可穿戴式生命体征监护设备的研制

　　随着无线通信网络和传感器等技术发展, 医疗监护技术和方式将发生根本变化[ 1] 。高压氧舱已广泛应用于临床疾病救治, 舱内生理监护系统是高压氧治疗过程中对危重病员进行生理指标监护的重要设备。由于高压氧舱内的特殊环境, 现有监护设备对舱内病人的心电、血压、呼吸、脉搏及血氧饱和度等参数的监护存在局限性, 主要表现在: ¹ 多个传感器通过有线的方式和处理器相连接; º 独立的传感器间缺乏系统整合; » 不支持信号的持续采集和数据的实时处理; ¼ 分别的监护设备间无法共享无线通信资源。研制一种基于无线传感技术的可穿戴式多参数监护设备, 可更好地适应高压氧舱特殊环境和临床救治的需要。该监护仪要求心电、血压、血氧饱和度、脉搏、呼吸、体温检测等电路模块采用超低功耗器件, 并结合硬、软件省电设计, 使氧舱内监护终端可采用电池供电; 信号采集转换后, 一方面在舱内监护终端( 子机) 上显示, 并通过Zigbee 等无线传输技术将采集信号送入舱外中央监护PC 终端( 主机)上, 实现舱内外同步监测。

　　1 系统体系结构与硬件设计

　　小封装、低功耗、无线通信、安全性和互操作是医疗可穿戴式监护设备设计的基本要求。本文所设计的生命特征监护设备的系统结构如图1 所示。系统主要由监护PC 主机、舱外主节点( coordinatornode) 和舱内的多参数采集传感器子节点( sensor nodes) 等三个部分组成, 主节点和各子节点之间通过IEEE 802. 15. 4 无线通信协议[ 3] 构成一套结构简单、工作稳定, 运行可靠的星型无线通信网络。

　　主节点主要负责协调高压氧舱内各无线医疗传感器子节点与舱外监护主机PC 之间的数据通信, 提供透明的通信接口。无线通信接口主要功能包括网络配置和网络管理两个方面。网络配置阶段主要完成传感器节点的注册和初始化, 以确定传感器节点的归属、数量和采样频率等。网络配置完成后, 主节点负责无线网络的维护和管理,包括信道共享、时间同步、数据提取、数据融合与处理等。子节点分别负责心电、血压、呼吸、血氧、体温等生理信号的采集、检测和监护, 并通过无线接口向主节点传输, 进而由监护主机存储、处理采集数据, 主机可按监护要求进行状态实时显示和异常状态告警。

　　1. 1 主节点硬件设计

　　主控节点结构如图2 所示。它通过串口与PC主机交互数据, 通过无线模块与舱内子节点通信, 同时管理和协调舱内各节点的工作时序和同步。其中, 微处理器选用T I 公司超低功耗的MSP430F149, 无线通信模块选用Chipcon 公司的2. 4 GHz 频段射频低功耗接口芯片CC2420[ 5] , 电源模块采用DC/ DC 电源变换模式。MSP430 微控制器在16 bit RISC 核的基础上集成了RAM 和闪存,同时集成了8 路A/ D 转换模块、传输速度可编程的串口模块和一个灵活的时钟子系统[ 6] , 支持多种低功耗操作模式。CC2420 芯片与IEEE802. 15. 4 协议兼容, 最大数据数率250 Kbit / s, 可编程控制输出功率, 并支持错误校正和加密。MSP430 可通过SPI 接口和中断数字I/ O 线对CC2420 进行控制[ 7 ] , 如图3 所示。