بخشی از مقاله
چکیده
این پژوهش، طراحی یک سنسور بی سیم کوچک برای مانیتورینگ کردن ضربان قلب و تنفس را برای افراد سالخورده پیشنهاد می دهد. این سنسور توسعه یافته شامل یک سنسور ژیروسکوپ، یک پردازشگر و یک فرستنده گیرنده، که در باند ISM و فرکانس 2/54 گیگاهرتز با گره مرکزی برای ارسال اطلاعاتش به کامپیوتر در ارتباط است، میباشد. به منظور ارزشیابی کردن دقت سیستم پیشنهادی، آزمایشهای مختلفی روی 15 داوطلب انجام می شود و نتایج به دست آمده با یک استاندارد طلایی برای ضربان قلب و تنفس به عنوان مرجع مقایسه گردید.
نتایج حاصل از این پژوهش نشان میدهد که میانگین مربعات خطا کمتر از 2/3 ضربان در دقیقه برای ضربان و 0/93 تنفس در دقیقه برای تنفس محاسبه می شود. علاوه بر این، انحراف معیار خطا کمتر از 1/23 و 0/63به ترتیب برای ضربان قلب و تنفس به دست می آید. با توجه به این نتایج، این سنسور را میتوان یک ابزار مناسب برای مانیتورینگ کردن علایم حیاتی افراد سالخورده و تنها در خانه ، به علت قابل حمل بودن، کم هزینه و در دسترس بودن پیشنهاد داد.
-1 مقدمه
امروزه، بیشتر سالخوردگان از نقص سلامتی رنج میبردند و توجهات طولانی مدت به آنها، یک نقش خیلی مهم برای فراهم کردن سلامتی آنها میباشد. شناسایی و دنبال کردن فعالیت های فیزیکی روزانه یک فاکتور اساسی برای ارزیابی کردن وضعیت سلامتی و کیفیت زندگی می باشد. بر این اساس، مانتیتور کردن پیوسته وضعیت سلامت بیماران، میتواند از صدمات جلوگیری کند و همچنین تضمین کننده امنیت زندگی اجتماعی آنها می باشد. برای نمونه، سیگنالهای قلبی عروقی علائم مهمی برای ارزیابی سلامت بیماران به علت رشد سریع مرگهای ناشی از بیمارهای قلبی عروقی هستند
اخیرا، تعداد زیادی از سیستم های مانیتورینگ قلبی عروقی در چند دهه اخیر به منظور کاهش این مرگ و میرها در مراکز پزشکی ظهور پیدا کرده است
تکنیک های مانیتیورینگ کردن سیستم های قلبی عروقی پیوسته را میتوان به سه روش اندازهگیری تقسیم شود: دستگاههای که حرکت و تغییرات بافت را اندازه گیری میکند، دستگاهایی که جریان هوا را اندازه گیری میکند و دستگاههایی که تغییرات هوا در خون را اندازه گیری میکند. یکی از بزرگترین مشکلاتی که بیماران از آن رنج می برند، تلف شدن زمان و هزینه برای مراجعه به مراکز درمانی و کلینیک ها مخصوصا از راههای دور می باشد
علاوه بر این، بیمارستانها و کلینیک های شلوغ مراجعه بیماران به این مکان ها را برای بررسی های کلینیکی و رفتارهای سلامتی دچاره مشکل کرده است
اخیرا پیشرفت در تکنولوژی ارتباطات و اطلاعات از راه دور، یک مفهوم جدیدی به نام درمان از راه دور را معرفی کرده است .[4] درمان از راه دور می تواند انواع مختلفی از سیستم های مستقل از مکان را در خانه برای بیماران پیشنهاد کند
علائم حیاتی بیماران میتواند با کمک تکنولوژی های اخیر در سنسورهای پوشیدنی در خانه های هوشمند جمع آوری شود و از طریق اینترنت به پایگاههای پزشکی و کلینیک ها انتقال داده شود .[6] سیستم های مانیتیورینگ پوشیدنی برای مراقبت سلامتی در اواخر 1990 برای پیشگویی بیمارها پیشنهاد شد. در بازار انواع مختلفی از سیستم های پوشیدنی وجود دارد که سیستم های رایج برای مانیتورینگ کردن قلبی عروقی شامل الکتروکاردیوگرام [7] - ECG - ، فونوکاردیوگرام [8] - PCG - و سزموکاردیوگرام [2] - SCG - می باشد. ECG فرآیند ضبط کردن سیگنال الکتریکی قلب در یک پریود زمانی به وسیله الکترودهای گذاشته شده در روی بدن بیمار به دست می آید.
شکل - - 1 - شماتیک حرکت قلب و شش ها به منظور اندازه گیری تنفس و ضربان قلب با کمک مکانیزم پیشنهادی
به علت حرکات شوک گونه قلب، ECG برای دنبال کردن وضعیت های مکانیکی قلب دچاره مشکل میشود. یکی دیگر از مشکلات ECG این است که رزولوشن ناقص تصاویر قلبی، می تواند استرس روی بیمارن ایجاد کند
دیگر سیستمها که PCG نام گذاری می شود بر اساس ضبط کردن صدای قلب در طول چرخه های قلبی کار می کند. PCG از جریان خون تولید میشود و نمیتواند فرکانس های زیر 25 هرتز را پوشش دهد
اخیرا پیشرفت تکنولوژی در زمینه میکروالکترونیک و سیستم های میکروالکترومکانیک، با معرفی سیستم های SCG مانیتور کردن شرایط سلامتی بیمار را با سرعت بیشتری به سمت جلو سوق داده است .[12-13] سیتمهای SCG شتاب قفسه سینه را اندازه گیری میکند .[14] این حرکت، با کمک یه شتاب سنج میکرو الکترومکانیکی که در روی جناغ سینه فردی که دراز کشیده است قرار داده میشود اندازه گیری می شود
SCG اخیرا به جای PCG وECG به علت حجیم نبودن، راحت بودن و نیاز به در درون بدن نگذاشتن به کار برده میشود. در این مقاله یک سیستم مانیتیور کردن علائم حیاتی بر اساس سنسورهای حرکتی برای تخمین زدن ضربان قلب و تنفس مطرح می شود. این سیستم شامل یک میکروکنترلر، یک سنسور حرکتی و یکی فرستنده گیرنده است که میتواند حرکات قلب و شش ها را ضبط کند. در مقایسه با سیستم های SCG دیگر [16-17] این سیستم میتواند به طور دقیقی ضربان قلب را تخمین بزند. طوری که میانگین مربعات خطا برای ضربان قلب 2,3 ضربان در دقیقه و برای تنفس 0/93 تنفس در دقیقه است. علاوه بر این، این سیستم سخت افزاری کوچکتر و دارای وزن کمتر در مقایسه با [16-17] دارد.
-2 مواد و روشها
همان طور که شکل 1 نشان می دهد سیستم های قلبی عروقی میتواند منجر به حرکات کوچک در سینه و شکم شود. این حرکت میتواند به دو حرکت کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم شود که به ترتیب مقیاسی برای ضربان قلب و تنفس در نظر گرفته می شود. حرکات مرتبط با فعالیتهای شش با نام DL که در فرکانس های پایین است انجام میگیرد. در حالی که حرکات با فرکانسهای بالاتر با نام DH برای فعالیت های قلبی می باشد. این حرکت میتواند به صورت معادله زیر تعریف شود:
که DT مجموع دو حرکت قبل است که از قفسه سینه به دست می آید . به منظور به دست آوردن این DT یک سنسور حرکتی قادر است هر دو این حرکات کوتاه مدت و بلند مدت سینه و شکم را به منظور ثبت کردن ضربان قلب و تنفس اندازه گیری کند. برای این منظور از یک ژیروسکوپ استفاده میشود.
-1-2 ساختار سنسور توسعه یافته
سیستم های اندازه گیری برای تخمین ضربان قلب و تنفس، شامل یک سنسور حرکتی بی سیم و یک گره مرکزی برای ارسال کردن داده های اندازه گیری شده به یک کامپیوتر شخصی به منظور نمایش داده ها می باشد - همانند شکل . - 2 سنسور حرکتی بی سیم مشابه با هر گره سنسوری [18]، شامل یک سنسور حرکتی - ژیروسکوپ - ، یک میکروکنترلر - -AVR - Atmega 32 و یک فرستنده گیرنده که در باند ISM و فرکانس 2,54 گیگا هرتز عمل میکند
این سنسور حرکتی بی سیم بر روی یک PCB کوچک سوار میشود و منبع آن با یک باتری لیتیم پلیمر به ولتاژ 3,7 ولت تامین میگردد. همچنین، گره مرکزی شامل یک فرستنده گیرنده، یک پردازشگر و یک مبدل USBبه TTLمی باشد - شکل -2آ - . لازم به ذکر است که قطعات گره مرکزی روی PCB دیگری که با ولتاژ USB تغذیه میشود سوار میشود. در واقع گره مرکزی یک کنترل کننده اصلی برای اتصال به کامپیوتر می باشد. این کامپیوتر برای ذخیره داده با نرخ نمونه برداری 50 هرتز به کار گرفته میشود. یکی از خصوصات مهم سیستم توسعه داده شده این است که آن یک سیستم قابل اعتمادی برای ارسال داده به طور بی سیم فراهم میکند.
شکل - - 2 - سیستم اندازه گیری تنفس و ضربان قلب: - آ - نمونه ساخته شده گره مرکزی - ب - نمونه ساخته شده سنسور حرکتی بی سیم.
طوری که این سیستم، داده ها را با فرستنده گیرنده ای که توان آن 0 دی بی و نرخ ارسال اطلاعات آن 1,8 مگا بیت در ثانیه می باشد، ارسال می کند. همچنین، این فرستنده گیرنده خصوصیاتی نظیر مصرف توان پایین، قابلیت اطمینان بالا در ارسال داده ها، قیمت پایین و همچنین نرخ ارسال و دریافت بالا دارد.
-2-2 پردازش سیگنال
به منظور جدا کردن دو سیگنال و همچنین حذف نویز، استفاده از یک فیلتر دیجیتال ضروری به نظر میرسد - شکل . - 3 برای این منظور، یک فیلتر بالا گذر و پایین گذر باترورث - - Butterworth به منظور جدا کردن ضربان قلب و تنفس از سیگنال به دست آمده از قفسه سینه استفاده میشود. این فیلتر ، یک فیلتر دیجیتال مرتبه 2 با نرخ نمونه برداری 50 هرتز و فرکانس قطع 0/5هرتز می باشد.
