2糖尿病和心脏数据采集的无线监测系统

糖尿病和心脏数据采集的无线监测系统摘要：远程医疗系统被描述为监测患者的生命体征和一般健康指标与心脏和糖尿病病症。从无线传感器和其他仪器的读数遥测被组合成完整的病人健康数据集。该数据可以被存储，访问和使用移动互联网通信与服务器显示。本文集中在数据采集过程中，使用替代传感器网络协议，蓝牙和手工数据输入到一个智能手机应用和HTML5的Web浏览器。引言远程医疗是字面上药物从远处是同义的一个电信网络的医疗信息的传输。这种系统的基本组成部分是，一个诊所服务器该数据传送到测量装置（例如，仪器或传感器），设备格式化读数的通信链路（例如，患者的智能手机或PC）和一个设备，以显示从服务器获得的数据（例如，临床医生智能电话或个人电脑）。由于该技术一直是一个活跃的研究领域至少二十多年，许多系统已经实施了研究和商业用途，我们UK-印度教育和研究计划（UKIERI）项目[1]有在此基础上的职权范围以前的工作与现有的移动电信网络。对于这个项目，远程医疗系统已经实施专门为提高英国和印度在心脏和糖尿病病症的监测;该系统的组件已经到位，技术试验正在进行临床试验将随之而来。本文重点介绍了项目的努力建立在文献中描述以前的工作，以改善心脏和糖尿病病症的监测。特别是，我们研究了可选的无线节点的组件，如何缓解数据采集的方法，并从标准仪器合并信息，以及如何使参与与标准HTML5网页浏览器。本文的其余部分的结构如下：第二部分详细介绍了一般的系统架构，第三节涉及病人无线节点和传输协议；第四节介绍如何使用智能手机中的应用程序和网络浏览器系统。系统架构在该项目中使用的系统结构如下的远程医疗系统的一般布置，并示于图1。病人监视系统包括所述无线医疗传感器节点，移动设备（智能手机）等医疗仪器无通信能力。通过Wi-Fi或3G互联网链接连接病人的智能手机到服务器和数据库的位置。其他用户可以访问使用网络浏览器的PC或智能手机上的医疗数据。用于存储病人测量服务器和数据库平台使用Apache服务器软件，PHP脚本和一个数据库系统。服务器和数据库都位于英国和可以容易地由项目伙伴在印度通过因特网链接进行访问。该系统的目的是从无线节点和标准仪器，获得读数，虽然许多测量，如温度，呼吸和心电图本身要获得电子的无创血糖测量程序，在很大程度上仍然是直接从血液样本。虽然一些血糖仪器具有无线功能，最不，血糖监测是一个很好的例子，有线仪器还需要在患者的监测系统。在我们的实现中，一个公司的触点超2[2]血糖仪是用于评价和允许病人只是读取仪表的显示和智能手机上的记录的值。传感器节点是由患者佩戴和设置多个奴隶与节点通信的发生通过无线收发器单主机访问。主节点也有类似的配置从节点，但有一个蓝牙收发器连接到智能手机的加入。由于蓝牙技术在所有这些移动设备是可用的，这部分的遥测链路主要是预定的。无线节点的身体区域网络（BAN）环节有了更多的选择，包括蓝牙，ZigBee和专有的协议。在目前的实现中，节点使用一个替代专有的北欧2.4GHz的低功耗和高数据速率的收发器，专为低功耗，电池寿命长等应用的嵌入式解决方案和医疗传感器[3]。它允许一个主节点和六个节点的星型网络沟通的奴隶。允许用户获取，存储，上传，下载和显示从病人和医疗数据服务器的位置，远程医疗应用的开发，对患者的智能手机。以及主节点通信的蓝牙，智能手机也有互联网接入的移动电话和Wi-Fi功能。操作系统也有类似的功能，一个基于Java的操作系统，其他类似的设备。Web浏览器在用户的PC或智能手机无法控制的蓝牙连接，但用户仍可以获得，上传，下载和使用该系统的网页显示医疗读数。无线传感器无线从属和主节点，除了除了主节点上的蓝牙收发器，共享电源，信号采集，微控制器和收发器北欧的共同设计。[6]从节点这些是由患者佩戴并使用有线链路连接到测量传感器。为了有助于延长节点的电池寿命，节点的微控制器单元（MCU）是德州仪器的超低功耗MSP430F2618E混合信号器件[4]，一个16MHz的16位RISC设备与12位ADC，四通用串行通信接口（USCI）和直接存储器存取（DMA）控制器。三个从节点已经开发分别测量心电，体温和呼吸。第四个节点，获得了患者的手腕脉搏分析的信号，目前正在开发和使用无创的压力传感器来测量压力在两个手腕的桡动脉以获得适合于印度的阿育吠陀系统健康状况的诊断数据[5]。换能器的信号通过一个模拟信号调理阶段采取，然后到MCU的ADC。MCU的DMA设施允许数据的存储器地址之间的快速传输，这是用在数字滤波级。ADC输出进行滤波的数字滤波器和格式化通过串行外设接口（SPI）链路发送到北欧收发值。北欧收发器发送数据无线传输到主节点。[7]主节点主节点也由患者佩戴并具有相同的设计为从由蓝牙收发器，用于智能手机通信相距节点。主北欧收发器监听来自从属节点传入的数据，因为每个从站由主站轮询。输入的数据是从一个USCI端口北欧收发由MCU读和格式化的数据被发送到蓝牙收发器的第二USCI端口。蓝牙收发器是KC无线KC-21装置[1]支持蓝牙串行端口配置文件（SPP）和调制解调器驱动，（注意）从MCU指令[2]。一旦主节点的蓝牙配对与患者的智能手机，智能手机开始通过打开的虚拟串口节点和通信可以开始连接[8]节点网络收发器在一个合适的BAN收发机的选择的两个重要的考虑是物理尺寸和节点的电池寿命。北欧收发器被发现，因为他们工作在ISM国际2.4GHz频段，这是针对这类应用的共同选项是特别适合在这些方面。可使用小天线，可以使整个单元待建一种适于放置在主体上的实际尺寸来实现操作在该频带。可佩戴节点的一个明显的特点是，该天线将在靠近病人，许多研究的主体，包括[8]和[9]，均显示节点之间的信号损失增加，因为天线越接近体内，由于通过身体周围的身体和路径损耗的吸收。为了减轻这些损失，一种选择是增加收发信机的输出功率在减少电池寿命的风险，并增加局部辐射的吸收。第二种选择是使用介质访问控制（MAC）协议，以使收发信机仅通电时必要的。后一种选择产生了研究入节点的网络拓扑的设计，也是MAC协议。提出了一些解决方案包括直接发送节点的数据到一个主节点（单跳）[10]和结点重传从其它节点（多跳）接收到的数据[11]。这样的策略被设计成允许节点上的大部分，以节省电池寿命的时间减少的功率运行，但是仍然有必要时使用低功率的传输。与合适的MAC2.4GHz收发器设备的选项包括蓝牙低耗能技术[12]，无线个域网的[13][14]，休克的[15]和ANT[16]。传统蓝牙也被用于在BAN的，如在[17]，虽然它不针对小电池单元的应用程序。低能量蓝牙设备并没有提供设计决定为这个项目所做的时间。在医疗监测使用无线技术的概述是在[18]。在当前项目中选用的节点使用来自北欧半导体[3]的nRF24L01的爆发收发器。以更高的比特率比无线个域网的这些许可传输（高达2Mbps，而不是250kbps的无线个域网技术），该MAC协议实现简单和六个节点是足够的，不需要当前项目和多跳。在休克的网络拓扑结构包括一个6点与明星在从节点的中央主节点。主节点通过“数据管道”被分配的唯一地址进行通信。通过设置一个从节点到同一地址作为数据管，主然后可以与该节点进行通信。为了帮助减轻附近相似的节点之间的数据冲突，在一个特定的网络中的每个节点被配置为使用一个独特的频率信道从83可用2.4-2.4835GHz之间的。MAC协议还具有自动数据包组件和自动重复功能为丢失分组。每个数据包由1字节的序言，拿着烟斗地址，最多32个字节的有效载荷和2个字节的校验和值3至5个字节。经过一个从节点发送一个数据包侦听来自主节点的确认。如果未接收到确认的分组被重发。该收发器一旦发射新的数据作为其控制的MCU指令，它这样做;的数据的传送，然后留给收发器，它可以报告回通过寄存器问题。只要主节点接收与有效地址的分组时，它测试校验，发送确认到相同的地址，并存储所述有效负载中一个寄存器，用于其控制的MCU来读出。D.节点蓝牙收发器主节点和患者的智能手机之间的蓝牙链路实现使用对KCWirefreeKC21收发机的SPP，这是用于递送字节一个无线替换轮廓的数据交换协议。在“命令模式”中，KC-21可与AT配置命令来设置与设置，包括波特率和奇偶校验智能手机的串行链路。在'旁路模式“，由收发机接收到的任何数据都被发送过来的SPP充当虚拟电缆连接到智能手机。用户利用智能手机应用的遥测链路。用户智能交互智能手机应用程序是用C＃编写的操作系统的.NET平台，让用户获取，存储，上传，下载和显示来自主节点，医疗电子表格和系统服务器医疗读数。它也是一个要求，以使尽可能多的用户可以参与系统无需安装任何额外的软件应用程序。为此，该系统仅需要一个超文本标记语言网页浏览器，以便能够进入并上传医疗电子表格数据，以及从服务器下载并显示医疗读数。自的脚本语言在网页浏览器中运行被限制在其进入用户的计算机上，用于患者的智能手机编写的应用程序总是要求以通过蓝牙节点网络交互并在本地存储遥测。但是，相对于进入其他患者数据和访问所述数据已经驻留在服务器上，网页浏览器被设计为向用户呈现相同的功能，智能手机应用。无线节点配置为智能手机配置和从通过蓝牙链路主节点接收遥测，它们必须被配对并连接。配对是明确地与主节点的硬编码的PIN码，并与智能手机作为主制成。智能手机发起蓝牙连接，从而允许该节点网络进行配置和遥测被启动和停止。该BAN网络是通过从其中从节点中选择接收数据和各自的采样率进行配置。不同的协议被用于接收遥测和配置从节点。病人一般健康电子表格对于监测心脏和糖尿病病症相关的具体参数，电子表格的形式被设计成允许用户从标准的仪器或有关患者的一般健康状况得到口头信息输入任何一个读数。这些值是通过从多个列表框的离散值选项的用户选择输入。一个典型的数据项形式的一个例子示于图。2.相反，允许用户输入一个特定的值，如在[19]，它允许语音和网页形式的数据输入，响应被限制在一定的值或范围。离散选择允许病人的反应和趋势之间的一些共性可以更容易地监视会话之间。列表框也允许用户指向和选择，而不是一个小的或虚拟键盘上明确地输入，并且也被发现是一种用于移动电话在[20]的简便方法。我们对一般健康响应颜色编码也给的患者的一般状态的视觉指示。数据库交互从不同的会话和患者多个测量文件存储在使用微软的SQLServerCompact3.5[21]，这对于台式机和类似在服务器的MySQL数据库的移动设备数据库的智能手机。要找到一个特定的文件传输，要么数据库可以使用上述患者识别号，时间戳（日期和时间）和信号类型（如心电图或心脏的电子表格），作为所要求的文件的搜索条件进行搜索。网页浏览器参与在系统的网页可控制的目的是给用户一个一致的接口，智能手机应用程序，使接口的电子表格数据录入，数据库搜索，以及下载电子表格，图像和波形文件的显示非常相似。由于网页可以被看作两个在PC和移动设备的小屏幕，网页的可折叠区域允许用户显示或隐藏相关部分，以减少需要执行滚动。对于下载的图像或波形文件，缩放或平移操作可以独立使用HTML5功能的服务器执行。总结在本文中，一个系统，以监测心脏和糖尿病病症的执行已被描述和一些需要改进在以前的系统区已通过使用替代元件或技术解决。我们已经使用了低功耗收发器ISM作为替代节点协议，蓝牙和无线个域网，也扩大了病人的监测范围。通过包括无线，标准仪器和一般健康读数的测量参数的增加的多样性是由Web浏览器进行访问。与最初的系统现在的工作，我们继续工作包括提高基于现场试验节点和通信协议。的低功率蓝牙设备，如[22]最近的可用性，也增加了对进一步研究其他选择的机会。我们正在进行的研究的新领域，如腕脉冲遥测，也将被用来产生可能的新见解的这些条件的监测。