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基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统

2015-09-04 00:14
夜隼008
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  摘要:为了实现医疗设备的微型化、医疗监护的无线化,设计基于ZigBee 可穿戴传感器的医疗监护系统,它能够扩大病人的活动空间,减轻监护人员的工作强度,降低医疗费用。系统采用病区/监护中心两层结构,利用可穿戴传感器采集病人体温、脉搏等生理参数,数据经过处理后送至无线通信模块,最后由ZigBee 无线网络传输至监护中心。经过实验获得了病人生理参数,并与传统测量结果进行了对比。结果表明,系统稳定、可靠,很好地实现了病人生理参数的采集、传输和显示,符合设计要求。

  0 引言

  随着科学技术的发展,医疗卫生事业也取得了很大的进步,但目前医院的大部分医疗设备仍是基于传统的有线方式,接线繁杂、体积笨重,设备不便于移动,也不利于远程操作。同时,众多附于病人身体的设备探头,会造成病人的紧张情绪和心理负担,使得检测结果与真实情况存在一定偏差,影响病情的准确诊断。针对目前大部分医疗设备接线繁杂、功能单一的问题,本文设计了基于ZigBee 技术的可穿戴传感器监护系统,可穿戴传感器采集病人生理参数后,由ZigBee网络传输至监护中心,供工作人员进行进一步分析。

  1 ZigBee 简介

  ZigBee 是一种无线通信技术,其协议基于IEEE802.15.4 标准。该协议的结构从下到上分别为物理层( PHY) 、媒体访问控制层( MAC) 、传输层( TL) 、网络层( NWK) 和应用层( APL) 。目前,比较成熟的短距离无线通信技术,包括红外( IrDA) 、蓝牙( Bluetooth) 、Wi-Fi 等,都有自己的优点和应用领域。但针对医疗监护领域,ZigBee 有着无可代替性,其最大优势在于组网方便,可以实现多个网络节点管理,且网络规模极大,完全能够满足对若干病人进行监护和管理的要求。

  2 系统结构

  监护系统采用病区/监护中心两层结构,分布在病区的可穿戴传感器利用敏感元件采集病人生理参数,通过ZigBee 无线网络将数据发送给网络协调器,然后协调器将接收的数据传输至与之相连的上位机,系统架构见图1。

基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统

  图1 系统架构

  3 系统硬件设计

  系统硬件主要由无线传感器、网络协调器和上位机三个部分组成。无线传感器负责采集病人生理参数和数据发送; 网络协调器负责数据接收以及与上位机通信; 上位机负责数据显示。

  3.1 无线传感器

  如图2 所示,无线传感器主要包括敏感元件、数据处理模块、无线通信模块和电源模块。敏感元件负责采集病人生理参数; 数据处理模块负责对采集信号进行预处理,以符合单片机对输入信号的要求; 无线通信模块由51 单片机和射频芯片组成,负责整个传感器的任务分配与调度、数据整合与传输等。

基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统

  图2 无线传感器结构图

  3.1.1敏感元件与数据处理模块

  本系统集成了多种医疗监护传感器,可以测量体温、脉搏、血氧、血压等生理参数。限于篇幅,本文以脉搏为例,阐述整个系统的工作原理和设计方法。脉搏测量的基本原理是: 人体组织( 手指) 的半透明度会随着心脏的搏动而发生周期性的改变。当血液送到人体组织时,组织的半透明度减小; 当血液回流回心脏,组织的半透明度增大。因此,本系统的脉搏采集模块用红外发射二极管产生的红外线照射到手指,然后用另一侧的接收三极管来捕捉通过手指的光信号强度,接收管的反向电流与发射管的光照强度成线性关系,这样可以把光信号转换成电信号( 电流) 。

  信号采集使用的敏感元件是红外发射二极管IR928-6C 和与之配对的光敏三极管PT928-6C,具有低工作电压、高稳定性、高可靠性等特点。如图3 所示,通过电阻R16 将流过二极管的电流控制在20 mA左右,根据接收的光信号强度转换成电流( mA 级) ,通过负载电阻R17 转换成电压,人体脉搏大概是50 ~200 次/min,对应的频率约为0.83 ~ 3.34 Hz,属于低频信号,电路中采用R17 和C14 来完成滤除高频干扰的任务。

基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统

  图3 信号采集电路

  由于人体电信号具有阻抗高、信号弱、频率低等特点且处于严重的背景噪声之中,因此需要对采集转化的电信号进行预处理,这既为了保证信号最大程度的保真性,也方便后续进一步的数据处理。

  如图4 所示,数据处理电路包括信号滤波放大和整形两个环节。

基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统

  图4 数据处理电路

  滤波放大环节中,首先使用C15、C16 背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简单的光电隔离电路,实现对于外部干扰光线的隔离并设计了由LM324A、R18、C17 组成的低通滤波器,截止频率约为基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统,可进一步去除高频干扰信号。由于采集转化的脉搏电信号( 电压) 比较小,一般在mV 级,通过R18 和R23 构成的放大器把采集的脉搏信号放大200 倍左右,已达到V 级。

  整形环节中,信号通过比较器LM324B 将正弦波转换成方波,利用R30 电位器可以实现将比较器的阈值调定在系统工作电压范围内。接下来,从LM324B 的引脚输出的方波信号经C19、R25 构成的微分电路处理成为正负相间的尖脉冲。LM324D 提供参考电压,再经过LM324C 之后就变成系统所需的标准脉搏脉冲信号了。最后将脉冲信号送到无线通信模块。

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