(duì)心電信號(hào)放大1 000倍處理得到1 V左右的電壓信號(hào)，然后在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，這樣做會(huì)把心電信號(hào)中的干擾信號(hào)也一起放大從而增大了誤差.為了保證信號(hào)的原始性，本系統(tǒng)使用ADS1191芯片采集心電信號(hào)，其具有16位的Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以不經(jīng)放大處理得到原始的心電信號(hào).

ADS1191具有低功耗、小尺寸等特點(diǎn)，并且使用起來(lái)也很簡(jiǎn)單，只需要使用主控芯片上的IO口模擬SPI總線即可與之通信.

1.2 無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)

社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主要部分是數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[6]，本系統(tǒng)采用了多個(gè)無(wú)線傳輸方式的組合，一個(gè)是以CC2530芯片為核心的Zigbee-Wifi傳輸方式，在室內(nèi)或公共場(chǎng)合安裝Zigbee固定中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)患者處于這些地方時(shí)，佩戴在其身上的終端會(huì)自動(dòng)與這些節(jié)點(diǎn)配對(duì)連接，然后在通過(guò)Wifi把心電信號(hào)發(fā)送到社區(qū)監(jiān)護(hù)中心.CC2530芯片是基于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案[7]，可以用很低的總成本建立非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).

另一個(gè)是以CC2540芯片為核心的藍(lán)牙-GSM傳輸方式，在室外搜索不到Zigbee節(jié)點(diǎn)時(shí)，終端自動(dòng)轉(zhuǎn)換到藍(lán)牙模式與手機(jī)進(jìn)行連接.CC2540是一款基于低功率藍(lán)牙技術(shù)而設(shè)計(jì)的芯片，是一個(gè)超低功耗的真正系統(tǒng)單晶片，它整合了包含微控制器、主機(jī)端及應(yīng)用程序在一個(gè)元件上.CC2540結(jié)合一個(gè)優(yōu)異的無(wú)線射頻傳送接收器及一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)型8051微控制器，內(nèi)建可程式的快閃記憶體，精確的無(wú)線射頻訊號(hào)強(qiáng)度指示，全速USB 2.0界面，內(nèi)建AES-128加密引擎.

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要分為3個(gè)方面：終端節(jié)點(diǎn)、固定中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)（也叫路由節(jié)點(diǎn)）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).其軟件設(shè)計(jì)也分為這3個(gè)方面：終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)[8].

終端節(jié)點(diǎn)在上電執(zhí)行任務(wù)事件之前需要對(duì)其進(jìn)行一些初始化設(shè)置，以保證設(shè)備的正常工作，之后終端節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)搜索協(xié)調(diào)器和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng).首先終端會(huì)對(duì)搜索到的協(xié)調(diào)器或中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)出綁定信號(hào)，若綁定完成發(fā)回標(biāo)記信號(hào)，如果沒有搜索到協(xié)調(diào)器或中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)并開啟藍(lán)牙.若綁定成功，可以開始接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的指令，如無(wú)指令，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)等待接收指令.當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到采集心電信號(hào)指令后，先分析采集指令，開啟心電采集系統(tǒng)采集患者心電數(shù)據(jù)并判斷是否心電異常，將心電異常數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作下一步操作，具體的流程如圖2所示.

圖2 協(xié)調(diào)器工作流程圖Fig.2 Coordinator work flow chart

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的流程圖基本與協(xié)調(diào)器相同，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電初始化后，處理終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的綁定請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器會(huì)開啟允許綁定狀態(tài)[9].因?yàn)樵谏鐓^(qū)中患者的加入是無(wú)規(guī)律的，所以這里設(shè)置一直允許綁定.綁定請(qǐng)求處理完成后，發(fā)出采集指令，然后就等待接收終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過(guò)Wifi上傳到網(wǎng)絡(luò).

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的軟件流程基本跟終端節(jié)點(diǎn)沒有差別，只是相對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)加入了轉(zhuǎn)發(fā)的功能，限于篇幅，這里就不贅述了.

2.2 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)界面的設(shè)計(jì)

在labview平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)界面[10-11]，其不僅可以顯示社區(qū)所有患者的心電情況并且會(huì)自動(dòng)報(bào)警，在發(fā)生心電異常時(shí)可以及時(shí)通知醫(yī)生做好急救工作，通過(guò)手機(jī)的GPS定位能知道患者的具體位置從而節(jié)約了救治時(shí)間，通過(guò)點(diǎn)擊詳情觀察患者的心電情況從而可以及早的確定救治方案，監(jiān)護(hù)界面如圖3所示.

圖3 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)界面Fig.3 Community ECG monitoring interface

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4所示為實(shí)際測(cè)得的患者心電信號(hào).

圖4 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)界面Fig.4 Community ECG monitoring interface

由圖4結(jié)果可以看出該方案達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集人體心電信號(hào)，但同時(shí)也看出圖中有信號(hào)的干擾，分析可得有以下幾個(gè)方面.

（1）隨機(jī)噪聲.隨機(jī)噪聲由獨(dú)立于系統(tǒng)外的其他不相干干擾源平穩(wěn)隨機(jī)產(chǎn)生的，該噪聲因?yàn)殡S機(jī)性和不可控性會(huì)嚴(yán)重的影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，有些隨機(jī)噪聲的信號(hào)強(qiáng)度可能比被測(cè)信號(hào)大，跟被測(cè)信號(hào)疊加后把被測(cè)信號(hào)徹底的掩蓋住.

（2）工頻干擾，由生活環(huán)境中電子儀器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射.這里主要是指50Hz工頻干擾.在采集系統(tǒng)工作時(shí)，50 Hz的工頻干擾被一起采集，對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生了不利影響.其主要表現(xiàn)為心電信號(hào)帶有“毛刺”.

由圖4可知本系統(tǒng)的主要干擾信號(hào)就是工頻干擾.為了消除這些干擾，可以采用自適應(yīng)陷波器處理采集的信號(hào)，主要方法是利用SMM方法確定工頻頻率的具體頻率，然后使用最小平方逼近準(zhǔn)則設(shè)計(jì)可控通帶增益的陷波器.經(jīng)過(guò)濾波處理后，可以基本濾掉工頻干擾[12].

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究綜合應(yīng)用了心電檢測(cè)技術(shù)和無(wú)限傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用于現(xiàn)代化社區(qū)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng).經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)備的采集、顯示患者心電信號(hào)并進(jìn)行前期簡(jiǎn)單的檢測(cè)報(bào)警，解決傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不能24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題.設(shè)計(jì)中采用的低功耗設(shè)計(jì)降低了終端數(shù)據(jù)發(fā)送功耗，利用智能手機(jī)的GPS定位功能可快速定位患者具體位置.該心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不但可以滿足現(xiàn)代化社區(qū)心電監(jiān)護(hù)的需要，也可以在醫(yī)院和養(yǎng)老機(jī)構(gòu)使用，為醫(yī)生診斷病情提供依據(jù).

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Design of community ECG monitoring system based on wireless sensor network

LI Hong-li，LIU Yuan-jian，ZHANG Rong-hua，LIU Gan，WANG Shu-huan，XIU Chun-bo
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Wireless sensor networks and traditional ECG monitoring system were combined with ZigBee and Bluetooth wireless communication technology as the core，a wireless community ECG system with an automatic switching mode and auto diagnostic functions was designed with the capabilities of ECG data automatic collection，processing，online diagnostics，error alarm and wireless transmision.The system can automatically switch the indoor and outdoor working conditions to ensure 24-hour care.The self ECG analysis algorithm embedded in the system can realive the real-time analysis of ECG data acquisition，and automatic extraction of ECG characteristics and comparing disease experts with the signal library achieve，automatic diagnosis of heart disease-related and alarm.Results show the designed community ECG monitoring system can accurately capture ECG and diagnosis. The applications of wireless sensor network in the community ECG monitoring system is beneficial for unified community care for patients with heart disease.

ECG；wireless sensor network；monitoring system；ZigBee；community health care

TP29

A

1671－024X（2015）01－0064－04

2014-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（61203302）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（14JCYBJC18900）

李紅利（1978—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)分析.E-mail：lihongliln@163.com