基于無線網絡的生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)設計

孔喜梅,滕士雷

(1.無錫交通高等職業(yè)技術學校,江蘇無錫214151; 2.無錫機電高等職業(yè)技術學校，江蘇無錫214028)

0 引言

隨著醫(yī)療條件的改善和人民生活水平的提高，人均壽命大大延長，這使中國加快進入老齡化社會，慢性病與退化性疾病患者的增多給國家和社會帶來了巨大的醫(yī)療壓力[1]。在康復治療中，需要對病人的基本生理參數(shù)進行長期監(jiān)控，以便護理人員和醫(yī)生掌握病情，預防突發(fā)情況和相關并發(fā)癥的發(fā)生。然而傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)使用時需要用線連接各種測量探頭，便攜性差，只能在醫(yī)院和康復中心使用，這對病人的日常活動造成很大影響。如何在保證病人正常生活的前提下，對其進行長期有效的花費較低的醫(yī)療監(jiān)護，成為急需解決的實際問題[2]。

本文對監(jiān)護系統(tǒng)的功能和性能進行分析，設計一種基于ZigBee網絡和藍牙4.0的便攜式人體生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)。借助ZigBee網絡體積小、自組網等優(yōu)勢，及時準確地對病人生理參數(shù)進行監(jiān)測，利用手機終端將采集的數(shù)據(jù)進行可視化處理，方便醫(yī)護人員和親屬掌握患者的情況。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)設計的目的是為了方便對慢性病患者的生理參數(shù)進行監(jiān)控，減輕醫(yī)生或家庭護理人員的工作量。系統(tǒng)可以自動上傳病人的生理參數(shù)，醫(yī)護人員可以通過手機直接向協(xié)調器查詢數(shù)據(jù)，隨時了解病人情況。

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)要滿足以下技術要求。

1)系統(tǒng)能夠實時準確測量病人體溫、血壓、血氧、脈搏等生理參數(shù)和病人周圍環(huán)境的溫濕度。系統(tǒng)處理器要具備較強的數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸能力，無線通信網絡要穩(wěn)定。

2)監(jiān)護過程中使用者可以根據(jù)個人需求對采集節(jié)點進行操作，采集節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點要具有簡單易懂、功能完善的操作界面。

3)協(xié)調器處理的數(shù)據(jù)要能夠通過藍牙接口上傳到家庭護理人員或醫(yī)生的手機終端，手機應用軟件要具有生理參數(shù)數(shù)據(jù)查詢、分析等功能。

4)為了保證系統(tǒng)的便捷性，采集模塊要小型輕便、便于攜帶，采集方式要舒適，采集過程要快速方便，盡可能降低監(jiān)護過程對病人日常生活的影響。慢性病患者的監(jiān)護是長期的，產品要被大眾所接受，系統(tǒng)必須具有較低的功耗與成本。

1.2 系統(tǒng)應用分析

本系統(tǒng)應用于醫(yī)院病房或家庭病房，每個病房放置1個采集節(jié)點，通過路由器向協(xié)調器上傳檢測數(shù)據(jù)，醫(yī)護人員和病人自己都可以用手機連接協(xié)調器查看數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)應用如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)具體應用示意圖

2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)包含采集節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點3類設備，其整體結構如圖2所示。協(xié)調器和采集節(jié)點采用TI公司的STM32芯片作為系統(tǒng)處理器，實現(xiàn)生理信號釆集、數(shù)據(jù)處理、無線模塊數(shù)據(jù)交換、藍牙模塊數(shù)據(jù)交換等功能。協(xié)調器與手機終端的藍牙4.0通信由BLK-MD-BC04-B藍牙模塊實現(xiàn)。系統(tǒng)采用CC2530芯片實現(xiàn)ZigBee網絡功能，網絡中各節(jié)點的無線通信模塊硬件基本相同，軟件則根據(jù)節(jié)點的不同功能進行設計。

1)協(xié)調器節(jié)點是ZigBee網絡的核心。協(xié)調器節(jié)點采用CC2530模塊編程組網，配置網絡參數(shù)，喚醒采集節(jié)點設備，向采集節(jié)點發(fā)送采集控制指令，讀取網絡中各節(jié)點生理參數(shù)，再通過串口將各節(jié)點的生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳送給STM32處理器進行分析，并將結果通過藍牙4.0模塊上傳給系統(tǒng)上位機。此外，協(xié)調器節(jié)點裝有提示與報警輔助模塊，當有采集節(jié)點出現(xiàn)病患異常情況時及時報警提示。

2)路由節(jié)點是ZigBee網絡的數(shù)據(jù)中轉站，負責調節(jié)最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸路徑進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，擴展網絡覆蓋范圍，解決ZigBee網絡傳輸距離短、覆蓋范圍小的問題。路由節(jié)點即為ZigBee無線通信模塊，只需要對CC2530芯片進行ZigBee通信路由功能的軟件設計。

3)采集節(jié)點是ZigBee網絡的終端，負責與采集設備的系統(tǒng)處理器進行數(shù)據(jù)通信，讀取各項生理參數(shù)數(shù)據(jù)并進行匯總，根據(jù)協(xié)調器的指令將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調器[3]。采集節(jié)點的STM32處理器控制血壓、血氧、體溫、環(huán)境溫濕度模塊進行數(shù)據(jù)采集與分析。CC2530模塊用于上傳生理參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

3 人體參數(shù)測量方案設計

3.1 人體體溫測量

為了使采集節(jié)點設備具有更好的便攜性能，最大程度減少對病人日常生活的影響，簡化監(jiān)護設備，降低測量成本，本系統(tǒng)采用美國達拉斯半導體公司的單總線數(shù)字式傳感器DS18B20進行體表測溫。DS18B20傳感器使用的單總線技術與普通的SPI等串行通信總線不同，單總線電路設計簡單，使用方便，硬件成本低，只需要利用一個接口就能夠與STM32處理器通信，完成控制指令發(fā)送和溫度數(shù)值讀取[4]。進行體溫測量時，將DS18B20傳感器放在采集節(jié)點的血壓袖帶內，緊貼皮膚，即可進行體溫測量。

3.2 人體血壓測量

通常使用指動脈血壓作為血壓生理參數(shù)，通過測量人體在平靜狀態(tài)下的舒張壓(DBP)、收縮壓(SBP)來反映人體的血壓，以SBP/DBP的形式記錄數(shù)據(jù)，在有些病理數(shù)據(jù)應用中需要同時對人體平均壓(MBP)做進一步測量。

1)測量基本原理

基于示波法的血壓測量是目前無創(chuàng)血壓測量的主流技術。進行血壓測量時，將集成了血壓測量傳感器的袖帶套在病人的上臂中部，測量位置盡量與心臟齊平，袖帶的血壓測量傳感器盡量貼近被測者的動脈血管，調節(jié)至合適的松緊度。此時，傳感器測量到的是袖帶靜壓力與脈搏波相疊加的信號。給袖帶充氣，直到袖帶靜壓力達到預設值后停止充氣。此時動脈血管被阻塞，壓力傳感器檢測的脈搏波信號很微弱或幾乎沒有；控制放氣閥對血壓測量袖帶進行階梯式緩慢放氣，每個階梯釋放5～10 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)的壓力，持續(xù)停留幾秒進行脈搏波信號分析。放氣過程中，隨著袖帶壓力減小，脈搏波峰值增大。當袖帶內的壓力小于被測者的收縮壓時，脈搏波信號會明顯增大。當袖帶內的壓力達到被測者的平均血壓時，采集模塊采集到的脈搏波信號達到最大測量值。當袖帶內的壓力減小到被測者的舒張壓時，脈搏波信號逐漸減弱。當袖帶內的壓力下降到預設值時動脈血管完全舒張，這時完全打開閥門，結束測量[5]。

示波法測量血壓是基于脈搏波信號的最大波幅值來確定舒張壓和收縮壓的。脈搏波是心臟的搏動沿動脈血管和血流向外傳播而形成的，其傳播速度與動脈管壁的彈性、動脈管腔的口徑、血液的密度、黏性等密切相關，通常大于血流速度，從大動脈到小動脈傳播時速度越來越大。人體脈搏波反映了1個心動周期中動脈血壓的變化情況，具有信號弱(μV—mV級)、噪聲強、頻率低(0～300 Hz)、隨機性強的特點[6]，其波形如圖3所示。

圖3 1個心動周期的脈搏波波形圖

在示波法測量血壓過程中，由于脈搏波信號極其微弱且噪聲大，需要對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，以保證采集脈搏波的可靠性和穩(wěn)定性，然后依據(jù)原數(shù)據(jù)分布規(guī)律將離散的脈搏波信號進行曲線擬合，轉化為連續(xù)的脈搏波波形，根據(jù)血壓采集算法求得血壓值。本系統(tǒng)采用目前通用的IIR數(shù)字濾波器，IIR數(shù)字濾波器階數(shù)不超過10階，時延小，頻率分量的選擇性較強，運算量相對較小，易于實現(xiàn)，適合在嵌入式系統(tǒng)中應用。IIR濾波器的轉移函數(shù)為

(1)

式中，bi和ai為濾波系數(shù)，H(z)在有限平面z(0<|z|<∞)上存在極值點。

2)人體平均壓計算

人體平均壓是指1個心動周期內動脈血壓的平均值，設動脈血壓為p(t)，周期為T，則平均壓

(2)

也可根據(jù)經驗推算：

(3)

如圖4所示，本系統(tǒng)采用的示波法血壓測量中，脈搏波最大波幅AM對應的袖帶壓力就是平均壓。

圖4 脈搏波包絡擬合曲線

3)收縮壓和舒張壓判定

本系統(tǒng)對人體舒張壓和收縮壓的計算采用脈搏波峰系數(shù)確定。收縮壓、舒張壓的脈搏波峰系數(shù)KS、KD分別為

(4)

(5)

式中：AS表示收縮壓對應的脈搏波峰值；AD表示舒張壓對應的脈搏波峰值；KS一般取0.3～0.7；KD一般取0.45～0.9。通過這2個系數(shù)確定收縮壓SBP、舒張壓DBP的位置，其對應的袖帶壓力值即是測量的收縮壓和舒張壓。該方法實現(xiàn)簡單，可靠性相對比較高。

3.3 人體血氧、脈搏測量

血氧飽和度(SpO2)是人體血液中已經被氧結合的氧合血紅蛋白的量與血液中可進行氧合的血紅蛋白總量的百分比。根據(jù)醫(yī)療臨床測試，正常情況下人體中1 g血紅蛋白能結合氧的最大值為1.34 mL。

系統(tǒng)采用光化學法實時監(jiān)測脈搏和血氧飽和度，不需要對被測者采血。光化學法測量基于Lambert-Beer定律，利用血液對不同波長的光的吸收量不同計算血氧飽和度。氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)對不同波長入射光有不同的吸光度。

本設計使用的血氧檢測模塊的檢測探頭由2個發(fā)光二極管和2個光電二極管組成，在測量過程中發(fā)光二極管發(fā)出波長分別為940 nm的紅外光和660 nm的紅光照射食指指尖，光電二極管檢測透射光。

血紅蛋白對光波的吸收隨血液流動不斷變化，使得傳感器測出的交直流信號成分呈周期性變化。血氧飽和度

(6)

式中：Iac660、Iac940分別表示660 nm、940 nm波長的光穿透指尖后產生的交流信號分量；Idc660、Idc940分別表示660 nm、940 nm波長的光穿透指尖后產生的直流信號分量。利用公式(6)可以方便地計算出血氧值。在測量過程中還可以獲得人體脈搏的周期性波動，所以本系統(tǒng)的血氧模塊可同時測量血氧和脈搏2項生理參數(shù)[7]。

4 環(huán)境溫濕度的測量

正常情況下，人體對自身體溫具有很強的自我調節(jié)能力，但是環(huán)境變化會對人體有較大的影響。例如，室溫過低，會使人體代謝能力降低、脈搏呼吸緩慢，但是如果室溫長時間在25 ℃以上，人會感到疲憊,思維遲緩,記憶力變差。在系統(tǒng)設計過程中對常用的溫濕度檢測模塊做了對比分析，選擇DHT11溫濕度檢測模塊作為系統(tǒng)的環(huán)境檢測方案。該模塊相對濕度量程為20%～90%、相對濕度分辨率為1%、相對濕度精度為±5%，溫度精度為±1 ℃。該方案具有較強的可靠性和穩(wěn)定性，性能也能夠滿足無線監(jiān)護系統(tǒng)的設計需要。

5 結語

人口老齡化和長期醫(yī)療成為當今國內外面臨的一個重要社會問題。利用先進技術提高醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的實用性，提升使用者的活動自由度，增強幸福指數(shù)成為一個重要的研究課題。本文對基于無線網絡技術的人體參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的功能和性能進行分析，設計了總體方案并分析了基本原理。確定了基于CC2530無線發(fā)射芯片的ZigBee無線網絡結構，以及采集節(jié)點對患者體溫、血壓、血氧、脈搏等4項生理參數(shù)的采集方法，完成了系統(tǒng)開發(fā)。