無(wú)線顱內(nèi)壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

無(wú)線顱內(nèi)壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【作 者】韓懷驍，張言，錢誠(chéng)，王宏，錢志余，李韙韜

南京航空航天大學(xué)，南京市，210016

神經(jīng)外科病人的顱內(nèi)壓變化是治療過(guò)程中的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，臨床上所使用的顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀多為有線傳輸方式。隨著傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，小型化、微創(chuàng)化以及無(wú)線傳輸方式是目前主要發(fā)展方向。該文采用ZigBee技術(shù)和無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)了一套無(wú)線顱內(nèi)壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)病人的顱內(nèi)壓力和顱內(nèi)溫度，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將不同病區(qū)病人的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到護(hù)士工作站進(jìn)行存儲(chǔ)。然后可以通過(guò)自行設(shè)計(jì)的顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)管理軟件，對(duì)病人的顱內(nèi)壓、顱內(nèi)溫度進(jìn)行查詢。該無(wú)線系統(tǒng)在醫(yī)院內(nèi)布設(shè)方便，大大減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；Z-Stack

【 Writers 】HAN Huaixiao, ZHANG Yan, QIAN Cheng, WANG Hong, QIAN Zhiyu, LI Weitao

School of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016

【 Abstract 】During the treatment of neurosurgical patients, the changing of intracranial pressure (ICP) monitoring is the main monitoring objects, while most of the clinical equipment are wireline. With the rapid development of transducer and wireless network, miniaturization, micromation and wireless transmission become one of the research hotspots. This paper designed a wireless ICP monitoring system based on ZigBee technology, which can continuously measure the patient's intracranial pressure and temperature, and send monitoring data of patients of different ward to nurse station through the wireless network, and save it. Then we can inquiry the intracranial pressure and temperature using the intracranial pressure monitoring and management software we designed. The wireless system can be installed in the hospital very conveniently, which can reduce the work intensity of medical staff. The system is very useful in clinical work.

0 引言

顱內(nèi)壓（ICP）增高會(huì)造成病人腦組織缺血、缺氧，甚至引起腦移位形成腦疝，導(dǎo)致腦組織壞死，病人死亡[1]。因此對(duì)特殊病人的顱內(nèi)壓狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病人顱內(nèi)壓增高的情況就尤為重要[2]。目前，臨床顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)設(shè)備主要為法國(guó)Sophysa公司的Pressio多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、美國(guó)強(qiáng)生公司的Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀[3-4]和美國(guó)Integra LifeSciences公司的Camino系列顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀。這些產(chǎn)品作為有線設(shè)備，都不同程度地存在諸如有線電纜占據(jù)大量的有限空間[5]，醫(yī)務(wù)人員需要經(jīng)常性到不同病床前觀察各種監(jiān)護(hù)儀的使用情況，需要消耗大量精力等問(wèn)題。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步，現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)也開(kāi)始朝著無(wú)線化發(fā)展[6-8]，本文提出并設(shè)計(jì)一套基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9-10]，將ZigBee技術(shù)與顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)無(wú)線傳輸，可以將顱內(nèi)壓力和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)上的監(jiān)護(hù)軟件，實(shí)現(xiàn)顱內(nèi)壓的無(wú)線多用戶監(jiān)測(cè)，方便醫(yī)護(hù)人員集中觀察病區(qū)內(nèi)多位病人的顱內(nèi)壓狀況。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1是無(wú)線顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原理圖，系統(tǒng)主要由若干臺(tái)負(fù)責(zé)與顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀通訊的無(wú)線通信模塊、1個(gè)無(wú)線接收器和1臺(tái)PC機(jī)組成。其中，無(wú)線通信模塊與顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀之間使用USART進(jìn)行通信，PC機(jī)與無(wú)線接收器之間使用RS232進(jìn)行通信，最終在PC機(jī)上位端接收無(wú)線接收器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)交由監(jiān)護(hù)軟件進(jìn)行處理。

從開(kāi)發(fā)難度、安全系數(shù)、功耗等多方面考慮，本文選擇ZigBee技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[11]，而考慮到顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用環(huán)境，多為數(shù)量有限、節(jié)點(diǎn)距離短的獨(dú)立病房，因此選用復(fù)雜程度較低的星型結(jié)構(gòu)足以滿足對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的諸多需求。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 The schematic diagram of overall system design

星型網(wǎng)絡(luò)[12]僅需要一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)就可以工作[13]。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立并管理網(wǎng)絡(luò)[14]，控制終端節(jié)點(diǎn)的加入和離開(kāi)，接受來(lái)自終端或路由的數(shù)據(jù)；終端節(jié)點(diǎn)尋求加入網(wǎng)絡(luò)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)或者請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

本文在開(kāi)發(fā)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧[15]，其按照分層設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧的全部功能：它將協(xié)議棧的每個(gè)子系統(tǒng)劃分為一個(gè)任務(wù)，交由操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）來(lái)管理和調(diào)度；將協(xié)議棧中所有的功能封裝成應(yīng)用程序接口（API）[16]。因此，諸多協(xié)議棧內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)被屏蔽，減小了開(kāi)發(fā)難度，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對(duì)設(shè)備類型的描述，本文需要完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立和數(shù)據(jù)通信；并需要使用LabWindows編寫上位機(jī)監(jiān)護(hù)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

2.1 無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)USART與顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行串行通信，接收來(lái)自顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線接收器。

2.1.1 無(wú)線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，其工作流程如圖2所示。首先完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化，然后搜索附近是否存在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并請(qǐng)求入網(wǎng)。入網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)通知監(jiān)護(hù)儀入網(wǎng)成功，最后進(jìn)入OSAL的循環(huán)中，等待事件的發(fā)生，如果有數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送，則終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)，再通過(guò)RF將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.1.2 無(wú)線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

本文選用美國(guó)德州儀器（TI）公司的CC2530作為ZigBee無(wú)線通信模塊的主控制器。該芯片集成業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的射頻收發(fā)前端和高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，擁有眾多外設(shè)，因此只需要添加很少的外部元器件就可以使它正常工作。該系列芯片支持5級(jí)工作模式，當(dāng)工作在使用外部中斷觸發(fā)的工作模式時(shí)電流消耗僅為0.4 μV，適用對(duì)功耗控制苛刻的應(yīng)用環(huán)境。

2.2 無(wú)線接收器模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線接收器是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立、運(yùn)行和管理，以及接收無(wú)線通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，再通過(guò)RS232接口將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)上的監(jiān)護(hù)軟件。

本文使用一塊現(xiàn)有的ZigBee開(kāi)發(fā)板充當(dāng)無(wú)線接收器，并沒(méi)有單獨(dú)為其設(shè)計(jì)硬件電路。

它的軟件工作流程如圖3所示。協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件初始化，然后自動(dòng)尋找合適的信道并建立網(wǎng)絡(luò)，最后進(jìn)入OSAL的循環(huán)中，等待終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，如果有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會(huì)為該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，之后又進(jìn)入循環(huán)中，等待新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求。

上述過(guò)程由協(xié)調(diào)器的OSAL負(fù)責(zé)完成，當(dāng)協(xié)調(diào)器的RF接收到終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)從RF的緩存區(qū)讀取出來(lái)，再調(diào)用串口函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)上的監(jiān)護(hù)軟件。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的工作流程圖Fig.2 Terminal nodes fl ow charts

圖3 協(xié)調(diào)器的工作流程圖Fig.3 Coordinator fl ow charts

2.3 上位機(jī)監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)

本文使用LabWindows/CVI編寫了簡(jiǎn)易的顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)軟件[17]。該軟件能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與8臺(tái)顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀建立連接并顯示其中一臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。方便醫(yī)護(hù)人員統(tǒng)一查詢所有正在進(jìn)行顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)的患者的狀況。

監(jiān)護(hù)軟件的工作流程如圖4所示。監(jiān)護(hù)軟件運(yùn)行后，首先需要設(shè)置串口的參數(shù)，與協(xié)調(diào)器建立連接。然后等待協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆解，并驗(yàn)證設(shè)備號(hào)。最后顯示設(shè)備的數(shù)據(jù)。

圖4 監(jiān)護(hù)軟件的工作流程圖Fig.4 Monitoring software fl ow charts

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2臺(tái)顱內(nèi)壓儀通過(guò)ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)，并連接到顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)軟件，通過(guò)監(jiān)護(hù)軟件對(duì)顱內(nèi)壓儀進(jìn)行管理。監(jiān)護(hù)軟件接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆解，并驗(yàn)證設(shè)備號(hào)。選擇需查看的顱內(nèi)壓儀的監(jiān)護(hù)情況，并實(shí)時(shí)顯示其顱內(nèi)壓讀數(shù)、波形，顱內(nèi)溫度及設(shè)備序號(hào)。圖5分別是兩臺(tái)顱內(nèi)壓儀終端的顯示界面，顯示此時(shí)的壓力讀數(shù)分別是7 mmHg和6 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），溫度讀數(shù)都是35.3oC。圖6為顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)軟件的工作界面，顯示的壓力讀數(shù)也是7 mmHg和6 mmHg，溫度讀數(shù)為35.3oC。

圖5 顱內(nèi)壓儀界面Fig.5 The interface of intracranial pressure instrument

實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)護(hù)軟件可以通過(guò)ZigBee接收器接收到完整正確的數(shù)據(jù)，無(wú)線傳輸穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)可用于管理20臺(tái)以下的顱內(nèi)壓儀。

4 總結(jié)

圖6 顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)軟件界面Fig.6 The interface of intracranial pressure monitoring software

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案，根據(jù)不同部分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能劃分，通過(guò)星型結(jié)構(gòu)搭建了一個(gè)完整的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

本文按照硬件和軟件兩大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：硬件部分基于CC2530芯片設(shè)計(jì)了無(wú)線通信模塊的硬件電路；軟件部分對(duì)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的軟件做了設(shè)計(jì)，并使用LabWindows編寫了PC機(jī)上的監(jiān)護(hù)軟件，能夠連接多臺(tái)顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀并可以選擇顯示其中任意一臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

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Intracranial Pressure Monitor Based on Wireless

intracranial pressure monitoring, wireless network, ZigBee，Z-Stack

TH772

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.003

1671-7104(2017)02-00089-03

2016-06-27

南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)放基金資助（kfjj20160302）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金通信作者：錢志余，E-mail: zhiyu@nuaa.edu.cn