远程脉搏波的监控 系统

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1、Vol 4 No 3 Mar 010 远程脉搏波的监控系统 远程脉搏波的监控系统 瞿毅 刘伟 沈昭 胡超 摘 要 本论文提出了一种基于Zigbee网络和LAN网络的新远程脉搏波监控系统 基础网络设施的技术优势是Zigbee网 络的低功耗特性和LAN网络的远距离传输特性 都得到充分的利用 因此 这是一个很好的实现远程健康监测的方法 目 前 已经研制出具有低功耗的探测节点 关键词 血氧饱和度 小波 ZigBee协议 无线网络 1 引言 医疗监控设备利用了电子 计算机 材料 信息 等专业知识 在现代的医疗服务系统中占有很重要的 作用 医生利用这些医疗设备可以实时地更新病人的信 息 脉搏血氧仪已经成为

2、监测病人的血氧饱和度和心率 的一种标准方法 传统的血氧仪是一种有线的仪器 虽 然可以准确的检测到病人的脉搏波的波形和心率 抗干 扰性也比较好 但是在日常的健康监测中 有线设备不 便于病人的移动 为了解决这个问题 越来越多的人一直都在研究 微型的无线血氧仪 Mendelson和 Floroff提出了一种 基于ad hoc移动无线网络的个人掌上电脑方案 这种 个人掌上电脑具有血氧仪功能 它能够检测信号和传 输脉搏波 在个人掌上电脑上处理数据 显示相关信 息 能够很好的完成个人生理参数的监控和显示 1 但 是这只适合一个人的健康的监测 Todd Polk和William Walker提出了一种监测病

3、人血氧饱和度的方法 用血 氧仪连续的检测数据 然后通过无线传感器网络传送到 中心监控站 进行存储和显示 2 它可以完成多个人的 生理参数的检测 但是受无线传感器网络的通信距离以 及远距离的生理参数检测的限制 Chen 和Han提出一 种基于GPRS网络检测小孩脉搏波和体温的系统 在这 个系统中 用集成的检测模块检测小孩的脉搏波和体温 信息 送到微处理器处理 然后通过GPRS模块发射出 去 3 虽然这解决了远距离的通信 但是在医院 社区 这样的大环境中 使用起来也很困难 而且GPRS服务 需要很高的成本 本论文提出的基于Zigbee网络和LAN网络的远程 脉搏波监测系统 充分考虑到Zigbee传

4、感器网络的低功 耗 LAN网的高性价比 这个系统包含无线脉搏波检测节 点 所有节点的数据被传送到远程服务器 处理计算 存储血氧值和心率值 此监控系统具有以下几点优势 1 节点可以设计成一个简单的信号采集装置 降低处 理器的计算 减小功耗 降低电路板的复杂度 便 于节点的微型化 2 联合Zigbee网络 LAN网络在医院 居民社区等有 限场所实现远距离的健康监测是一种很好的策略 3 远程的服务器可以处理大量的数据 系统的兼容性 更好 很实用 2 系统的结构 脉搏波监测系统主要包含 Zigbee社区网络 LAN网络 远程数据服务器 图1每个节点可以与网关 通信 同时每个社区的网关通过电缆连接到LA

5、N网络 再连接到远程服务器 其中LAN网络发展已经很成熟 下面讨论无线传感器节点和服务器 图1 系统结构 2 1 无线脉搏波检测节点 图2是无线脉搏波检测节点的原理图 人体脉搏 波信号通过光电转换器转换成频率信号 然后送给 MC13213处理 MC13213里面含有一个8位的微处理 器和一个射频模块 射频模块可以将处理之后的数据发 射出去 无线脉搏波节点是一个指套式的装备 它包括 三部分 指套式的外壳 一对红光和红外光发光二极管 以及光电二极管 配套电路 红光和红外光发光二极管 660nm 880nm 和一个高灵敏度的光电转换器TSL235 可以检测病人的脉搏信号 发光二极管对管工作电流是 2

6、0 30mAh 用一个200mAh的锂电池就可以保证其正 Zigbee网 络 LAN网络 社区1 社区N 电缆线 电缆线 电缆线 电缆线 服务器 无线网关 Vol 4 No 3 Mar 010 常工作 锂电池在充满电的情况下 节点的工作时间可 以超过一周 图2 无线脉搏波检测节点的原理图 2 2 ZigBee LAN网关 由于ZigBee网络协议和LAN网络协议不一样 ZigBee LAN网关需要转换这两个通信协议 本系统设 计一个基于ARM7嵌入式系统的网关 它含有两个接 口 以太网接口和Zigbee的无线收发模块 图3是网关 的基本结构 协议的转换在ARM7上完成 图3 ZigBee LA

7、N网关原理图 2 3 远程中心服务器 远程服务器收集了整个无线传感器网络的检测数 据 首先对其进行去噪 去基线漂移 然后分别计算出 血氧饱和度和心率 最后将每个节点的脉搏波信号的当 前状态分类 存储到系统的数据库 3 软件和算法 3 1 系统的软件结构 检测节点和处理服务器的流程图如图4 图4 节点 服务器的流程图 图4左边的流程图说明了节点的工作过程 红光和 红外光交替轮流工作 右边的流程图介绍了远程的服务 器的工作过程 接收数据 去噪 去基线漂移 计算血 氧饱和度和心率 3 2 脉搏波检测算法 为了减小无线检测节点功耗 并且长时间的监测 人体的脉搏信号 可以通过减少发光二极管的发光时间 来

8、实现 图5 TSL235频谱响应 图5给出了光频转换器TSL235的频率响应特性曲 线 当波长在680nm和880nm时 灵敏度可以达到 80 以上 在程序中 设置在一个采样周期之内 红光 和红外光轮流点亮10us 采样频率是100Hz 可以明显 减少发光二极管的功耗 3 3 协议转换算法 ZigBee LAN网关将Zigbee网络传输过来的数据 转发到Internet上 图6给出Zigbee网络的数据包的格 式 3个字节 0 x680107 是固定的包头 数据包的 ID含有两部分 ID 1表示社区的数量 ID 2表示一个社 区中节点的数量 在本设计中 有100个脉搏波的采样 存储在 puls

9、e wave data 区域 数据包的最后是 checksum位和EOF标志位 图6 节点发送的数据包 Zigbee LAN数据包的转换有三级结构 以太网数 据包 IP包 TCP包 TCP包是由标准的TCP包头和节 点的数据组成 这整个的TCP包作为IP包的数据部分与 IP固定包头组成新的IP包 新的IP包作为以太网的数据 部分与以太网数据包头组成新的以太网数据包 然后通 过Internet 将数据送到远程服务器处理 3 4 去噪和去基线漂移 多分辨率分析被用在脉搏波的去噪和去基线漂移 7 10 2 2 n th ntn t 2 inf red rared A CD C SpOAB A CD

10、C 1 公式 1 是一个尺度不同等式 2 2 n th ntn t 2 inf red rared A CD C SpOAB A CD C 是一个用来处理脉 搏波的去噪和去基线漂移的基本分解函数 在本设计 中 Daubechies 6 DB6 小波用来分解脉搏波数据 3 5 血氧饱和度和心率计算 基于Beer Lambert定律 可以得到著名的 Zigbee MC3213发射器 光电转换脉搏波 Zigbee 接收器 协议转换网关 ARM7 以太网 开始 红光采样 红外光采样 无线传输 开始 脉搏波接收 去噪 去漂移 血氧心率计算 接收完成 N Y 远程脉搏波的监控系统 Mendelson an

11、d Kent等式 有 2 2 n th ntn t 2 inf red rared A CD C SpOAB A CD C 2 其中A与B是常量 很明显 只要知道红光和红外 光的AC与DC的值 就可以求出血氧饱和度 两个相邻的脉搏波峰值之间的时间就是一次心脏 跳动的时间 8 9 因此 如果能够找出脉搏波的峰值 就可以计算出心率 在本设计中 采用一个二阶的差分 检测到脉搏波的峰值 4 试验和结果 图7 脉搏波波形 图7是采样 传输 处理之后的实验室图形 从图 中可以发现 虽然存在一些噪音和基线漂移 但是本系 统在脉搏波的检测和传输表现出很好的性能 基于小波的方法 DB6小波用来分解原始脉搏波信

12、号 如图8 图8 去噪脉搏波 图8是重建之后的脉搏波信号 基本不含有高频分 量 并且波峰值和降中波峰值都可以清楚的识别 图9 去噪 去基线漂移后脉搏波 这个基线的漂移主要是人的运动造成的 比如说 呼吸远动 由于脉搏信号的频率很低 因此我们要去掉 低于1Hz一下的部分 图9给出重建之后的波形图 可 以根据表1来计算 表1 血氧饱和度实验数据 在本系统中 根据公式 2 可知 无线脉搏波的检 测节点的常数A是 0 47 B是1 40 计算得到的血氧饱 和度是98 图10 心率的不同预值 图10给出了原始的脉搏波信号 一阶差分 二阶 差分 以及峰值检测的结果 图中看出二阶差分的峰值 与原始信号的峰值出

13、现是一致 图10中第四幅图是第 三幅图设置预值之后的结果 在实验中 采样频率是 100Hz 峰值点有13个 两个相邻的脉搏波之间之间的 平均点数为是70个 所以心率是每分钟86次 5 结论 本论文提出了一种脉搏波检测系统是基于Zigbee 网络和LAN网络的技术 主要考虑到低功耗和长距离传 输 因此 这是一种很好的远程控制策略 整个系统由 无线检测节点 网关 远程服务器组成 在一个社区 之内的 每个人的健康参数可以被传输到远程中心服务 器 然后计算出血氧饱和度和心率 在下一步的工作 中 更多的生理参数的检测将加入到系统中来 实现可 靠 准确的生理参数的检测 同时 随着系统扩大 远 程中心服务器

14、对数据的处理能力有待进一步提高 参考文献 1 Y Mendelson and V Floroff A PDA Based Ad Hoc Mobile Wireless Pulse Oximeter Proc IASTED International Conference Telehealth 2005 Banff Canada 2005 2 Todd Polk William Walker Abhiman Hande and Dinesh Bhatia Wireless Telemetry for Oxygen Saturation red DC red AC inf rared DC inf

15、 rared AC 2 SpO 3571 8 185 6 6869 1 395 8 98 Vol 4 No 3 Mar 010 Measurements Biomedical Circuits and Systems Conference pp 174 177 London 2006 3 Yanhui Chen Junnan Han Kai Wu Xiaoming Wu and Jing Zhou A GPRS base Wrist Type Pulse Wave and Body Temperature Monitor for Children Healthcare 7th Asian Pa

16、cific Conference on Medical and Biological Engineering Vol 19 No 9 pp 344 347 May 2008 4 M Nitzan and H Taitelbaum The Measurement of Oxygen Saturation in Arterial and Venous Blood IEEE Instrumentation and Measurement Magazine June 2008 5 J E Sharf and T L Rusch Optimization of portable pulse oximetry through Fourier analysis Proceeding of the 12th Southern Biomedical Engineering Conference pp 233 235 1993 6 J E Scharf S Athan and D Cain Pulse Oximetry through Spectral Analysis 1993 7 J O Chapa