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ZigBee遠距醫療系統 導師: 楊弘吉 老師 姓名: 49727031 許峯瑞 49727048 黃柏翔 參考資料 • http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=08032 60014 • http://www.ecocity.org.tw/city_news/feature/one_ne ws.aspx?did=20100223175323635&title=ZigBee%E9%9B%A 2%E5%BA%8A%E6%84%9F%E7%9F%A5%E7%B3%BB%E7%B5%B1&dis play=home 建立臨床診斷微小化/即時醫療檢測系統 • 傳統檢測生物標誌的分子生物方法，包含酵素連 結免疫吸附法(Enzyme-link Immunosorbent Assay, ELISA)、免疫散射比濁法 (Turbidimetric Immunoassay, TIA)(圖1a)、快 速免疫擴散法(Rapid Immunodiffusion)，以及 光學凝集法(Visual Agglutination)。這些方法 主要透過免疫反應中抗原(Antigen)抗體 (Antibody)的專一性(Specific)鍵結，並透過標 定螢光的方式達到定性及定量目的。 • 圖1 (a)傳統生化檢測儀器、(b)為光學式微懸臂樑生醫 無線感測晶片、(c)為無線傳輸所量測到不同濃度之CRP產 生的不同偏移量對時間的關係 以微機電開發微型化生醫感測器 • 利用微機電技術(MEMS)開發單臂光學式微懸臂樑感測 器(圖1b)作為感測平台以取代化學與螢光標定的檢測 方法。此V字型的微機電微懸臂樑尺寸是根據彈 力常 數及其在溶液中之流場分析做最佳化之設計。當生物 與化學的反應過程轉換為奈米力學的變形運動，懸臂 樑彎曲的量可經由光學雷射反射後角度的變化量來量 測。該結果並獲邀發表在IC設計最頂尖的國際研討會 ISSCC 2006的前瞻技術領域(Technology Direction)， 也成功量測免疫球蛋白與其抗體、C反應蛋白與其抗 體及前列腺腫瘤之生物標記PSA。 • 目前，為避免傳統光學式微懸臂樑感測器須架設複雜 光場及容易受到環境影響所造成的檢測誤差，更發展 壓阻式微懸臂樑生物感測器(Piezoresistive Microcantilever Biosensor)，將具有壓阻效應的材料放 在感測器的薄膜結構上。 • 利用生物固定化的技術將抗體固定在微懸臂樑上， 並透過專一性使相對應的抗原與抗體結合，抗原 抗體間鍵結時由於表面應力改變造成懸臂樑彎曲， 懸臂樑中之壓阻 阻值也會隨之改變，因此在實 驗架構上配合惠司通電橋(Wheatstone Bridge Circuit)作為轉換機制，將抗原抗體結合反應透 過壓阻效應轉換為電壓訊號，經由後端電路放大 器等處理將訊號傳出到電腦分析。生物感測晶片 之設計包括 微懸臂樑感測晶片 (Microcantilever Biosensor Chip)、微流道 (Microchannel)與後端電路(Circuits)。 • 完成規格為微懸臂樑晶片長2毫米、寬2毫米、高 300微米。其中微懸樑長150微米、寬50微米，再 經無線傳輸系統單晶片將訊號傳出到電腦分析， 以達到遠 端即時診斷的目的，因此製作壓阻式 微懸臂樑生物感測器須較光學式更考慮到絕緣水、 電等問題。此外，此平台可利用適當的生物標誌 來檢測不同的疾病指標的蛋白 質，尤其是心血 管疾病，甚至包括重金屬的濃度，相信將來會朝 向以一滴血同時檢測多種疾病的設計。並輔以晶 片系統的架構將微懸臂樑生物感測器做為整合概 念， 必能提供許多在臨床上有用的訊息，藉以 作為之後數據比較之資料庫。 • 在生醫感測系統方面，所須處理的生醫訊號包括 多導程心電圖、心音、血壓及體溫等可直接自皮 膚以非侵入式量測的生醫訊號。這些生醫訊號之 變化較快速，須要透 過適當的訊號調適(Signal Conditioning)以濾除雜訊與放大原始訊號。心 電圖等生醫訊號將在第一級採用儀表放大電路以 消除人體所感應的60Hz雜訊(共模電位)，並在其 後串接最佳化之帶通濾波器，其後再經由多工器 將不同的訊號依序以A/D轉換器數位化並經由無 線傳輸到電腦端監控，其架構之方塊圖如圖2所 示。 • 圖2 生醫感測系統架構圖 以ZigBee打造疾病偵測收發系統 • 硬體部分在本無線疾病偵測系統內其電路功能分兩個 部分，一個為可和電腦連接的接收資料端並可發送電 腦控制的電路--電腦控制端，另一個為可把生醫資料 轉換成數位訊號之後傳輸出來並可接收電腦控制的電 路--生理訊號發射端。 • 在這兩個電路間的I/O部分則是以ZigBee協定來進行 溝通。電腦控制的部分，主要的目的在於使系統在有 必要時才由生理訊號發射端傳送訊號，平時在生理 訊號發射端的電路中只有電腦控制電路及射頻(RF)介 面會持續工作，當電腦控制端發出啟動訊號時生理訊 號發射端的電腦控制電路會喚醒所有電路來開始進行 生 理資料的傳送，其目的在於減少不必要的功率損 耗。 • 該研究的ZigBee架構，如圖3所示，首先撰用 Microchip PIC18F4620當作微處理機，主要由於 該公司提供完整的ZigBee通訊協定堆疊(ZigBee Protocol Stack)且開放源碼。我們自製整個微 小化的ZigBee模組，如圖4所示，其所用面積約 為3公分×2公分。本研究採用現在超低功率消耗 的ZigBee 模組來作為無線訊號傳輸之介面。在 此測試平台，可將簡單的生理訊號，例如體溫或 心電圖等，將其所需的感測器(Sensor)、前端放 大器 (Preamplifier)、類比數位轉換器(ADC)模 組化。而遠端電腦有一組ZigBee無線接收機來接 收調變過的生理訊號。在遠端電腦的部分使用 RS-232的介面來進行資料的接收與傳送。 • 圖3 遠端醫療系統架構圖 圖4 無線生醫感測網路硬體設備圖 • 發展之心電訊號量測系統配合無線傳輸系統，已 在金山衛生所執行過初步的測試，受試者將此量 測系統與無線傳輸系統的發射端配戴在身上，可 在醫院內自 由走動，而不影響記錄到的心電圖 訊號。ZigBee通訊距離在發射功率-7dBm時為室 內約10公尺、發射功率0dBm時為室外約30公尺。 無線化 (Wireless)具有極佳的即時性與近用性， 目前病人在傳統有線檢測，極為累贅。從病人移 動中，傳達出無線化的便利性以及人性化的醫療 思維。 ZigBee離床感知系統 遠距視訊系統架構 • 在此架構圖中，允許第三個系統同時觀摩台大醫 院與金山衛生所的影像與聲音，而此系統目前設 置於台大電子所其性質類似服務平台的提供者 (Service Provider)特別配置較大的資料庫以儲 存維護這些影音歷史記錄，以供日後調閱之用。 負責整合資料庫、生理訊號量測裝置及開發接收 生理訊號的介面與資 料庫管理軟體 開發遠距診斷心肌梗塞醫療模式 • 目前完成所有自行開發的WSN系統元件，每一個 裝置可視為ZigBee通訊協定中所定義的一個節點， RFD或FFD，這些裝置都是用來與各種生理訊號感 測器所連接，並利用外接RF天線做來增強訊號的 傳遞距離，此RF元件的距離可達30公尺。 • 目前該研究已成功地連接各式的生醫儀器及生醫 感測器，包括體溫、收縮壓、舒張壓、EKG、脈 搏、心跳、心音等體外資訊及CKMB、MYO、TNI、 BNP 與DDIM等血液資訊 對談室 • 如圖7(b)所示，該頁讓病人及患者在沒有語音的情況下可 以互相對話，另外最上面也有系統訊息傳遞的資訊供使用 者參考 病歷室 • 如圖7(c)所示，該頁提供有建檔病人的病歷資訊供醫生參 考。 心電室 • 如圖7(d)所示，該頁是針對本急性心肌梗塞示範應用所建 立，用來即時觀看心電資訊的觀測圖(EKG) 量測室 • 如圖7(e)所示，該頁可以顯示針對本平台所用到的儀器， 包括BIOSITE、CleverChek或微懸臂樑生醫感測器等所量 測到的生物資訊 歷史量測圖 • 如圖7(f)所示，該頁可以顯示過去曾經量測過的資料，供 醫生及病人生理資訊作參考，例如糖尿病患若能按時量測 血糖的話，則有長期的生理資訊可供觀察 無線感測網路實現遠距醫療系統 • 透過跨科技與醫學領域的團隊合作，本研究首次 成功地示範生醫、無線、感測、網路的完整架構 與系統平台，達成功能性與即時性的遠距醫療。 而以ZigBee技 術構成的無線感測網路最大好處 為省電與微小化，如此才可方便地長期監看受測 者的生理資訊，讓醫檢過程更有效率。該系統能 針對以病人為中心的全方面評估，即 視診、生 理監測及血液生化分析等，方能正確診斷疾病， 並給予最快速的治療。 • 以急性心肌梗塞當作即時遠距醫療診斷系統之示 範應用，平台完成才知關鍵技術與關鍵知識之所 在。而以現在醫學的發達，可應用的疾病也十分 的多樣化，該平台尤 可應用於心血管系統的急 性心肌梗塞、心絞痛、高血壓、粥狀動脈硬化等； 非心血管系統的慢性阻塞性肺病、心臟衰竭。最 終的目地便是透過遠端醫療模式，形成有 組織 的遠距醫療系統。將社區內的醫療、保健、福利 機構密切地整合在一起。