基于无线传感器网络的脉搏波形采集和辅助诊断系统
2022-06-08
摘 要：在分析了现有脉搏信号测量技术及其处理方法的基础上，设计了一种新型的脉搏波形采集与辅助诊断系统。该系统采用PVDF压电膜脉搏传感器检测人体脉搏信号，并以基于无线传感器网络的ZigBee射频芯片CC2430作为脉搏信号采集与无线传输模块，以脉搏波波形特征量K值作为反应脉搏波与生理因素相关信息的算法，然后以BlackFin533处理器为核心，通过其SPI接口与无线传输模块进行数据通信并完成相关算法。从而实现了脉搏信号的采集与无线传输，脉搏波形的实时显示和辅助诊断等功能。
关键词：无线传感器网络；ZigBee；脉搏传感器；K值；BlackFin533
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-04
0 引 言
进入21世纪以来，人们越来越需要随时随地方便地了解自身的健康状况，而脉搏是反映人体循环系统功能的重要生理参数，尤其与心血管疾病密切相关，对脉搏波进行准确测量，便于对人体生理健康状况的变化趋势做到早了解、早诊断，从而进行早防御、早治疗，因此建立一套使用方便、操作简单的脉搏监测系统十分必要。
本文研究基于ZigBee的无线传感器网络技术的脉搏波形监测与辅助诊断系统， 其具有普通温度计那样简单的操作，像手表那样携带方便，友好的用户显示界面等特点。主要针对患有心脏或循环系统疾病并处于危险状态的病人或患有慢性病的病人以及老年人，甚至需要经常在不去医院的情况下检测这些健康指标的群体。本系统可通过按键采集实时数据并显示健康信息，以便使用者了解脉搏状况及自己的生理健康状态，不仅可以实现个人的实时监测，还可以实现诸如医院、养老院中多人的同时检测。在人们越来越关心自己健康状况的社会中具有广阔的实际应用价值和市场前景。
1 概述
1.1 系统方案
本系统主要分为脉搏信号测试节点、BlackFin处理器辅助诊断以及无线传感器组网测试三个部分。在发送端，利用灵敏度高、抗干扰性强的PVDF压电膜传感器检测人体脉搏信号，并设计巴特沃兹二阶低通滤波器对传感器的输出信号进行滤波。再将滤波后的信号送入具有ZigBee射频功能的CC2430片上SoC系统，最后通过射频传输脉搏波形信号至接收端。
在接收端接收脉搏波形信号，通过以脉搏波波图面积变化为基础的脉搏波波形特征量K值提取脉搏波的波形特征与生理因素的关系。利用BF处理器进行辅助诊断系统的界面设计以及功能实现。根据ZigBee技术特点可灵活地组建无线传感器网络，其中，一个处理终端能同时处理最多达255个客户健康状态信息。图1展示了整个系统的总体结构框图。
图1 总体设计方案
1.2 功能与指标
可以通过SSK-BF533端进行用户切换，本系统可供多达255个用户同时使用，且为无损探测脉搏信号。每个发送端能像手表一样带在用户手上用以方便地检测人体脉搏信号，同时采集的信号必须防止失真，并利用ZigBee无线传感器网络传输至接收端。每个发送端采用纽扣电池供电，并要求功耗低，小巧方便。在接收端能进行脉搏波信号分析与处理得到用户的脉搏频率、辅助诊断结果等信息。
通信接口ZigBee的传输距离为100 m，采用2.4 GHz全球免费频段，最大传输速度可达250 Kb/s。
2 系统实现原理
2.1 脉搏信号的波形特征
脉诊所得脉象的各种信息可用仪器放在切脉部位的皮肤上，以不同的压力取法画出脉象曲线，这种脉象曲线称为脉象图（或简称脉图）。脉图是实现脉诊客观化的一项重要指标。脉图曲线由数个波构成，各波的变化都代表其一定的生理和病理意义。典型脉图如图2所示。
图2 脉图特征点示意图
当心脏收缩后，血液快速射入动脉，使动脉容积扩大，压力增高，形成脉图曲线的上升支（AB段）。上升速度与波幅的高低受心脏搏出量、射血速度、动脉阻力与弹性的影响。心脏输出血量少，动脉阻力大则升支上升速度慢、波幅小。反之则上升速度快，波幅大。心脏收缩后期，心脏排出血量明显减少，动脉压力下降，动脉弹性回缩，脉象曲线下降，形成降支（BG段）中的速降段。当心脏开始舒张，主动脉瓣关闭，动脉中的血液向心室方向回流，脉象曲线急剧下降，于降支中出现切迹，形成降中峡（E点），由于动脉中回流的血液受到关闭的主动脉瓣的阻挡，血液被反折回来，于切迹之后又出现了1个上升的小波，即重搏波（F点）。因动脉的弹性回缩，血液继续向外周流去而形成降支的缓降段。降支的形状受外周血管状态的影响较大，若外周血管扩张，阻力降低，则降支速度较快，切迹位置较低。切迹后的下降坡度较低，反之则下降速度慢，切迹位置高，切迹后的下降坡度较陡。升支和降支构成主波，B点为主波波峰。其中，点A、G是主动脉脉瓣开放点，也称为始射点。C是脉搏信号潮波前谷，D是脉搏信号的潮波 （重搏前波）。
2.2 脉搏波波形特征量K值的提取
由脉搏波的产生与传播机理可知，随着血管阻力和动脉弹性等生理变化，脉搏波波形特征变化会反映在脉搏波波形面积的变化上，为了能用一个简洁的特征量来描述上述变化，北京工业大学罗志昌教授提出了以脉图面积变化为基础的脉搏波波形特征量K值，其定义见式（1）：
（1）
式中：为平均脉动电压，它等于一个心动周期T中，脉搏压力P（t）的平均值；Ps、Pd分别为收缩压和舒张压，如图3 所示。K值的大小仅决定于脉搏波的脉图面积，它和收缩压Ps与舒张压Pd的绝对值无关， 是一个无量纲值，它相当于脉搏波压力脉动分量的平均值（Pm-Pd）在脉动分量最大值（Ps-Pd）中所占的百分比。不同生理病理状态下脉图波形和面积都会有很大变化，这个变化可用K值来表示。罗志昌等人从20世纪80年代中期开始， 通过动物实验、临床实测和数学模型计算的研究表明，随年龄增加或高血压血管硬化的发展， 血管阻力增加，脉搏波形由陡直形逐渐发展为馒头形，弦脉程度增加，特征量K值也相应变化增加，其值一般在0. 35 ～0. 5之间变化。同时，罗志昌等人得出了K值和脉搏波波形特征的关系以及所代表的生理病理意义。根据其临床研究表明，K值的确能代表人体心血管系统中最为重要的一些生理参数如血管外周阻力、血管壁弹性和血液黏度等的变化。而且由于特征信息减少到只有一个特征量，简单易记，生理意义明确，变化很有规律，临床医生易于接受，可作为心血管临床检查的重要生理指标，有重要的医学应用价值。
关键词：无线传感器网络；ZigBee；脉搏传感器；K值；BlackFin533
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-04
0 引 言
进入21世纪以来，人们越来越需要随时随地方便地了解自身的健康状况，而脉搏是反映人体循环系统功能的重要生理参数，尤其与心血管疾病密切相关，对脉搏波进行准确测量，便于对人体生理健康状况的变化趋势做到早了解、早诊断，从而进行早防御、早治疗，因此建立一套使用方便、操作简单的脉搏监测系统十分必要。
本文研究基于ZigBee的无线传感器网络技术的脉搏波形监测与辅助诊断系统， 其具有普通温度计那样简单的操作，像手表那样携带方便，友好的用户显示界面等特点。主要针对患有心脏或循环系统疾病并处于危险状态的病人或患有慢性病的病人以及老年人，甚至需要经常在不去医院的情况下检测这些健康指标的群体。本系统可通过按键采集实时数据并显示健康信息，以便使用者了解脉搏状况及自己的生理健康状态，不仅可以实现个人的实时监测，还可以实现诸如医院、养老院中多人的同时检测。在人们越来越关心自己健康状况的社会中具有广阔的实际应用价值和市场前景。
1 概述
1.1 系统方案
本系统主要分为脉搏信号测试节点、BlackFin处理器辅助诊断以及无线传感器组网测试三个部分。在发送端，利用灵敏度高、抗干扰性强的PVDF压电膜传感器检测人体脉搏信号，并设计巴特沃兹二阶低通滤波器对传感器的输出信号进行滤波。再将滤波后的信号送入具有ZigBee射频功能的CC2430片上SoC系统，最后通过射频传输脉搏波形信号至接收端。
在接收端接收脉搏波形信号，通过以脉搏波波图面积变化为基础的脉搏波波形特征量K值提取脉搏波的波形特征与生理因素的关系。利用BF处理器进行辅助诊断系统的界面设计以及功能实现。根据ZigBee技术特点可灵活地组建无线传感器网络，其中，一个处理终端能同时处理最多达255个客户健康状态信息。图1展示了整个系统的总体结构框图。
图1 总体设计方案
1.2 功能与指标
可以通过SSK-BF533端进行用户切换，本系统可供多达255个用户同时使用，且为无损探测脉搏信号。每个发送端能像手表一样带在用户手上用以方便地检测人体脉搏信号，同时采集的信号必须防止失真，并利用ZigBee无线传感器网络传输至接收端。每个发送端采用纽扣电池供电，并要求功耗低，小巧方便。在接收端能进行脉搏波信号分析与处理得到用户的脉搏频率、辅助诊断结果等信息。
通信接口ZigBee的传输距离为100 m，采用2.4 GHz全球免费频段，最大传输速度可达250 Kb/s。
2 系统实现原理
2.1 脉搏信号的波形特征
脉诊所得脉象的各种信息可用仪器放在切脉部位的皮肤上，以不同的压力取法画出脉象曲线，这种脉象曲线称为脉象图（或简称脉图）。脉图是实现脉诊客观化的一项重要指标。脉图曲线由数个波构成，各波的变化都代表其一定的生理和病理意义。典型脉图如图2所示。
图2 脉图特征点示意图
当心脏收缩后，血液快速射入动脉，使动脉容积扩大，压力增高，形成脉图曲线的上升支（AB段）。上升速度与波幅的高低受心脏搏出量、射血速度、动脉阻力与弹性的影响。心脏输出血量少，动脉阻力大则升支上升速度慢、波幅小。反之则上升速度快，波幅大。心脏收缩后期，心脏排出血量明显减少，动脉压力下降，动脉弹性回缩，脉象曲线下降，形成降支（BG段）中的速降段。当心脏开始舒张，主动脉瓣关闭，动脉中的血液向心室方向回流，脉象曲线急剧下降，于降支中出现切迹，形成降中峡（E点），由于动脉中回流的血液受到关闭的主动脉瓣的阻挡，血液被反折回来，于切迹之后又出现了1个上升的小波，即重搏波（F点）。因动脉的弹性回缩，血液继续向外周流去而形成降支的缓降段。降支的形状受外周血管状态的影响较大，若外周血管扩张，阻力降低，则降支速度较快，切迹位置较低。切迹后的下降坡度较低，反之则下降速度慢，切迹位置高，切迹后的下降坡度较陡。升支和降支构成主波，B点为主波波峰。其中，点A、G是主动脉脉瓣开放点，也称为始射点。C是脉搏信号潮波前谷，D是脉搏信号的潮波 （重搏前波）。
2.2 脉搏波波形特征量K值的提取
由脉搏波的产生与传播机理可知，随着血管阻力和动脉弹性等生理变化，脉搏波波形特征变化会反映在脉搏波波形面积的变化上，为了能用一个简洁的特征量来描述上述变化，北京工业大学罗志昌教授提出了以脉图面积变化为基础的脉搏波波形特征量K值，其定义见式（1）：
（1）
式中：为平均脉动电压，它等于一个心动周期T中，脉搏压力P（t）的平均值；Ps、Pd分别为收缩压和舒张压，如图3 所示。K值的大小仅决定于脉搏波的脉图面积，它和收缩压Ps与舒张压Pd的绝对值无关， 是一个无量纲值，它相当于脉搏波压力脉动分量的平均值（Pm-Pd）在脉动分量最大值（Ps-Pd）中所占的百分比。不同生理病理状态下脉图波形和面积都会有很大变化，这个变化可用K值来表示。罗志昌等人从20世纪80年代中期开始， 通过动物实验、临床实测和数学模型计算的研究表明，随年龄增加或高血压血管硬化的发展， 血管阻力增加，脉搏波形由陡直形逐渐发展为馒头形，弦脉程度增加，特征量K值也相应变化增加，其值一般在0. 35 ～0. 5之间变化。同时，罗志昌等人得出了K值和脉搏波波形特征的关系以及所代表的生理病理意义。根据其临床研究表明，K值的确能代表人体心血管系统中最为重要的一些生理参数如血管外周阻力、血管壁弹性和血液黏度等的变化。而且由于特征信息减少到只有一个特征量，简单易记，生理意义明确，变化很有规律，临床医生易于接受，可作为心血管临床检查的重要生理指标，有重要的医学应用价值。