账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现
十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 共同執筆】2018年04月23日 星期一

浏览人次:【2079】
  

摘要


近年来使用的医疗级防褥疮气垫床是由病人自己或看护者依气垫床使用手册的指示,设定一内部压力来使用,根据临床使用效果显示这种使用方式预防褥疮的效果有限,因为依设定的内压未必能确实的保持病患皮肤与床垫之间的压力(介面压力)在一个理想的状态,因此依然会使患者的皮肤血液循环受阻,进而产生褥疮。本文目的是研究如何透过HT66F2390微控制器结合网页端的方式来进行医疗气垫床充气调整与可透过远端无线进行调整之控制效果,并且搭配生理讯号感测器(生理温度、血氧浓度、心律)将病人生理资料传递至网页端,使医护人员能即时掌握病患的生理状况,若有瞬间生理讯号变化超过异常,可以简讯方式提醒医护人员。经由实际接上医疗气垫床测试,均显示出本文成功的控制医疗气垫床,且将生理讯号感测器资料上传至网页端监视,藉此达到远端监控医疗气垫床压力调整与监视病人生理讯号,实现医疗物联网之效果。


1. 前言


褥疮(或称压疮)虽然是一小小的伤囗,却要花很多精神时间来照顾它,甚至影响到病患的日常生活、 工作等,而且不容易治愈,更须花费大量的医疗资源。褥疮的发生率并不低,根据统计,在急性病院患者发生率大概在 3~14 %之间,而在慢性医疗机构长期疗养患者甚至可高达 25 %,其好发的部位主要在身体压迫之处,如荐部、脚跟、足踝、股骨粗隆、肩胛骨、枕骨处等等,当病人在长时间保持同一固定之 卧、坐姿势,引起局部皮肤压力过高或再加上剪力等 因素导致局部皮肤破皮、坏死、甚至溃烂[1]。


预防褥疮用之交替式气垫床是利用数个软皮料制成之气囊以间隔方式排列,分别接上两组或两组以上之通气管,经由控制主机分别对此两组或两组以上气囊进行充气、泄气动作;如图1所示为通气管气囊进行充气与泄气动作图[2][3]。藉由泄气时皮肤与床垫减缓接触压力,降低血管及皮肤组织所承受压力[2];如图2所示为一般市面上常见之4寸管交替式气垫床构造图[4]。


本文主要是探讨如何提升现有产品-医疗气垫床来调整功率的输出与结合生理讯号感测器(生理温度、血氧浓度、心律),使的使用者透过微控制器进行气垫压力调整,进而控制设备功率的输出,再利用无线模组的传输,传送至网页端进行监控,而达到远端无线控制医疗气垫床压力调整之功能需求以及生理讯号的监视。对於医疗气垫床功率调整控制,则是采用控制交流电压的导通角度之方式以自制零交叉感知电路,产生120Hz之基准脉波,透过取率拟合方式找寻触发相角与功率之间的关系[5][6],再以盛群半导体公司之微控制器HT66F2390[7]进行脉宽调变,控制交流电压导通的角度,完成功率无段调变之控制目的。另外利用网页端可再远处来得知使用者的生理讯号的各个数据以便操作者能及时观看。


图1 : 通气管气囊进行充气与泄气动作图[3]
图1 : 通气管气囊进行充气与泄气动作图[3]
图2 : 一般市面上常见之4寸管交替式气垫床构造图[4]
图2 : 一般市面上常见之4寸管交替式气垫床构造图[4]

2. 系统架构

2.1 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现系统架构图

如图3所示为医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现系统架构图,是以盛群半导体公司 Holtek所生产的微控制器HT66F2390为控制核心,结合零交越电路来改变医疗气垫床功率的输出使三管式气垫床经由不同的功率而使三管式中的其中一管有明显的改变,藉此达到皮肤与床垫之间的压力(介面压力)在一个理想的状态,并搭配生理讯号感测器来得知目前使用者的生理温度、血氧浓度和心律,再由WiFi模组来与网路伺服器进行连线,使网页端能观察使用者的生理讯号(生理温度、血氧浓度、心律)的相关数据以便医护人员观看,在病患有瞬间生理变化时可紧急以Email通知医护人员进行即时的处理,降低病患的生命危险。



图3 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现系统架构图
图3 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现系统架构图

2.2 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现外观设计图

如图4所示为医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现外观设计图,外观正面配置电源开关、电源指示灯、调压旋钮、三管式通气孔(A、B、C出风囗),而正上方有功率调整旋钮、功率递增与递减按键、数位序号与类比讯号切换开关、LCD显示器,後方配置AC110V电源线供给打气机、内部电源与气泵同步马达。



图4 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现外观设计图
图4 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现外观设计图

3.硬体架构

3.1 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现方块图

如图5所示为医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现方块图,当医疗气垫床启动时,市电的AC110V经过零交越电路产生120Hz的脉波触发波型,使HT66F2390接收到脉波产生中断,并启动Timer,产生一个调整触发波行脉宽给TRIAC电路,触发波型脉宽可透过外壳上的按钮、可变电阻与网页端去改变波型脉宽,将波型脉宽值与接收到周边生理讯号感测器一并显示於LCM显示器以及经由WiFi模组将资料送到电脑、平板或手机上的网页端进行监视与观察[7][8][9][10]。



图5 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现方块图
图5 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现方块图

3.2 主控核心HT66F2390电路设计

如图6所示为医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现主控核心电路。本文使用盛群半导体公司所生产的HT66F2390为主控核心,控制TRAIC触发电路达到控制医疗气垫床的功率输出。图7-1所示为电源转换电路是将外部电源给主控核心与周边设备。图7-2所示是使用HT66F2390内部AD转换器AN9通道与I/O接脚PD2与PD3做为按钮接脚,来调变波形的频宽触发TRAIC电路的功率大小与相位角度,并且显示在LCM上[7]。另外也使用两组串列传输UART,1组作为读取生理讯号感测器,并且显示在LCM,另一组作为WiFi模组的读取与写入,进行无线传输通讯,透过WiFi模组发送端,将目前医疗气垫床的功率大小与生理讯号感测器传至网页伺服器,并显示在电脑或手机的网页端上,而WiFi模组接收端则是将网页端所调整的医疗气垫床的功率大小接收给主控核心进行控制。



图6 : 主控核心电路
图6 : 主控核心电路
图7 : 电源转换电路图;硬体式调整与无线传输电路
图7 : 电源转换电路图;硬体式调整与无线传输电路

3.3 零交越电路设计

如图8-1所示为120Hz的零交越电路图,当正半波时U3光耦合器CE脚导通接地,Q1电晶体不导通,其C极接地。当正半波要转换成负半波时,在电压差零点附近时,因为两颗光耦合器CE皆不导通,所以Q1导通C极电压为5V。当负半波时U4光偶合器CE脚倒通,电压差为零而接地,Q1电晶体不导通,其C极接地。当负半波要转换成正半波时,在电压差零点附近时,因为两颗光耦合器CE皆不导通,又使Q1导通C极电压为5V。此现象一直重复,图8-2为市电波形与零交越脉波输出波形图[5][6]。



图8 : 零交越电路图[6];市电波形与零交越脉波波形图[5][6]
图8 : 零交越电路图[6];市电波形与零交越脉波波形图[5][6]

3.4 TRIAC触发电路设计

如图9-1所示为光耦TRIAC触发电路,MOC 3020光耦合器输入端二极体导通是在输入为High时触发TRIAC为导通状态。当输入为Low时TRIAC为不导通状态。如图9-2与图9-3所示为功率最大与功率最小的波形。本TRIAC电路所采用之元件为BTA40A700V交流整流器[5][6]。


图9 : TRAIC触发电路[6];功率最大时的波形[5][6];功率最小时的波形[5][6]
图9 : TRAIC触发电路[6];功率最大时的波形[5][6];功率最小时的波形[5][6]

3.5 生理讯号感测器电路设计

如图10-1所示为生理讯号感测器电路图,本文生理讯号感测器使用的是MAX30100是一种非侵入式集成的脉搏血氧饱和度和心脏速率监视传感器的解决方案。它结合了两个发光二极管,一个光检测器,优化光学和低噪声的模拟信号处理,以检测脉搏血氧饱和度和心脏速率信号。只需要将手指头紧贴在传感器上,就能估计脉搏血氧饱和度(SpO2)及脉搏(相当於心跳)[11];图10-2所示为生理温度感测器电路图,本文生理温度感测器使用的是MLX90615SSG -DAA医用级非接触温度传感器,是一款带有可感受目标红外辐射的微机械振膜晶片,温度计中定制的信号调节芯片能够放大并数字化感应振膜上的热电偶产生的微小电压,同时晶片储存器中储存了工厂设定的刻度叁数,能够用来准确的计算目标体的温度[12]。


图10 : 生理讯号感测器电路图[11];生理温度感测器电路图[12]
图10 : 生理讯号感测器电路图[11];生理温度感测器电路图[12]

3.5 WiFi模组电路设计

如图11所示为ESP-01模组电路图,本文使用到的ESP-01模组是由ESP8266与周边电路所组合而成的WiFi模组藉此做为HT66F2390与网页端传输桥梁,ESP8266是一个完整且自成体系的 WiFi 网络解决方案,能够独立运行,也可以作为从机搭载於其他主机 MCU 运行[13]。



图11 : ESP-01模组电路图
图11 : ESP-01模组电路图

4. 软体架构

4.1 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现程式流程图

如图12所示为主程式流程图,判别医疗气垫床控制盒上的可变电阻旋钮与按钮是否有被转动与按住,或UART有接收到资料。当旋钮有被转动时会读取ADC值换算为0~100值,而当按钮被按住时,再判别是按增加的按钮或是减少的按钮,则按钮被按住不放时就执行加或减持续加减下去。之後再判别值是否有大於100值,则数值将维持在100,若数值小於0时,数值维持在0。将类比模式或数位模式的输入数值换算为功率百分比值并设置於STM0与STM1,当零交叉电路为Low转High时触发到微控制器的外部中断,并将触发TRIAC的IO接脚设为Low,此时零交叉电路并转回Low,微控制器并设定STM0计时值为PWM(功率百分比值),且开启STM0,当STM0计数器中断後将触发TRIAC的IO


接脚为High,关闭STM0设定STM1计时值为8.3ms 扣掉PWM(功率百分比值)开启STM1,当STM1计数器中断後将触发TRIAC的IO接脚为Low,关闭STM1设定STM0计数值为PWM(功率百分比值),


而产生出120Hz的PWM信号控制医疗气垫床之功能。利用串列传输UART1读取生理讯号感测器(生理温度、血氧浓度、心律)资料,并将生理讯号、功率百分比和角度显示於LCM,以及经由另一组串列传输UART2做写入动作,透过WiFi模组将各个资料传给网页端做显示,当网页端进行功率百分比的设置,同样由串列传输UART2做读取动作并且判断资料是否正确,若正确时则把资料换算为功率百分比值且设置於STM0与STM1,同时将显示於LCM上面[7][8][9][10]。



图12 : 主程式流程图
图12 : 主程式流程图

5.网页端设计

5.1 Raspberry Pi 介绍

如图13所示为树梅派外观实体图,Raspberry Pi是一款基於Linux的单板机电脑。它是由英国的树莓派基金会所开发,目的是以低价硬体及自由软体促进学校的基本电脑科学教育。本文是以它来做为云端伺服主机,储存由MCU所上传的资料,并提供给网路查询的资料来源。



图13 : 树梅派外观实体图[14]
图13 : 树梅派外观实体图[14]

5.2 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现网页端设计

如图14-1所示为网页端架图,本文网页端架构分成前端与後端两大部分,前端为JavaScript语言、D3资料视觉化、JSON 与Ajax非同步技术所共同组成的网页介面,後端伺服器则以PHP语言、Python语言、Apache2 与MySQL资料库建立,提供即时并且容易使用的网页监控系统[15]。


如图14-2所示为网页端首页,透过首页可了解到本文的简介。


如图14-3所示为网页端控制介面图,在网页介面的分页当中,医疗人员能透过网页上的控制拉杆进行远端调整医疗气垫床之充气速度与软硬度设定,实现远端控制并且达成集中管理的功能。


具体作法为将设定值透过JavaScript内嵌入之Ajax非同步技术,回传至後端伺服器中的PHP即时分析处理,紧接再将设定值传送至Python,经PHP触发的Python立即将资料制成封包,再运用Python语言撰写的TCP Server,以TCP网路路协定将设定资料传送至对应TCP协定之Wifi模组,完成网页下送命令之动作。


如图14-4所示为网页端生理讯号监视介面图,医疗人员能在网页介面的分页当中,能即时的掌握病人的体温、血氧量量、心跳以及脉搏等生理数据,方便医疗人员在远端也能即时的了解病人生理状况,大大省下医疗人员逐一向各病人查房次数,省下了大量重复性查房工作所消耗掉的宝贵时间。


作法为透过伺服器中的Python TCP Server 定时以TCP网路路协定向与Wifi模组连接的HT66F2390主控核心提出资料回传请求,HT66F2390主控核心接收到指令并及时汇整病人生理数据,透过Wifi模组回传至伺服器中的Python TCP Server,接收到回传资料後立即进行解封包动作,将解完封包的资料推送至PHP,经Python触发後PHP立即将病人生理数据透过Ajax非同步技术更新至前端网页介面即时显示,图14-5所示为封包通讯协定图。


如图14-6所示为MySQL资料库格式,同时,PHP也将资料储存至MySQL资料库,储存於MySQL的资料同时,利用PHP读取後,透过Ajax非同步技术将资料传送至前端图表分页,由D3资料视觉化搭配JavaScript语言言即时呈现图表即时资料,图14-7所示为血压历史纪录表图。


另外,本文网页端也可发送SOS紧急电子邮件讯息,医疗人员可针对病患进行生理数据之监控设定,当生理数据明显下滑低於正常人之生理讯号或不正常反应时,立即透过後端PHP电子邮件机器人进行自动撰写邮件并发送讯息,发送紧急E-Mail通知至医疗人员的电子信箱当中,提供医疗人员对病人的远端掌握,抢下最短的时间为病人进行命危抢救。



图14 : 网页端架图;网页端首页;网页端控制介面图;网页端生理讯号监视介面图;封包通讯协定图;MySQL资料库格式;血压历史纪录表图
图14 : 网页端架图;网页端首页;网页端控制介面图;网页端生理讯号监视介面图;封包通讯协定图;MySQL资料库格式;血压历史纪录表图

6.实验结果

图15-1所示为医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现作品实体图,透过功率的改变与读取生理讯号,并将资料传送至网页端进行监视与控制,图15-2所示为功率98%输出波型、图15-3所示为功率50%输出波型,是经由零交叉脉波与触发TRIAC控制交流电电压波型,图15-4所示为医疗气垫床功率在98%时所呈现的实体状况,图15-5所示为医疗气垫床功率在50%时所呈现的实体状况。



图15 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现作品实体图;功率98%输出波型;功率50%输出波型;医疗气垫床功率在98%时所呈现的实体状况;医疗气垫床功率在50%时所呈现的实体状况
图15 : 医疗气垫床与生理讯号之无线监控实现作品实体图;功率98%输出波型;功率50%输出波型;医疗气垫床功率在98%时所呈现的实体状况;医疗气垫床功率在50%时所呈现的实体状况

7. 结论


本文是利用盛群半导体公司所生产的HT66F2390单晶片微控制器,实现医疗物联网概念的一套系统,结合零交越电路来改变医疗气垫床功率的输出使三管式气垫床经由不同的功率而使三管式中的其中一管有明显的改变,藉此达到皮肤与床垫之间的压力(介面压力)在一个理想的状态,并搭配生理讯号感测器来得知目前使用者的生理温度、血氧浓度和心律,再由WiFi模组来与网路伺服器进行连线,使网页端能观察使用者的生理讯号(生理温度、血氧浓度、心律)的相关数据以便医护人员观看。


本文主要成果如下:


(1) 可即时显示病人生理温度、脉搏、心率、血氧浓度於网页端。


(2) 本文成功的设计出硬体式、网页端之两种功率控制器控制气垫床之充气速度。


(3) 当病人生理讯号超过或低於正常范围时透过网页端之SOS讯息发送e-mail告知使用者。


8. 叁考文献格式

[1] 王邦元,脊髓损伤者的褥疮预防与治疗,长庚纪 念医院基隆分院复健科:2007-03-12刊登。


[2] 医疗气垫床,


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


[3] 充气与泄气动作,


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


[4] 交替式气垫床,


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


[5] 陈宏明、徐依平、陈承宏、陈培贤、篮旺坤、蔡宗宪 电器设备之零交叉脉宽调变功率控制器设计与实现 2007年国际安全和安保管理与工程技术会议 建国科技大学电子工程系。


[6] 余启正,“智慧监控与家用设备功率控制之整合系统实现”,建国科技大学,电子工程研究所硕士论文,2017。


[7] HT66F2390资料手册,


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


[8] 锺启仁,微处理机应用实习迈向 AMA 中级 先进微控制器应用认证-使用 Holtek 8位元晶 片,新北市,台湾,台科大图书股份有限公司,2014 年 6 月初版。


[9] 锺启仁,微处理机应用实习迈向 AMA 高级 先进微控制器应用认证-使用 Holtek 8位元晶 片,新北市,台湾,台科大图书股份有限公司,2014 年 5 月初版。


[10] 锺启仁,HT66Fxx Flash MCU 原理与实务-C语言,全华书局,新北市,2011年9月。


[11] MAX30100资料手册,


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红外非接触温度计模组,


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


[13] ESP-01,


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


[14] 树梅派,


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


[15] PHP7+MySQL+AJAX 网页设计,


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


(本文作者为建国科技大学 电子工程系所 陈宏明??教授、蔡秉均、洪嘉良、简文浩)


相关文章
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告━绿色养成专家
结合吹风机之多功能装置
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告━微尘捕捉网
骑幻旅程
仿昆虫多步伐快速行走六足机器人
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Arduino Motor Shield
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 台湾欧特明打造小鹏电动车全场景自动停车系统
» 日亚专利侵权诉讼再次於德获两件最终胜诉
» TrendForce:摺叠式手机即将问世 2019年渗透率仅0.1%
» NVIDIA携手IBM 共同开发全新AI融合式基础架构
» 英飞凌推出全球首款小型封装工业级eSIM
  相关产品
» 力旺电子NeoMTP成功导入格芯130nm BCDLite及BCD制程平台
» NVIDIA与RED Digital Cinema携手促成8K影片制作
» 意法半导体开始提供车用微控制器嵌入式PCM样片
» 意法半导体免费的STM32微控制器开发生态系统
» 高通协助启??科技推出蜂巢式车联网C-V2X模组新产品
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD