بخشی از مقاله
سیستم مانیتورینگ علائم حیاتی و حرکتی
چکیده
در این مقاله یک سیستم مانیتورینگ علائم حیاتی و حرکتی ارائه شده است. این سیستم علائم حیاتی شامل ضربان قلب، دمای بدن و اطلاعات حرکتی را به صورت پیوسته ثبت میکند. این سیستم با سایز کوچک و وزن کم به راحتی توسط هر کاربری قابل استفاده میباشد. به منظور برآورد عملکرد سیستم، صحت علائم حیاتی و اطلاعات حرکتی با آزمایشاتی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد دقت تشخیص پارامترهای حیاتی و حرکتی در مقایسه با روشهای استاندارد ثبت علائم حیاتی مناسب بوده است.
-1 مقدمه
یکی از مهمترین موضوعات در بحث پزشکی، تشخیص به موقع و تخصصی قبل از رسیدن فرد به بیمارستان میباشد. این موضوع برای بیماران قلبی و افراد مسن که در معرض خطر جدی هستند اهمیت پیدا میکند . (Meade & Barnett, 2002 ) علاوه بر این موارد، برای افراد با مشاغل خطرناک مانند سربازان، آتش نشان ها و معدنچیان تشخیص به موقع میتواند در جلوگیری از مرگهای ناگهانی و کشنده نقش اساسی داشته باشد . (Park & Jayaraman, 2003 )
یکی از راه حلهای اساسی برای این موضوع، ارائه یک سیستم مانیتورینگ پیوسته علائم حیاتی میباشد. بیشتر سیستمهای موجود در این زمینه چه در مقیاس آزمایشگاهی و چه نمونه های تجاری آن، بیشتر در مورد کنترل و مانیتورینگ علایم حیاتی بدن در بیماران می باشد( Anliker et al., 2004; Luprano, Solà, Dasen, Koller , & Chételat , 2006; Mundt et al., 2005 ; Paradiso, Loriga, & Taccini, 2005; .(Sung, Marci, & Pentland, 2005 در این گونه سیستم ها سیگنال های حیاتی بدن ثبت شده و می تواند به خود فرد گزارش داده شود و یا اینکه از طریق ارتباطات از راه دور به مراکز پزاشکی برای بررسی وضعیت بیمار توسط متخصص مربوط فرستاد شود. سیستمهای تجاری مانیتورینگ علائم حیاتی در موقعیتهای مختلف شامل ICU و حتی منزل مورد استفاده قرار میگیرند.
علیرغم دقت بالای این سیستمهای در ثبت علائم حیاتی، محدودیتهای از نقطه نظر کاربر وجود دارد: (1 بیشتر این سیستمها حجیم بوده و شامل تعداد زیادی الکترود میباشد که استفاده از آنها را برای کاربر مشکل میسازد. (2 امکان حرکت با این سیستمها مشکل میباشد و از اینرو امکان استفاده از آنها در محیطهای غیر بیمارستانی مشکل میباشد. (3 بدلیل قیمت بالای این سیستمها، امکان استفاده از آن برای همه اقشار جامعه امکان-پذیر نمیباشد. علاوه بر این موارد بیشترسیستمها موجود به منظور کنترل علائم حیاتی بیماران طراحی شدهاند. بنابراین طراحی یک سیستم مانیتورینگ چندمنظوره سبک، کم حجم و ارزان قابل استفاده برای بیماران و افراد با مشاغل خطرناک از اهمیت بالایی برخوردار است.
در این مقاله یک سیستم مانیتورینگ علائم حیاتی با سایز کوچک و وزن سبک و قیمت پایین ارائه شده است. این سیستم به راحتی توسط هر کاربری قابل استفاده بوده و هر فرد تنها با قرار دادن انگشت دست خود بر روی سنسور می تواند به طور همزمان ضربان قلب و دمای بدن خود را چک کند. همچنین این سیستم قابلیت استخراج اطلاعات حرکتی را دارد.
-2 روش ها
1-2 شرح کلی سیستم
در شکل 1 بلوک دیاگرام کلی سیستم نشان داده شده است.
سیستم انتخاب شده به ترتیب از سه سنسور پالس برای سنجش نرخ ضربان قلب ، سنسور دمای برای اندازه گیری دمای بدن فرد و همچنین سنسور شتاب برای بررسی وضعیتهای حرکتی فرد تشکیل شده است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، هسته مرکزی سیستم را یک میکرو کنترلر (ATmega328, Atmel, USA) تشکیل میدهد. این میکرو کنترلر 8 بیتی دارای حافظه فلش 32 کیلوبایتی برای ذخیره کدها بوده و همچنین دارای 32 خط ورودی و خروجی و سرعت پردازش آن با استفاده از یک کریستال خارجی حداکثر تا 20 مگاهرتز میباشد. ولتاژ عملیاتی این میکروکنترلر بین 1,8 تا 5 ولت است. اطلاعات هر یک از سنسورها توسط این میکرو کنترلر از طریق پورت آنالوگ ثبت میشود. سپس اطلاعات از طریق پورت سریال به کامپیوتر ارسال شده و بوسیله برنامه نوشته شده در نرم افزار لب ویو (National Instruments, Inc., Austin, TX) نمایش داده میشود. همه پردازش ها لازم شامل حذف نویز و فیلترینگ و استخراج علائم حیاتی از روی اطلاعات خام سنسورها، در نرم افزار لب ویو انجام گرفته است.
یکی از موارد مهم در بهینه سازی سیستم، نحوه قرارگیری سنسورها میباشد. سنسورها بایستی به صورتی قرار گیرند که هم کوچکترین اختلال را در عملکرد فرد ایجاد کرده و به راحتی توسط هر کاربری قابل استفاده باشد. با توجه به نوع سنسورهای انتخاب شده نحوه قرارگیری سنسورهای دما و پالس به صورت شکل 2 در نظر گرفته شده است. با این آرایش سنسورها، فرد کافی است برای یک لحظه دست خود را بر روی سنسور پالس قرار دهد و با توجه به برنامه نوشته شده به طور لحظهای نرخ ضربان قلب فرد محاسبه می شود. همچنین از آنجا که سنسور دمای مورد استفاده در این پروژه از نوع مادون قرمز می باشد احتیاجی به تماس فرد با سنسور دما نمی باشد. با توجه به نحوه قرار گیری سنسور دما، هنگامی که فرد دست خود را بر روی سنسور پالس می گذارد، سنسور مادون قرمز نیز اطلاعات دما را ثبت می کند.
شکل ( 2) نحوه قرار گیری سنسورهای پالس و دما
همچنین پس از انجام تست های اولیه، بهترین محل قرارگیری سیستم در ناحیه تنه و بر روی کمربند انتخاب شده است. در شکل 3 نحوه قرارگیری سیستم بر روی کمربند فرد نشان داده شده است. با این ساختار همزمان با ثبت اطلاعات حرکتی توسط سنسور شتاب ، اطلاعات حیاتی فرد با قرار دادن انگشت بر روی سنسور پالس و دما ثبت میشود.
شکل ( 3) نحوه قرار گیری سیستم مانیتورینگ علائم حیاتی و حرکتی در ناحیه تنه فرد
2-2 سنسورهای اندازه گیری
1-2-2 اندازه گیری نرخ ضربان قلب
اندازه گیری نرخ ضربان قلب یکی از روشهای آسان و موثر به منظور مانیتورکردن وضعیت سلامت افراد میباشد. با استفاده از این معیار میتوان از میزان استرس، آمادگی جسمانی و ... فرد آگاهی پیدا کرد .(Iyriboz, Powers, Morrow, Ayers, & Landry, 1991) در این مقاله از سنسور پالس (Pulse sensor Amped) به منظور استخراج پارامتر نرخ ضربان قلب استفاده شده است. این سنسور قادر است با اندازهگیری تغییرات نامحسوس رگهای خونی در هنگام پمپاژ خون، ضربان قلب را به صورت یک پالس الکتریکی آشکار سازی کند. با ثبت این پالس توسط میکرو کنترلر میتوان به سادگی نرخ ضربان قلب را محاسبه کرد. یکی از ویژگی های این سنسور توانایی بالای آن در حذف نویز های محیطی میباشد. ولتاژ راه اندازی این سنسور بین 3 تا 5 ولت بوده و مصرف جریان این سنسور در 5 ولت تنها 4 میلی آمپر است. خروجی سنسور پالس با نرخ نمونه برداری 20 هرتز به منظور محاسبه ضربان قلب به سیگنال دیجیتال تبدیل شده است.
2-2-2 اندازه گیری دمای بدن
دمای بدن یکی از فاکتورهای مهم تعیین وضعیت هموستاز میباشد و به طور غیر مستقیم میتواند نشان دهد که وضعیت بیمار بهتر یا بدتر شده است .(Patel, Park, Bonato, Chan, & Rodgers, 2012) با اندازه گیری دمای بدن از ناحیه انگشت فرد میتوان تغییرات حاﻻت فیزیولوژیکی یا محیطی فرد را تعیین کرد. سنسور دمای انتخاب شده ، ترمومتر بدون تماس MLX90614 از نوع مادون قرمز برای اندازه گیری دمای بدن میباشد. این سنسور دارای یک تقویت کننده داخلی بوده و دقت اندازه گیری دمای آن میباشد. با ارتباط این سنسور با میکروکنترلر از طریق پورت I2C اطلاعات دما با فرکانس 20 هرتز نمونه برداری شده است.
3-2-2 اندازه گیری حرکات بدن
حرکات بدن را میتوان با استفاده از سنسورهای شتاب سنج اندازه گیری کرد. اندازهگیری حرکات بدن می تواند به عنوان یک نشانگر فعالیت فرد استفاده شود . (Yang & Hsu, 2010 ) همچنین در مشاغلی سخت و خطرناک مانند پلیسها، آتشنشانها، سربازان، معدنچیها، کارکنان راکتورهای هستهای و ... آگاهی از وضعیت افراد به خصوص در مواقعی که نیاز به کمک دارند ولی توانایی کمک خواستن ندارند بسیار اهمیت دارد ( Sung, .(DeVaul, Jimenez, Gips, & Pentland, 2004 به طور کلی کاربردهای شتاب سنج ها را در زمینه مانیتورینگ عﻻئم حیاتی میتوان به موارد زیر اشاره کرد :(Yang & Hsu, 2010)
-1 تشخیص وضعیت فرد (نشسته- خوابیده- در حال حرکت)
-2 تشخیص وضعیت های بحرانی مانند افتادن و سقوط
-3 تشخیص وضعیت تعادل فرد (تشخیص شوک، بیهوشی و ..)
-4 تخمین میزان مصرف انرژی
در این مقاله به منظور ثبت اطلاعات حرکتی از سنسور شتاب ADXL335 سه محوره استفاده شده است. از ویژگی ها بارز این سنسور می توان به سایز کوچک، توان کم و قابلیت سنجش شتاب سه محوره اشاره کرد. این سنسور قادر است شتاب استاتیک جاذبه را در راستای هر یک از محورها اندازه گیری کند و همچنین میزان انحراف از در هریک از جهت ها نشان می دهد. سیگنال آنالوگ خروجی این سنسور با نرخ نمونه برداری 20 هرتز توسط میکروکنترلر به سیگنال دیجیتال تبدیل میشود.
-3 نتایج
قبل از تست نهایی سیستم، دقت عملکرد هر یک از سنسورهای پالس، دما و شتاب سنج به صورت مستقل مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل 4 نمایشگر علائم حیاتی و حرکتی در نرم افزار لب ویو نشان داده شده است. در سه مانیتور بالا سیگنال خروجی سنسور شتاب در سه راستای x، y و z نمایش داده میشود. همچنین در دو مانیتور پایین سیگنالهای سنسور دما (سمت چپ) و سنسور پالس (سمت راست ) نمایش داده میشود. همچنین در گوشه سمت راست یک نمایشگر مقادیر مختلف علائم حیاتی و حرکتی به صورت عددی قرار داده شده است. این قسمت به صورت مجزا در شکل 5 نشان داده شده است.
در جدول 1 نتایج برآورد عملکرد سیستم در اندازهگیری علائم حیاتی و حرکتی به طور خلاصه آورده شده است. در ابتدا به بررسی دقت اندازه گیری نرخ ضربان قلب با استفاده از سنسور پالس میپردازیم. در شکل 6 نمونهای از خروجی سنسور پالس به مدت 5 ثانیه نشان داده شده است. با استفاده از برنامه نوشته شده در نرم افزار لب ویو فواصل بین هر دو پیک محاسبه شده و با تقسیم عدد بدست آمده بر 60 می توان در هر لحظه نرخ ضربان قلب را بدست آورد. به منظور برآورد دقت اندازهگیری نرخ ضربان قلب توسط سنسور پالس نتایج اندازه گیری نرخ ضربان قلب با سنسور پالس با یک نمونه تجاری سنجش ضربان قلب ( Samsung Hear Rate Monitor ) مورد آزمایش قرار گرفته است. مقایسه انجام گرفته بر روی دو فرد میانگین درصد خطای کمتر از 3 درصد را نشان میدهد.
