專(zhuān)門(mén)針對(duì)高壓氧艙內(nèi)生命體征多參數(shù)監(jiān)測(cè)及健康監(jiān)護(hù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，提出了一種基于IEEE802．15．4協(xié)議的無(wú)線傳感檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)解決方案，闡述了無(wú)線傳感檢測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及主控制節(jié)點(diǎn)與生命體征參數(shù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方法，給出了軟件系統(tǒng)架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)流程及監(jiān)護(hù)軟件工作界面，對(duì)MAC層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)時(shí)問(wèn)同步策略進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)樣機(jī)已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段，文中還給出了患者的臨床檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與實(shí)用的進(jìn)口監(jiān)護(hù)設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了臨床應(yīng)用的可行性。

　　隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和傳感器等技術(shù)發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)和方式將發(fā)生根本變化。高壓氧艙已廣泛應(yīng)用于臨床疾病救治，艙內(nèi)生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是高壓氧治療過(guò)程中對(duì)危重病員進(jìn)行生理指標(biāo)監(jiān)護(hù)的重要設(shè)備。由于高壓氧艙內(nèi)的特殊環(huán)境，現(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)艙內(nèi)病人的心電、血壓、呼吸、脈搏及血氧飽和度等參數(shù)的監(jiān)護(hù)存在局限性，主要表現(xiàn)在：①多個(gè)傳感器通過(guò)有線的方式和處理器相連接；②獨(dú)立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合；③不支持信號(hào)的持續(xù)采集和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理；④分別的監(jiān)護(hù)設(shè)備間無(wú)法共享無(wú)線通信資源。研制一種基于無(wú)線傳感技術(shù)的可穿戴式多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備，可更好地適應(yīng)高壓氧艙特殊環(huán)境和臨床救治的需要。該監(jiān)護(hù)儀要求心電、血壓、血氧飽和度、脈搏、呼吸、體溫檢測(cè)等電路模塊采用超低功耗器件，并結(jié)合硬、軟件省電設(shè)計(jì)，使氧艙內(nèi)監(jiān)護(hù)終端可采用電池供電；信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后，一方面在艙內(nèi)監(jiān)護(hù)終端（子機(jī)）上顯示，并通過(guò)Zigbee等無(wú)線傳輸技術(shù)將采集信號(hào)送入艙外中央監(jiān)護(hù)PC終端（主機(jī)）上，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外同步監(jiān)測(cè)。

　　1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

　　小封裝、低功耗、無(wú)線通信、安全性和互操作是醫(yī)療可穿戴式監(jiān)護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)的基本要求。本文所設(shè)計(jì)的生命特征監(jiān)護(hù)設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)PC主機(jī)、艙外主節(jié)點(diǎn)（coor—dinatornode）和艙內(nèi)的多參數(shù)采集傳感器子節(jié)點(diǎn)（sensornodes）等三個(gè)部分組成，主節(jié)點(diǎn)和各子節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)IEEE802．15．4無(wú)線通信協(xié)議構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠的星型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

　　主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)高壓氧艙內(nèi)各無(wú)線醫(yī)療傳感器子節(jié)點(diǎn)與艙外監(jiān)護(hù)主機(jī)PC之間的數(shù)據(jù)通信，提供透明的通信接口。無(wú)線通信接口主要功能包括網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)管理兩個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)配置階段主要完成傳感器節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)和初始化，以確定傳感器節(jié)點(diǎn)的歸屬、數(shù)量和采樣頻率等。網(wǎng)絡(luò)配置完成后，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理，包括信道共享、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)融合與處理等。子節(jié)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)心電、血壓、呼吸、血氧、體溫等生理信號(hào)的采集、檢測(cè)和監(jiān)護(hù)，并通過(guò)無(wú)線接口向主節(jié)點(diǎn)傳輸，進(jìn)而由監(jiān)護(hù)主機(jī)存儲(chǔ)、處理采集數(shù)據(jù)，主機(jī)可按監(jiān)護(hù)要求進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和異常狀態(tài)告警。

　　1．1主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　主控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它通過(guò)串口與PC主機(jī)交互數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線模塊與艙內(nèi)子節(jié)點(diǎn)通信，同時(shí)管理和協(xié)調(diào)艙內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序和同步。其中，微處理器用TI公司超低功耗的MSP430F149，無(wú)線通信模塊選用Chipcon公司的2．4GHz頻段射頻低功耗接口芯片CC2420，電源模塊采用DC/DC電源變換模式。MSP430微控制器在16bitRISC核的基礎(chǔ)上集成了RAM和閃存，同時(shí)集成了8路A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳輸速度可編程的串口模塊和一個(gè)靈活的時(shí)鐘子系統(tǒng)，支持多種低功耗操作模式。CC2420芯片與IEEE802．15．4協(xié)議兼容，最大數(shù)據(jù)數(shù)率250Kbit/s，可編程控制輸出功率，并支持錯(cuò)誤校正和加密。MSP430可通過(guò)SPI接口和中斷數(shù)字I/O線對(duì)CC2420進(jìn)行控制，如圖3所示。

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　　1．2子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器子節(jié)點(diǎn)的組成框圖如圖4所示，包含電源模塊、心電與呼吸監(jiān)測(cè)模塊、血壓監(jiān)測(cè)模塊、血氧飽和度與脈搏監(jiān)測(cè)模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)、微處理器模塊、輸入與LCD顯示模塊等8個(gè)子模塊，主要執(zhí)行生命體征參數(shù)的采集、放大、濾波和無(wú)線傳輸，無(wú)線傳輸前，子節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、特征提取等信號(hào)預(yù)處理。

　　心電檢測(cè)采用三電極胸部檢測(cè)方法，選用具有高輸入阻抗、低噪聲、低漂移精密運(yùn)算放大器AD620作為第一級(jí)放大器，并與呼吸檢測(cè)電路共用。心電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后，一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用于心電波形顯示；另一路信號(hào)送人一個(gè)中心頻率為9～18Hz的低Q值帶通濾波器，提取R波并抑制部分干擾，經(jīng)波形變換后可獲取心率信號(hào)。

　　呼吸檢測(cè)選用阻抗法，為了降低電極接觸阻抗對(duì)檢測(cè)結(jié)果所產(chǎn)生的干擾，通常選擇雙電極阻抗法，用控制器MSP430集成的PWM產(chǎn)生兩路相差半個(gè)周期的62．5kHz方波對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波后可獲取呼吸信號(hào)。

　　血壓檢測(cè)采用無(wú)創(chuàng)袖套間接方式，可同時(shí)檢測(cè)收縮壓（SP）、平均壓（MP）、舒張壓（DP）3個(gè)血壓指標(biāo)，其測(cè)量范圍為0～250mmHg（0～33．33kPa）。

　　血氧飽和度檢測(cè)采用指端脈搏光電檢測(cè)法。根據(jù)朗伯一比爾定律（Lambert-BeerSlaw），單色光透過(guò)均勻溶液后的透射光強(qiáng)與溶液參數(shù)有關(guān)。還原血紅蛋白與氧結(jié)合后，對(duì)某一波長(zhǎng)色光的吸光系數(shù)將發(fā)生很大變化。因此，在入射光強(qiáng)度不變的情況下，透射光強(qiáng)度的變化反映了血氧飽和度的變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們利用MSP430的時(shí)鐘控制端口產(chǎn)生邏輯時(shí)序控制紅光和紅外光二極管工作，通過(guò)檢測(cè)透射光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)血氧飽和度的測(cè)量。體溫測(cè)量采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的高精度集成溫度傳感器DS1624，它具有分辨率高（可達(dá)0.03℃）、外圍電路簡(jiǎn)單、輸出直接為數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。

　　兩個(gè)微處理器模塊選用兩個(gè)MSP43OF149芯片，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)采集模塊和LCD顯示的控制；另一個(gè)用于無(wú)線通信模塊的控制，并與芯片CC2420組成一個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)。

　　另外，為了減少設(shè)備的體積和功耗，艙內(nèi)終端機(jī)采用單色超低工作電壓LCD屏，實(shí)時(shí)顯示心電、脈搏等生理參數(shù)波形。終端設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，工作電壓為+3．3V。