مقالات

انتقال پارامتر های حیاتی بیمار از طریق شبکه امن زیگبی (ZigBee )

نویسنده: اکبر اميني خناوندي، کارشناس مهندسي پزشکي

اندازه گیری و نمایش برخط پارامترهای حیاتی بیمار از اجزاء جدایی ناپذیر در مانیتورینگ سلامت بیمار با منابع محدود است. یکی از روش های جمع آوری و ارسال اطلاعات اندازه گیری شده در محیط های کارآمد درمانی، استفاده از شبکه حسگرهای بی سیم است.

در حضور منابع محدود و ضعیف، چه در بخش تجهیزات و چه در بخش کارمندان درمانی، استفاده از یک سیستم با قابلیت اطمینان بالا که توانایی بروز کردن وضعیت بیمار ضروری است. همچنین عملکرد صحیح در شرایط پیش بینی نشده را داشته باشد. در این مقاله، از دو بیوسنسور دما و ضربان سنج به منظور پایش وضعیت بیمار استفاده شده است.

مداری به عنوان کاندیشنر سیگنال و نرم افزار کاربردی طراحی شده است که وظیفه تبدیل پالس های نوک انگشت به واحد دقیقه برحسب ضربان را دارد و مداری به عنوان دریافت اطلاعات سنسور دمای غیر تماسی در نظر گرفته شده است که در نهایت این پارامترها به صورت دینامیک توسط لینک زیگبی به ایستگاه نمایش ارسال می شود.

تمامی تست های انجام شده در محیط هایی با ترافیک بالا (از نظر حضور انسان و سیگنال های RF) صورت پذیرفته و در نهایت نشان داده شده است که سیستم معرفی شده توانایی بهبود قابلیت اطمینان در محیط هایی با منابع محدود را داشته و پتانسیل گسترش در شرایط بحرانی را دارد.

در محیط های کلینیکی، تشخیص و درمان بیماران با استفاده از سنجش تعدادی از پارامترهای فیزیکی بصورت برخط انجام می شود. این پارامترهای اساسی شامل: نبض، دمای بدن، فشار خون، EGG و سطح اکسیژن خون است. شبکه های حسگر بیسیم که در یک گره در حال تبادل دیتا است، قابلیت اطمینان یک سیستم درمانی را بالا برده و عملکرد آن را کارآمدتر می کند.


در ابتدا یک ایستگاه اولیه که به عنوان روتر شناخته می شود وظیفه پشتیبانی برای اصلاح هرگونه خرابی در سیستم را بر عهده دارد. سپس کادر درمانی (پرستار و پزشک) وظیفه مراقبت از بیمار و بررسی شرایط بیمار با توجه به تشخیص و آزمایشات را بر عهده دارند.

علاوه بر این، تجهیزات در حیات بخشیدن به بیماران با استفاده از قابلیت های درمانی و هشدار دهندگی نقش اساسی می توانند ایفا کنند. به عنوان مثال، نمایش و مانیتورینگ یک باطری ضعیف توسط یک سنسور می تواند این هشدار را به کادر درمانی بدهد که زمان تعویض این باطری است. همان طور که در قسمت قبل اشاره شد مداری به منظور نمایش ضربان و دمای بدن (تب) طراحی و ساخته شده است که می تواند اطلاعات را توسط لینک زیگبی به واحد مانیتورینگ ارسال کرد.


در این مقاله به صورت مختصر توضیحاتی راجع به ارتباطات زیگبی داده خواهد شد و به مقایسه این شبکه با سایر شبکه های موجود خواهیم پرداخت. سپس راجع به مدار طراحی شده و نحوه ارسال داده ها از طریق شبکه حسگری بی سیم بحث خواهد شد. در بخش بعدی به نحوه انتقال پارامترهای حیاتی بیمار و نمایش برخط آن ها به صورت بی سیم اشاره می شود و در انتها با اشاره به فعالیت های مرتبط، با ذکر ملاحظات انجام شده به بیان نتایج خواهیم پرداخت.

 مروری بر پروتکل زیگبی(ZigBee)
این بخش به معرفی استاندارد زیگبی و کاربردهای مرتبط با آن خواهد پرداخت. در ضمن مختصری به مزایا و معایب این استاندارد و مقایسه با سایر روش های ارتباطی اشاره خواهد شد.
مطابق با استاندارد IEEE 802.15.4، زیگبی درسال ۱۹۹۸ معرفی و درسال ۲۰۰۳ استانداردسازی شد و در سال ۲۰۰۶ مورد بازبینی قرار گرفت. برقراری ارتباط بیسیم به صورت دیجیتال وبا مصرف توان پایین از اصلی ترین اهداف درطراحی ومعرفی این شبکه است. پروتکل زیگبی بر روی ۱۶ کانال اصلی ۲٫۴ GHZ (که به عنوان باند ISM معروف است) عمل می کند. این باند درسه بخش صنعتی (Industrial)، علمی (Scientific) و پزشکی (Medical) مورد استفاده قرار می گیرد.


زیگبی تنها شبکه بیسیم استاندارد شده است که به صورت کم مصرف و کم هزینه طراحی شده است و تقریباً قابلیت استفاده در هر بخشی را دارد. همچنین زیگبی توانایی شبکه کردن رنج وسیعی از دستگاه ها را با یکدیگر دارد و ما می توانیم این شبکه ها را در بخش های مختلف مانند محیط کار، خانه و بازی مورد استفاده قرار دهیم. پیمان زیگبی موسسه ای غیر انتفاعی است که شامل بیش از ۱۰۰ عضو در بخش های تجاری، دانشگاهی و دولتی در سراسر جهان است. هدف اصلی از این پیمان ساختن دستگاه هایی کم توان با استفاده از ماژول های زیگبی در کل دنیا است و اعضای پیمان دسترسی کامل به سخت افزار و مستندات این پروتکل به منظور توسعه را دارند.


این پروتکل به صورت گسترده در کاربردهایی که نیاز به استفاده طولانی مدت از باطری ها و همچنین مسافت های طولانی را دارد مورد استفاده قرار می گیرد. درضمن زیگبی با معرفی ماژول های ارزان قیمت و متنوع، پایه تحقیقات را برای محققان این حوزه فراهم کرده است. به طور کلی این پروتکل در کاربردهایی با قابلیت اطمینان بالا، توان مصرفی پایین، هزینه پایین توسعه و گسترش مورد استفاده واقع می شود.

 سایر شبکه های بی سیم
همان طور که در جدول شماره (۱) نشان داده شده است، زیگبی در بخش هایی که به فواصل طولانی تر و مصرف توان کمتر نیاز است مورد استفاده واقع می شود. ویژگی کاربردی دیگر زیگبی، انتقال اطلاعات از طریق سایر گروه های زیگبی به مقصد نهایی است. این مورد توسط راه اندازی گره Coordination جهت افزایش رنج شبکه زیگبی انجام می پذیرد.

جدول (۱) : مقایسه شبکه زیگبی با سایر شبکه های بی سیم

طراحی شبکه سنسوری از راه دور
شبکه پزشکی زیگبی مورد استفاده در این مقاله متشکل از یک سنسور دمای غیر تماسی و یک سنسور اندازه گیری ضربان قلب اپتیکی است که سیگنال های قلب را به صورت آنالوگ دریافت می کند. این سیگنال ها در گره Slave، نمونه برداری و توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال دلتاسیگما دیجیتال می شود و با استفاده از لینک RF به گره Master ارسال می شود.

در گره Master، سیگنال ارسال شده توسط USART به کامپیوتر ارسال شده و نمایش داده می شود. این روش که در شکل (۱) نمایش داده شده است به عنوان یک روش ارتباطی است که در آن گره Slave می تواند به بیمار متصل شود و گره Master در اتاقی دیگر به نام اتاق کنترل، واقع می شود.

شکل(۱): نمایشی از ارتباط بیسیم زیگبی

سنسور ضربان قلب اپتیکی:
زمانی که قلب عمل پمپاژ را انجام می دهد، خون را به صورت گردش در یک سیکل تکراری به حرکت در می آورد. با هر ضربان قلب، خون در امتداد سرخرگ ها، رگ ها و مویرگ ها جریان می یابد. با انقباض ماهیچه های قلب، فشاری در داخل سرخرگ ایجاد می شود که این انقباض باعث افزایش میزان خون موجود در رگ های نوک انگشت می شود.

در این حالت خون نور بیشتری را در مقایسه با سایر بافت های نوک انگشت جذب خواهد نمود. این تغییر در نور می تواند به صورت یک تغییر متناوب گویای تعداد ضربان در دقیقه باشد.

شکل (۲): سنسور اندازه گیری ضربان قلب

همانطور که در شکل شماره (۲) مشاهده می شود سیگنال توسط فوتو سنسور با سطح میکرو ولت آشکار سازی می شود و با اعمال گین ۱۰۰ در دو مرحله توسط آمپلی فایرها به گین ۱۰۰۰۰ می رسیم. فیلترهای میان گذر نمایش داده شده به منظور حذف DC و فرکانس های سایر ادوات مانند ۵۰ هرتز در نظر گرفته شده است.

بعد از کاندیشینگ سیگنال، آماده تبدیل به دیجیتال و ارسال به صورت بی سیم است. چنانچه بخواهیم سنسور ضربان قلب را آماده کنیم باید تجهیزات در نظر گرفته شده نسبت به نویز مصون بوده و همچنین راحتی و ایمنی را برای بیمار به ارمغان بیاورد. به منظور دریافت صحیح اطلاعات، این سنسور را به صورت فیزیکی به بیمار متصل می کنیم.  مدار نمایش داده شده در شکل شماره (۳)، بخش اصلی مدار داخلی سنسور ضربان قلب می باشد که به منظور حذف نویزهای ناخواسته در نظر گرفته شده است.

شکل(۳): مدار داخلی سنسور اندازه گیری ضربان قلب

به منظور تست عملکردی سنسور اپتیکی ضربان قلب، پالس خروجی را قبل و بعد از تقویت کننده بررسی کرده ایم. با استفاده از یک اسیلوسکوپ مطابق با شکل شماره (۴)، CH1 بر روی اسیلوسکوپ را به سیگنال ورودی قبل از آمپلی فایر داده می شود و سیگنال خروجی که بعد از تقویت کننده است به CH2 داده شده است.

همانطور که ملاحظه می شود سطح CH1 در حد میلی ولت بوده و سطح پیک CH2 برابر با حدود ۲٫۲ میلی ولت می باشد. سطح خروجی آمپلی فایر به گونه ای طراحی شده که از ۳ ولت بیشتر نباشد، چرا که سطوح بالاتر از ۳ ولت به ورودی ماژول زیگبی آسیب می رساند. پس از تست سیگنال، شرایط به منظور ارسال سیگنال پزشکی توسط ماژول زیگبی فراهم می شود.

شکل (۴): نمایش ورودی و خروجی تقویت کننده سنسور اندازه گیری ضربان

سنسور اندازه گیری دمای غیرتماسی:
به منظور اندازه گیری دما به روش غیرتماسی از سنسور های با تکنولوژی مادون قرمز استفاده می شود. MLX90614 یک سنسور مادون قرمز غیر تماسی است که به منظور اندازه گیری دمای اجسام مورد استفاده قرار می گیرد.

این سنسور توسط کمپانی Melexis معرفی و ارائه شده است و کلیه مدارات مربوط به بخش مادون قرمز و کاندیشینگ به صورت مجتمع در داخل یک پکیج واقع شده اند. این پکیج مشتمل بر واحدهای آمپلی فایر کم نویز (LNA)، مبدل آنالوگ به دیجیتال ۱۷ بیتی و DSP قدرتمند است که در مجموع یک سیستم ترمومتر با دقت بالا را پدید آورده است.


این ترمومتر دارای دو مد کاری در حالت های PWM و SMBUS است که خروجی آنها به صورت دیجیتال و در کارخانه سازنده کالیبره شده اند. رنج دمایی کالیبره شده برای دمای محیط ( که خود سنسور در آن واقع شده است) از °C 40- الی °C 125 و برای دمای اجسام از°C 70- تا °C 380 تنظیم شده است.


این سنسور دارای ۲ گرید کاری صنعتی و پزشکی می باشد که از نوع پزشکی برای اندازه گیری دمای بدن انسان استفاده می شود. با توجه به اینکه دمای بدن انسان در رنج محدودتری تغییر می کند، سنسورهای نوع پزشکی دارای دقت بهتر و در حدود °C2± است.

مدارات راه اندازی سنسور MLX90614 :
یکی از روش های رایج در اندازه گیری دمای بدن در گذشته، استفاده از ترمومترهای جیوه ای بود. این ترمومترها علاوه بر مشکلات زیست محیطی به علت استفاده از جیوه، دارای مشکلات بهداشتی نیز بودند. چرا که پس از استفاده توسط یک فرد، با همان شرایط قبلی افراد دیگر نیز استفاده می کردند که این موضوع می توانست باعث انتقال بسیاری از بیماری های مسری بشود.

با توجه به قوانین تصویب شده در وزارت بهداشت و بالا رفتن اطلاعات پزشکان و کادر درمانی، استفاده از ترمومترهای غیر تماسی رو به افزایش است.


در این بخش به معرفی سخت افزاری خواهیم پرداخت که صرفاً جهت استفاده در این مقوله طراحی و ساخته شده است. یکی از مشکلات اصلی در راه اندازی سنسورهای دمایی غیر تماسی، دریافت اطلاعات خروجی دیجیتال آن ها است. سنسور MLX90614 دارای خروجی دیجیتال I2C است. لذا در این پروژه با استفاده از میکروکنترلرهای ARM شرکت STM اقدام به اخذ اطلاعات مربوط به پارامترهای دمایی سنسور کرده و در نهایت با استفاده از لینک زیگبی این پارامترها به کامپیوتر Master ارسال شده است.

شکل شماره (۵): عملکرد سنسور دمایی غیر تماسی
شکل شماره (۶): برد میکروکنترلر آرم شرکت STM32 به همراه سنسور دمای MLX90614

شکل های شماره (۵) و (۶) شماتیکی از نحوه اتصالات و مدارات را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود هیچ گونه ارتباط الکتریکی و فیزیکی بین سخت افزار و بیمار وجود ندارد، لذا ایزولاسیون زمین نیز به طور کلی در این ساختار منتفی است.

به منظور حفظ انسجام داده های اخذ شده از روش میانگیری داده ها استفاده شده است. داده ها با نرخ۱۰ هرتز داده برداری شده و در انتهای هر ثانیه، داده های اخذ شده میانگیری می شود و سپس به خروجی ارسال می شود. این فرآیند علاوه بر بالا بردن دقت، باعث حفظ انسجام و قابلیت اطمینان کلی سیستم نیز می شود.

 طراحی پروتکل دیتا
به منظور اتصال سنسور به کامپیوتر، از شبکه زیگبی به عنوان حالت بهینه از نظر کیفیت و هزینه استفاده شده است. فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال در گره سنسوری انجام می شود و سپس اطلاعات موجود در گره سنسوری توسط لینک زیگبی به گره Master ارسال می شود. زمانی که گره Master اطلاعات را دریافت کرد، اطلاعات با استفاده از پورت سریال RS-232 به کامپیوتر ارسال می شود.


به منظور انتقال صحیح دیتا توسط لینک زیگبی، از پروتکل پایه با نام Basic RF استفاده شده است که این پروتکل توسط پیمان زیگبی پیشنهاد شده است. این پروتکل یک شبکه همتا را معرفی می نماید که در آن تمامی گره ها یکسان بوده و نیازی به تعریف گره های Coordinator و Gateway نیست. در این پروتکل ماکزیمم طول فریم خروجی برابر با ۱۰۳ بایت است.


همانطور که در بخش های قبلی اشاره شد، راه اندازی لینک زیگبی متشکل از ۳ قسمت اصلی است. و هر قسمت دارای روشی مخصوص برای تست خود است. به منظور تست بخش  ADC کافیست یک ولتاژ ثابت به ورودی ADC اعمال شود و خروجی متناظر به صورت دیجیتال اندازه گیری شده و ثبت شود. برای بخش بکارگیری زیگبی، از نرم افزار Smart RF Packet Sniffer به منظور تحلیل فریم های ارسالی مطابق با پروتکل Basic RF استفاده می شود.


بخش بعدی دارای اهمیت ویژه ی فاصله ارسال است، برای این منظور ۲ تست اصلی بصورت فضای بسته وفضای بازتعریف می شود. این رنج برای فضای بازحدود ۶۰۰ فوت و برای فضای بسته ۱۰۶ فوت است. همانطور که در شکل شماره (۷) نشان داده شده است، میزان PER ( packet error rate ) و حساسیت گرنده با استفاده از ماژول شرکت IT اندازه گیری شده است. میزان تقریبی  برابر صفر بوده و میزان حساسیت گیرندگی تا-۲۹ dbm  می رسد.

شکل شماره(۷): تست سیگنال دریافتی و PER

به منظور نمایش اطلاعات دریافت شده در گره Master از نرم افزار هایپر ترمینال ویندوز استفاده شده تا بتوان صحت داده های ارسالی ADC را مشاهده نمود. داده های ارسال شده علاوه بر مقدار ADC دارای یک تگ و کاراکتر جدا کننده است. ( مانند؛ ۰۷۵؛ عدد ۷۵ مقدار ADC بوده و سمی کالن جداکننده است).

 مانیتورینگ داده ها
برای نمایش داده ها از رابط گرافیکی Netbeans استفاده شده است. سنسور ضربان قلب دارای یک گراف لحظه ای و یک مقدار متوسط ضربان در یک دقیقه می باشد که میزان BPM برای یک فرد سالم از bpm55 تا ۱۰۰ است.


به منظور مانیتورینگ دمای بدن، نرم افزاری به صورت ویژوال طراحی شده که به صورت لحظه ای دمای بدن رانمایش می دهد. دمای بدن در حالت طبیعی ۳۷ درجه سلسیوس است که با بالا رفتن دمای بدن، این نرم افزار به صورت هوشمند هشدارهای لازم را به کاربر اعلام می نماید. شکل شماره (۸) این دو نرم افزار را در کنار یکدیگر به نمایش گذاشته است.

شکل (۸): برنامه نمایش اطلاعات ارسالی
شکل شماره (۹): سنسور ضربان قلب با ابعاد کوچک

نتیجه گیری
شبکه های زیگبی توانسته اند بسیاری از ابعاد و مشکلات کادر درمانی را بهبود دهند. اگرچه در این مقاله به بررسی عملکرد سنسورهای ضربان قلب و دما پرداختیم ولی فضا برای تحقیق بر روی سایر سنسورهای پزشکی باز است.

به منظور استفاده بهینه از سنسورهای ضربان و کاهش نویز می توان از سنسورهای با ابعاد کوچک تر و وزن کمتر استفاده کرد. همانطور که در شکل (۹) نشان داده شده است، این سنسورها علاوه بر ابعاد کوچکتر، دارای راحتی بیشتر برای بیماران نیز هست.


در این مقاله نشان داده شد که چطور می توان پارامترهای حیاتی بیمار را از طریق ارتباطات بی سیم در بخش های مختلف اندازه گیری و تحلیل نمود. پایش وضعیت بیمار در شرایط قبل از اعمال جراحی حساس دارای اهمیت بسیاری است لذا با استفاده از تکنیک های بی سیم و دقیق می توان بیمار مد نظر را برای مدت طولانی در بخش های مختلف درمانی مورد بررسی قرار داد و از نتیجه این تحلیل ها در فعالیت های بعدی درمانی مانند جراحی, تجویز دارو, آزمایش و… استفاده کرد.


از جمله سنسورهای دیگری که می تواند در تکمیل این مقاله مورد مطالعه واقع شود، ECG است. این سنسورها می توانند با استفاده از الکترودهایی انقباض رگ ها را حس کرده و یک مانیتورینگ قلبی را برای کادر درمانی فراهم نمایند. با استفاده از مانیتورینگ قلبی، کادر درمانی می تواند ضربان قلب را آنالیز نموده و در صورت وجود هرگونه بی نظمی در ضربان قلب آن را به سادگی شناسایی نمایند.

منابع مقاله

[۱] ZigBee Alliance, “Zigbee smart energy profile specification,” Zigbee Doc.
075356r16ZB, rev 16, 2011.
[2] J. Li and Y. Hu, “Design of zigbee network based on cc2530,” Electronic
Design Engineering, vol. 19, no. 16, pp. 108–۱۱۱, ۲۰۱۱٫
[۳] K. Navya and M. Murthy, “A zigbee based patient health monitoring
system,” Int. Journal of Engineering Research and Applications, vol. 3,
no. 5, 2013.
[4] A. Dinh and T. Wang, “Bandage-size non-ecg heart rate monitor using
zigbee wireless link,” in Bioinformatics and Biomedical Technology
(ICBBT), 2010 International Conference on. IEEE, 2010, pp. 160–۱۶۳٫
[۵] J.-H. Huang, T.-T. Wang, T.-Y. Su, K.-C. Lan, and P. Raknim, “Experiences
from deploying a heart rate monitoring system in a senior center,”
in ICT Convergence (ICTC), 2013 International Conference on, Oct 2013,
pp. 383–۳۸۸٫
[۶] S. Banerjee and A. Misra, “Energy efficient reliable communication for
multi-hop wireless networks,” Journal of Wireless Networks (WINET),
2004.
[7] Purnima, N. Rout, R. Tiwary, and R. Bhandari, “Zigbee and gsm based
patient health monitoring system,” International Journal of Advanced
Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering
(IJAREEIE), vol. 3, no. 1, pp. 6664–۶۶۶۹, ۲۰۱۴٫

نمایش بیشتر

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا
adipiscing id ipsum et, neque. Sed in risus. dictum
بستن
بستن

adblock را غیر فعال کنید

سیستم زوم طب روشی را برای دور زدن تبلیغات در سیستم شما یافته است جهت حمایت از ما از استفاده از آن صرف نطر کنید