無線顱內壓綜合監(jiān)測系統(tǒng)

【作 者】韓懷驍，張言，錢誠，王宏，錢志余，李韙韜

南京航空航天大學，南京市，210016

神經外科病人的顱內壓變化是治療過程中的主要監(jiān)測對象，臨床上所使用的顱內壓監(jiān)護儀多為有線傳輸方式。隨著傳感器和無線網絡技術的快速發(fā)展，小型化、微創(chuàng)化以及無線傳輸方式是目前主要發(fā)展方向。該文采用ZigBee技術和無線通信協(xié)議設計了一套無線顱內壓綜合監(jiān)測系統(tǒng)，能夠連續(xù)監(jiān)測病人的顱內壓力和顱內溫度，并通過無線網絡將不同病區(qū)病人的監(jiān)測數據發(fā)送到護士工作站進行存儲。然后可以通過自行設計的顱內壓監(jiān)護管理軟件，對病人的顱內壓、顱內溫度進行查詢。該無線系統(tǒng)在醫(yī)院內布設方便，大大減輕醫(yī)護人員的工作強度，具有重要的臨床應用價值。

顱內壓監(jiān)測；無線網絡；ZigBee；Z-Stack

【 Writers 】HAN Huaixiao, ZHANG Yan, QIAN Cheng, WANG Hong, QIAN Zhiyu, LI Weitao

School of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016

【 Abstract 】During the treatment of neurosurgical patients, the changing of intracranial pressure (ICP) monitoring is the main monitoring objects, while most of the clinical equipment are wireline. With the rapid development of transducer and wireless network, miniaturization, micromation and wireless transmission become one of the research hotspots. This paper designed a wireless ICP monitoring system based on ZigBee technology, which can continuously measure the patient's intracranial pressure and temperature, and send monitoring data of patients of different ward to nurse station through the wireless network, and save it. Then we can inquiry the intracranial pressure and temperature using the intracranial pressure monitoring and management software we designed. The wireless system can be installed in the hospital very conveniently, which can reduce the work intensity of medical staff. The system is very useful in clinical work.

0 引言

顱內壓（ICP）增高會造成病人腦組織缺血、缺氧，甚至引起腦移位形成腦疝，導致腦組織壞死，病人死亡[1]。因此對特殊病人的顱內壓狀況進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)病人顱內壓增高的情況就尤為重要[2]。目前，臨床顱內壓監(jiān)測設備主要為法國Sophysa公司的Pressio多參數監(jiān)護系統(tǒng)、美國強生公司的Codman顱內壓監(jiān)護儀[3-4]和美國Integra LifeSciences公司的Camino系列顱內壓監(jiān)護儀。這些產品作為有線設備，都不同程度地存在諸如有線電纜占據大量的有限空間[5]，醫(yī)務人員需要經常性到不同病床前觀察各種監(jiān)護儀的使用情況，需要消耗大量精力等問題。

隨著無線網絡技術的出現(xiàn)和進步，現(xiàn)代醫(yī)療技術也開始朝著無線化發(fā)展[6-8]，本文提出并設計一套基于無線網絡的顱內壓監(jiān)測系統(tǒng)[9-10]，將ZigBee技術與顱內壓監(jiān)測技術結合，通過無線傳輸，可以將顱內壓力和溫度的實時監(jiān)測數據發(fā)送至PC機上的監(jiān)護軟件，實現(xiàn)顱內壓的無線多用戶監(jiān)測，方便醫(yī)護人員集中觀察病區(qū)內多位病人的顱內壓狀況。

1 系統(tǒng)整體結構

圖1是無線顱內壓監(jiān)護系統(tǒng)的整體設計原理圖，系統(tǒng)主要由若干臺負責與顱內壓監(jiān)護儀通訊的無線通信模塊、1個無線接收器和1臺PC機組成。其中，無線通信模塊與顱內壓監(jiān)護儀之間使用USART進行通信，PC機與無線接收器之間使用RS232進行通信，最終在PC機上位端接收無線接收器發(fā)送過來的數據并將數據交由監(jiān)護軟件進行處理。

從開發(fā)難度、安全系數、功耗等多方面考慮，本文選擇ZigBee技術構建系統(tǒng)網絡[11]，而考慮到顱內壓監(jiān)測系統(tǒng)使用環(huán)境，多為數量有限、節(jié)點距離短的獨立病房，因此選用復雜程度較低的星型結構足以滿足對無線網絡的諸多需求。

圖1 系統(tǒng)的整體設計原理圖Fig.1 The schematic diagram of overall system design

星型網絡[12]僅需要一個協(xié)調器和若干個終端節(jié)點就可以工作[13]。協(xié)調器負責建立并管理網絡[14]，控制終端節(jié)點的加入和離開，接受來自終端或路由的數據；終端節(jié)點尋求加入網絡，向協(xié)調器發(fā)送數據或者請求數據。

本文在開發(fā)無線網絡時使用了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧[15]，其按照分層設計思想實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧的全部功能：它將協(xié)議棧的每個子系統(tǒng)劃分為一個任務，交由操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）來管理和調度；將協(xié)議棧中所有的功能封裝成應用程序接口（API）[16]。因此，諸多協(xié)議棧內部的具體實現(xiàn)細節(jié)被屏蔽，減小了開發(fā)難度，簡化了開發(fā)流程。

2 系統(tǒng)設計

根據在系統(tǒng)設計中針對設備類型的描述，本文需要完成系統(tǒng)網絡中協(xié)調器和終端節(jié)點的設計，實現(xiàn)無線網絡的建立和數據通信；并需要使用LabWindows編寫上位機監(jiān)護軟件，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)護。

2.1 無線通訊模塊設計

無線通信模塊是系統(tǒng)網絡中的終端節(jié)點，通過USART與顱內壓監(jiān)護儀進行串行通信，接收來自顱內壓監(jiān)護儀的監(jiān)測數據，然后通過天線將數據發(fā)送給網絡中的無線接收器。

2.1.1 無線通訊模塊軟件設計

終端節(jié)點負責將顱內壓監(jiān)護儀的監(jiān)測數據發(fā)送至協(xié)調器，其工作流程如圖2所示。首先完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化，然后搜索附近是否存在ZigBee無線網絡并請求入網。入網成功后，終端節(jié)點通知監(jiān)護儀入網成功，最后進入OSAL的循環(huán)中，等待事件的發(fā)生，如果有數據請求發(fā)送，則終端節(jié)點通過串口讀取數據，再通過RF將數據發(fā)送出去。

2.1.2 無線通信模塊硬件設計

本文選用美國德州儀器（TI）公司的CC2530作為ZigBee無線通信模塊的主控制器。該芯片集成業(yè)內領先的射頻收發(fā)前端和高性能、低功耗的增強型8051內核，擁有眾多外設，因此只需要添加很少的外部元器件就可以使它正常工作。該系列芯片支持5級工作模式，當工作在使用外部中斷觸發(fā)的工作模式時電流消耗僅為0.4 μV，適用對功耗控制苛刻的應用環(huán)境。

2.2 無線接收器模塊設計

無線接收器是系統(tǒng)網絡中的協(xié)調器，負責系統(tǒng)網絡的建立、運行和管理，以及接收無線通信模塊發(fā)送過來的數據，再通過RS232接口將數據送至PC機上的監(jiān)護軟件。

本文使用一塊現(xiàn)有的ZigBee開發(fā)板充當無線接收器，并沒有單獨為其設計硬件電路。

它的軟件工作流程如圖3所示。協(xié)調器首先進行系統(tǒng)的硬件和軟件初始化，然后自動尋找合適的信道并建立網絡，最后進入OSAL的循環(huán)中，等待終端節(jié)點的入網請求，如果有節(jié)點請求加入網絡，協(xié)調器會為該節(jié)點分配一個網絡地址，之后又進入循環(huán)中，等待新節(jié)點的入網請求。

上述過程由協(xié)調器的OSAL負責完成，當協(xié)調器的RF接收到終端節(jié)點的數據時，需要將數據從RF的緩存區(qū)讀取出來，再調用串口函數將數據發(fā)送給PC機上的監(jiān)護軟件。

圖2 終端節(jié)點的工作流程圖Fig.2 Terminal nodes fl ow charts

圖3 協(xié)調器的工作流程圖Fig.3 Coordinator fl ow charts

2.3 上位機監(jiān)護軟件設計

本文使用LabWindows/CVI編寫了簡易的顱內壓監(jiān)護軟件[17]。該軟件能夠通過無線網絡與8臺顱內壓監(jiān)護儀建立連接并顯示其中一臺的實時監(jiān)測數據。方便醫(yī)護人員統(tǒng)一查詢所有正在進行顱內壓監(jiān)測的患者的狀況。

監(jiān)護軟件的工作流程如圖4所示。監(jiān)護軟件運行后，首先需要設置串口的參數，與協(xié)調器建立連接。然后等待協(xié)調器接收數據，如果有數據，需要對數據包進行拆解，并驗證設備號。最后顯示設備的數據。

圖4 監(jiān)護軟件的工作流程圖Fig.4 Monitoring software fl ow charts

3 實驗結果

2臺顱內壓儀通過ZigBee發(fā)送數據，并連接到顱內壓監(jiān)護軟件，通過監(jiān)護軟件對顱內壓儀進行管理。監(jiān)護軟件接收數據，對數據包進行拆解，并驗證設備號。選擇需查看的顱內壓儀的監(jiān)護情況，并實時顯示其顱內壓讀數、波形，顱內溫度及設備序號。圖5分別是兩臺顱內壓儀終端的顯示界面，顯示此時的壓力讀數分別是7 mmHg和6 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），溫度讀數都是35.3oC。圖6為顱內壓監(jiān)護軟件的工作界面，顯示的壓力讀數也是7 mmHg和6 mmHg，溫度讀數為35.3oC。

圖5 顱內壓儀界面Fig.5 The interface of intracranial pressure instrument

實驗表明，監(jiān)護軟件可以通過ZigBee接收器接收到完整正確的數據，無線傳輸穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)可用于管理20臺以下的顱內壓儀。

4 總結

圖6 顱內壓監(jiān)護軟件界面Fig.6 The interface of intracranial pressure monitoring software

本文設計了一種基于ZigBee無線技術的顱內壓監(jiān)測系統(tǒng)整體方案，根據不同部分對系統(tǒng)進行了功能劃分，通過星型結構搭建了一個完整的無線通訊網絡，實現(xiàn)了數據通信，并通過測試驗證了無線通訊網絡的可靠性。

本文按照硬件和軟件兩大部分進行設計：硬件部分基于CC2530芯片設計了無線通信模塊的硬件電路；軟件部分對協(xié)調器和終端節(jié)點的軟件做了設計，并使用LabWindows編寫了PC機上的監(jiān)護軟件，能夠連接多臺顱內壓監(jiān)護儀并可以選擇顯示其中任意一臺的實時監(jiān)測數據。

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Intracranial Pressure Monitor Based on Wireless

intracranial pressure monitoring, wireless network, ZigBee，Z-Stack

TH772

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.003

1671-7104(2017)02-00089-03

2016-06-27

南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金資助（kfjj20160302）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金通信作者：錢志余，E-mail: zhiyu@nuaa.edu.cn