基于ZigBee網絡可穿戴生理參數監測系統

2019-04-20 06:45:50竺春祥陳阮蔡虎石洪鐘趙劍云

生物醫學工程研究 2019年1期

竺春祥，陳阮，蔡虎，石洪鐘，趙劍云

(中國計量大學工程訓練中心，浙江杭州 310018)

1 引言

傳統的醫院患者生理參數監控系統嚴重依賴于有線監測設備，這些設備普遍體積較大，難以任意移動，既造成了管理上的困難，又限制了患者的活動范圍，給醫護人員和患者都帶來較大的不便[1]。隨著醫療技術的快速發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注，因而也對醫療健康產品有了更高的期待。移動醫療、智能醫療已成為社會發展的趨勢。

近年來ZigBee技術[2]、物聯網技術以及大數據技術的興起，使得ZigBee傳感網絡對患者的生理參數進行實時監控已經成為可能[3]。這種新型的監控方式相較于傳統手段具有便攜性、低功耗、低成本、實時性好等優勢，并有可能在臨床中發揮更大的作用[4]。鑒于此，本系統以ZigBee網絡為基礎，結合多種外圍傳感器，構建出一個生理參數無線監控網絡，可以對患者的脈搏、血壓、血氧飽和度等常見生理參數進行實時監測，并結合服務器和客戶端軟件，實現了一個穩定的、可用于組建大型醫療環境的系統[5-6]。醫護人員通過登陸客戶端，可以實時監測到每位患者的各項生理指標，從而為進一步的診斷和醫療措施提供可靠依據[7-8]。

2 系統硬件設計

系統整體由Zigbee網絡、終端服務節點、客戶端服務器三部分構成，見圖1，ZigBee是一種基于IEEE802.15.4物理層和媒體接入層協議的低速短距離無線通信技術。ZigBee網絡由協調器、路由器和終端節點組成，可以配置成星型、樹狀和網狀網絡，其組網能力、魯棒性和復雜度依次遞增。對于本系統，由于終端節點的位置會動態改變，故采用對網絡節點位置變化更具適應性的網狀網絡。協調器和路由器負責ZigBee網絡的建立和路由，并通過以太網接入互聯網與服務器進行通信。終端節點是功能節點，負責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，并將數據通過ZigBee網絡發送到協調器/路由器。終端節點體積小巧，可佩帶在被測者腕部。服務器處理協調器/路由器發來的數據包進行數據庫存取并響應客戶端請求，以實現對患者生理參數進行監視和控制。

圖1 系統整體結構

2.1 協調器和路由器設計

本系統中的協調器和路由器均采用CC2530實現ZigBee通信。CC2530是TI推出的一款基于8051內核的MCU，具有最高128 KB閃存塊，8 K靜態存儲器，以及一系列廣泛的外設集——其中包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO等。CC2530設備提供了一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器。除此之外，CC2530在MCU與無線電之間提供了一個結構，用于發出命令和自動對無線電事件排序。由于CC2530自身就具有MCU可以實現對無線電功能的控制，因而降低了設備整體的體積和功耗。此外，CC2530可以直接搭配TI ZStack協議棧使用，大大加快了ZigBee應用的開發速度。此外，為了與局域網服務器進行通信，協調器和路由器都配置了10/100M以太網接口。協調器和路由器的原理框圖見圖2。

圖2 協調器/路由器原理框圖

2.2 終端節點設計

終端節點負責生理參數的采集處理，并和協調器/路由器進行通信以進行數據和控制命令的收發，本研究中使用TI CC2530作為控制器和ZigBee收發器，CC2530是一款具有增強型8051內核、可以進行ZigBee收發的片上系統，體積小但功能強大，擁有豐富的外圍接口可以擴展各類人體傳感器。本研究需要測量的生理參數包括血氧飽和度、血壓以及脈搏。傳感器分別測量血氧參數、血壓參數和脈搏參數通過串口和I2C接口與CC2530通信，從而獲取人體生理參數。終端節點原理框圖見圖3。

圖3 終端節點原理框圖

2.2.1血氧飽和度檢測為了采集脈搏和血氧飽和度，本設計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，而在血液循環的過程中，光吸收量會隨心臟舒張、收縮而呈現脈動性變化。當心臟收縮時，由于血容量多，對光的吸收較大，相應檢測到光強度較小。相反，當心臟舒張時血容量小，對光吸收量小，檢測到光強度較大。

MAX30100集成了兩個發光LED、光電檢測二極管、ADC，以及環境光抑制電路，體積小能耗小。其中，兩個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，用于將接收的光強度信號轉化為電流信號，再經過環境光消除電路之后，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、功耗低等優點。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據，操作非常簡便。

3 軟件設計

本研究的軟件主要包括兩部分，第一部分是實現zigBee節點與協調器的點播通信，使用點播通信可使終端設備有針對性的發數據給指定設備，不會造成數據冗余。協調器軟件設計在TI公司提供的Ztack框架下實現，程序流程見圖5。

第二部分是終端節點軟件設計，終端節點通過血壓傳感器、血氧傳感器采集相關生理參數數據，通過串口或I2C方式進行數據傳輸、指令發送。其中血壓測量采用MKB0705血壓監測模塊，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換成血壓數據。單片機通過串口通信向傳感器發送讀取命令，傳感器返回數據。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現見圖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度，因此要精確地獲取血氧飽和度數據，算法是關鍵，也是難點。動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，光束經反射通過光電變換器轉變為電信號之后，算法分別對紅光與紅外光強度進行分析，根據血氧飽和度定義，首先單片機將MAX30100采集到的LED光強度數據存儲在內部RAM，再分別計算紅光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系，見圖7。最后通過查表，可確定當前的血氧飽和度。