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醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 共同執筆】   2018年04月23日 星期一

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摘要


近年來使用的醫療級防褥瘡氣墊床是由病人自己或看護者依氣墊床使用手冊的指示,設定一內部壓力來使用,根據臨床使用效果顯示這種使用方式預防褥瘡的效果有限,因為依設定的內壓未必能確實的保持病患皮膚與床墊之間的壓力(介面壓力)在一個理想的狀態,因此依然會使患者的皮膚血液循環受阻,進而產生褥瘡。本文目的是研究如何透過HT66F2390微控制器結合網頁端的方式來進行醫療氣墊床充氣調整與可透過遠端無線進行調整之控制效果,並且搭配生理訊號感測器(生理溫度、血氧濃度、心律)將病人生理資料傳遞至網頁端,使醫護人員能即時掌握病患的生理狀況,若有瞬間生理訊號變化超過異常,可以簡訊方式提醒醫護人員。經由實際接上醫療氣墊床測試,均顯示出本文成功的控制醫療氣墊床,且將生理訊號感測器資料上傳至網頁端監視,藉此達到遠端監控醫療氣墊床壓力調整與監視病人生理訊號,實現醫療物聯網之效果。


1. 前言


褥瘡(或稱壓瘡)雖然是一小小的傷口,卻要花很多精神時間來照顧它,甚至影響到病患的日常生活、 工作等,而且不容易治癒,更須花費大量的醫療資源。褥瘡的發生率並不低,根據統計,在急性病院患者發生率大概在 3~14 %之間,而在慢性醫療機構長期療養患者甚至可高達 25 %,其好發的部位主要在身體壓迫之處,如薦部、腳跟、足踝、股骨粗隆、肩胛骨、枕骨處等等,當病人在長時間保持同一固定之 臥、坐姿勢,引起局部皮膚壓力過高或再加上剪力等 因素導致局部皮膚破皮、壞死、甚至潰爛[1]。


預防褥瘡用之交替式氣墊床是利用數個軟皮料製成之氣囊以間隔方式排列,分別接上兩組或兩組以上之通氣管,經由控制主機分別對此兩組或兩組以上氣囊進行充氣、洩氣動作;如圖1所示為通氣管氣囊進行充氣與洩氣動作圖[2][3]。藉由洩氣時皮膚與床墊減緩接觸壓力,降低血管及皮膚組織所承受壓力[2];如圖2所示為一般市面上常見之4吋管交替式氣墊床構造圖[4]。


本文主要是探討如何提升現有產品-醫療氣墊床來調整功率的輸出與結合生理訊號感測器(生理溫度、血氧濃度、心律),使的使用者透過微控制器進行氣墊壓力調整,進而控制設備功率的輸出,再利用無線模組的傳輸,傳送至網頁端進行監控,而達到遠端無線控制醫療氣墊床壓力調整之功能需求以及生理訊號的監視。對於醫療氣墊床功率調整控制,則是採用控制交流電壓的導通角度之方式以自製零交叉感知電路,產生120Hz之基準脈波,透過取率擬合方式找尋觸發相角與功率之間的關係[5][6],再以盛群半導體公司之微控制器HT66F2390[7]進行脈寬調變,控制交流電壓導通的角度,完成功率無段調變之控制目的。另外利用網頁端可再遠處來得知使用者的生理訊號的各個數據以便操作者能及時觀看。


圖1 : 通氣管氣囊進行充氣與洩氣動作圖[3]
圖1 : 通氣管氣囊進行充氣與洩氣動作圖[3]
圖2 : 一般市面上常見之4吋管交替式氣墊床構造圖[4]
圖2 : 一般市面上常見之4吋管交替式氣墊床構造圖[4]

2. 系統架構

2.1 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現系統架構圖

如圖3所示為醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現系統架構圖,是以盛群半導體公司 Holtek所生產的微控制器HT66F2390為控制核心,結合零交越電路來改變醫療氣墊床功率的輸出使三管式氣墊床經由不同的功率而使三管式中的其中一管有明顯的改變,藉此達到皮膚與床墊之間的壓力(介面壓力)在一個理想的狀態,並搭配生理訊號感測器來得知目前使用者的生理溫度、血氧濃度和心律,再由WiFi模組來與網路伺服器進行連線,使網頁端能觀察使用者的生理訊號(生理溫度、血氧濃度、心律)的相關數據以便醫護人員觀看,在病患有瞬間生理變化時可緊急以Email通知醫護人員進行即時的處理,降低病患的生命危險。



圖3 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現系統架構圖
圖3 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現系統架構圖

2.2 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現外觀設計圖

如圖4所示為醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現外觀設計圖,外觀正面配置電源開關、電源指示燈、調壓旋鈕、三管式通氣孔(A、B、C出風口),而正上方有功率調整旋鈕、功率遞增與遞減按鍵、數位序號與類比訊號切換開關、LCD顯示器,後方配置AC110V電源線供給打氣機、內部電源與氣泵同步馬達。



圖4 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現外觀設計圖
圖4 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現外觀設計圖

3.硬體架構

3.1 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現方塊圖

如圖5所示為醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現方塊圖,當醫療氣墊床啟動時,市電的AC110V經過零交越電路產生120Hz的脈波觸發波型,使HT66F2390接收到脈波產生中斷,並啟動Timer,產生一個調整觸發波行脈寬給TRIAC電路,觸發波型脈寬可透過外殼上的按鈕、可變電阻與網頁端去改變波型脈寬,將波型脈寬值與接收到周邊生理訊號感測器一併顯示於LCM顯示器以及經由WiFi模組將資料送到電腦、平板或手機上的網頁端進行監視與觀察[7][8][9][10]。



圖5 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現方塊圖
圖5 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現方塊圖

3.2 主控核心HT66F2390電路設計

如圖6所示為醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現主控核心電路。本文使用盛群半導體公司所生產的HT66F2390為主控核心,控制TRAIC觸發電路達到控制醫療氣墊床的功率輸出。圖7-1所示為電源轉換電路是將外部電源給主控核心與周邊設備。圖7-2所示是使用HT66F2390內部AD轉換器AN9通道與I/O接腳PD2與PD3做為按鈕接腳,來調變波形的頻寬觸發TRAIC電路的功率大小與相位角度,並且顯示在LCM上[7]。另外也使用兩組串列傳輸UART,1組作為讀取生理訊號感測器,並且顯示在LCM,另一組作為WiFi模組的讀取與寫入,進行無線傳輸通訊,透過WiFi模組發送端,將目前醫療氣墊床的功率大小與生理訊號感測器傳至網頁伺服器,並顯示在電腦或手機的網頁端上,而WiFi模組接收端則是將網頁端所調整的醫療氣墊床的功率大小接收給主控核心進行控制。



圖6 : 主控核心電路
圖6 : 主控核心電路
圖7 : 電源轉換電路圖;硬體式調整與無線傳輸電路
圖7 : 電源轉換電路圖;硬體式調整與無線傳輸電路

3.3 零交越電路設計

如圖8-1所示為120Hz的零交越電路圖,當正半波時U3光耦合器CE腳導通接地,Q1電晶體不導通,其C極接地。當正半波要轉換成負半波時,在電壓差零點附近時,因為兩顆光耦合器CE皆不導通,所以Q1導通C極電壓為5V。當負半波時U4光偶合器CE腳倒通,電壓差為零而接地,Q1電晶體不導通,其C極接地。當負半波要轉換成正半波時,在電壓差零點附近時,因為兩顆光耦合器CE皆不導通,又使Q1導通C極電壓為5V。此現象一直重複,圖8-2為市電波形與零交越脈波輸出波形圖[5][6]。



圖8 : 零交越電路圖[6];市電波形與零交越脈波波形圖[5][6]
圖8 : 零交越電路圖[6];市電波形與零交越脈波波形圖[5][6]

3.4 TRIAC觸發電路設計

如圖9-1所示為光耦TRIAC觸發電路,MOC 3020光耦合器輸入端二極體導通是在輸入為High時觸發TRIAC為導通狀態。當輸入為Low時TRIAC為不導通狀態。如圖9-2與圖9-3所示為功率最大與功率最小的波形。本TRIAC電路所採用之元件為BTA40A700V交流整流器[5][6]。


圖9 : TRAIC觸發電路[6];功率最大時的波形[5][6];功率最小時的波形[5][6]
圖9 : TRAIC觸發電路[6];功率最大時的波形[5][6];功率最小時的波形[5][6]

3.5 生理訊號感測器電路設計

如圖10-1所示為生理訊號感測器電路圖,本文生理訊號感測器使用的是MAX30100是一種非侵入式集成的脈搏血氧飽和度和心臟速率監視傳感器的解決方案。它結合了兩個發光二極管,一個光檢測器,優化光學和低噪聲的模擬信號處理,以檢測脈搏血氧飽和度和心臟速率信號。只需要將手指頭緊貼在傳感器上,就能估計脈搏血氧飽和度(SpO2)及脈搏(相當於心跳)[11];圖10-2所示為生理溫度感測器電路圖,本文生理溫度感測器使用的是MLX90615SSG -DAA醫用級非接觸溫度傳感器,是一款帶有可感受目標紅外輻射的微機械振膜晶片,溫度計中定制的信號調節芯片能夠放大並數字化感應振膜上的熱電偶產生的微小電壓,同時晶片儲存器中儲存了工廠設定的刻度參數,能夠用來準確的計算目標體的溫度[12]。


圖10 : 生理訊號感測器電路圖[11];生理溫度感測器電路圖[12]
圖10 : 生理訊號感測器電路圖[11];生理溫度感測器電路圖[12]

3.5 WiFi模組電路設計

如圖11所示為ESP-01模組電路圖,本文使用到的ESP-01模組是由ESP8266與周邊電路所組合而成的WiFi模組藉此做為HT66F2390與網頁端傳輸橋梁,ESP8266是一個完整且自成體系的 WiFi 網絡解決方案,能夠獨立運行,也可以作為從機搭載於其他主機 MCU 運行[13]。



圖11 : ESP-01模組電路圖
圖11 : ESP-01模組電路圖

4. 軟體架構

4.1 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現程式流程圖

如圖12所示為主程式流程圖,判別醫療氣墊床控制盒上的可變電阻旋鈕與按鈕是否有被轉動與按住,或UART有接收到資料。當旋鈕有被轉動時會讀取ADC值換算為0~100值,而當按鈕被按住時,再判別是按增加的按鈕或是減少的按鈕,則按鈕被按住不放時就執行加或減持續加減下去。之後再判別值是否有大於100值,則數值將維持在100,若數值小於0時,數值維持在0。將類比模式或數位模式的輸入數值換算為功率百分比值並設置於STM0與STM1,當零交叉電路為Low轉High時觸發到微控制器的外部中斷,並將觸發TRIAC的IO接腳設為Low,此時零交叉電路並轉回Low,微控制器並設定STM0計時值為PWM(功率百分比值),且開啟STM0,當STM0計數器中斷後將觸發TRIAC的IO


接腳為High,關閉STM0設定STM1計時值為8.3ms 扣掉PWM(功率百分比值)開啟STM1,當STM1計數器中斷後將觸發TRIAC的IO接腳為Low,關閉STM1設定STM0計數值為PWM(功率百分比值),


而產生出120Hz的PWM信號控制醫療氣墊床之功能。利用串列傳輸UART1讀取生理訊號感測器(生理溫度、血氧濃度、心律)資料,並將生理訊號、功率百分比和角度顯示於LCM,以及經由另一組串列傳輸UART2做寫入動作,透過WiFi模組將各個資料傳給網頁端做顯示,當網頁端進行功率百分比的設置,同樣由串列傳輸UART2做讀取動作並且判斷資料是否正確,若正確時則把資料換算為功率百分比值且設置於STM0與STM1,同時將顯示於LCM上面[7][8][9][10]。



圖12 : 主程式流程圖
圖12 : 主程式流程圖

5.網頁端設計

5.1 Raspberry Pi 介紹

如圖13所示為樹梅派外觀實體圖,Raspberry Pi是一款基於Linux的單板機電腦。它是由英國的樹莓派基金會所開發,目的是以低價硬體及自由軟體促進學校的基本電腦科學教育。本文是以它來做為雲端伺服主機,儲存由MCU所上傳的資料,並提供給網路查詢的資料來源。



圖13 : 樹梅派外觀實體圖[14]
圖13 : 樹梅派外觀實體圖[14]

5.2 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現網頁端設計

如圖14-1所示為網頁端架圖,本文網頁端架構分成前端與後端兩大部分,前端為JavaScript語言、D3資料視覺化、JSON 與Ajax非同步技術所共同組成的網頁介面,後端伺服器則以PHP語言、Python語言、Apache2 與MySQL資料庫建立,提供即時並且容易使用的網頁監控系統[15]。


如圖14-2所示為網頁端首頁,透過首頁可了解到本文的簡介。


如圖14-3所示為網頁端控制介面圖,在網頁介面的分頁當中,醫療人員能透過網頁上的控制拉桿進行遠端調整醫療氣墊床之充氣速度與軟硬度設定,實現遠端控制並且達成集中管理的功能。


具體作法為將設定值透過JavaScript內嵌入之Ajax非同步技術,回傳至後端伺服器中的PHP即時分析處理,緊接再將設定值傳送至Python,經PHP觸發的Python立即將資料製成封包,再運用Python語言撰寫的TCP Server,以TCP網路路協定將設定資料傳送至對應TCP協定之Wifi模組,完成網頁下送命令之動作。


如圖14-4所示為網頁端生理訊號監視介面圖,醫療人員能在網頁介面的分頁當中,能即時的掌握病人的體溫、血氧量量、心跳以及脈搏等生理數據,方便醫療人員在遠端也能即時的瞭解病人生理狀況,大大省下醫療人員逐一向各病人查房次數,省下了大量重複性查房工作所消耗掉的寶貴時間。


作法為透過伺服器中的Python TCP Server 定時以TCP網路路協定向與Wifi模組連接的HT66F2390主控核心提出資料回傳請求,HT66F2390主控核心接收到指令並及時彙整病人生理數據,透過Wifi模組回傳至伺服器中的Python TCP Server,接收到回傳資料後立即進行解封包動作,將解完封包的資料推送至PHP,經Python觸發後PHP立即將病人生理數據透過Ajax非同步技術更新至前端網頁介面即時顯示,圖14-5所示為封包通訊協定圖。


如圖14-6所示為MySQL資料庫格式,同時,PHP也將資料儲存至MySQL資料庫,儲存於MySQL的資料同時,利用PHP讀取後,透過Ajax非同步技術將資料傳送至前端圖表分頁,由D3資料視覺化搭配JavaScript語言言即時呈現圖表即時資料,圖14-7所示為血壓歷史紀錄表圖。


另外,本文網頁端也可發送SOS緊急電子郵件訊息,醫療人員可針對病患進行生理數據之監控設定,當生理數據明顯下滑低於正常人之生理訊號或不正常反應時,立即透過後端PHP電子郵件機器人進行自動撰寫郵件並發送訊息,發送緊急E-Mail通知至醫療人員的電子信箱當中,提供醫療人員對病人的遠端掌握,搶下最短的時間為病人進行命危搶救。



圖14 : 網頁端架圖;網頁端首頁;網頁端控制介面圖;網頁端生理訊號監視介面圖;封包通訊協定圖;MySQL資料庫格式;血壓歷史紀錄表圖
圖14 : 網頁端架圖;網頁端首頁;網頁端控制介面圖;網頁端生理訊號監視介面圖;封包通訊協定圖;MySQL資料庫格式;血壓歷史紀錄表圖

6.實驗結果

圖15-1所示為醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現作品實體圖,透過功率的改變與讀取生理訊號,並將資料傳送至網頁端進行監視與控制,圖15-2所示為功率98%輸出波型、圖15-3所示為功率50%輸出波型,是經由零交叉脈波與觸發TRIAC控制交流電電壓波型,圖15-4所示為醫療氣墊床功率在98%時所呈現的實體狀況,圖15-5所示為醫療氣墊床功率在50%時所呈現的實體狀況。



圖15 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現作品實體圖;功率98%輸出波型;功率50%輸出波型;醫療氣墊床功率在98%時所呈現的實體狀況;醫療氣墊床功率在50%時所呈現的實體狀況
圖15 : 醫療氣墊床與生理訊號之無線監控實現作品實體圖;功率98%輸出波型;功率50%輸出波型;醫療氣墊床功率在98%時所呈現的實體狀況;醫療氣墊床功率在50%時所呈現的實體狀況

7. 結論


本文是利用盛群半導體公司所生產的HT66F2390單晶片微控制器,實現醫療物聯網概念的一套系統,結合零交越電路來改變醫療氣墊床功率的輸出使三管式氣墊床經由不同的功率而使三管式中的其中一管有明顯的改變,藉此達到皮膚與床墊之間的壓力(介面壓力)在一個理想的狀態,並搭配生理訊號感測器來得知目前使用者的生理溫度、血氧濃度和心律,再由WiFi模組來與網路伺服器進行連線,使網頁端能觀察使用者的生理訊號(生理溫度、血氧濃度、心律)的相關數據以便醫護人員觀看。


本文主要成果如下:


(1) 可即時顯示病人生理溫度、脈搏、心率、血氧濃度於網頁端。


(2) 本文成功的設計出硬體式、網頁端之兩種功率控制器控制氣墊床之充氣速度。


(3) 當病人生理訊號超過或低於正常範圍時透過網頁端之SOS訊息發送e-mail告知使用者。


8. 參考文獻格式

[1] 王邦元,脊髓損傷者的褥瘡預防與治療,長庚紀 念醫院基隆分院復健科:2007-03-12刊登。


[2] 醫療氣墊床,


http://www.me.cycu.edu.tw/csme2007/pdf/E07-0006.pdf。


[3] 充氣與洩氣動作,


https://www.connor888.com/index.php?module=intro&mn=6


[4] 交替式氣墊床,


http://www.hocom.com.tw/page_01.php?ID=2724


[5] 陳宏明、徐依平、陳承宏、陳培賢、籃旺坤、蔡宗憲 電器設備之零交叉脈寬調變功率控制器設計與實現 2007年國際安全和安保管理與工程技術會議 建國科技大學電子工程系。


[6] 余啟正,“智慧監控與家用設備功率控制之整合系統實現”,建國科技大學,電子工程研究所碩士論文,2017。


[7] HT66F2390資料手冊,


http://mcu.holtek.com.tw/mcugame12/download/paper/HT66F23xx_Data%20Sheet.pdf。


[8] 鍾啟仁,微處理機應用實習邁向 AMA 中級 先進微控制器應用認證-使用 Holtek 8位元晶 片,新北市,台灣,台科大圖書股份有限公司,2014 年 6 月初版。


[9] 鍾啟仁,微處理機應用實習邁向 AMA 高級 先進微控制器應用認證-使用 Holtek 8位元晶 片,新北市,台灣,台科大圖書股份有限公司,2014 年 5 月初版。


[10] 鍾啟仁,HT66Fxx Flash MCU 原理與實務-C語言,全華書局,新北市,2011年9月。


[11] MAX30100資料手冊,


https://www.taiwaniot.com.tw/product/max30100-%E8%84%88%E6%90%8F%E8%A1%80%E6%B0%A7%E9%A3%BD%E5%92%8C%E3%80%81%E5%BF%83%E7%8E%87-pulse-oximeter-heart-rate-sensor/。


[12] MCU90615紅外非接觸溫度計模組,


http://www.pcstore.com.tw/playrobot/M28826768.htm。


[13] ESP-01,


http://www.playrobot.com/robotpress/wp-content/uploads/2016/09/CEE0010.pdf


[14] 樹梅派,


http://www.eefocus.com/mcu-dsp/360359


[15] PHP7+MySQL+AJAX 網頁設計,


http://www.books.com.tw/products/0010712911。


(本文作者為建國科技大學電子工程系所1陳宏明、2蔡秉均、3洪嘉良、4簡文浩,1副教授、2,3碩士生、4大學生)


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