隨著無線通信網絡和傳感器等技術發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)護技術和方式將發(fā)生根本變化。高壓氧艙已廣 泛應用于臨床疾病救治，艙內生理監(jiān)護系統是高壓氧治療過程中對危重病員進行生理指標監(jiān)護的重要設備。由于高壓氧艙內的特殊環(huán)境，現有監(jiān)護設備對艙內病人的 心電、血壓、呼吸、脈搏及血氧飽和度等參數的監(jiān)護存在局限性，主要表現在：①多個傳感器通過有線的方式和處理器相連接;②獨立的傳感器間缺乏系統整合;③ 不支持信號的持續(xù)采集和數據的實時處理;④分別的監(jiān)護設備間無法共享無線通信資源。研制一種基于無線傳感技術的可穿戴式多參數監(jiān)護設備，可更好地適應高壓 氧艙特殊環(huán)境和臨床救治的需要。該監(jiān)護儀要求心電、血壓、血氧飽和度、脈搏、呼吸、體溫檢測等電路模塊采用超低功耗器件，并結合硬、軟件省電設計，使氧艙 內監(jiān)護終端可采用電池供電;信號采集轉換后，一方面在艙內監(jiān)護終端(子機)上顯示，并通過Zigbee等無線傳輸技術將采集信號送入艙外中央監(jiān)護PC終端 (主機)上，實現艙內外同步監(jiān)測。

1系統體系結構與硬件設計

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)護設備設計的基本要求。本文所設計的生命特征監(jiān)護設備的系統結構如圖1所示。系統主要由監(jiān)護PC主機、艙外主節(jié)點 (coor—dinatornode)和艙內的多參數采集傳感器子節(jié)點(sensornodes)等三個部分組成，主節(jié)點和各子節(jié)點之間通過 IEEE802.15.4無線通信協議構成一套結構簡單、工作穩(wěn)定，運行可靠的星型無線通信網絡。

主 節(jié)點主要負責協調高壓氧艙內各無線醫(yī)療傳感器子節(jié)點與艙外監(jiān)護主機PC之間的數據通信，提供透明的通信接口。無線通信接口主要功能包括網絡配置和網絡管理 兩個方面。網絡配置階段主要完成傳感器節(jié)點的注冊和初始化，以確定傳感器節(jié)點的歸屬、數量和采樣頻率等。網絡配置完成后，主節(jié)點負責無線網絡的維護和管 理，包括信道共享、時間同步、數據提取、數據融合與處理等。子節(jié)點分別負責心電、血壓、呼吸、血氧、體溫等生理信號的采集、檢測和監(jiān)護，并通過無線接口向 主節(jié)點傳輸，進而由監(jiān)護主機存儲、處理采集數據，主機可按監(jiān)護要求進行狀態(tài)實時顯示和異常狀態(tài)告警。

1.1主節(jié)點硬件設計

主 控節(jié)點結構如圖2所示。它通過串口與PC主機交互數據，通過無線模塊與艙內子節(jié)點通信，同時管理和協調艙內各節(jié)點的工作時序和同步。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核的基礎上集成了RAM和閃存，同時集成了8路A/D轉換模塊、傳輸速度可編程的串口模塊和一個靈 活的時鐘子系統，支持多種低功耗操作模式。CC2420芯片與IEEE802.15.4協議兼容，最大數據數率250Kbit/s，可編程控制輸出功率， 并支持錯誤校正和加密。MSP430可通過SPI接口和中斷數字I/O線對CC2420進行控制，如圖3所示。
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1.2子節(jié)點硬件設計

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

呼吸檢測選用阻抗法，為了降低電極接觸阻抗對檢測結果所產生的干擾，通常選擇雙電極阻抗法，用控制器MSP430集成的PWM產生兩路相差半個周期的62.5kHz方波對呼吸信號進行調制，對調制信號進行放大、解調和濾波后可獲取呼吸信號。

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

血 氧飽和度檢測采用指端脈搏光電檢測法。根據朗伯一比爾定律(Lambert-BeerSlaw)，單色光透過均勻溶液后的透射光強與溶液參數有關。還原血 紅蛋白與氧結合后，對某一波長色光的吸光系數將發(fā)生很大變化。因此，在入射光強度不變的情況下，透射光強度的變化反映了血氧飽和度的變化。在設計時，我們 利用MSP430的時鐘控制端口產生邏輯時序控制紅光和紅外光二極管工作，通過檢測透射光強度實現對血氧飽和度的測量。體溫測量采用美國DALLAS公司 生產的高精度集成溫度傳感器DS1624，它具有分辨率高(可達0.03℃)、外圍電路簡單、輸出直接為數字信號等特點。

兩個微處理器模塊選用兩個MSP43OF149芯片，一個用于實現對各參數采集模塊和LCD顯示的控制;另一個用于無線通信模塊的控制，并與芯片CC2420組成一個無線通信節(jié)點。

另外，為了減少設備的體積和功耗，艙內終端機采用單色超低工作電壓LCD屏，實時顯示心電、脈搏等生理參數波形。終端設計采用鋰電池供電，工作電壓為+3.3V。

2 軟件系統功能與設計

2.1功能要求與功能分布

基于Zigbee星型網絡無線通信協議IEEE802.15.4，可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護設備的軟件系統主要具備控制程序、通信軟件和用戶界面等三大功能，具體分布在PC控制主機程序、網絡協調器軟件和傳感子節(jié)點軟件中，如圖5所示。
網絡協調器軟件在TI公司提供的MSP430開發(fā)平臺IAR上用標準C語言實現，用于傳輸中央監(jiān)護平臺至指定ID的傳感器模塊，分配通信時隙，發(fā)送時間同步所需的信標消息;接收指定ID的傳感器采集數據，并進行數據融合，向中央監(jiān)護平臺前轉融合后的生命特征參數。

無 線通信節(jié)點軟件無線傳輸模塊每5ms(200Hz)間隔就中斷請求子傳感器板卡采集一次數據，每100ms(10Hz)間隔就中斷請求子傳感器板卡按規(guī)定 格式傳輸一次數據。應該注意的是，子傳感器板是多參數采集傳感器協同工作，要求能同時進行多個體征參數測量，無線通信節(jié)點軟件配置串口為UART模式，傳 輸速率為115.2kbit/s，免除了數據的沖突、丟失或錯誤。

子傳感板軟件在軟件設計中，結合人體生理參數變化較緩慢的特點，充分利用硬件定時器及軟件定時器，通過定時中斷進行多傳感器數據采集和多通道采集數據傳輸流程設計，保證了高精度、實時性和高可靠性的數據采集與傳輸。

中央監(jiān)護界面通過中央監(jiān)護界面可實現主節(jié)點對WSN的參數配置、接收主節(jié)點傳來的采集數據、利用主機的處理能力對數據進行存儲、處理、識別、評估和報警等。本監(jiān)護設備的中央監(jiān)護界面采用VB開發(fā)實現，如圖6所示。
2.2系統軟件流程

傳 感節(jié)點軟件和傳感器協調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協議基礎上，結合TDMA技術和無線傳感器網絡S- MAC協議思想而設計。從圖7可以看出，為了節(jié)省傳感節(jié)點的能耗，除加人網絡請求、發(fā)送數據和偵聽同步信標幀時段外，傳感節(jié)點均處于休眠狀態(tài)。
為 了滿足應用要求，網絡協調器設定1s的超幀(superframezT_sfc-=Is)周期，每個傳感節(jié)點有保留的50ms時隙(timeslot)， 來傳輸數據，如圖9所示。超幀周期以網絡協調器發(fā)送的信標消息(bea—conmessage)起始，信標消息含有時間同步信息。每個傳感器節(jié)點在下一個 預期的信標到來前，才喚醒它的射頻接口為接收模式。顯然，在TDMA時隙幀結構工作模式下，系統的時間同步要求較高，需要設計專門的時間同步協議。
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3 時間同步協議設計與實現

在 多參數采集傳感器節(jié)點協同工作的可穿戴式監(jiān)護系統中，分布式采樣、集中式信號處理與數據融合、有效的通信信道共享和傳感器節(jié)點需要可行的時間同步機制?，F 有的時間同步協議包括參考廣播同步(RBS)、延遲澳4量時間同步(DMTS)、傳感器網絡同步協議(TPSN)和洪泛時間同步協議(FTSP)等。綜合 考慮系統的魯棒性、穩(wěn)定性、收斂性和計算復雜性等因素，本設備選用洪泛時問同步協議FTSP進行設計和實現。FTSP動態(tài)地選擇一個根節(jié)點，周期性地發(fā)送 時間同步消息，當一個節(jié)點接收到時間同步消息，它重新廣播這個消息，使時間同步消息泛洪整個網絡。該協議還用線性回歸來估計時鐘漂移，通過在MAC層插入 時間信息以改進同步精度。
在 如圖1中，主節(jié)點(協調器)作為標準時間源，應該注意，當時間產生并加入到消息中時，該消息已經開始發(fā)送了。當一個信標幀被發(fā)送時，處理器把整個幀載人發(fā) 送FIFO，接著使能發(fā)送。然而，信標幀必定包含該幀開始發(fā)送后產生的時間。因此，在主節(jié)點發(fā)送信標幀的過程中，當產生SFD中斷時，就提取出捕獲計時器 值并轉換成全局時間。該全局時間通過RAM(隨機)的讀寫方式插入到正在發(fā)送的FIFO發(fā)送隊列中。這個過程必須足夠快地完成，以保證整個信標幀正確發(fā) 送。如果處理太慢，發(fā)送FIFO會向下溢出，發(fā)送消息失敗。

時間同步協議軟件的測試連接圖如圖11所示。主控節(jié)點和傳感器節(jié)點被連接到一 個公共的有線信號上，這個信號又連接到MSP430的帶計時器捕獲周期性地發(fā)送一個包含時間信息的信標幀給從節(jié)點來維持網絡同步通信。在協議軟件實現時， 需要對FTSP進行簡化，采用ZigBee星型網絡拓撲結構對時間同步所需的計算資源進行最小化處理。Zig-Bee消息的時間固定點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應管腳的高低電平，圖1O顯示了IEEE802.15.4物理幀格式l和時間信息獲取過 程。主節(jié)點無線收發(fā)器發(fā)送一個信號給控制器，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)器驅動SFD管腳，向微處理器提出中斷要求， 并啟動時間捕獲。這樣，微處理器在SFD字節(jié)被發(fā)送后可立即獲得一個時間點，并將該時間插入到當前的時間同步消息中去。同樣，當接收器接收到SFD，也隨 即產生一個本地時間信息，并把它和時間同步消息一起存儲。微控制器通過比較兩個時間信息，可以確定本地時間和全網時間的偏移量，并調整本地時鐘與主節(jié)點 (協調器)全局時鐘保持一致。
能力的數字I/0端口。每次當公共信號狀態(tài)改變時，所有節(jié)點各自報告它們的全局時間信息。通過比較主處理器與從節(jié)點的時間信息，可確定從節(jié)點時間的絕對誤差，從而修正同步精度。

表 1給出了十六進制數據表示的時間同步測試結果。表中，左邊三個兩位十六進制數分別表示小時、分鐘和秒，接著兩個兩位十六進制數表示毫秒，最右邊的兩位十六 進制數以10微秒為單位。從表中可以看出：當同步校正間隔約為1s時，以約100mS的頻度中斷一次進行同步測試，其最大時間同步誤差為50us。顯然， 時間同步精度滿足設計要求。在時間同步測試過程中還發(fā)現：提高同步消息發(fā)送的頻率，網絡節(jié)點時間與全網時間可維持更好的同步。
4 臨床測試結果與分析

本 可穿戴生命體征監(jiān)護設備樣機已研制完成。采用本樣機對高壓氧艙中的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 壓下進行臨床測試(終端機與主機距離為10米)，并與日本COLINBP288監(jiān)護儀檢測結果進行對照。表2顯示的血氧飽和度、脈搏、心率、體溫、呼吸頻 率等參數的對比檢測數據的一致很好。 表3給出了本監(jiān)護設備樣機檢測與人工實測血壓數據的比較。通過線性回歸一致性分析，本樣機和人工測算的收縮壓相關系數p=0.9749，舒張壓相關系數p=0.8166，一致性較好。
5 結論

基 于無線傳感檢測與通信技術研制的高壓氧艙專用設備，可實現心電、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的多通路協同監(jiān)測，并實現 艙內外同步實時的傳輸、控制與顯示。監(jiān)護設備具有結構緊湊、體積小、功耗低、可穿戴等特點，可保證在高壓氧艙內安全使用。臨床測試結果表明，該監(jiān)護設備符 合系統設計要求，測試參數精確可靠，已具備良好的臨床應用性能。本監(jiān)護設備針對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的監(jiān)護，對無 線傳感技術在醫(yī)療器械應用研究方面進行了有益的探索。

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