隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)和傳感器等技術(shù)發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)和方式將發(fā)生根本變化。高壓氧艙已廣 泛應(yīng)用于臨床疾病救治，艙內(nèi)生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是高壓氧治療過程中對(duì)危重病員進(jìn)行生理指標(biāo)監(jiān)護(hù)的重要設(shè)備。由于高壓氧艙內(nèi)的特殊環(huán)境，現(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)艙內(nèi)病人的 心電、血壓、呼吸、脈搏及血氧飽和度等參數(shù)的監(jiān)護(hù)存在局限性，主要表現(xiàn)在：①多個(gè)傳感器通過有線的方式和處理器相連接;②獨(dú)立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合;③ 不支持信號(hào)的持續(xù)采集和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理;④分別的監(jiān)護(hù)設(shè)備間無法共享無線通信資源。研制一種基于無線傳感技術(shù)的可穿戴式多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備，可更好地適應(yīng)高壓 氧艙特殊環(huán)境和臨床救治的需要。該監(jiān)護(hù)儀要求心電、血壓、血氧飽和度、脈搏、呼吸、體溫檢測(cè)等電路模塊采用超低功耗器件，并結(jié)合硬、軟件省電設(shè)計(jì)，使氧艙 內(nèi)監(jiān)護(hù)終端可采用電池供電;信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后，一方面在艙內(nèi)監(jiān)護(hù)終端(子機(jī))上顯示，并通過Zigbee等無線傳輸技術(shù)將采集信號(hào)送入艙外中央監(jiān)護(hù)PC終端 (主機(jī))上，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外同步監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

小封裝、低功耗、無線通 信、安全性和互操作是醫(yī)療可穿戴式監(jiān)護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)的基本要求。本文所設(shè)計(jì)的生命特征監(jiān)護(hù)設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)PC主機(jī)、艙外主節(jié)點(diǎn) (coor—dinatornode)和艙內(nèi)的多參數(shù)采集傳感器子節(jié)點(diǎn)(sensornodes)等三個(gè)部分組成，主節(jié)點(diǎn)和各子節(jié)點(diǎn)之間通過 IEEE802.15.4無線通信協(xié)議構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠的星型無線通信網(wǎng)絡(luò)。

主 節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)高壓氧艙內(nèi)各無線醫(yī)療傳感器子節(jié)點(diǎn)與艙外監(jiān)護(hù)主機(jī)PC之間的數(shù)據(jù)通信，提供透明的通信接口。無線通信接口主要功能包括網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)管理 兩個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)配置階段主要完成傳感器節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)和初始化，以確定傳感器節(jié)點(diǎn)的歸屬、數(shù)量和采樣頻率等。網(wǎng)絡(luò)配置完成后，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管 理，包括信道共享、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)融合與處理等。子節(jié)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)心電、血壓、呼吸、血氧、體溫等生理信號(hào)的采集、檢測(cè)和監(jiān)護(hù)，并通過無線接口向 主節(jié)點(diǎn)傳輸，進(jìn)而由監(jiān)護(hù)主機(jī)存儲(chǔ)、處理采集數(shù)據(jù)，主機(jī)可按監(jiān)護(hù)要求進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和異常狀態(tài)告警。

1.1主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

主 控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它通過串口與PC主機(jī)交互數(shù)據(jù)，通過無線模塊與艙內(nèi)子節(jié)點(diǎn)通信，同時(shí)管理和協(xié)調(diào)艙內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序和同步。其中，微處理器用TI 公司超低功耗的MSP430F149，無線通信模塊選用Chipcon公司的2.4GHz頻段射頻低功耗接口芯片CC2420，電源模塊采用DC/DC電 源變換模式。MSP430微控制器在16bitRISC核的基礎(chǔ)上集成了RAM和閃存，同時(shí)集成了8路A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳輸速度可編程的串口模塊和一個(gè)靈 活的時(shí)鐘子系統(tǒng)，支持多種低功耗操作模式。CC2420芯片與IEEE802.15.4協(xié)議兼容，最大數(shù)據(jù)數(shù)率250Kbit/s，可編程控制輸出功率， 并支持錯(cuò)誤校正和加密。MSP430可通過SPI接口和中斷數(shù)字I/O線對(duì)CC2420進(jìn)行控制，如圖3所示。
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1.2子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳 感器子節(jié)點(diǎn)的組成框圖如圖4所示，包含電源模塊、心電與呼吸監(jiān)測(cè)模塊、血壓監(jiān)測(cè)模塊、血氧飽和度與脈搏監(jiān)測(cè)模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、無線傳輸節(jié)點(diǎn)、微處理器模 塊、輸入與LCD顯示模塊等8個(gè)子模塊，主要執(zhí)行生命體征參數(shù)的采集、放大、濾波和無線傳輸，無線傳輸前，子節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、特征提取等信號(hào)預(yù)處理。
心 電檢測(cè)采用三電極胸部檢測(cè)方法，選用具有高輸入阻抗、低噪聲、低漂移精密運(yùn)算放大器AD620作為第一級(jí)放大器，并與呼吸檢測(cè)電路共用。心電信號(hào)經(jīng)過放 大、濾波等處理后，一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用于心電波形顯示;另一路信號(hào)送人一個(gè)中心頻率為9～18Hz的低Q值帶通濾波器，提取R波并抑制部分干擾，經(jīng)波 形變換后可獲取心率信號(hào)。

呼吸檢測(cè)選用阻抗法，為了降低電極接觸阻抗對(duì)檢測(cè)結(jié)果所產(chǎn)生的干擾，通常選擇雙電極阻抗法，用控制器MSP430集成的PWM產(chǎn)生兩路相差半個(gè)周期的62.5kHz方波對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波后可獲取呼吸信號(hào)。

血壓檢測(cè)采用無創(chuàng)袖套間接方式，可同時(shí)檢測(cè)收縮壓(SP)、平均壓(MP)、舒張壓(DP)3個(gè)血壓指標(biāo)，其測(cè)量范圍為0～250mmHg(0～33.33kPa)。

血 氧飽和度檢測(cè)采用指端脈搏光電檢測(cè)法。根據(jù)朗伯一比爾定律(Lambert-BeerSlaw)，單色光透過均勻溶液后的透射光強(qiáng)與溶液參數(shù)有關(guān)。還原血 紅蛋白與氧結(jié)合后，對(duì)某一波長(zhǎng)色光的吸光系數(shù)將發(fā)生很大變化。因此，在入射光強(qiáng)度不變的情況下，透射光強(qiáng)度的變化反映了血氧飽和度的變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們 利用MSP430的時(shí)鐘控制端口產(chǎn)生邏輯時(shí)序控制紅光和紅外光二極管工作，通過檢測(cè)透射光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)血氧飽和度的測(cè)量。體溫測(cè)量采用美國(guó)DALLAS公司 生產(chǎn)的高精度集成溫度傳感器DS1624，它具有分辨率高(可達(dá)0.03℃)、外圍電路簡(jiǎn)單、輸出直接為數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。

兩個(gè)微處理器模塊選用兩個(gè)MSP43OF149芯片，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)采集模塊和LCD顯示的控制;另一個(gè)用于無線通信模塊的控制，并與芯片CC2420組成一個(gè)無線通信節(jié)點(diǎn)。

另外，為了減少設(shè)備的體積和功耗，艙內(nèi)終端機(jī)采用單色超低工作電壓LCD屏，實(shí)時(shí)顯示心電、脈搏等生理參數(shù)波形。終端設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，工作電壓為+3.3V。

2 軟件系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

2.1功能要求與功能分布

基于Zigbee星型網(wǎng)絡(luò)無線通信協(xié)議IEEE802.15.4，可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的軟件系統(tǒng)主要具備控制程序、通信軟件和用戶界面等三大功能，具體分布在PC控制主機(jī)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件和傳感子節(jié)點(diǎn)軟件中，如圖5所示。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件在TI公司提供的MSP430開發(fā)平臺(tái)IAR上用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，用于傳輸中央監(jiān)護(hù)平臺(tái)至指定ID的傳感器模塊，分配通信時(shí)隙，發(fā)送時(shí)間同步所需的信標(biāo)消息;接收指定ID的傳感器采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，向中央監(jiān)護(hù)平臺(tái)前轉(zhuǎn)融合后的生命特征參數(shù)。

無 線通信節(jié)點(diǎn)軟件無線傳輸模塊每5ms(200Hz)間隔就中斷請(qǐng)求子傳感器板卡采集一次數(shù)據(jù)，每100ms(10Hz)間隔就中斷請(qǐng)求子傳感器板卡按規(guī)定 格式傳輸一次數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意的是，子傳感器板是多參數(shù)采集傳感器協(xié)同工作，要求能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)體征參數(shù)測(cè)量，無線通信節(jié)點(diǎn)軟件配置串口為UART模式，傳 輸速率為115.2kbit/s，免除了數(shù)據(jù)的沖突、丟失或錯(cuò)誤。

子傳感板軟件在軟件設(shè)計(jì)中，結(jié)合人體生理參數(shù)變化較緩慢的特點(diǎn)，充分利用硬件定時(shí)器及軟件定時(shí)器，通過定時(shí)中斷進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)采集和多通道采集數(shù)據(jù)傳輸流程設(shè)計(jì)，保證了高精度、實(shí)時(shí)性和高可靠性的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

中央監(jiān)護(hù)界面通過中央監(jiān)護(hù)界面可實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對(duì)WSN的參數(shù)配置、接收主節(jié)點(diǎn)傳來的采集數(shù)據(jù)、利用主機(jī)的處理能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、識(shí)別、評(píng)估和報(bào)警等。本監(jiān)護(hù)設(shè)備的中央監(jiān)護(hù)界面采用VB開發(fā)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。
2.2系統(tǒng)軟件流程

傳 感節(jié)點(diǎn)軟件和傳感器協(xié)調(diào)器軟件的程序流程分別如圖7和圖8所示。本流程在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，結(jié)合TDMA技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S- MAC協(xié)議思想而設(shè)計(jì)。從圖7可以看出，為了節(jié)省傳感節(jié)點(diǎn)的能耗，除加人網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、發(fā)送數(shù)據(jù)和偵聽同步信標(biāo)幀時(shí)段外，傳感節(jié)點(diǎn)均處于休眠狀態(tài)。
為 了滿足應(yīng)用要求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定1s的超幀(superframezT_sfc-=Is)周期，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)有保留的50ms時(shí)隙(timeslot)， 來傳輸數(shù)據(jù)，如圖9所示。超幀周期以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)消息(bea—conmessage)起始，信標(biāo)消息含有時(shí)間同步信息。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在下一個(gè) 預(yù)期的信標(biāo)到來前，才喚醒它的射頻接口為接收模式。顯然，在TDMA時(shí)隙幀結(jié)構(gòu)工作模式下，系統(tǒng)的時(shí)間同步要求較高，需要設(shè)計(jì)專門的時(shí)間同步協(xié)議。
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3 時(shí)間同步協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在 多參數(shù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的可穿戴式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，分布式采樣、集中式信號(hào)處理與數(shù)據(jù)融合、有效的通信信道共享和傳感器節(jié)點(diǎn)需要可行的時(shí)間同步機(jī)制?，F(xiàn) 有的時(shí)間同步協(xié)議包括參考廣播同步(RBS)、延遲澳4量時(shí)間同步(DMTS)、傳感器網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議(TPSN)和洪泛時(shí)間同步協(xié)議(FTSP)等。綜合 考慮系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算復(fù)雜性等因素，本設(shè)備選用洪泛時(shí)問同步協(xié)議FTSP進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。FTSP動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，周期性地發(fā)送 時(shí)間同步消息，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到時(shí)間同步消息，它重新廣播這個(gè)消息，使時(shí)間同步消息泛洪整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議還用線性回歸來估計(jì)時(shí)鐘漂移，通過在MAC層插入 時(shí)間信息以改進(jìn)同步精度。
在 如圖1中，主節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，應(yīng)該注意，當(dāng)時(shí)間產(chǎn)生并加入到消息中時(shí)，該消息已經(jīng)開始發(fā)送了。當(dāng)一個(gè)信標(biāo)幀被發(fā)送時(shí)，處理器把整個(gè)幀載人發(fā) 送FIFO，接著使能發(fā)送。然而，信標(biāo)幀必定包含該幀開始發(fā)送后產(chǎn)生的時(shí)間。因此，在主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀的過程中，當(dāng)產(chǎn)生SFD中斷時(shí)，就提取出捕獲計(jì)時(shí)器 值并轉(zhuǎn)換成全局時(shí)間。該全局時(shí)間通過RAM(隨機(jī))的讀寫方式插入到正在發(fā)送的FIFO發(fā)送隊(duì)列中。這個(gè)過程必須足夠快地完成，以保證整個(gè)信標(biāo)幀正確發(fā) 送。如果處理太慢，發(fā)送FIFO會(huì)向下溢出，發(fā)送消息失敗。

時(shí)間同步協(xié)議軟件的測(cè)試連接圖如圖11所示。主控節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)被連接到一 個(gè)公共的有線信號(hào)上，這個(gè)信號(hào)又連接到MSP430的帶計(jì)時(shí)器捕獲周期性地發(fā)送一個(gè)包含時(shí)間信息的信標(biāo)幀給從節(jié)點(diǎn)來維持網(wǎng)絡(luò)同步通信。在協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)， 需要對(duì)FTSP進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)時(shí)間同步所需的計(jì)算資源進(jìn)行最小化處理。Zig-Bee消息的時(shí)間固定點(diǎn)選擇為幀起始限定符 (SFD)。參考圖3中的CC2420射頻收發(fā)器與微控制器接口對(duì)應(yīng)管腳的高低電平，圖1O顯示了IEEE802.15.4物理幀格式l和時(shí)間信息獲取過 程。主節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)給控制器，指示SFD字節(jié)已被接收或發(fā)送。一旦SFD字節(jié)被發(fā)送，無線收發(fā)器驅(qū)動(dòng)SFD管腳，向微處理器提出中斷要求， 并啟動(dòng)時(shí)間捕獲。這樣，微處理器在SFD字節(jié)被發(fā)送后可立即獲得一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并將該時(shí)間插入到當(dāng)前的時(shí)間同步消息中去。同樣，當(dāng)接收器接收到SFD，也隨 即產(chǎn)生一個(gè)本地時(shí)間信息，并把它和時(shí)間同步消息一起存儲(chǔ)。微控制器通過比較兩個(gè)時(shí)間信息，可以確定本地時(shí)間和全網(wǎng)時(shí)間的偏移量，并調(diào)整本地時(shí)鐘與主節(jié)點(diǎn) (協(xié)調(diào)器)全局時(shí)鐘保持一致。
能力的數(shù)字I/0端口。每次當(dāng)公共信號(hào)狀態(tài)改變時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)各自報(bào)告它們的全局時(shí)間信息。通過比較主處理器與從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息，可確定從節(jié)點(diǎn)時(shí)間的絕對(duì)誤差，從而修正同步精度。

表 1給出了十六進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的時(shí)間同步測(cè)試結(jié)果。表中，左邊三個(gè)兩位十六進(jìn)制數(shù)分別表示小時(shí)、分鐘和秒，接著兩個(gè)兩位十六進(jìn)制數(shù)表示毫秒，最右邊的兩位十六 進(jìn)制數(shù)以10微秒為單位。從表中可以看出：當(dāng)同步校正間隔約為1s時(shí)，以約100mS的頻度中斷一次進(jìn)行同步測(cè)試，其最大時(shí)間同步誤差為50us。顯然， 時(shí)間同步精度滿足設(shè)計(jì)要求。在時(shí)間同步測(cè)試過程中還發(fā)現(xiàn)：提高同步消息發(fā)送的頻率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間與全網(wǎng)時(shí)間可維持更好的同步。
4 臨床測(cè)試結(jié)果與分析

本 可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)設(shè)備樣機(jī)已研制完成。采用本樣機(jī)對(duì)高壓氧艙中的10例病例(男5例，女5例，年齡22~71歲，平均年齡46.2歲)在2.0ATA艙 壓下進(jìn)行臨床測(cè)試(終端機(jī)與主機(jī)距離為10米)，并與日本COLINBP288監(jiān)護(hù)儀檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。表2顯示的血氧飽和度、脈搏、心率、體溫、呼吸頻 率等參數(shù)的對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致很好。 表3給出了本監(jiān)護(hù)設(shè)備樣機(jī)檢測(cè)與人工實(shí)測(cè)血壓數(shù)據(jù)的比較。通過線性回歸一致性分析，本樣機(jī)和人工測(cè)算的收縮壓相關(guān)系數(shù)p=0.9749，舒張壓相關(guān)系數(shù)p=0.8166，一致性較好。
5 結(jié)論

基 于無線傳感檢測(cè)與通信技術(shù)研制的高壓氧艙專用設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)心電、血氧飽和度、脈搏、心率、體溫、呼吸頻率、血壓等多生命體征參數(shù)的多通路協(xié)同監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn) 艙內(nèi)外同步實(shí)時(shí)的傳輸、控制與顯示。監(jiān)護(hù)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低、可穿戴等特點(diǎn)，可保證在高壓氧艙內(nèi)安全使用。臨床測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)護(hù)設(shè)備符 合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，測(cè)試參數(shù)精確可靠，已具備良好的臨床應(yīng)用性能。本監(jiān)護(hù)設(shè)備針對(duì)高壓氧艙專用而研制，也可用于其他特種環(huán)境下患者生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù)，對(duì)無 線傳感技術(shù)在醫(yī)療器械應(yīng)用研究方面進(jìn)行了有益的探索。

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