用于监测多个患者生理信号的无线传感器网络外文翻译资料

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用于监测多个患者生理信号的无线传感器网络

Reza S. Dilmaghani, Hossein Bobarshad, M. Ghavami, Sabrieh Choobkar, and Charles Wolfe

摘要：本文介绍了一种新型无线传感器网络结构的设计，通过远程生理信号监测系统监测自己家中的慢性病患者。目前，大多数监测系统借助位于患者家中的个人计算机（PC）将患者的数据发送到医院。在这里，我们提出了一种新的设计，无需使用PC。所提出的远程监控系统是无线传感器网络，其中网络节点安装在患者家中。然后，这些节点通过因特网连接到位于医院的中心节点。通过使用ECG传感器，MSP430微控制器，CC2500低功率无线电和称为SimpliciTI协议的网络协议的组合来创建所提出的无线传感器网络的节点。首先通过每个患者携带的小型便携式设备对ECG信号进行采样。然后将捕获的信号无线传输到位于患者家中的接入点。此连接基于2.4 GHz频率的无线数据传输。接入点也是通过家庭异步数字用户线路由器连接到互联网的小盒子。之后，数据通过互联网实时发送到医院进行分析和/或存储。这种远程监测的好处很广泛：患者可以继续正常生活，他们不需要一直使用PC，感染风险降低，医院成本显着降低，临床医生可以在短时间内检查数据。

索引术语 - 心电图（ECG）信号，无线监测。

引言

在很多情况下，患者住院的原因并不是他或她在实际上需要积极的医疗护理。通常，长期住院的主要原因只是持续观察。因此，在目前已经做出很多努力以避免急性入院和长期入院留在医院。

近年来，紧急入院和长时间停留变得极其昂贵。所以卫生政策的重点已经从提供反应性急性护理转向医院外的预防性护理。随着护理模式的重新设计，卫生经济体正在寻求在大型急症中心之外提供的更多护理。这种转变的驱动力是双重的：首先，是质量问题，其次是资源分配问题。在患者家中得到照顾是当前英国政府卫生政策的一个关键目标[2] 而这一点必须为人们提供更优质的医疗服务，同时不必破坏他们的生活。

对能够进行远程监测的技术进行投资将给医院财务和患者护理方面带来长期收益。本文中描述的系统是这些例子中的一个，其将显著减少那些患有急性发作但其唯一的医疗要求是用于持续监测的患者的停留时间。

目前，已经设计了一些无线监控系统，其通常在患者侧使用PC，个人数字助理（PDA）或移动电话[3]–[6]。 在这些系统中，重要信号通过互联网或移动网络传输到医院。这些系统的主要缺点是PC或PDA的成本，可访问性以及在PC关闭时发送数据时可能出现的延迟以及老年人使用PC的困难。同时，一些现有系统通过模拟无线电链路将信号发送到基站，这使得信号在模拟无线电传输期间易受降级/黑客攻击[7].

在本文中，我们提出了一个无线传感器网络，其中一组传感器监视和传输医疗信号，传感器适合特定条件。在这种情况下，我们观察患有心脏病发作且被认为有再次发作的风险的患者。该患者将配备心电图（ECG）传感器，监测心脏活动、心率等。此外，患者被认为是网络的节点，医院被认为是中心节点或接收器。此外，德州仪器的SimpliciTI无线通信协议[8] 用于建立简单的无线传感器网络，其中所有传感器将采样的ECG信号发送到位于患者家中的无线接入点。然后将这些节点连接到安装在医院中的中心节点。然后，临床医生能够监测患者的病情，检测任何异常情况，并采取适当的措施（例如，联系患者以提供一些建议或联系救护车到他们的家中）。该系统对于希望过正常生活的患者以及热衷于密切监视患者但资源或空间有限的提供者具有特别的益处。在该系统中，PC不需要通过因特网连接传输数据。服务质量（QoS）与在没有PC的情况下大致相同，但成本显着降低，易用性提高。

用于监测生理信号的无线传感器网络具有广泛的研究领域，包括简化ECG记录过程，促进数据传输的通信协议，接收数据的分析以及低功率网络的新领域。Gao et al.[9] 在紧急情况下提出无线医疗传感器网络，通过802.15.4标准捕获生命信号并将其传输到PDA或笔记本电脑以进行检查，然后使用传统的手持无线电和纸质表格来传递信息。Fensli和Gunnarson在文献[10]中提出了一种将ECG信号记录到PDA中的方法。然后，PDA使用通用分组无线电服务（GPRS）移动网络将接收的数据发送到远程位置。文献[11]提出了一种手动2分钟心电记录系统。系统使用电话线将捕获的数据发送到远程接收站。Jun等人在文献[12] 中提出关于ECG检测器和PC之间的蓝牙数据传输的想法。但是，没有提供实际结果。同样的，文献[13] 提出在线/离线系统以分析ECG信号，但没有提供设计细节。进一步，文献[14] 据报道，服装嵌入式监控系统的遥测范围可扩展至轴距18厘米。在本文中，拟议系统与现有系统之间的主要目标和差异以及之前解释的系统是：

• 与其他系统不同，不需要将PC作为接入点;在该系统中，PC不需要接收和重新发送数据监控
• 消除用户对系统的配置；
• 为每个用户分配IP地址，并在所有用户和服务器之间为自动传输控制协议/基于Internet协议（IP）的连接分配 - 这为系统提供了多用户功能；
• 大幅降低成本;
• 便于使用;
• 易于配置，这意味着它可以与新的附加功能相匹配。

本文的其余部分安排如下。第二节解释了我们设计的系统模型。在第三节，解释了患者家中所需的组件，其包括无线患者便携式单元（WPPU）和无线接入点单元（WAPU）。第四节描述了医院端软件的体系结构。最后，表现评估和结论分别在第五节和第六节中提出。

系统模型

我们考虑如下所示的监控系统场景图（1），系统中有两个主要部分。第一部分是患者家中，其中ECG信号被检测，放大，数字化并被分配在在一些短分组中--我们称之为无线分组--通过无线信道发送到接入点。然后接入点为每个数据包分配一个数字，并将它们全部合并在一起，并通过互联网将它们发送到医院（这是系统的下一部分）。在医院部分，接收信号并准备临床医生解释。患者家庭通过互联网连接到医院。

患者家庭

患者家中的模块显示在图（1），每个模块由ECG传感器，无线患者便携单元（WPPU）和无线接入点单元（WAPU）组成。WPPU与患者一起持有，WAPU连接到互联网路由器。可以看出，WPPU从连接到患者胸部的ECG传感器收集生理信号。这些传感器通过一组非常轻的电缆连接到WPPU。WPPU然后通过基于Texas Instruments SimpliciTI无线通信协议的对等无线网络连接，将收集的生理信号无线传输到WAPU[8]。

1. 无线患者便携单元（WPPU）

WPPU框图如图（2）所示。它由两个主要部分组成：1）ECG放大器和噪声消除（ECGA和NC）电路和2）RF网络端设备板，它是eZ430-RF2500板[15]。 eZ430-RF2500包括微控制器和德州仪器（TI）的低功耗无线无线电收发器。第四节解释了上述两个部分以及微控制器内的固件结构。

1. ECG放大器和噪声消除电路（ECGA和NC）：传感器捕获的ECG信号具有大约峰-峰值1 mV的幅度[16].结果需要将这些信号放大到至少峰-峰值1V ，使它们对采样有用。为了实现这一点，需要设计具有大约一千的放大增益的电路。图2中的第一个模块说明了ECG放大器和噪声消除电路（ECGA和NC）。该电路的细节可以在文献[17]中得到。 ECGA和NC电路的核心是德州仪器的INA2322集成电路（IC）[18] 和微功率单电源互补金属氧化物半导体（CMOS）仪表放大器，具有非常有利的60 dB CMRR。在为ECGA和NC电路设计印刷电路板（PCB）时，使用微小的表面贴装元件，以最大限度地降低噪声和电流消耗。该电路板还包括两个CMOS四路运算放大器封装的几个运算放大器，以及多个电阻器和电容器。来自传感器的差分信号由INA2322有芯电路放大，同时抑制几乎所有的共模噪声。INA2322还配置了高通反馈滤波器，可动态校正可能随时间发生的任何直流偏移。其输出连接到最终运算放大器，进一步放大信号并充当低通滤波器。该板上信号的总增益可以配置在500到1000的范围内。
2. RF网络终端设备板：放大和过滤ECG信号后，应将它们数字化，以便由数字系统读取。为此，德州仪器（TI）的 商 用 eZ430-RF2500 目 标 板 用 作 “ RF 网 络 终 端 设备 ”。eZ430 具有内部 MSP430F2274 微控制器芯片组 [19]。 RF2500是指具有CC2500芯片组的低功耗2.4GHz无线收发器无线电[20]。 MSP430F2274微控制器具有200 kSam-ples/ s，10-b模数转换器（ADC），可对输入的模拟ECG信号进行数字化处理。在对ECG样本进行数字化和打包后，它会通过 CC2500 芯片组将所有数据包发送到接收端。MSP430F2274微控制器运行SimpliciTI网络协议，该协议使用CC2500芯片组控制数据包传输。
3. RF网络终端设备固件：图3介绍用于WPPU中EZ430-RF2500固件的流程图。在那里，设计该固件的三个主要任务如下。

心电信号采样：人体的神经传导速度可以以米或每秒数十米来测量。即使在很短的距离内，动作电位也会移动并需要几十到几百毫秒才能穿过。因此，ECG迹线的频率分量非常低。最有用的ECG信息介于0.05 Hz和150Hz之间[21]。如果我们假设150 Hz是要检测的频率的上限值，那么为了满足奈奎斯特准则，采样率必须是300 Hz。然而，统计分析显示在500和250个样本/秒的采样率下获得的结果之间没有显着差异[22]。然而，以125个样本/秒进行的记录显示出峰值幅度值的显着降低[22]。因此，我们假设可接受的采样率为200个样本/秒。

MSP430F2274微控制器内的10-b模数转换器（ADC10）用于采样ECG信号。在ADC10中断服务程序期间获取每个样本。因此，采样速率等于ADC10中断服务程序的调用，这可以通过配置ADC10控制寄存器来获得。如图3所示NEW-sample-semaphore（NSS）用于识别新保存的样本数。信号量是一种用于限制许多并发进程对共享资源的访问的技术。通过保存新的ECG样本，NSS在ADC10例程中断内递增。该信号量用于读取分组化和无线传输部分中的所有先前存储的样本。

分组和无线传输：一种轮询方法[17] 用于实现分组化和传输过程。这里，轮询是指反复检查NSS新样本的情况。具有10-b长度的每个样本位于2-B无线分组内。图4显示无线数据包的格式。无线数据包中每个字节的五个最低有效位（LSB）包含五个比特的样本。出于同步目的，每个字节中的第一个最高有效位（MSB）保持无线数据包中的字节顺序。该位显示10-b样本的最高或最低有效5位。无线分组的两个字节中的其他四个比特用于分组编号。引入该编号以便在无线传输期间检测任何分组丢失。然后将准备好的无线分组发送到CC2500芯片组，以通过无线链路进行传输。无线链路使用SimpliciTI[8] 网络协议，用于向接入点发送无线数据包。

SimpliciTI网络协议：SimpliciTI网络协议是专有的低功率射频（RF）协议，针对简单的小型RF网络100个节点）。SimpliciTI网络协议旨在以最小的微控制器资源轻松实现要求。SimpliciTI网络协议支持对等网络拓扑，其包括两个不同的“链接到”和“链接侦听器”结构。在我们的项目中，我们使用“无线患者便携式单元”中的链接到结构作为无线分组接收器中的“无线接入点单元”中的无线分组发送器和链路监听器结构。在第四节，我们将解释WAPU。

WPPU功耗：在此项目中，使用9 V碱性电池为便携式设备供电。例如，“Power one”牌电池（6 LR 61/9 v）[28] 典型容量为180 mAh。此外，开发的便携式设备具有4mA电流。因此，理论电池寿命等于45小时。然而，我们的实际测量结果表明，这个数字略小于理论值，约为38小时。此外，如果电池电量低于阈值，则安装蜂鸣器以提供声音警报。之后，用户必须更换电池。

1. 无线接入点单元（WAPU）

根据图1患者家中的第二部分是无线接入点单元。WAPU框图如图5所示。可以看出，WAPU包含两个主板：1）RF网络接入点（RFNAP）板和2）互联网 连接板（ICB），用于创

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