Quinto Artigo de Iniciao Cientfica 2014Aluno responsvel: Diego Vieira Pereira Aluno responsvel: Lua Clara15/04/2014

Artigo: Prognstico - Uma rede de sensores sem fio Compatvel Wearable U - Sistema de Monitoramento de Sade Usando ECG integrado, acelermetro e SpO2

Resumo - Este artigo apresenta a concepo e desenvolvimento de um sistema de monitoramento de sade onipresente wearable usando eletrocardiograma integrado (ECG), acelermetro e sensores de saturao de oxignio (SpO2). Neste projeto, o sistema de sade no-intrusiva (no invasivo) foi projetado com base em uma rede de sensores sem fio (RSSF) para a cobertura com o mnimo de energia da bateria para suportar a transmisso RF em uma ampla rea. Temos desenvolvido vrios dispositivos, tais como rede de sensores wearable onipresente (USN) n, wearable sensor cinto de peito e oxmetro de pulso para o pulso para este sistema. ECG de baixa potncia, acelermetro e placas de sensores de SpO2 foram integrados ao n USN wearable para vigilncia da sade do usurio. O sistema de monitorizao da sade onipresente wearable usvel permite que os dados fisiolgicos sejam transmitidos atravs de uma rede de sensores sem fios utilizando IEEE 802.15.4 a partir de dispositivos sensores wearable no corpo para uma estao de base que ligado a um PC servidor. Os dados fisiolgicos podem ser visualizados e armazenados no computador servidor continuamente.IntroduoNos ltimos anos, o nmero de aplicaes para tecnologias wearables cresceu consideravelmente. Normalmente, estas aplicaes esto focadas na deteco de sinais do corpo humano e monitoramento contnuo de parmetros fisiolgicos e de acelerao que so extremamente teis em aplicaes de sade onipresente wearable. Os dispositivos mdicos existentes usados para a deteco e monitoramento do corpo humano so invasivos, desconfortveis para se usar. Este artigo apresenta um dispositivo wearable prottipo que no-invasivo, confortvel e contnuo. Isto significa que o paciente pode no sentir se h existncia de dispositivos portteis, quando eles so ligados ao corpo do paciente. A principal vantagem que esses dispositivos sensores wearable so capazes de oferecer a comunicao sem fio de pacientes com base em IEEE 802.15.4. Os aparelhos utilizados para este fim devem ser pequenos, na sua dimenso e ter um baixo consumo de energia. Portanto, propomos sistema u-sade, que anexado ao corpo para deteco, monitoramento e comunicao com dispositivos portteis, wearables (sensor de cinto de peito e oxmetro de pulso para o pulso). Este artigo prope um sistema de rede generalizada. Ns USN Wearable com os dispositivos conectados so usados para medir vrios parmetros fisiolgicos do corpo humano. Esses ns USN wearable formam uma rede de sensores sem fio entre si e outras entidades que so externas ao corpo humano. Rede de sensores sem fios a opo mais adequada para este sistema porque uma rede com fio requer que se coloquem fios em todo o corpo humano, os quais no so desejveis. Isto permite o monitoramento de sade em tempo real atravs da rede de sensores sem fio em condio ativa. O sensor de cinto no peito tem dois eletrodos no cinto e acelermetro em 3 eixos para adquirir o sinal do ECG e o sinal de acelerao. O oxmetro de pulso para o pulso consiste em um mdulo SpO2, n USN wearable e uma sonda para adquirir valor de SpO2, frequncia cardaca e fotopletismografia (PPG) do dedo do usurio. N USN Wearable coleta dados fisiolgicos e os transmite para a estao base conectada com o servidor PC para monitoramento contnuo. Neste domnio, o objetivo da comunicao transmitir todos os dados medidos de ns sensores para o servidor sem perdas de pacotes. Um dos principais componentes desta aplicao o monitoramento de dados fisiolgicos. O sistema de monitoramento foi implementado usando programas Matlab e LabVIEW.

II. WEARABLE SISTEMA DE MONITORAMENTO U-SADE

Fig. 1 mostra a arquitetura geral do sistema de sistema de monitoramento de wearable para u-sade. O sistema de monitoramento wearable proposta para sade onipresente consiste em duas partes: parte dispositivos sensores wearable e parte servidor. Os dispositivos sensores wearable incluem um n wearable USN, sensor de cinto de peito e oxmetro de pulso para o pulso, que enviam dados para uma estao base e mediem dados fisiolgicos do corpo humano.

Fig. 1. Wearable USN node.

Os dados fisiolgicos medidos so transmitidos para uma estao base atravs de IEEE 802.15.4. O PC servidor exibe as formas de onda de ECG, acelermetro e sensor de SpO2 de sada.

A. N USN Wearable

O n USN Wearable foi desenvolvido pelo nosso laboratrio para o sistema de monitorizao de u-sade, como mostrado na fig. 2, que possui um ultra baixa potncia micro-controlador Texas Instruments MSP430 com 10KB de RAM, memria flash 48KB e 12-bit conversor A / D. Ele suporta vrios modos de operao de baixa potncia, consumindo to baixo quanto 5.1uA no modo de suspenso e 1.8mA no modo ativo. O transceptor sem fio CC2420 no n USN IEEE 802.15.4 Zigbee compatvel. Tem potncia de sada programvel, uma taxa mxima de dados de 250Kbps e hardware fornece PHY e algumas funes da camada MAC. O CC2420 controlado pelo MSP430F1611 atravs SPI porta e uma srie de linhas I/O digitais. O n USN usa M25P80 um 8Mb (1 Mbit * 8) de memria flash de srie com mecanismo de proteo contra gravao, acessvel a partir de barramento SPI. Para minimizar o tamanho do n USN wearable, fizemos o conselho de programao USB como um mdulo separado. Este mdulo necessrio apenas quando os ns so conectados ao PC servidor ou para download de aplicativos ou quando o n age como uma estao base.

Fig. 2. Wearable USN node.

Fig. 3 mostra uma placa de sensor integrada ao n USN wearable que consiste de um ECG e um sensor de acelermetro de trs eixos. Na placa do sensor, sinais de ECG dos eletrodos so amplificados com um ganho de 300 (24,8 dB) e filtrada com as frequncias de corte de 0,05 Hz e 123 Hz. Um eletrodo de ECG tem dois eletrodos que so integrados dentro do cinturo sensor. Alm disso, a placa de sensor tem tambm um sensor acelermetro de trs eixos (MMA7260Q, Freescale) para medir sinais de acelerao.

Fig. 3. The developed wearable chest belt type sensor system.

B. Wearable Sistema Sensor U-sade

Foram desenvolvidos dois tipos de sistema de sensores wearable u-sade: um sistema de sensor do tipo cinta peitoral (sensor de cinto de Peito) e um sistema de sensor do tipo pulso (oxmetro de pulso). Fig. 3 mostra um sensor de cinto de peito wearable, que tem um sensor de cinto de peito com eletrodos de tecidos condutores, um ECG e sensor acelermetro. Temos a mesma placa de circuito impresso de duas camadas, um n USN wearable foi colocado no topo superior da placa do sensor com um ECG e acelermetro foi colocado na camada inferior. O n USN wearable conectado ao sensor de cinto peito wearable usando um conector de boto.

Para obter o sinal de ECG de pele humana, foi utilizado o sensor de cinto peito wearable que contm um eletrodo de tecido condutivo (tamanho 8 cm). Assim como sinal de ECG, um sinal de acelerao obtm n USN wearable. Fig. 4 mostra o sistema de sensor do tipo de pulso que tem sensor de SpO2 para medir valores de SpO2. Utilizou-se o Mdulo de OEM Nonin (Nonin, EUA) como sensor de SpO2 que tem o tamanho de 53 milmetros * 20 milmetros * 15 mm. Os componentes pticos usados incluem LED vermelho, LED infravermelho e fotodiodo, operando por transmisso de luz. Os valores de SpO2 podem ser obtidos pelo clculo da proporo entre as duas luzes, dependendo da absoro de luz. O oxmetro de pulso realiza aquisio de dados em 5 bytes por um segundo que contenham dados fotoplestimogrfico (PPG) amostradas em 75 Hz e os valores de SpO2.

Fig. 4. The developed wearable wrist type sensor system.

C. Wearable Rede Sensor Ubiquitous

Fig. 5 mostra uma pessoa usando o sistema de sensor do tipo cinta peitoral e sistema de sensor do tipo pulso. O sensor de cinto de peito est ligado no peito para medir ECG e sinal de acelerao, e o oxmetro de pulso anexado ao pulso usando sonda que contm LEDs e fotodiodo para medir o valor de SpO2. Ambos os dispositivos podem se comunicar uns com os outros atravs de redes de sensores sem fio. Todos os dados fisiolgicos medidos a partir do sistema de sensor de vestir wearable - podem ser armazenados num pacote de transmisso e enviados para uma estao de base com baixa coliso de pacote e operao de baixa energia atravs da rede de sensores sem fio. Ento, o programa de controle pode ser usado para exibir os dados fisiolgicos e armazena os dados no servidor.

III. Os resultados da experincia Os experimentos foram realizados em diferentes locais atravs do uso do sensor de cinto no peito e o oxmetro de pulso, como mostrado na figura 5.

Fig. 5. Person wearing the wearable ubiquitous healthcare sensor system.

Neste experimento, os sinais de ECG e do acelermetro foram monitorados continuamente e registrados a cada minuto por 10 minutos em uma esteira. Fig. 6 mostra o exerccio em esteira no centro esportivo da Universidade Dongseo. A pessoa usava um n USN wearable para monitorar sinais de ECG e acelermetro durante o exerccio em uma esteira.

Fig. 6. Exercise on a treadmill by wearing the wearable sensor system.

Fig. 7-9 mostra as formas de onda de sada de ECG, acelermetro e sensor de SpO2 quando a pessoa estava andando, correndo e descansando em uma esteira. Os sinais de ECG fornecem um registro dos eventos eltricos que ocorrem dentro do corao. Sinais de acelerao fornecem informaes valiosas sobre a atividade do indivduo, como caminhar, correr, descansar e cair. SpO2 e frequncia cardaca so recebidos a partir de dados da PPG.

Fig. 7. Walking data on a treadmill.

Fig. 8. Running data on a treadmill.

Fig. 9. Resting data on a treadmill.

Fig. 10 mostra uma captura de tela do programa de monitorizao de SpO2 projetado com LabVIEW. Ele monitora o sinal de onda SpO2 desenhando a forma de onda de um pulso no PC servidor conectado com a base-estao, assim que recebe o valor de SpO2 (%) do sensor porttil. Este sistema atua como um gravador de eventos contnuo, que pode ser utilizado para acompanhar os pacientes em casa, visto que podem levar uma vida normal. Embora o valor de SpO2 seja calculado pelo mdulo, os dados medidos so guardadas no servidor. Ele pode chegar a um diagnstico correto, mesmo em situaes em que o paciente est inconsciente e tem a capacidade para realizar atividades dirias. Para melhorar o contedo informativo dos dados registados, este tipo de medio em tempo real dos valores de SpO2 tem de ser combinada com dados de ao ou de monitoramento da atividade.

Fig. 10. Pulse waveform at server PC connected with a base-station.

IV. CONCLUSO

Particularmente, o sistema de uma prxima gerao de redes de sensores sem fio dispositivos portteis wearables - compatveis para u-sade e atividade de monitoramento foi apresentado aqui. O sistema foi demonstrado para operar com xito no sistema u-sade de acordo com a medio, comunicao e monitoramento, sem qualquer perturbao para a vida diria de paciente ou pessoa idosa. Tal sistema composto por sensores wearable u-sade para a deteco de ECG, acelerao e deteco valor SpO2, e um n USN wearable de baixa potncia. O n USN recolhe dados fornecidos pelos sensores e envia estes dados para uma unidade de aquisio, que pode ser um PC ou servidor de Internet, por meio de um servidor de pessoal. Assim, os dados fisiolgicos de uma pessoa sob observao podem ser enviados em tempo real para o PC servidor atravs de vrios ns sensores ligados no telhado da casa ou no hospital. Com estes, os mdicos podero agir imediatamente em caso de anomalias nos parmetros vitais monitorados.

Referncia Bibliogrfica:CHUNG, W. Y.; JUNG, S. J.; LEE, Y. D. A Wireless Sensor Network Compatible Wearable U healthcare Monitoring System Using Integrated ECG, Accelerometer and SpO2. 30th Annual International IEEE EMBS Conference Vancouver, British Columbia, Canada, August 20-24, 2008