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居家無線感測監控與回饋技術

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. 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。.

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居家無線感測監控與回饋技術

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  1. 居家無線感測監控與回饋技術 生理資訊整合與回饋應用

  2. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  3. 生理資訊整合與回饋應用 單元1: 生理訊號量測及其意義

  4. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  5. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  6. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  7. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  8. 波形和間期 http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography 單元4: 生理資訊回饋應用

  9. 波形和間期 http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography 單元4: 生理資訊回饋應用

  10. 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。 單元4: 生理資訊回饋應用

  11. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  12. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  13. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  14. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  15. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  16. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  17. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  18. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  19. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  20. 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。 單元4: 生理資訊回饋應用

  21. 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://www.vertex42.com/ExcelTemplates/blood-pressure-chart.html http://familydoctor.co.uk/stroke04 單元4: 生理資訊回饋應用

  22. 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://familydoctor.co.uk/stroke04 http://www.jsas.jp/index.html 單元4: 生理資訊回饋應用

  23. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  24. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  25. 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

  26. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  27. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  28. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  29. 電腦端顯示量測資訊 VB即時顯示介面 新增個人檔案 單元4: 生理資訊回饋應用

  30. 資料庫與網頁端顯示量測資訊 單元4: 生理資訊回饋應用

  31. DICOM ECG— Flowchart

  32. 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

  33. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  34. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  35. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  36. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  37. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  38. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  39. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  40. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  41. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  42. Base Node Attach Server Send back RSSI and Node name Beacon3 Location analysis Analysis RSSI Beacon 4 Broadcast beacon message HOP Beacon 2 Beacon 1 Beacon 5 系統架構– 定位系統架構 單元4: 生理資訊回饋應用

  43. 系統架構– 多次跳躍傳遞(MultiHop) 單元4: 生理資訊回饋應用

  44. 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) 單元4: 生理資訊回饋應用

  45. Handler設定 : AM_Beacon_MSG 系統架構– 節點間通訊 單元4: 生理資訊回饋應用

  46. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  47. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  48. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  49. 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 單元4: 生理資訊回饋應用

  50. 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) 單元4: 生理資訊回饋應用

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