吳常鋮，宋愛國，李曉鵬，王 楠，柯 欣

(東南大學儀器科學與工程學院，南京 210096)

腦卒中(俗稱中風)是中醫(yī)學對急性腦血管疾病的統(tǒng)稱，由于該病發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高、復發(fā)率高以及并發(fā)癥多等特點，醫(yī)學界把它同冠心病、癌癥并列為威脅人類健康的三大疾病之一。近年來中風病在我國的發(fā)病率逐年增加，這種疾病引發(fā)了患者肢體運動功能的喪失及相關并發(fā)癥。醫(yī)學研究表明對于腦卒中后遺癥患者，對其偏癱部位進行康復訓練是十分關鍵重要的醫(yī)療手段，及早進行康復訓練可以明顯減少殘疾的可能性。

血氧飽和度和呼吸參數(shù)是反映血液循環(huán)系統(tǒng)以及呼吸循環(huán)系統(tǒng)的重要生理參數(shù)，是評價中風病人康復鍛煉效果的重要指標，對中風病患者進行血氧飽和度和呼吸參數(shù)的監(jiān)測能夠讓醫(yī)生更全面把握病人各項生理指標，給病人的治療效果提供一定的指導。臨床上對中風偏癱患者的康復方法很大程度依賴于治療醫(yī)師對患者一對一的物理治療，這樣的方法不僅費時費力，也缺乏量化且客觀的評價［1］。

研制基于無線傳感網(wǎng)絡技術的穿戴式生理信息檢測的無線采集系統(tǒng)，用于監(jiān)控中風病人的康復訓練過程，能夠避免傳統(tǒng)康復訓練依賴于醫(yī)師對患者一對一治療的缺點，大大節(jié)約了人力物力而且增大了患者在康復訓練時的活動范圍，使患者的康復治療起到更好的效果。并且可以通過對患者監(jiān)控資料的分析為患者制定更好的康復方案，進一步提高康復的效率［2］。

1 生理參數(shù)檢測系統(tǒng)概述

圖1所示的是我們自行設計的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)，它由控制模塊、無線通訊模塊以及傳感器模塊等部分組成。其中，控制模塊以C8051F320為核心，無線通訊模塊選用Jennic公司的JN5121－Z01－M00模塊，傳感器模塊包括血氧檢測探頭和呼吸檢測傳感器。

圖1 無線生理參數(shù)檢測系統(tǒng)實物圖

圖2所示為檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，微控制器(MCU)采用美國Cygnal公司的C8051F320，該單片機有與8051單片機兼容的高速CIP－51微控制器內(nèi)核，與MCS－51指令集完全兼容，除了具有標準8051的數(shù)字外設部件之外，片內(nèi)有一個10 bit的ADC(±1LSB INL)，最大可編程轉換速率可達200 kbit/s，片內(nèi)自帶有 USB 收發(fā)器［3］。

圖2 生理參數(shù)檢測系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

無線通訊模塊選用了Jennic公司的JN5121－Z01－M00如圖3所示，JN5121芯片是Jennic公司推出的高度整合的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器芯片，也是業(yè)界第一款兼容IEEE802.15.4標準的低功耗、低成本無線微型控制器［4］。

圖3 JN5121－Z01－M00模塊實物圖

MCU通過UART與JN5121無線通訊模塊進行數(shù)據(jù)交換。路由(Router)節(jié)點與協(xié)調(diào)(Coordinator)節(jié)點通過自組網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 血氧飽和度檢測模塊設計

文章采用雙波長透射式脈搏血氧飽和度檢測技術設計血氧飽和度檢測模塊，組成框圖如圖4所示。

圖4 血氧飽和度檢測模塊組成框圖

傳感器模塊中的紅光和紅外光二極管在脈沖時序控制下，分時照射手指，傳感器模塊中的光敏二極管BPW34接收透過手指的光信號，再經(jīng)過信號的放大、分離、濾波、電平轉移等處理得到四路信號分別為:紅光直流(Red_DC)、紅光交流(Red_AC)、紅外光直流(IRed_DC)、紅外光交流(IRed_AC)送至MCU采集處理。電平轉移電路的設計是為了使調(diào)理后的信號幅度在MCU的ADC采集電平范圍內(nèi)［1］。

2.2 呼吸參數(shù)檢測模塊設計

呼吸實質上是人體內(nèi)外環(huán)境之間氣體的交換，實驗證明:在氣道管徑不變的條件下，溫度的變化量(ΔT)與氣體流速的變化量(ΔV)線性相關，因此只要采用靈敏度高、溫度線性好、時間常數(shù)較小的熱敏傳感器，就能把微弱的呼吸信息檢測出來，再經(jīng)過調(diào)理放大就能自動地、實時地顯示呼吸波形、流速容量曲線、呼吸氣流速率、頻率、峰值以及潮氣量等多項肺功能參數(shù)［5－6］。

文章選用NTC型熱敏電阻MF52作為檢測呼吸信號的傳感元件，設計檢測模塊框圖如圖5所示。

圖5 呼吸參數(shù)檢測模塊框圖

系統(tǒng)工作時將傳感器模塊中熱敏電阻放置于人體鼻腔口，檢測到的信號經(jīng)過差分放大、程控放大以及濾波和電平轉移處理后送至MCU采集處理。本系統(tǒng)選用BURR-BROWN公司的PGA205作為程控放大器，PGA205可以簡單的通過控制端口A0和A1實現(xiàn)1、2、4、8倍的放大，從而減小不同人體之間呼吸強度的差異。

由于熱敏電阻熱電特性非線性現(xiàn)象嚴重，使用熱敏電阻需要進行線性補償。線性補償電路如圖6所示。當溫度變化時，要使RT線性變化，其中，R1為要串聯(lián)的電阻，R2為要并聯(lián)的電阻，rT為NTC熱敏電阻［7］。

圖6 熱敏電阻線性化電路

由圖6可知，RT=R1+R2rT/(R2+rT)，根據(jù)rT的溫度系數(shù)αTN等參數(shù)適當選取R1、R2的值就可以在實現(xiàn)的一定溫度范圍內(nèi)RT的近似線性化［7］。將線性化后的電阻接入電橋即可檢測出溫度的變化。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 基于C8051F320的程序設計

基于C8051F320的程序設計分為Router節(jié)點的單片機程序設計和Coordinator節(jié)點的單片機程序設計。

Router節(jié)點的單片機程序設計主要用于實現(xiàn)生理參數(shù)檢測儀硬件時序控制、AD采樣控制、通過串口與無線模塊進行數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

Coordinator節(jié)點的單片機程序設計要用于實現(xiàn)單片機通過串口與無線模塊進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過USB接口與PC機進行數(shù)據(jù)收發(fā)。它的任務是向上接收PC機的控制命令，并將相應的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，向下將PC機的控制命令發(fā)送個無線通訊模塊并接收無線通訊模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.2 無線通訊模塊軟件設計

ZigBee標準定義了一種網(wǎng)絡協(xié)議，這種協(xié)議能夠確保無線設備在低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡中的互操作性。ZigBee網(wǎng)絡可以實現(xiàn)3種網(wǎng)絡拓撲形式，即星形、樹形和網(wǎng)狀。本文設計的生理參數(shù)采集系統(tǒng)主要采用的是網(wǎng)狀形式的網(wǎng)絡拓撲，即Mesh拓撲，其示意圖如圖7所示。Mesh拓撲可以包含一個Coordinator節(jié)點和一系列的Router節(jié)點和End_Device節(jié)點。該類型的網(wǎng)絡拓撲具有更加靈活的信息路由規(guī)則，路由節(jié)點之間可以進行直接的數(shù)據(jù)通訊，從而使得信息的通訊變得更加有效。當其中一個路由失效時，信息可以自動地沿著其它的路由路徑進行傳輸［8－9］。

圖7 Mesh拓撲的示意圖

協(xié)調(diào)節(jié)點(Coordinator) 在無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)中，該節(jié)點負責整個無線傳感器網(wǎng)絡的建立，并且還作為上位機與下位機之間進行無線通訊的中轉點與連接點，它通過串口與 C8051F320相連，該C8051F320通過USB接口與上位機相連。當協(xié)調(diào)節(jié)點的控制系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)首先進行Zigbee協(xié)議棧等一系列的初始化操作，然后進行信道查詢，選擇較為安靜的信道來建立無線傳感器網(wǎng)絡。當有節(jié)點加入該網(wǎng)絡時，協(xié)調(diào)節(jié)點為其提供信息路由和其它的服務［10］。協(xié)調(diào)節(jié)點的串口通訊協(xié)議在程序中設置為:115200的波特率、無校驗位、8 bit的數(shù)據(jù)位、1 bit的停止位，與之相連的C8051F320的串口程序的通訊協(xié)議需要與該節(jié)點的通訊協(xié)議相匹配。

圖8 Co節(jié)點程序流程圖

路由節(jié)點(Router) 本文所設計的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)中，路由節(jié)點位于生理參數(shù)采集節(jié)點處，主要是負責將下位機所采集到的各種數(shù)據(jù)通過無線方式傳送給協(xié)調(diào)節(jié)點，同時還接收協(xié)調(diào)節(jié)點來自上位機的控制命令。每個路由節(jié)點通過其串口與微控制器的串口相連接。當路由節(jié)點上電時，系統(tǒng)進行初始化，加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點所建立的網(wǎng)絡，然后按既定方式進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖9 Ro節(jié)點程序流程圖

本文無線通訊模塊程序設計在Jennic公司提供的Jennic CodeBlocks平臺上進行，通過Jennic Flash Programmer實現(xiàn)程序下載。

在進行無線通訊模塊的軟件設計時，需要用到JN5121模塊Zigbee協(xié)議棧開發(fā)的基本接口函數(shù)，這些函數(shù)是用戶的應用和Zigbee協(xié)議棧進行交互的基本接口。在實際的基于Zigbee協(xié)議棧的開發(fā)過程中，用戶需要在這些接口函數(shù)中添加自己相應的應用邏輯，定義自己的數(shù)據(jù)處理過程，并且通過這些接口函數(shù)在適當?shù)臅r機調(diào)用，它們將應用程序的代碼和Zigbee協(xié)議棧緊密地聯(lián)系在一起。進行無線通訊模塊軟件設計時，還需要用到Zigbee協(xié)議棧開發(fā)的另外一種函數(shù)，即應用框架接口函數(shù)。這類函數(shù)是用于解決發(fā)送數(shù)據(jù)和處理設備描述的問題，主要分為兩大類，一類是用于創(chuàng)建和發(fā)送數(shù)據(jù)請求的AFDE接口函數(shù)，另一類是用于添加、修改、刪除設備描述的AFME接口函數(shù)［10］。

3.3 上位機軟件設計

3.3.1 上位機程序

文章在Visual C++6.0平臺上利用MFC設計了無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)的上位機程序。上位機程序是基于對話框的應用程序，主要用于實現(xiàn)USB通訊、測量數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)的存儲、波形顯示、相關檢測參數(shù)計算、測量時間記錄等功能。上位機軟件界面如圖10所示。

圖10 上位機軟件界面

3.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

本系統(tǒng)上位機軟件的數(shù)據(jù)處理部分中，采用了滑動平均算法對AD采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理以減小噪聲干擾?；瑒悠骄惴ū磉_式為［11］:

采用了類微分和微分閾值法實現(xiàn)從血氧信號中提取脈搏信號［12］。類微分算法表達式為:

微分閾值法表達式為:

S2實際上是對S1的一種特殊微分，S3是在S2的基礎上再減去一個閾值，k、H為經(jīng)驗值，本文選取k=4、H=0.2；S3的波形近似為三角波，根據(jù)其峰值便可得到周期，其周期即為脈搏周期。

在對數(shù)據(jù)進行處理后，根據(jù)Lambert-Beer定律即可得到血氧飽和度值計算公式［13－14］:

呼吸參數(shù)檢測的數(shù)據(jù)處理方法與血氧信號數(shù)據(jù)處理方法類似，先進行滑動數(shù)據(jù)濾波處理，再經(jīng)微分閾值算法提取呼吸頻率數(shù)據(jù)。

4 實驗

4.1 實驗測試結果

為了檢驗本系統(tǒng)的可行性和測量準確性，本文在完成系統(tǒng)調(diào)試后分別在實驗室對健康人體和在南京市同仁醫(yī)院康復科對中風病人做了測試實驗，實驗結果如表1、表2所示。

表1 實驗室健康人體實驗結果

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

下面選取實驗者1和實驗者11的數(shù)據(jù)進行簡要分析:

采用滑動平均算法對AD采集到的實驗者1和實驗者11的數(shù)據(jù)進行濾波處理后得到數(shù)據(jù)波形分別如圖11(a)、(b)所示。

圖11 健康人員和中風患者血氧脈搏數(shù)據(jù)波形

人體脈搏波包含主波、潮波、重博波和重播波谷等幾個特征。圖11(a)中波形主波和重博波明顯，且主波較窄，潮波不明顯，是正常人體脈搏的特征［15］，中風病人的血氧脈搏波(圖11(b))波形的重博波不明顯。

采用類微分算法對實驗者1和實驗者11的血氧脈搏數(shù)據(jù)進行處理后得到數(shù)據(jù)波形分別如圖12(a)、12(b)所示。

圖12 類微分法得到的數(shù)據(jù)波形

從類微分法得到的數(shù)據(jù)波形可知，類微分法從血氧脈搏波中提取出了脈搏特征信號，但波形的底部存在一定幅度的波動。

為了較好的提取出脈搏特征，便于計算脈搏頻率，采用微分閾值法對實驗者1和實驗者11的脈搏波進行處理，處理后波形分別如圖13(a)、13(b)所示。

圖13 微分閾值法得到的數(shù)據(jù)波形

微分閾值法得到的波形中，一個脈沖對應一個脈搏，通過計算脈沖峰值間的時間T，即可得到心率數(shù)值。

呼吸波形如圖14所示。吸氣過程對應于波形中的上升部分，呼氣過程對應于波形中的下降部分。呼吸頻率的檢測方法與脈搏頻率的檢測方法相同。經(jīng)過對測量數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)中風患者與健康人體的呼吸波形基本相同。

圖14 人體呼吸波形

根據(jù)上述實驗結果及數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，中風病人的血氧飽和度較正常人的低，中風病人的血氧脈搏波波形中主波和重博波谷明顯，但重博波不明顯，醫(yī)學上可以根據(jù)中風病人血氧脈搏波特征的來評定患者的康復效果。

5 結論

在完成本系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試后，對健康人體和中風患者的生理參數(shù)進行檢測驗證，結果表明本文設計的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)重復性好、性能穩(wěn)定可靠、使用方便靈活，能夠很好的實現(xiàn)了人體脈搏血氧信號和呼吸信號的檢測。

［1］李曉鵬，宋愛國，彭思，等.脈搏血氧飽和度遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)設計［J］.傳感技術學報，2010，23(6):772－776.

［2］ALeksandar Milenkovic，Chris Otto，Emil Jovanov.Wireless Sensor Networks for Personal Health Monitoring:Issues and an Implementation［J］.Computer Communications，2006(29):2521－2533.

［3］李文仲，段朝玉.C8051F系列單片機與短距離無線數(shù)據(jù)通信［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［4］Jennic.JN－DS－JN5121－1v8［S］.2007.

［5］王志堅，寧新寶.智能溫感式呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的研制［J］.山西大學學報(自然科學版)，2001，24(4):317－320.

［6］李德旺，仇原鷹，盛英.呼吸力學參數(shù)測量方法的研究［J］.生物醫(yī)學工程學雜志，2006，23(4):770－773.

［7］程德福，王君，凌振寶，等.傳感器原理及應用［M］.機械工業(yè)出版社，2008:117－127.

［8］Ren F Y，Huang H N，Lin C.Wireless Sensor Networks［J］.Journal of Software，2003，14(2):1148－1157.

［9］Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.Wireless Sensor Networks:Survey［J］.Computer Networks，2002，38(4):393－422.

［10］Jennic.JN－UG－3017－ZigBeeStackUserGuide－1v5［S］.2007.

［11］程德福，林君.智能儀器［M］.機械工業(yè)出版社，2005:113－127.

［12］李文耀，王博亮.基于PIC單片機的脈搏血氧測量儀的研［J］.廈門大學學報，2005，44(4):507－510.

［13］Di G，Tang X，Liu W.A Reflenctance Pluse Oximeter Fesign Using the MSP430F149［C］//IEEE/ICME International Conference in Complex Medical Engineering，2007:1081－1084.

［14］嚴新忠.人體血氧飽和度監(jiān)測方法的研究［J］.醫(yī)療裝備，2005，18(12):1－4.

［15］袁肇凱.中醫(yī)診斷實驗方法學［M］.科學出版社，2007.