基于ZigBee网络可穿戴生理参数监测系统

2019-04-20竺春祥陈阮蔡虎石洪钟赵剑云

生物医学工程研究 2019年1期

竺春祥，陈阮，蔡虎，石洪钟，赵剑云

(中国计量大学工程训练中心，浙江杭州 310018)

1 引言

传统的医院患者生理参数监控系统严重依赖于有线监测设备，这些设备普遍体积较大，难以任意移动，既造成了管理上的困难，又限制了患者的活动范围，给医护人员和患者都带来较大的不便[1]。随着医疗技术的快速发展以及人口老龄化趋势的加重，人们对自身健康投入了更多的关注，因而也对医疗健康产品有了更高的期待。移动医疗、智能医疗已成为社会发展的趋势。

近年来ZigBee技术[2]、物联网技术以及大数据技术的兴起，使得ZigBee传感网络对患者的生理参数进行实时监控已经成为可能[3]。这种新型的监控方式相较于传统手段具有便携性、低功耗、低成本、实时性好等优势，并有可能在临床中发挥更大的作用[4]。鉴于此，本系统以ZigBee网络为基础，结合多种外围传感器，构建出一个生理参数无线监控网络，可以对患者的脉搏、血压、血氧饱和度等常见生理参数进行实时监测，并结合服务器和客户端软件，实现了一个稳定的、可用于组建大型医疗环境的系统[5-6]。医护人员通过登陆客户端，可以实时监测到每位患者的各项生理指标，从而为进一步的诊断和医疗措施提供可靠依据[7-8]。

2 系统硬件设计

系统整体由Zigbee网络、终端服务节点、客户端服务器三部分构成，见图1，ZigBee是一种基于IEEE802.15.4物理层和媒体接入层协议的低速短距离无线通信技术。ZigBee网络由协调器、路由器和终端节点组成，可以配置成星型、树状和网状网络，其组网能力、鲁棒性和复杂度依次递增。对于本系统，由于终端节点的位置会动态改变，故采用对网络节点位置变化更具适应性的网状网络。协调器和路由器负责ZigBee网络的建立和路由，并通过以太网接入互联网与服务器进行通信。终端节点是功能节点，负责通过外围传感器采集患者的血氧饱和度、脉搏、血压等生理参数，并将数据通过ZigBee网络发送到协调器/路由器。终端节点体积小巧，可佩带在被测者腕部。服务器处理协调器/路由器发来的数据包进行数据库存取并响应客户端请求，以实现对患者生理参数进行监视和控制。

图1 系统整体结构

2.1 协调器和路由器设计

本系统中的协调器和路由器均采用CC2530实现ZigBee通信。CC2530是TI推出的一款基于8051内核的MCU，具有最高128 KB闪存块，8 K静态存储器，以及一系列广泛的外设集——其中包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO等。CC2530设备提供了一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器。除此之外，CC2530在MCU与无线电之间提供了一个结构，用于发出命令和自动对无线电事件排序。由于CC2530自身就具有MCU可以实现对无线电功能的控制，因而降低了设备整体的体积和功耗。此外，CC2530可以直接搭配TI ZStack协议栈使用，大大加快了ZigBee应用的开发速度。此外，为了与局域网服务器进行通信，协调器和路由器都配置了10/100M以太网接口。协调器和路由器的原理框图见图2。

图2 协调器/路由器原理框图

2.2 终端节点设计

终端节点负责生理参数的采集处理，并和协调器/路由器进行通信以进行数据和控制命令的收发，本研究中使用TI CC2530作为控制器和ZigBee收发器，CC2530是一款具有增强型8051内核、可以进行ZigBee收发的片上系统，体积小但功能强大，拥有丰富的外围接口可以扩展各类人体传感器。本研究需要测量的生理参数包括血氧饱和度、血压以及脉搏。传感器分别测量血氧参数、血压参数和脉搏参数通过串口和I2C接口与CC2530通信，从而获取人体生理参数。终端节点原理框图见图3。

图3 终端节点原理框图

2.2.1血氧饱和度检测为了采集脉搏和血氧饱和度，本设计采用以光电容积法为核心的MAX30100传感器。光电容积法是目前最常用的无创检测血氧饱和度的方法。它通过将一定波长的光束照射到指端皮肤表面，光束经反射后传送到光电接收器。由于皮肤肌肉等组织对光的吸收和衰减作用是一定的，而在血液循环的过程中，光吸收量会随心脏舒张、收缩而呈现脉动性变化。当心脏收缩时，由于血容量多，对光的吸收较大，相应检测到光强度较小。相反，当心脏舒张时血容量小，对光吸收量小，检测到光强度较大。

MAX30100集成了两个发光LED、光电检测二极管、ADC，以及环境光抑制电路，体积小能耗小。其中，两个LED分别是波长为660 nm的红光和波长为880 nm的红外光。由于动脉血中氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)对波长为660 nm的红光和波长为880 nm的红外光有选择性，因而这两种波长的光线常用于血氧饱和度的检测。光电检测二极管作为接受部分，用于将接收的光强度信号转化为电流信号，再经过环境光消除电路之后，通过I2C总线传送至MCU，传感器电路原理图见图4。

图4 血氧传感器电路原理图

2.2.2血压检测血压传感器，本研究中采用了MKB0705血压检测模块。该模块集成了YKB1712脉搏血压传感芯片、HRB6708心率脉搏芯片和SFB9710算法芯片，具有集成度高、体积小、功耗低等优点。该模块通过光电式容积脉搏描记的方法提取人体脉搏信息，再通过心率脉搏芯片以及算法芯片直接通过串口向MCU输出心率和脉搏信号。用户可直接读取所需测量的数据，操作非常简便。

3 软件设计

本研究的软件主要包括两部分，第一部分是实现zigBee节点与协调器的点播通信，使用点播通信可使终端设备有针对性的发数据给指定设备，不会造成数据冗余。协调器软件设计在TI公司提供的Ztack框架下实现，程序流程见图5。

第二部分是终端节点软件设计，终端节点通过血压传感器、血氧传感器采集相关生理参数数据，通过串口或I2C方式进行数据传输、指令发送。其中血压测量采用MKB0705血压监测模块，该模块集成度较高，集成了算法芯片SFB9710。传感器读取的信号可直接通过算法芯片转换成血压数据。单片机通过串口通信向传感器发送读取命令，传感器返回数据。血氧饱和度的测量采用血氧传感器MAX30100，该模块通过光电容积法直接测得的是反射后红光和红外光强度，通过血氧饱和度算法，得到人体血氧饱和度。血氧饱和度算法的实现见图6。由于MAX30100传感器通过光电容积法直接测得的是红光和红外光强度，因此要精确地获取血氧饱和度数据，算法是关键，也是难点。动脉血中氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)对波长为660 nm的红光和波长为880 nm的红外光有选择性，光束经反射通过光电变换器转变为电信号之后，算法分别对红光与红外光强度进行分析，根据血氧饱和度定义，首先单片机将MAX30100采集到的LED光强度数据存储在内部RAM，再分别计算红光LED和红外光LED的直流成分与交流成分。红光LED的交流与直流的比值与红外光的交流与直流比值相除，可得到R值，而R值与血氧饱和度呈线性关系，见图7。最后通过查表，可确定当前的血氧饱和度。