无线颅内压综合监测系统

2017-04-20韩怀骁,张言,钱诚等

中国医疗器械杂志 2017年2期

无线颅内压综合监测系统

【作者】韩怀骁，张言，钱诚，王宏，钱志余，李韪韬

南京航空航天大学，南京市，210016

神经外科病人的颅内压变化是治疗过程中的主要监测对象，临床上所使用的颅内压监护仪多为有线传输方式。随着传感器和无线网络技术的快速发展，小型化、微创化以及无线传输方式是目前主要发展方向。该文采用ZigBee技术和无线通信协议设计了一套无线颅内压综合监测系统，能够连续监测病人的颅内压力和颅内温度，并通过无线网络将不同病区病人的监测数据发送到护士工作站进行存储。然后可以通过自行设计的颅内压监护管理软件，对病人的颅内压、颅内温度进行查询。该无线系统在医院内布设方便，大大减轻医护人员的工作强度，具有重要的临床应用价值。

颅内压监测；无线网络；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

颅内压（ICP）增高会造成病人脑组织缺血、缺氧，甚至引起脑移位形成脑疝，导致脑组织坏死，病人死亡[1]。因此对特殊病人的颅内压状况进行实时监控，及时发现病人颅内压增高的情况就尤为重要[2]。目前，临床颅内压监测设备主要为法国Sophysa公司的Pressio多参数监护系统、美国强生公司的Codman颅内压监护仪[3-4]和美国Integra LifeSciences公司的Camino系列颅内压监护仪。这些产品作为有线设备，都不同程度地存在诸如有线电缆占据大量的有限空间[5]，医务人员需要经常性到不同病床前观察各种监护仪的使用情况，需要消耗大量精力等问题。

随着无线网络技术的出现和进步，现代医疗技术也开始朝着无线化发展[6-8]，本文提出并设计一套基于无线网络的颅内压监测系统[9-10]，将ZigBee技术与颅内压监测技术结合，通过无线传输，可以将颅内压力和温度的实时监测数据发送至PC机上的监护软件，实现颅内压的无线多用户监测，方便医护人员集中观察病区内多位病人的颅内压状况。

1 系统整体结构

图1是无线颅内压监护系统的整体设计原理图，系统主要由若干台负责与颅内压监护仪通讯的无线通信模块、1个无线接收器和1台PC机组成。其中，无线通信模块与颅内压监护仪之间使用USART进行通信，PC机与无线接收器之间使用RS232进行通信，最终在PC机上位端接收无线接收器发送过来的数据并将数据交由监护软件进行处理。

从开发难度、安全系数、功耗等多方面考虑，本文选择ZigBee技术构建系统网络[11]，而考虑到颅内压监测系统使用环境，多为数量有限、节点距离短的独立病房，因此选用复杂程度较低的星型结构足以满足对无线网络的诸多需求。

图1 系统的整体设计原理图Fig.1 The schematic diagram of overall system design

星型网络[12]仅需要一个协调器和若干个终端节点就可以工作[13]。协调器负责建立并管理网络[14]，控制终端节点的加入和离开，接受来自终端或路由的数据；终端节点寻求加入网络，向协调器发送数据或者请求数据。

本文在开发无线网络时使用了TI公司的Z-Stack协议栈[15]，其按照分层设计思想实现了ZigBee协议栈的全部功能：它将协议栈的每个子系统划分为一个任务，交由操作系统抽象层（OSAL）来管理和调度；将协议栈中所有的功能封装成应用程序接口（API）[16]。因此，诸多协议栈内部的具体实现细节被屏蔽，减小了开发难度，简化了开发流程。

2 系统设计

根据在系统设计中针对设备类型的描述，本文需要完成系统网络中协调器和终端节点的设计，实现无线网络的建立和数据通信；并需要使用LabWindows编写上位机监护软件，实现对整个系统的实时监护。

2.1 无线通讯模块设计

无线通信模块是系统网络中的终端节点，通过USART与颅内压监护仪进行串行通信，接收来自颅内压监护仪的监测数据，然后通过天线将数据发送给网络中的无线接收器。

2.1.1 无线通讯模块软件设计

终端节点负责将颅内压监护仪的监测数据发送至协调器，其工作流程如图2所示。首先完成系统硬件和软件的初始化，然后搜索附近是否存在ZigBee无线网络并请求入网。入网成功后，终端节点通知监护仪入网成功，最后进入OSAL的循环中，等待事件的发生，如果有数据请求发送，则终端节点通过串口读取数据，再通过RF将数据发送出去。

2.1.2 无线通信模块硬件设计

本文选用美国德州仪器（TI）公司的CC2530作为ZigBee无线通信模块的主控制器。该芯片集成业内领先的射频收发前端和高性能、低功耗的增强型8051内核，拥有众多外设，因此只需要添加很少的外部元器件就可以使它正常工作。该系列芯片支持5级工作模式，当工作在使用外部中断触发的工作模式时电流消耗仅为0.4 μV，适用对功耗控制苛刻的应用环境。

2.2 无线接收器模块设计

无线接收器是系统网络中的协调器，负责系统网络的建立、运行和管理，以及接收无线通信模块发送过来的数据，再通过RS232接口将数据送至PC机上的监护软件。

本文使用一块现有的ZigBee开发板充当无线接收器，并没有单独为其设计硬件电路。

它的软件工作流程如图3所示。协调器首先进行系统的硬件和软件初始化，然后自动寻找合适的信道并建立网络，最后进入OSAL的循环中，等待终端节点的入网请求，如果有节点请求加入网络，协调器会为该节点分配一个网络地址，之后又进入循环中，等待新节点的入网请求。

上述过程由协调器的OSAL负责完成，当协调器的RF接收到终端节点的数据时，需要将数据从RF的缓存区读取出来，再调用串口函数将数据发送给PC机上的监护软件。

图2 终端节点的工作流程图Fig.2 Terminal nodes fl ow charts

图3 协调器的工作流程图Fig.3 Coordinator fl ow charts

2.3 上位机监护软件设计

本文使用LabWindows/CVI编写了简易的颅内压监护软件[17]。该软件能够通过无线网络与8台颅内压监护仪建立连接并显示其中一台的实时监测数据。方便医护人员统一查询所有正在进行颅内压监测的患者的状况。

监护软件的工作流程如图4所示。监护软件运行后，首先需要设置串口的参数，与协调器建立连接。然后等待协调器接收数据，如果有数据，需要对数据包进行拆解，并验证设备号。最后显示设备的数据。

图4 监护软件的工作流程图Fig.4 Monitoring software fl ow charts

3 实验结果

2台颅内压仪通过ZigBee发送数据，并连接到颅内压监护软件，通过监护软件对颅内压仪进行管理。监护软件接收数据，对数据包进行拆解，并验证设备号。选择需查看的颅内压仪的监护情况，并实时显示其颅内压读数、波形，颅内温度及设备序号。图5分别是两台颅内压仪终端的显示界面，显示此时的压力读数分别是7 mmHg和6 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），温度读数都是35.3oC。图6为颅内压监护软件的工作界面，显示的压力读数也是7 mmHg和6 mmHg，温度读数为35.3oC。

图5 颅内压仪界面Fig.5 The interface of intracranial pressure instrument

实验表明，监护软件可以通过ZigBee接收器接收到完整正确的数据，无线传输稳定、可靠。本系统可用于管理20台以下的颅内压仪。

4 总结

图6 颅内压监护软件界面Fig.6 The interface of intracranial pressure monitoring software

本文设计了一种基于ZigBee无线技术的颅内压监测系统整体方案，根据不同部分对系统进行了功能划分，通过星型结构搭建了一个完整的无线通讯网络，实现了数据通信，并通过测试验证了无线通讯网络的可靠性。

本文按照硬件和软件两大部分进行设计：硬件部分基于CC2530芯片设计了无线通信模块的硬件电路；软件部分对协调器和终端节点的软件做了设计，并使用LabWindows编写了PC机上的监护软件，能够连接多台颅内压监护仪并可以选择显示其中任意一台的实时监测数据。

[1] 郭召平, 张祖进, 商学林, 等. 颅内压力计的应用探讨[J]. 医疗装备, 2010, 23(4): 15-16.

[2] 张锋, 刘波, 周庆九. 颅内压监测的临床应用：争议与前景[J]. 中国组织工程研究, 2014(18): 2945-2952.

[3] Bullock M, Povlishock J. Recommendations for intracranial pressure monitoring technology[J]. J Neurotr, 1996, 13(11): 685-692.

[4] Koskinen L O D, Magnus O. Clinical experience with the intraparenchymal intracranial pressure monitoring Codman MicroSensor system[J]. Neurosurgery, 2005, 56(4): 693-698.

[5] 程自峰, 韦哲. 无线网络技术在医学仪器中的应用[J]. 中国医学装备, 2005(9): 1-2.

[6] 马一丁. SIG力推蓝牙4.0标准，挑战多种无线传输技术[J]. 中国电子商情：基础电子, 2010(9): 38.

[7] 曾中良. 物联网技术提升卷烟现代物流管理[J]. 信息技术与信息化, 2014(3): 23-27.

[8] 邢玉秀, 徐磊, 姚洪平, 等. 物联网在医学监护领域的发展与应用[J]. 电子制作, 2014(7): 120.

[9] 汪义旺, 陆军, 张承成, 等. 基于无线传感网络的智能输液监控系统设计[J]. 测控技术, 2015, 34(11): 64-66.

[10] 钟震宇, 钟俊, 钟泽宇. 基于ZigBee的医疗输液无线监控系统的设计[J]. 测试技术学报, 2007, 21(5): 455-459.

[11] 白旭华, 张瑞峰, 张肖萌, 等. 基于ZigBee网络的室内定位系统的设计与实现[J]. 天津理工大学学报, 2012, 28(2): 11-15.

[12] 周怡颋, 凌志浩, 吴勤勤. ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表, 2005, 26(6): 5-9.

[13] 朱娟. 基于ZigBee和CDMA的水情远程监测系统设计[J]. 大众科技, 2013(10): 16-17.

[14] 李继彬. 应用物联网技术实现对智能温室的监测和控制[J]. 南方农业, 2015(4): 13-19.

[15] 刘玉珍, 程政, 蒋靖. 基于ZigBee的井下巷道瓦斯监测系统[J]. 仪表技术与传感器, 2012(9): 49-51.

[16] 张艺, 廖俊必. 基于ZigBee技术的无线环高测量仪系统[J]. 中国测试, 2010, 36(2): 59-62.