基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

竺春祥，陳阮，蔡虎，石洪鐘，趙劍云

(中國計(jì)量大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，浙江 杭州 310018)

1 引 言

傳統(tǒng)的醫(yī)院患者生理參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)重依賴于有線監(jiān)測設(shè)備，這些設(shè)備普遍體積較大，難以任意移動(dòng)，既造成了管理上的困難，又限制了患者的活動(dòng)范圍，給醫(yī)護(hù)人員和患者都帶來較大的不便[1]。隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展以及人口老齡化趨勢的加重，人們對自身健康投入了更多的關(guān)注，因而也對醫(yī)療健康產(chǎn)品有了更高的期待。移動(dòng)醫(yī)療、智能醫(yī)療已成為社會發(fā)展的趨勢。

近年來ZigBee技術(shù)[2]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，使得ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)對患者的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控已經(jīng)成為可能[3]。這種新型的監(jiān)控方式相較于傳統(tǒng)手段具有便攜性、低功耗、低成本、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢，并有可能在臨床中發(fā)揮更大的作用[4]。鑒于此，本系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，結(jié)合多種外圍傳感器，構(gòu)建出一個(gè)生理參數(shù)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可以對患者的脈搏、血壓、血氧飽和度等常見生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合服務(wù)器和客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定的、可用于組建大型醫(yī)療環(huán)境的系統(tǒng)[5-6]。醫(yī)護(hù)人員通過登陸客戶端，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到每位患者的各項(xiàng)生理指標(biāo)，從而為進(jìn)一步的診斷和醫(yī)療措施提供可靠依據(jù)[7-8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體由Zigbee網(wǎng)絡(luò)、終端服務(wù)節(jié)點(diǎn)、客戶端服務(wù)器三部分構(gòu)成，見圖1，ZigBee是一種基于IEEE802.15.4物理層和媒體接入層協(xié)議的低速短距離無線通信技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成，可以配置成星型、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其組網(wǎng)能力、魯棒性和復(fù)雜度依次遞增。對于本系統(tǒng)，由于終端節(jié)點(diǎn)的位置會動(dòng)態(tài)改變，故采用對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置變化更具適應(yīng)性的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器和路由器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和路由，并通過以太網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)是功能節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)通過外圍傳感器采集患者的血氧飽和度、脈搏、血壓等生理參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器/路由器。終端節(jié)點(diǎn)體積小巧，可佩帶在被測者腕部。服務(wù)器處理協(xié)調(diào)器/路由器發(fā)來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存取并響應(yīng)客戶端請求，以實(shí)現(xiàn)對患者生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 協(xié)調(diào)器和路由器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器和路由器均采用CC2530實(shí)現(xiàn)ZigBee通信。CC2530是TI推出的一款基于8051內(nèi)核的MCU，具有最高128 KB閃存塊，8 K靜態(tài)存儲器，以及一系列 廣泛的外設(shè)集——其中包括2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO等。CC2530設(shè)備提供了一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器。除此之外，CC2530在MCU與無線電之間提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)，用于發(fā)出命令和自動(dòng)對無線電事件排序。由于CC2530自身就具有MCU可以實(shí)現(xiàn)對無線電功能的控制，因而降低了設(shè)備整體的體積和功耗。此外，CC2530可以直接搭配TI ZStack協(xié)議棧使用，大大加快了ZigBee應(yīng)用的開發(fā)速度。此外，為了與局域網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器和路由器都配置了10/100M以太網(wǎng)接口。協(xié)調(diào)器和路由器的原理框圖見圖2。

圖2 協(xié)調(diào)器/路由器原理框圖

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)生理參數(shù)的采集處理，并和協(xié)調(diào)器/路由器進(jìn)行通信以進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的收發(fā)，本研究中使用TI CC2530作為控制器和ZigBee收發(fā)器，CC2530是一款具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核、可以進(jìn)行ZigBee收發(fā)的片上系統(tǒng)，體積小但功能強(qiáng)大，擁有豐富的外圍接口可以擴(kuò)展各類人體傳感器。本研究需要測量的生理參數(shù)包括血氧飽和度、血壓以及脈搏。傳感器分別測量血氧參數(shù)、血壓參數(shù)和脈搏參數(shù)通過串口和I2C接口與CC2530通信，從而獲取人體生理參數(shù)。終端節(jié)點(diǎn)原理框圖見圖3。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)原理框圖

2.2.1血氧飽和度檢測 為了采集脈搏和血氧飽和度，本設(shè)計(jì)采用以光電容積法為核心的MAX30100傳感器。光電容積法是目前最常用的無創(chuàng)檢測血氧飽和度的方法。它通過將一定波長的光束照射到指端皮膚表面，光束經(jīng)反射后傳送到光電接收器。由于皮膚肌肉等組織對光的吸收和衰減作用是一定的，而在血液循環(huán)的過程中，光吸收量會隨心臟舒張、收縮而呈現(xiàn)脈動(dòng)性變化。當(dāng)心臟收縮時(shí)，由于血容量多，對光的吸收較大，相應(yīng)檢測到光強(qiáng)度較小。相反，當(dāng)心臟舒張時(shí)血容量小，對光吸收量小，檢測到光強(qiáng)度較大。

MAX30100集成了兩個(gè)發(fā)光LED、光電檢測二極管、ADC，以及環(huán)境光抑制電路，體積小能耗小。其中，兩個(gè)LED分別是波長為660 nm的紅光和波長為880 nm的紅外光。由于動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白(HbO2)和去氧血紅蛋白(Hb)對波長為660 nm的紅光和波長為880 nm的紅外光有選擇性，因而這兩種波長的光線常用于血氧飽和度的檢測。光電檢測二極管作為接受部分，用于將接收的光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)化為電流信號，再經(jīng)過環(huán)境光消除電路之后，通過I2C總線傳送至MCU，傳感器電路原理圖見圖4。

圖4 血氧傳感器電路原理圖

2.2.2血壓檢測 血壓傳感器，本研究中采用了MKB0705血壓檢測模塊。該模塊集成了YKB1712脈搏血壓傳感芯片、HRB6708心率脈搏芯片和SFB9710算法芯片，具有集成度高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該模塊通過光電式容積脈搏描記的方法提取人體脈搏信息，再通過心率脈搏芯片以及算法芯片直接通過串口向MCU輸出心率和脈搏信號。用戶可直接讀取所需測量的數(shù)據(jù)，操作非常簡便。

3 軟件設(shè)計(jì)

本研究的軟件主要包括兩部分，第一部分是實(shí)現(xiàn)zigBee節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的點(diǎn)播通信，使用點(diǎn)播通信可使終端設(shè)備有針對性的發(fā)數(shù)據(jù)給指定設(shè)備，不會造成數(shù)據(jù)冗余。協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)在TI公司提供的Ztack框架下實(shí)現(xiàn)，程序流程見圖5。

第二部分是終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，終端節(jié)點(diǎn)通過血壓傳感器、血氧傳感器采集相關(guān)生理參數(shù)數(shù)據(jù)，通過串口或I2C方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、指令發(fā)送。其中血壓測量采用MKB0705血壓監(jiān)測模塊，該模塊集成度較高，集成了算法芯片SFB9710。傳感器讀取的信號可直接通過算法芯片轉(zhuǎn)換成血壓數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過串口通信向傳感器發(fā)送讀取命令，傳感器返回?cái)?shù)據(jù)。血氧飽和度的測量采用血氧傳感器MAX30100，該模塊通過光電容積法直接測得的是反射后紅光和紅外光強(qiáng)度，通過血氧飽和度算法，得到人體血氧飽和度。血氧飽和度算法的實(shí)現(xiàn)見圖6。由于MAX30100傳感器通過光電容積法直接測得的是紅光和紅外光強(qiáng)度，因此要精確地獲取血氧飽和度數(shù)據(jù)，算法是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白(HbO2)和去氧血紅蛋白(Hb)對波長為660 nm的紅光和波長為880 nm的紅外光有選擇性，光束經(jīng)反射通過光電變換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栔螅惴ǚ謩e對紅光與紅外光強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)血氧飽和度定義，首先單片機(jī)將MAX30100采集到的LED光強(qiáng)度數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部RAM，再分別計(jì)算紅光LED和紅外光LED的直流成分與交流成分。紅光LED的交流與直流的比值與紅外光的交流與直流比值相除，可得到R值，而R值與血氧飽和度呈線性關(guān)系，見圖7。最后通過查表，可確定當(dāng)前的血氧飽和度。

圖5 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

圖6 血氧飽和度算法原理框圖

圖7R值與血氧飽和度關(guān)系曲線

Fig7RelationshipbetweenRvalueandSpO2

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用通過血氧傳感器、血壓傳感器構(gòu)成的系統(tǒng)，用于檢測血氧飽和度、血壓、心率、體溫等生理參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過程中ZigBee終端節(jié)點(diǎn)跟隨人進(jìn)行正常移動(dòng)以模擬真實(shí)應(yīng)用環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和實(shí)用性，具備應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8、圖9。

圖8血氧飽和度濃度測試結(jié)果

Fig8ResultofSpO2

圖9血壓測試結(jié)果

Fig9Resultofbloodpressure

5 結(jié)語

本研究從現(xiàn)代人對生理參數(shù)關(guān)注的實(shí)際需求出發(fā)，提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可穿戴式生理參數(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)。并對其總體結(jié)構(gòu)和具體實(shí)驗(yàn)作出闡述。該方案相對于傳統(tǒng)監(jiān)控手段具有實(shí)用性、便攜性和低成本等優(yōu)勢，可應(yīng)用于大型醫(yī)院住院患者生理參數(shù)監(jiān)控、社區(qū)遠(yuǎn)程醫(yī)療、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)等，具有廣闊發(fā)展前景。