采集与患者心跳同步的多生物信号的无线tdma体域网络平台

摘要

在人体局域网在医疗保健中的应用中，每个人体同时接收、归档和分析来自不同设备的多生物信号是非常重要的。例如，要诊断睡眠呼吸暂停症状，患者必须在睡眠中使用数十种设备，包括脑电图(EEG)、心电图(ECG)、光容积图(PPG)、外周血氧饱和度(SpO2)、鼻插管和带。虽然已经介绍了人体区域网络的各种无线采集和测量身体信号的方法，但由于各种生物信号的测量频率不同，且无法保证精确的同步，因此很难准确诊断。因为每个身体的生物信号通常与患者的心跳同步，所以每个设备的心跳和其他测量周期的精确同步是分析身体区域网络中每个生物信号相关性的关键属性。然而，现有的体域网络主要采用基于冲突检测- (CSMA/CD-)的载波感知多址接入协议，单靠载波感知多址接入协议难以保证多生物信号的精确同步。提出了一种基于无线时分多址(TDMA)的自组织体域网络，以保证多生物信号的同步，并与CSMA/CD方法进行了精度比较。

1.介绍

随着医疗保健环境从以医院为中心向以家庭为中心转变，医疗设备也发生了相应的变化。这些医疗设备的分类大致可分为有线和无线。有线医疗设备虽然精度高，但佩戴不方便，操作复杂，患者个体难以使用。因此，这些有线医疗设备不适合住在家里的病人使用。相比之下，无线医疗设备通常以可穿戴设备的形式由患者佩戴。因为没有电线，所以佩戴方便，使用也相对简单。因此，患者可以在没有帮助的情况下使用它们。由于这个原因，人们对无线医疗设备的兴趣增加了，并积极开展了研究。此外，用于连接无线医疗设备的体域网络也备受关注。

人体区域网络是一种可连接和通信人体内外设备的短程无线通信技术。由于每个设备都与人体接触，因此可以根据设备测量心电图、心率、加速度等数据。因此，注重便捷性和可用性，尝试在现实生活中测量人体生物特征数据的基础上，提供以患者为中心的医疗服务。然而，对于复杂的医疗诊断，必须考虑以下限制因素。

首先是采集与患者心跳同步的多生物信号。要同时分析两个或更多的生物信号，就必须读取来自一个或多个穿戴在身体不同部位的设备的各种生物信号。在这种情况下，由于来自多个设备的信号必须与测量时间同步，才能进行准确的信号分析。因此，有必要在测量时对接收到的信号进行验证。

其次是用户的便利性。该可穿戴设备的优点是便于携带和使用。然而，在构建医疗保健系统时，用户会佩戴多个设备。如果需要同时手动操作多个设备，用户使用可穿戴设备会感到很不舒服。因此，为了利用可穿戴设备，身体区域网络应用需要配置最小的用户干预，以简单易用。

在本文中，我们提出了一种构造基于无线时分多址（TDMA）的体积网络平台的方法。所提出的可穿戴设备基于一个设备构成体积网络，用于使用从中央设备生成的周期性同步信号来存储数据并执行时间同步。设备通过连接的外围设备周期性地接收生物识别信号数据。用户通过操纵中央设备从不同可穿戴设备接收和存储来自不同可穿戴设备的数据，而无需单独操纵可穿戴设备。该设备具有预定义的生物信号通道信息，使得设备可以生成和破坏信道而无需交换生物功能的先前信息，从而减少连接时间。由于可以通过简单的操作从设备获取数据，因此可以增强用户的便利性，并且可以最小化用户可以感受使用用户的不便。

本文的贡献是无线体域网络(WBAN)平台，用户可以根据实际病理添加或删除测量生物医学信号的可穿戴设备。采用时分多址无线通信方法，可以测量与心脏信号同步的各种重要生命信号。将光容积图(photoplethysogram, PPG)信号与心跳信号进行比较，可以测量血压或病理诊断，因此确定时间同步信号尤为重要。在本文中，我们提出了一种可穿戴设备，可以测量时间同步信号，使其易于在真实环境中使用。

部分2解释了方法的基本概念。部分3.描述了本研究提出的同步方法的场景和系统需求。部分4.说明了硬件的结构和设计，并给出了实现的软件。部分5.描述了该方法的实现和验证所使用的场景，并说明了实现结果的通信丢失率结果。节6.，我们总结了未来的研究。

2.基本概念和相关研究

２.１.身体区域网络

如图所示1，可以连接身体范围内的传感器，并且可以收集数据;该数据可以发送到服务器端并从外部监视，以便它可以用于各种应用程序，例如紧急情况，远程医疗和练习[1那2］．

但是，由于传感器必须在人体范围内，所以安装的设备有一个缺点，即设备的尺寸有限，而且由于传感器是在用户佩戴状态下运行的，所以需要尽量减少电池的消耗[3.］．用于身体区域网络的传感器通常需要几kb/s到几Mb/s的数据速率(体温传感器、心电图(ECG)、脑电图(EEG)和肌电图(EMG))。因此，为了在无线环境中传输每个信号，对于带宽需要使用足够的通信协议，有很多协议可以满足这一要求(如ZigBee、Bluetooth SMART、ANT +)。

在车身区域网络内，传感器附接到身体的各个部分，该部件收集生物识别数据并将其输送到网关。传送到网关的信号可以连接到外部监控和警报系统，以实时确定当前的患者状态。在该研究中，提出了一种系统，其中连接到人体的装置形成簇;另一个设备充当网关，从群集接收数据并将其传送到外部。

2.2。无线通信协议

无线体域网采用的通信协议可以是载波侦听多址冲突检测(CSMA/CD)方法，也可以是时分多址接入(TDMA)方法。表格1比较不同协议的流量级别和同步属性。

CSMA/CD是一种通过检测载波识别可能发生碰撞的部位的方法。可以检测通信的使用，从而可以避免不同通信尝试之间的冲突，从而促进组成体域网络的多通信环境的配置。作为采用CSMA/CD方法的代表性MAC协议，采用了Bluetooth SMART和ZigBee，并积极开展体域网络研究[4.那5.］．

但是，与其直接交付数据，还不如先将要发送到队列的数据存储起来，然后在可以通信时发送。因此，如果连接频繁，可能会导致数据不能在期望的时间内传输，出现拥塞。由于每个发送方需要执行一个单独的任务，用等待发送的数据同步接收方，因此同步需要付出很大的努力[4.］．

时分多址方案是一种使用一个频带而不会引起冲突的方法，因为多个用户同时使用这个频带。在时分多址方案中，一个频段在特定的时间段内只被预定的用户使用，从而避免了用户之间的冲突。因此，它有利于周期性的信号传输和无延迟的传输。当连接多个终端进行数据传输时，它比CSMA/CD更有优势。由于这些优点，许多研究已经在使用时分多址的体域网络上进行[3.那6.-10］．但是，如果多个槽位相邻使用，且传输时间没有准确保持，则有可能与另一个槽位的信号发生碰撞。因此，信号之间的槽需要足够大。

3.服务场景

３.１.服务场景

在本研究中，每个可穿戴设备组成集群读取用户生物特征数据并实时传输到服务器设备，实现数据同步。通过在设备之间自主形成集群，用户不需要单独发出命令，用户可以最大限度地减少操作设备和获取生物信号的麻烦，从而在进行信号综合分析的同时实现方便性。

数字2是我们想要提供的服务类型的插图。用户在身体的相关部件上佩戴每个可穿戴设备。由于可以测量的数据类型根据设备佩戴的区域而变化，因此用户可以根据测量的目的来佩戴在其他身体部位上的装置。

可穿戴设备通过发送确认消息，周期性地接收由中央设备发送的同步信号，并通过发送确认消息来识别外围设备。为了彼此区分设备，每个设备发送其自己的设备ID并且被分配了地址值。然后，创建的组织中的设备开始通过中央设备的测量开始信号进行测量。创建每个生物关键的频道，并且通过相应的信道发送生物信号。

在这种情况下，由于每个生物信号的传输周期不同，中心设备首先从设备接收到生物信号，将其存储在缓冲区中，然后通过调度器确定每个周期中要存储的信道数据。分离的数据被传输到单独的分析模块，存储在SD卡中或与外部服务器通信，每周期进行数据传输。通过实时监控从外部传送的数据，可以了解穿戴者的状态。

３．２．设计要求

为了构建本研究中使用的体积区域，每个设备必须满足以下要求[4.］．

首先，它很容易使用。如果用户操作所有设备，可穿戴设备的优点是便于携带，如果不能使用也没关系。因此，通过操作集群的中心设备，所有设备都应该是可操作的。

第二，它可以实时操作。从每个设备接收的数据在通过网关立即传输时不可避免地会延迟。在这种情况下，当数据在每个设备上积累后一段时间再发送时，整个延迟变大，不适合需要立即检查用户紧急状态的情况。因此，有必要获取每一个数据包，并立即将其发送到中心设备。

其次是通信稳定性。如果由于碰撞等原因导致各设备之间的通信不能正常进行，将会收集到错误的数据，分析可能会得到错误的结果。因此，在任何情况下，沟通都应该以稳定的方式进行。

最后，系统应该是安全的。由于通过人体网络获取的所有数据是个体的敏感信息，因此必须维持学习过程的安全性，测量数据，加密它并将其传输到其他设备。

4.详细的结构和设计

4．1.设备结构

每一个佩戴的设备都在生物特征数据收集和传输中发挥作用。从图3.，用户可以单独检查生物特征数据，通过用户界面阅读。无论组织是否成立，都可以收集生物特征数据。在这种情况下，由于不需要与其他设备同步，因此可以根据当地时间进行测量。

然后与组织内的中心设备与外部设备进行通信，形成集群，并传输存储的数据。由于预先定义了设备生物特征数据的通道信息，设备可以根据该通道信息形成通道，并根据中心设备的请求进行数据传输。在这种情况下，每个组织都有不同的网络价值，以防止与外部组织的混淆，从而防止与外部组织的冲突。

数字4.示出群集的中央设备和彼此连接的设备以​​接收和管理数据根据同步信号。由于通过TDMA方法执行通信，因此当设备的信号传输定时偏离时，可能发生与来自其他设备的信号发生冲突的情况失败。因此，为了防止信号之间的碰撞，中央设备周期性地发送同步信号以防止设备之间的冲突，防止在添加新设备时发生冲突。然后，根据中央设备的要求，设备形成用于将生物资料发送到相应信道的信道。在这种情况下，由于中心设备具有用于生物信号的不同时段，因此分别设置用于管理计划的任务，并且在接收生物信号之前，确认基于各个同步信号接收数据的定时。在从每个设备接收到信号后，调度器通过时间确认定时并存储数据。如果预定时间没有数据，则确定在传输过程中发生丢失，并单独标记。

然后与外部网关通信或与分析模块进行有线通信进行数据传输，从而实现数据存储、监控或数据分析。

4.2。软件架构

数字5.展示了用于实施的可穿戴设备的软件结构。软件的可穿戴设备包括一个主要事件任务处理整个事件,用户界面任务来显示当前设备的状态,一个传感任务执行信号测量和过程与传感器、通信和有一个通信管理任务来管理时段。

主事件任务处理设备中发生的各种事件，处理UI的状态变化，感知任务的开始和结束，以及按钮点击事件。

通信管理任务接受来自中心设备的连接请求，并生成传输生物信号的通道。它还从传感任务中接收特定的生物特征数据，并将数据传送到中央设备。

4．3．创建和发布组织

设备间组织的产生是基于中心设备的同步信号。中心设备周期性地围绕同步信道发送一个信号。

数字6.是集群生成的序列图。接收信号的设备可以分为两种情况，一种有指定的地址，一种没有指定的地址。如果没有分配的地址，一个地址分配请求消息被传送到中心设备以便分配一个新的地址。中心设备接收消息，检查空地址，并将值传送给设备分配地址。此时，设备可以向相应的地址发送消息。被分配地址的设备用唯一的设备地址向同步信号发送响应消息。

此时，设备的唯一ID和同步消息的序列值一起存储在响应消息中发送。中央设备接收接收到的消息，并检查消息的地址和存储在消息中的唯一ID。如果该ID不在组织中，则中心设备将该地址的唯一ID设备信息存储在一起。通过这种方式存储设备信息，当设备以后发出数据请求时，设备可以区分可测量的生物特征信号并发出请求。

许多情况可能涉及组织的释放，如图所示7.．第一个是由中央装置的斩首信号释放。与组织创建一样，中心设备可以通过同步信号向注册的设备发出组织释放命令。设备收到解密命令后，发送响应消息，关闭连接的通道，并删除注册信息。在接收到响应后，中心设备释放相应设备的注册。

由于距离或电池短缺，第二个是未响应的状态。可穿戴设备具有特定于通道的看门狗定时器。如图所示8.，当通过接收中心设备的同步消息并计算n个消息来重置看门狗定时器时，确定应该断开与中央设备的连接而不接收同步信号，并且连接到中心设备的信道初始化以减少不必要的功耗。

4.4。TDMA方案的时隙分配

在时分多址中，一个信道分配一个时隙，如图所示9.．可以一次连接的通道数根据基于同步信号的时隙的大小而变化。当一个循环时间的长度为t并且时隙的长度是t_slot，因为同步信号通道总是占用一个槽位，即数字n_channel.可连接通道的个数可以表示为: 数字10示出了根据中央设备的同步信号在调度时隙中发送数据的过程。中央设备在周期的第一槽中向每个设备发送同步信号。接收同步信号的设备基于该信号存储当前数据的序列信息，并将消息包括向中央设备侧发送到包括生物识别数据和序列号。对于每个设备执行该过程，结果，可以在一个周期中没有冲突，获取来自每个设备的数据。

此时，同步信号与要传输的信号周期相同。这是为了根据同步信号来区分一个周期内的信号，防止TDMA中的通信冲突。

4.5。同步消息的包结构

在表格中2时，配置同步消息的报文结构。首先，将中心设备发送给可穿戴设备的消息分为同步、组织创建和组织释放三种类型。同步消息用于外部同步和设备信息请求。同步消息包括要向其发送消息的设备的地址值(向所有设备发送通知消息时，地址为空)和订单值。

组织创建和释放消息是发送给所标识的可穿戴设备命令集群的消息。在发送此消息时，将传输以下信息，以从每个可穿戴设备获取特定的生物特征数据。(我)生物数据类型:由于数据率或时期所需的生物特征数据来衡量不同,有必要提前定义生物识别数据类型,这样中央设备和可穿戴设备可以直接传送生物特征数据,因此信道信息可以与中心设备。(2)集群网络唯一号:为防止在创建组织时与周围其他组织重叠，将中心设备管理的集群网络的唯一号发送，设置为集群的网络唯一号，防止其被包含在网络中。（iii）时隙分配号:由于每个设备的不同时隙之间没有冲突，所以发送与设备连接时分配的时隙号。

相反，当可穿戴设备向中心设备发送响应信息时，响应信息可以是对同步信息的响应，对组织创建和释放命令的肯定响应，也可以是否定响应。

当发送对同步消息的响应时，还包括以下信息：(我)生物识别数据类型:根据设备类型和要穿的部件可以测量的生物识别数据进行区分，并将此信息包含在响应中。(2)设备标识号:由于中心设备不仅知道分配给每个设备的地址，而且知道设备标识号，因此即使其他设备响应相同的地址，也可以区分它。

4.6。设备之间的通信

根据中心设备的同步信号，每个设备产生一个通道，并在设备之间建立连接。数字11显示中央设备和群集中可穿戴设备之间的信道生成。

首先，中央设备在同步信道打开的状态下周期性地将同步信号发送到可穿戴设备，从而确认连接状态和发送/接收信号。如果需要连接，则中央设备将请求发送到可穿戴设备的地址，以根据同步时段请求信道创建。在收到消息时，可穿戴设备在信号内确认所请求的生物信号类型，网络值和设备号，并生成与该请求相对应的信道。如果成功，则将响应传输到中央设备。如果信道创建对请求失败，则频道创建失败消息也被发送到中央设备。中央设备检查从可穿戴设备接收的响应，并且当频道成功创建时，通过连接相应的信道，中央设备从可穿戴设备接收数据。

可穿戴设备通过传感器设备在预定的时间接收用户的生物特征数据。由于接收到的数据存储在缓冲区中，并且在每个TDMA周期都要发送数据，所以不需要单独对数据进行排队。

4.7。信号和调度

数字12以序列图的形式表示反映中心设备与可穿戴设备之间的消息交换过程和调度过程。当中心设备与可穿戴设备连接时，中心设备在时间表中记录相应生物信号的周期。然后，通信任务将同步信号传输给集群内的设备。调度任务存储一个周期内到达此信号和下一个同步信号之间的信号。这种可穿戴设备读取并存储穿戴者的生命体征，并在每个周期将信息传递给中心设备。

5.实现

5.1。硬件实现

在图13，实现平台如下图所示。所述光体积谱(PPG)模块和加速度传感器连接到各可穿戴设备上，所述可穿戴设备读取和存储生物信号和加速度数据，数据通过射频收发器传输到中心设备。可穿戴设备的状态可通过LCD确认，需要操作时使用该按钮。

该中心装置配有氧饱和度模块，可测量中心装置内的生物医学信号。采集被测数据和可穿戴设备的数据，创建生物医学信号数据阵列并存储在SD卡或传输到外部。另外，该按钮用于检查集群的创建和销毁情况。

可穿戴设备和中心设备均已配置完毕，如图所示14．可穿戴设备被实现为一个腕带，可以戴在用户的手腕上。PPG模块连接在带下测量PPG信号，从PPG模块接收数据并传输到中心设备。中央设备从可穿戴设备接收数据，同时使用nRF52开发套件连接到PC。

提出的可穿戴医疗设备由两部分组成。主设备的单片机为基于cortex - 4的nRF52832芯片(频率:64mhz，工作电压3.3 V)。传感器器件采用EFM32WG990F256芯片(频率为48mhz)。如图所示15在空闲状态下，功耗平均为76 uA，在传感和流通信状态下，功耗从最小295 uA到最大52 mA(平均12 mA)。

5.2。蚂蚁沟通

本研究采用ANT协议实现无线时分多址通信。ANT是一种主要用于医疗保健的通信协议。ANT具有实现简单、功耗低的优点。它还可以在时分多址(TDMA)中运行，可在小于100米的范围内使用，类似于BLE。广播和确认报文的数据速率为12.8 kbits/s，突发模式为60kbits /s。

表格3.展示了与主要无线协议的性能比较。

与蓝牙SMART和ZigBee相比，ANT通信在数据速率为广播/ACK消息时的传输速率为12.8 kbits/s，略低于其他通信速率。但是由于节点的配置是自由的，很容易形成设备间的集群，并且在本文使用的系统中，数据定期从设备接收，所以数据传输也需要定期进行。由于蓝牙SMART和ZigBee在这方面都是CSMA/CD类型，因此使用ANT通信，但存在多个设备在短时间内传输信号时，周期难以保证的缺点。

5.3。PPG信号

PPG信号用于可穿戴设备以进行验证。PPG信号是表示通过使用吸收原理，通过向血管发光来通过返回光线通过返回光而导致血管的血量变化的信号。因为清楚地揭示了根据测量期间心跳的信号形式，并且数据测量时段短，所示4.，很容易实现拥塞通信环境，并且测量PPG信号。每10ms测量PPG信号一次，并每40毫秒发送一次。一条数据的大小为3个字节。

6.评价

6.1。评估方案

测量环境构建如图所示16．

首先，用户将可穿戴设备戴在手腕上。在可穿戴设备模块中，将PPG红外传感器连接到手指上，由所连接的PPG传感器测量PPG信号并传输到中心设备。在同步正常的情况下，每个可穿戴设备同时对PPG信号进行实时测量，这样信号的增加和减少是相似的。

在蚂蚁协议环境中，每个PPG信号需要两个通道以发送PPG信道以进行足够的性能评估。在ANT协议中，由于一个设备中有八个通道，因此连接了三个可穿戴设备以便使用最大通道数。因此，有六个蚂蚁通道。为了比较，蓝牙协议还将三个外设连接到中央设备。

绩效评估方法如下:当每个设备连接时，根据中心设备的信号开始测量。此时，中心设备确认该信号，并从各自的可穿戴设备发送消息指令值，确认每个同步周期已进行通信。在接收到可穿戴设备的数据约5分钟后，它会检查发送错误信息的百分比。并确认基于一款可穿戴设备的蓝牙SMART协议和ANT通信的订单值与第一次相比发生了怎样的变化，并确认同步操作是否正常。

6.2。PPG信号ANT与蓝牙SMART通信的比较

数据17和18显示使用蓝牙智能和蚂蚁协议的显示从每个可穿戴设备接收的PPG信号的图表。数字显示心跳信号（蓝色）和两个手腕的PPG信号（红色，绿色）。数字17表明时间同步不匹配，即使信号是同时测量的。两个手腕的信号有一个心脏信号，延迟时间为25~ 35ms。另一方面，对于TDMA方法ANT+，可以确定在产生信号的每40 ms进行一次同步。数字18显示了当蓝牙SMART接收到PPG信号时，从参考信号开始的顺序值随时间的变化。

如图所示19，当使用蓝牙SMART协议时，阶数差值随时间增大。随着设备数量的增加，累积的延迟时间也随着时间的增加而增加。在三个设备的情况下，我们可以看到延迟是6.108毫秒/秒。另一方面，当使用ANT协议时，可以确定没有由于排队而产生的累积信号延迟。

当PPG信号每40 ms传输一次，持续5分钟时，ANT通信的错误率为3.26%，蓝牙SMART的错误率为1.74%。所提出的时分多址方法与基于CSMA/ cd的蓝牙通信相比，错误率差异相对较小。

7.结论

在本研究中，基于无线TDMA通信，可穿戴设备形成自组织以构建体积网络并基于同步信号传输数据。为了形成群集，中央设备周期性地将同步消息发送到外围。此时，该范围内的可穿戴设备接收该消息并将包括设备信息的响应消息发送到中央设备侧。

基于此响应，设备组成一个组织，组织由网络密钥划分。每个可穿戴设备学习连接的中心设备侧磨损部分的生物信号，并将其传送到所分配的时间槽。

中央设备通过调度分别检查每个设备的定时，生成单独的缓冲区，存储对应时段的生物特征数据，并通过SD卡或外部设备进行确认。

为了验证这种情况，我们建议使用三个可穿戴设备和一个中央设备来通过ANT协议（基于TDMA）在六个通道上传输PPG信号。为此，我们使用基于CSMA / CD的协议和蓝牙智能来传输相同的大小数据。实验结果表明，平均数据损失率为2.36％。随着流量的增加，蓝牙智能确认信号在无同步的情况下传输。然而，在蚂蚁通信中，确认数据在执行同步的状态下传输，并且PPG信号的周期匹配。

未来可连接的信道数量有限，由于通信延迟，可能会发生插槽冲突。因此，如何克服这一问题，有必要进行更多的研究，有必要研究通过多连接收集的活检数据的分析过程。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究由教育部韩国国家研究基金基础科学研究计划(NRF)资助(NRF- 2018r1a6a1a03025109)。

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