Transcript 05.生理資訊整合與回饋應用

居家無線感測監控與回饋技術
生理資訊整合與回饋應用
教學目標
 藉由健康照護感測網路由高齡長者隨身配帶之無
線感測元件適時傳送重要生理參數如心律，體溫，
及血氧等傳輸至伺服器
 同時利用分析訊號強度進行定位演算，了解長者
在室內位置
 這些資訊可經由簡易的分析了解長者生理狀況及
行為模式並提供回饋至健康照護者
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單元4: 生理資訊回饋應用
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生理資訊整合與回饋應用
單元1: 生理訊號量測及其意義
心電圖 ECG (Electrocardiogram)
 心臟靠電波傳導而產生跳動，在心臟律動的過程
中，電位會產生改變，而心電圖即為整個心臟組
織電壓變動的圖形。
http://www.davita-shop.co.uk/ecg-instruments.html
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心臟的律動
 神經細胞的傳導控制心臟規律的跳動
– 神經細胞產生動作電位(action potential)
– 鈣離子進入細胞，引發運動蛋白(motor protein) 收縮
 SA node調節心房心室收縮
http://www.dls.ym.edu.tw/lesson/circ.htm
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SA node調節心房心室收縮
 心臟竇房結(SA node)(Sino Atrial node)
– 心肌特化組織
– 產生action potential
– 刺激兩邊的心房產生收縮
 心房去極化
– 刺激心室的AV node
 AV node將訊號傳遞到兩邊心室
 心室同時產生強而有力的收縮
– 心室去極化
 心室再極化
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography
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ECG波形的產生
http://www.zoology.ubc.ca/~gardner/cardiac_muscle_contraction.htm
http://library.med.utah.edu/kw/ecg/mml/ecg_em_events.html
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波形和間期
名稱
描述
時長
相鄰兩個R波相隔的時間可以反應心率。靜息狀態下心率在
50bpm到100bpm之間。
0.6~1.2s
P波
在正常的心室除極過程中，心電向量從竇房結指向房室結。除極
由右心房至左心房。這個過程在心電圖上形成了P波。
80ms
PR
interval
PR間期指從P波開始到QRS波群開始的時間。PR間期反映了電衝
動由竇房結髮出，經房室結傳入心室引起心室除極所需的時間。
所以，PR間期可以很好的評估房室結的功能。
120~200ms
PR 段
TPR段連接了P波和QRS波群，代表了心電衝動由房室結傳到希
氏束、左右束支及普肯耶纖維的過程。這個過程中心電衝動並不
直接引起心肌收縮，而只是其向心室傳導的一個過程，所以在心
電圖上顯示一個平直段。PR段對於臨床診斷非常重要。
50~120ms
QRS波群
QRS波群反映了左右心室的快速去極化過程。由於左右心室的肌
肉組織比心房發達，所以QRS波群比P波的振幅高出很多。
80~120ms
RR間期
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography
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波形和間期
名稱
J點
描述
時長
J點是QRS波群結束和ST段的開始的位置。J點用於ST段抬高或者
N/A
壓低的參照點。
ST段
ST段連接QRS波群與T波，代表心室緩慢復極化的過程。它位於
等電勢線上。
80~120ms
T波
T波代表心室快速復極化過程，從QRS波群起始處到T波最高點
這段時間稱為心臟的絕對不應期，而T波的後半段則稱為相對不
應期（又稱易激期）。.
160ms
ST間期
J點到T波開始時的時間
320ms
QT間期
QT間期是QRS波群開始到T波結束時的時間。QT間期過長是室
性心動過速的危險因子之一，可能引起猝死。QT間期受心率變
化較大，所以採用QTc來消除心率影響。
300~430ms，
Qtc:≤440ms
U波
並不能經常看到，振幅很低，跟隨T波後出現。產生機制不清楚。
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography
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血壓 Blood Pressure
 血管內的血液對於單位面積血管壁的側壓力
– 當心臟收縮和舒張時，血液對動脈管壁造成的波動性
壓力。
 按照國際標準計量單位規定，壓力的單位為帕
(Pa)，即牛頓/米2(N/m2)。帕的單位較小，血壓數
值通常用kPa來表示(1mmHg等於0.133kPa)
– 各類血管內的血壓，分別稱為動脈血壓、靜脈血壓和
毛細血管壓。
 醫學上通稱的血壓，是指肱動脈(位於上臂內側)
血壓，它與主動脈血壓近似，其他血管的血壓則
需冠以該血管的名稱。
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血壓生理學
 心動週期(Cardiac cycle)
– 收縮期(Systole)
– 舒張期(Diastole)
 動脈壓(aortic pressure)
http://fau.pearlashes.com/anatomy/Chapter%2033A/Chapter%2033A.htm
http://fau.pearlashes.com/anatomy/Chapter 33A/Chapter 33A.htm
http://www.cvphysiology.com/Heart Disease/HD002.htm
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血壓生理學
 收縮壓
– 血管承受最大壓力，心室收縮末期，一般為120mmHg
 舒張壓
– 冠狀動脈血管血液灌注壓，一般為80mmHg
 平均壓
– 動脈對微動脈與微血管灌注能力的指標
– 約為1/3收縮壓+2/3舒張壓，一般為93mmHg
 脈搏壓
– 收縮壓減舒張壓的值，心搏量與動脈血液容量的函數
http://www.blobs.org/index.php
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血壓的量測方法
 直接測量法─侵入式測量法
 間接測量法─非侵入式測量法
– 手動式
 聽診法
 觸診法
 貫注法
– 自動式
 聽診法
 共振法
 超音波法
黃俊凱，“血壓量測裝置作業技術規範”，教育部本土化醫學工程教科書暨醫療器材技術規範編輯委員會，民國88年
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直接測量法─侵入式測量法
 以導管插入心臟血管系統，量取血壓
 1960年代，在開心手術已廣泛的應用
– 可連續監視血壓變化，方便護理人員抽血、給藥
 需考慮複雜的物理現象(如流體力學、諧波等)
 壓力管路套件
– 連接插入血管的導管
 壓力轉換器
– 將壓力轉換電子訊號
 電子顯示系統
– 顯示出血壓波形及其數值
黃俊凱，“血壓量測裝置作業技術規範”，教育部本土化醫學工程教科書暨醫療器材技術規範編輯委員會，民國88年
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間接測量法─非侵入式測量法
 克羅特克夫(N.S.Korotkoff )音效(柯氏音)
– 第一區(120~106mmHg)
 脈搏音開始
 決定收縮壓之區域
– 第二區(106~86mmHg)
– 第三區(86~80mmHg)
– 第四區(80~75mmHg)
 音調鈍化
 決定舒張壓之區域
– 第五區(75~0mmHg)
 靜音區
黃俊凱，“血壓量測裝置作業技術規範”，教育部本土化醫學工程教科書暨醫療器材技術規範編輯委員會，民國88年
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間接測量法─非侵入式測量法
 聽診法(Auscultation method)
– 利用壓脈袋充氣擠壓動脈完全阻止血液流動
– 以聽診器置於壓脈袋下的動脈血管上偵測柯氏音
http://chorwong.com/wordpress/?p=92
黃俊凱，“血壓量測裝置作業技術規範”，教育部本土化醫學工程教科書暨醫療器材技術規範編輯委員會，民國88年
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間接測量法─非侵入式測量法
 共振法(Oscillation method)
– 使用壓力感應器
– 共振幅最大時相當於動脈的平均壓
– 往前找最大振幅50％
 收縮壓
– 往後找最大振幅80％
 舒張壓
黃俊凱，“血壓量測裝置作業技術規範”，教育部本土化醫學工程教科書暨醫療器材技術規範編輯委員會，民國88年
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間接測量法─非侵入式測量法
 觸診法(Palpation method)
– 充氣至脈搏消失，偵測第一個脈搏出現時為收縮壓
 貫注法(Flush method)
– 使用兩個壓脈袋，綁至上臂和前臂
– 以觀察缺血手臂血液是否已貫注恢復作為平均收縮壓
 超音波法(Ultrasound method)
– 使用杜卜勒偵測器偵測第一道血流噴出時為收縮壓
黃俊凱，“血壓量測裝置作業技術規範”，教育部本土化醫學工程教科書暨醫療器材技術規範編輯委員會，民國88年
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影響血壓高低之因素
 心臟
– 心搏出量
 血管
– 末梢血管之阻力
– 血管壁之彈性
– 血管之反應性
 血液
– 血液循環量
– 血液之黏稠度
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血壓值代表意義
 世界衛生組織定血壓
– 正常值：收縮壓＜140mmHg，舒張壓＜90mmHg
– 臨界值：收縮壓140-160mmHg，舒張壓90-95mmHg
– 高血壓：收縮壓>160mmHg，舒張壓>95mmHg
– 低血壓：收縮壓＜90-100mmHg
 高血壓在腦、心、腎、眼底可能造成的病變，因
此是重大的健康問題，必須加以控制和監視。
 低血壓若無生理功能障礙，一般臨床上多無特別
之問題存在。
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臨床上的意義
 高血壓
– 血液循環系統強行通過高壓環境
– 動脈壁收到衝擊，損害動脈壁
 動脈粥樣硬化、血栓
http://familydoctor.co.uk/stroke04
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http://www.vertex42.com/ExcelTemplates/blood-pressure-chart.html
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臨床上的意義
 動脈粥狀硬化
– 血液中的脂質過多，長年沉著在血管壁上
– 血管管腔變得狹窄、管壁發生變性
http://www.jsas.jp/index.html
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http://familydoctor.co.uk/stroke04
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血氧濃度 SpO2
(Oxyhemoglobin saturation by pulse oximetry )
 代表血液中血紅素含氧的飽和度
 血氧濃度值(SpO2)可代表心肺能力是否正常
– 呼吸循環系統中，人體吸入空氣中的氧氣，將體內肺
泡及血液中的二氧化碳交換，達到身體正常平衡運作
– 血液中運送氧氣的能力來自於心臟功能強弱與否
– 心臟或胸腔功能有狀況，其身體血液含氧量自然降低
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脈搏與血氧濃度量測方法
 以發光波長分別為660nm可見紅光和940nm紅外線
通過脈動的血管床，透過光電檢測器將透射過手
指的可見紅光和紅外線轉換成電信號
– 光電信號的脈動規律是和心臟的搏動一致的，因此檢
測出光電信號的週期就能確定出脈搏率
– 利用通透性的差異進而反映出血紅素及氧血紅素(O2Hb)
間的量差，最後轉成氧血紅素飽和度顯現
http://oximeter.holisticphysio.com/locate.html
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生理資訊整合與回饋應用
單元2: 無線健康照護感測網路建構
生理量測無線感測網路實驗
 實驗目的
– 學習Zigbee網路如何與生理量測模組建構健康照護網路
 實驗內容
– 藉由節點上的CPU控制生理訊號量測裝置開始、停止量
測等操作功能
– 擷取生理訊號量測裝置所量測到的數據，藉由無線感
測網路將數據傳送至後端並顯示
– 在電腦端建立資料庫使能夠有效管理量測數據
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血壓計量測之WSN應用
 利用無線感測網路(Zigbee)將使用者之血壓數值傳
送至電腦端，以減少照護者記錄時的錯誤並增加
便利性
 能夠提供多位使用者使用，並在後端建立資料庫，
使照護者能有效查詢過去量測紀錄
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單元4: 生理資訊回饋應用
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示意圖
 利用4*4Keyboardy輸入使用者ID，並控制血壓計量測傳送
數值
 量測數據經由無線網路(Zigbee)傳送至電腦端顯示
 後端建立資料庫且連結網路，以供使用者查詢
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單元4: 生理資訊回饋應用
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電腦端顯示量測資訊
VB即時顯示介面
新增個人檔案
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單元4: 生理資訊回饋應用
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資料庫與網頁端顯示量測資訊
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DICOM ECG— Flowchart
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生理資訊整合與回饋應用
單元3: 無線室內定位演算及應用
現有定位技術
 全球定位系統(Global Positioning System, GPS)
– 利用 GPS 定位器與衛星導航之間的無線通訊形成一個
定位系統，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導
航與定位能力
– 於室內環境下因建築物遮蔽等空間上的限制，GPS無法
有效發揮其定位功能
– 針對區域性定位應用而使用GPS成本相對提高
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現有定位技術
 紅外線定位
– 基於紅外線感測用於室內物體的定位
– 要求物體必須和紅外線感測器成一條直線，且無法穿透牆壁
– 受限於紅外線感測半徑較小，易受障礙物屏蔽所影響
Active Badge系統
1992年，Roy Want等人所發展
感測方式：紅外線
定位方式：IR收發ID 辨識
缺點：準確度限於單一房間、穩定度不佳
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現有定位技術
 IEEE 802.11
– 基於無線區域網路的定位系統
– 在一定的區域內安裝適量的無線基地，根據這些基地
獲得的待定位物體發送的信息(時間和強度)，並結合基
地所組成的拓撲結構，綜合分析，從而確定物體的具
體位置
– 需具備802.11無線網路介面，以增加相應的信息分析服
務器完成定位信息分析
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現有定位技術
RADAR系統
2000年，Paramvir Bahl等人所發展
感測方式： 802.11訊號
定位方式：場強度資料庫相似度比對
缺點：功率消耗大
場強度資料庫建構與維護不易
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現有定位技術
Mote track系統於Code blue project
2005年，Konard、Matt等人所發展
感測方式：無線感測器網路
定位方式：場強度資料庫相似度比對
缺點：場強度資料庫建構與維護不易
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現有定位技術
 超音波技術
– Cricket Location Support System和Active Bat location
system是目前成功使用的兩個系統
– 它們都利用了類似蝙蝠定位的原理，以實現最高精度
到9cm的定位
– 此類系統的成本太高，無法大面積推廣
 RFID
– 以SpotON系統為代表，利用 RFID 讀取器與數個感應
標籤建構出有一定涵蓋範圍的室內無限感測網路環境
– 利用接收信號的方位和強度信息，建立三維空間模型，
以計算位置信息
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現有無線設備檢測距離技術
 接收信號強度(Receive signal strength, RSS)
– 已知發射信號強度，接收節點根據收到的信號強度計算信號在傳
播過程中的消耗，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉
化為距離
– 無線信號對於複雜環境的適應能力較弱，固精確度不高
– 借助的硬體設備較少，且很多無線通信模組皆可直接提供RSSI
 到達時間(Time of arrival, TOA)
– 利用測量到的信號傳輸時間與光速相乘得到兩點間的距離
– 準確性高
– TOA的節點間必須有精確的時間同步，固對硬體要求較高
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現有無線設備檢測距離技術
 到達時間差(Time difference on arrival, TDOA)
– 在節點上安裝超音波和無線電信號收發器，發射端同時發射兩種
信號，在接收端記錄兩者到達時間的差異，利用超音波與電磁波
在空氣中傳播速度的巨大差異將時間轉化為距離
– 此技術的測距精確度可達“cm”級，但也需要精確的時間同步
– 使用超音波測量需要額外的硬體，增加成本
 到達角度(Angle of arrival, AOA)
– 通過陣列天線或多個接收器結合來得到相鄰節點發送信號的方向，
進而構成各個接收器到發射器的方位線，兩條方位線的交點即為
未知節點的位置
– 此技術需精密的角度量測估算使用者的位置
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RSS定位法則
 優點：系統建構容易
 缺點：定位準確度較低、易受環境影響
 質心算法
– 感測半徑交集之質心位置即所求位置
 環境模型
– 環境影響參數化
 訊號場強度資料庫相似度比對法
– 建構場強度地圖與資料庫
– 比對所接收到的訊號強度與位置之相似度
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單元4: 生理資訊回饋應用
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系統架構 – 定位系統架構
Base Node
Attach Server
Location analysis
Beacon3
Send back RSSI
and Node name
HOP
Analysis RSSI
Beacon 4
Broadcast beacon message
Beacon 1
Beacon 2
Beacon 5
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系統架構 – 多次跳躍傳遞(MultiHop)
MS
MS
HOP
BASE
HOP
MS
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單元4: 生理資訊回饋應用
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系統架構 – 感測器網路節點
 烽火臺節點 (Beacon)
 移動端 (MS)
 資料路由節點 (HOP)
 主控端 (Base)
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系統架構 – 節點間通訊
(broadcast beacon message)
Beacon node
WSNMSnode B
WSN node A
SendMsg[AM_Beacon_MSG]
GenericComm
GenericComm
ReceiveMsg[AM_Beacon_MSG]
Send
SendMsg[handler 1]
ReceiveMsg[handler 1]
Receive
Handler設定 :
AM_Beacon_MSG
Send
SendMsg[handler 2]
ReceiveMsg[handler 2]
Receive
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烽火臺節點 (Beacon)
 每40ms廣播一次beacon message
 設定CC2420 RF power 模式
– 不同的RF發射功率所組成
 每送出一次beacon message 隨即切換RF 發射功率
設定
– 消去多路徑效應
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單元4: 生理資訊回饋應用
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移動端 (MS)
 接收beacon message
 判斷beacon message來源位址，計算感測到的
beacon node個數
 擷取beacon message訊號強度
 求各beacon node的平均訊號強度, 進行強弱排序
 每1秒回傳一次平均訊號強度與排序資料
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資料路由節點 (HOP)
 封包傳送的中繼點
 接收來自MS或其他HOP 端回傳封包
 判斷是否曾經接收過再決定是否送出
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單元4: 生理資訊回饋應用
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主控端 (Base)
 接收MS或HOP端回傳封包
 判斷此一封包是否曾經接收，再經串列傳輸至PC
端進行演算
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室內定位演算法
 RSSI (Received Signal Strength Indicator)
– CC2420內建的8bit 訊號強度
– 以2的補數表示訊號功率dbm值(RSSI_val)
– 於封包接收事件中擷取
 P (dbm) = RSSI_val (dbm) + RSSI_offset ；
RSSI_offset = - 45 (dbm)
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室內定位演算法
 烽火臺節點組成三角形區域
B1
MS
B2
B3
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單元4: 生理資訊回饋應用
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室內定位演算法 – 演算流程
Step1 ：
消去多路徑效應；
使RSSI與距離呈現穩定衰減
Step2：
將RSSI轉換為功率P(w)
將P乘冪處理為P’
Step3：
載入Beacon 座標
求三角形三邊長距離
Step4：
根據距離與P’相對比例關係
進行演算
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室內定位演算法 – 演算流程(1)
P(w)
P(w)
 消去多路徑效應
– 同一距離下，平均不同beacon發射功率所得到的訊號功
率值
– 訊號強度與距離衰減關係更穩定
2.8E-11
1.4E-10
2.6E-11
1.3E-10
2.4E-11
1.2E-10
2.2E-11
1.1E-10
2E-11
1E-10
1.8E-11
9E-11
1.6E-11
8E-11
1.4E-11
7E-11
1.2E-11
6E-11
1E-11
5E-11
8E-12
4E-11
6E-12
3E-11
4E-12
2E-11
2E-12
1E-11
00
Power
Mode1: 31
Mode2: 27
Power
Mode3: 23
Power
Mode4: 19
Power
Mode5: 15
Power
Mode6: 11
Power
11
22
33
44
55
66
77
88
distance(m)
distance(m)
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室內定位演算法 – 演算流程(2)
P ( dbm )
10
P(mw)  10
P(w)  (10
) / 1000
(E)
P'(0.125)
P'(0.0625)
P'(0.25)
P'(0.5)
P(w)
0.12
0.014
0.4
0.00018
0.00000003
0.35
0.012
0.00016
0.1
0.000000025
0.00014
0.3
0.01
0.08
0.00012
0.25
0.00000002
0.0080.0001
0.06
0.2
0.000000015
0.00008
0.006
0.15
0.04
0.00006
0.00000001
0.004
0.1
0.02 0.00004
0.002
0.000000005
0.05
0.00002
0 0
0
0
253
201
201
205
205
201
209
201
209
205
213
206
209
213
217
211
213
217
221
217
216
221
225
221
221
225
229
225
229
229
226
229
233
233
233
231
233
237
237
237
236
237
241
241
241
241
241
245
245
245
245
246
249
249
249
249
251
253
253
253
P'
P'
P(w)
P'
P'  P
P (dbm )
10
RSSI
RSSI
RSSI
RSSI
RSSI
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
54
室內定位演算法 – 演算流程(3)(4)
N2
B1
B1
P'B3  P'B1  P'B 2
BB11((BB11XX,,BB11YY))
B1B 2 
B1B3 
P'B1
P' B1  P'B 3
P'B 2
P' B1  P' B 2
PP' 'BB11
MS
MS
PP''BB22
PP'B'B3 3
B2
B2
B3B3
N3 B 2( B 2 XX , B 2YY ))
BB3(3B( B33X X, B
, B33Y Y) )
B2 B3 
N1
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
P' B 2
P' B 2  P' B 3
55
室內定位演算法 – 演算流程
N2
( MS x, MS y )
( MS X 1 , MS Y 1 )
( MS X , MS Y )
(
( MS X 1  MS X 2  MS X 3 ), ( MSY 1  MSY 2  MSY 3 )
)
3
( MS X 3 , MS Y 3 )
N3
N1
( MS X 2 , MS Y 2 )
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
56
討論 – 無線感測器網路
 此系統
– 根據封包接收先後決定
– 路徑由單次跳躍轉換多次跳躍切換需1~2秒
 TinyOS 網路建構物件LQIMultiHopRouter (Surged
based)
– 根據LQI進行路由路徑演算
– 路徑由單次跳躍轉換多次跳躍切換需4~5分鐘
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
57
討論 – 定位結果
 乘冪E對結果影響
– 當乘冪E越小
B1
B1
 P’越線性，P’相差也越小
N2
N2
B1( B1X , B1Y )
B1( B1X , B1Y )
 演算結果往三角區域中心集中
 無法呈現MS的位置趨勢
PP
' B'1
B1
MS
MS
PP'B'B22
PP
' B 3' B 3
B3
B3
N1
BB33( B
( B33X X, ,BB33Y Y)) N1
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
B2
N3
N3
B
B22( B 2 XX , B 2Y )
58
生理資訊整合與回饋應用
單元4: 生理資訊回饋應用
回饋自動控制實驗
 練習結合生理量測及無線定位資訊分析與自動回
饋預警
– 結合生理訊號傳輸和定位功能，並依照訊號結果判斷
是否預警
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
60
輪椅照護之WSN應用
 對於行經路況不佳的區域有所警示，以防行動不
便者遭受傷害
 輪椅座墊的舒適度評估，可偵測座墊目前的乾濕
程度
 此系統主要是以無線感測網路為中心，並增加其
他所需的裝置：
– 加速規感測
– 濕度感測(含按鍵警示)
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
61
系統架構圖
End Device
Zigbee傳輸
三軸加速規感測
濕度感測
Router
End Device
Coordinator
Router
感測鄰近節點
傳送數據
Coordinator
接收節點數據
送至電腦端
Router
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
62
電腦端顯示裝置資訊
2015/4/13
單元4: 生理資訊回饋應用
63
The End.
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