運動癥狀定量評估是帕金森病臨床精準診療和長期管理的關鍵，帕金森病定量評估技術難點在于實現多信息、微負荷、長時程、大活動范圍的運動監測。本文研制了一套用于帕金森病定量評估的多節點運動信息監測可穿戴設備，采用五個微型傳感器節點實現上、下肢和腰部的多身體部位運動信息同步監測；同時基于微功耗Wi-Fi技術構建大范圍無線傳感網，實現多傳感器數據遠距離無線傳輸；并且研發了多線程同步傳輸的長時程數據采集軟件。傳感器節點體積為39 mm×33 mm×16 mm，重量18 g，工作時長12 h，無線數據傳輸距離為45 m。經帕金森病患者和正常人群測試，設備可在醫院等復雜場景下實現可靠運動監測。
引用本文： 李亮, 俞乾, 徐寶騰, 白啟帆, 張云鵬, 張惠鈞, 毛成潔, 劉春風, 王守巖. 帕金森病患者多節點運動監測可穿戴設備. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(6): 1183-1190. doi: 10.7507/1001-5515.20160187 復制
引言
帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一種患者眾多、病程長，需要長期管理與康復的退行性神經系統疾病，癥狀準確定量評估是帕金森病精準診療和長期管理的關鍵[1]。帕金森病定量評估是利用先進傳感器設備對帕金森病運動癥狀進行監測與度量的技術，該方法不受檢測者與被檢測者主觀影響，能更敏感地檢測患者的輕微癥狀[2]。與常用的統一帕金森病評估量表等量表相比，定量評估方法不僅客觀，而且能克服量表有限分級的“天花板效應”，敏感性與可靠性更高[3]。
運動癥狀監測設備是帕金森病癥狀定量評估的關鍵儀器，直接決定了帕金森病定量評估的可靠性。近年來，國內外的研究團隊針對帕金森病定量評估設備進行了相應的探索，設計了多種類型的帕金森病運動監測設備。Patel等[4]設計了有線數據傳輸的穿戴式傳感設備，實現了三個身體部位帕金森病患者加速度運動信號采集。Mostile等[5]設計了可佩戴于腕部的加速度信號記錄設備，完成了原發性震顫患者的震顫評分與運動信號關系的研究。Uhríková等[6]設計了基于計算機視覺的運動監測設備，實現了原發性震顫的震顫頻率自動測量。Mera等[7]設計了可佩戴于指尖的加速度信號記錄系統，實現了帕金森病患者深部腦刺激參數優化指導。Oess等[8]設計了角速度記錄手套，實現了帕金森病患者手部運動功能的評估。Roy等[9]設計了表面肌電和加速度信號混合記錄系統，實現了帕金森病患者在無約束狀態下的運動信息追蹤。Parisi等[10]設計了可以同時記錄雙腿和背部加速度和角速度信號的運動記錄系統，完成了規定運動范式下腿部敏捷性統一帕金森病評估量表評分的量化。國內汪豐等[11]設計了基于ZigBee和MPU6050的多傳感器運動數據采集系統，實現了帕金森病患者步行運動的定量分析。
目前現有帕金森病患者運動監測可穿戴設備僅使用加速度或者視頻信息，難以實現姿態等運動信息的精確定量。此外，數據傳輸主要通過線纜、藍牙、ZigBee等技術進行，在醫院復雜環境下容易受到電磁、運動等因素干擾，且很難做到遠距離自由活動狀態下的可靠運動監測。用于臨床的帕金森病患者運動監測可穿戴設備需要解決如下技術難點：① 多信息：可同時采集身體多個部位的數據以便綜合評估癥狀，同時可以監測加速度、角速度、磁場強度信息，實現步態、姿態、軌跡等運動信息的監測。大信息量需求為數據傳輸以及功耗管理帶來挑戰。② 微負荷：要求設備盡可能的小巧輕便，降低設備本身對疾病癥狀的影響。③ 長時程，要求設備的續航時間盡可能長，以便用于藥物、深部腦刺激管理的長時間評估。④ 大活動范圍，可在大范圍內、自由活動狀態下對患者運動癥狀進行監測，以達到更為準確的定量評估[12]。
本文針對帕金森病患者定量評估可穿戴設備研發需求，采用多節點高靈敏度運動傳感器實現多身體部位同步監測，使用微功耗無線寬帶(Wireless Fidelity，Wi-Fi)芯片降低能耗，利用Wi-Fi無線組網技術實現大范圍、多節點數據無線傳輸，最終設計并研制了一款可用于臨床的帕金森病患者運動監測可穿戴設備。
1 系統設計
1.1 整體設計
為實現身體多部位運動狀況同步監測，本文利用Wi-Fi技術實現多運動傳感器節點無線組網，將五個傳感器分別佩戴在患者上肢、下肢和腰部以實現自由活動狀況下多部位運動信息采集。為降低傳感器節點的佩戴負荷，選用MPU9250芯片作為設備的運動傳感芯片，該芯片能同時測量加速度、角速度和磁場強度信號，且該芯片的外圍電路較為簡單，可以減小傳感器節點的體積和重量。為調和設備體積和續航能力間的矛盾，采用德州儀器公司的CC3200芯片作為傳感器節點的微控制器。該芯片同時集成了低功耗電源管理模塊和Wi-Fi數據傳輸模塊。該芯片不僅能保證設備的長時程工作，還能通過Wi-Fi技術實現運動數據的大范圍無線傳輸，為低功耗、大數據量遠距離傳輸和微負荷技術需求提供了較好的解決方案。
設備由運動傳感系統、數據中繼和監控上位機組成。設備工作時，首先由Wi-Fi數據中繼將各個傳感器節點和監控上位機組成無線局域網，再由傳感器節點將患者身體各個位置的加速度、角速度以及磁場強度信號通過局域網同步傳輸到監控上位機，最后由監控上位機進行顯示和分析，從而實現帕金森病患者運動信息的實時監測。
1.2 運動傳感系統設計
設備的運動傳感系統由五個運動傳感器節點組成，每個傳感器節點具有唯一標識的識別碼。傳感器節點通過彈力綁帶佩戴在患者的手腕、腳踝和腰部(第四、五腰椎處)，采集佩戴部位的加速度、角速度和磁場強度信號，并通過無線局域網傳回給監控上位機。
1.2.1 硬件設計
各個傳感器節點的硬件整體結構設計如圖 1所示，傳感器節點的硬件電路主要由傳感器模塊、控制器模塊和電源模塊組成。傳感器采樣頻率為100 Hz，可以同時記錄運動點的三軸加速度、三軸角速度及三軸磁場強度信號。其中，加速度量程為(±16) g，分辨率為0.48 mg/LSB；陀螺儀量程為(±17.45) rad/s，分辨率為1.05×10-3 rad/(s·LSB)；磁力計量程為(±4 800) μT，分辨率為0.63 μT/LSB。傳感器與控制器之間的數據傳輸通過SPI接口完成。電源模塊主要由穩壓電路、充電電路和電量自檢電路組成。穩壓電路產生+3.3 V電壓為傳感器和控制器供電。充電電路用于傳感器節點可充電電池充電管理。電量自檢電路通過定期檢測電池電壓來預估節點電量。本方案中還設計有指示燈電路，用以指示系統初始化、Wi-Fi連接、電量不足等不同的系統狀態。
圖1
可穿戴傳感器節點硬件設計框圖
Figure1.
Hardware diagram of the wearable device
1.2.2 軟件設計
傳感器節點的軟件主要由主程序、中斷程序和客戶端程序組成。主程序負責系統初始化、電量檢測、建立Wi-Fi連接等任務。中斷程序由傳感器中斷引腳觸發，負責讀取傳感器數據并組成待發送的數據包。客戶端程序負責通過定制化通信協議向監控上位機的服務器傳輸數據包。
傳感器節點的主程序和中斷程序流程圖如圖 2所示。主程序在上電后首先進行系統初始化，然后進行節點電量檢測，接著開始掃描Wi-Fi信號，并與數據中繼建立連接，當連接完成后，即啟動傳感器數據采集。
圖2
傳感器節點軟件流程圖
(a)主程序流程圖；(b)中斷服務程序流程圖
Figure2. Flow charts of main and interrupt service programs(a) flow chart of main program; (b) flow chart of interrupt service program
中斷程序每隔10 ms被傳感器觸發一次。處理器在中斷程序中讀取傳感器數據，并每隔500 ms將數據打包存入緩沖區中。主程序檢測到緩沖區中數據包準備完畢后，調用客戶端程序將數據包發送到監控上位機服務器中。
客戶端程序基于套接字網絡通信方法，根據預設的互聯網協議地址和端口號與監控上位機服務器建立連接。連接建立后，客戶端可以通過發送和接收函數與服務器進行數據交換。
1.3 數據中繼系統設計
數據中繼系統用于各個傳感器節點與監控上位機間的數據通信。通過數據中繼系統可進一步增加數據傳輸距離，提高信號傳輸可靠性，提供更多的擴展應用方案。本文采用Wi-Fi技術進行傳感器、中繼器、監控上位機各子系統間的數據通信。本文采用該技術不僅可以克服ZigBee傳輸數據量小、藍牙覆蓋范圍短的問題，還可以實現多個傳感器節點數據的并行傳輸[13-14]。如圖 3所示，使用無線路由器作為數據中繼，建立Wi-Fi信號，可將傳感器節點和監控上位機以基站模式連接至路由器，進而組成一個小型無線局域網。
圖3
系統局域網結構圖
Figure3.
Structure diagram of local area network systems
傳感器節點和監控上位機通過TCP/IP協議在局域網內進行數據通信[15]。監控上位機和傳感器節點上分別安裝有服務器程序和客戶端程序，服務器程序負責接收數據，客戶端程序負責發送數據。服務器程序與客戶端程序之間的通信流程如圖 4所示。為實現多傳感器數據同時傳輸，將服務器程序設計為多線程并行，使得服務器程序可以同時與多個客戶端程序建立連接，從而實現多傳感器數據的同步傳輸。
圖4
通信流程圖
(a)服務器程序流程圖；(b)客戶端程序流程圖
Figure4. Flow chart of socket communications(a) flow chart of server; (b) flow chart of client
1.4 監控上位機設計
監控上位機用于接收、存儲和顯示接收到的各傳感器節點的數據。監控上位機由數據接收軟件和桌面計算機組成，數據接收軟件由C#語言編寫，在Windows 8環境下運行，其軟件結構如圖 5所示。
圖5
監控上位機數據接收程序框圖
Figure5.
Diagram of the program in the monitoring computer
服務器程序用于接收傳感器節點的數據包；數據計算程序用于數據包處理，將其轉化為浮點數格式的加速度、角速度、磁場強度數據；實時顯示程序用于將處理后的數據以坐標圖的形式實時顯示在電腦屏幕中。數據接收軟件還包含一個患者基本信息錄入程序，用于記錄患者的姓名、性別、年齡、病史等基本信息，該信息數據與運動數據一起生成數據文件，通過數據存儲程序存儲于計算機硬盤中。可以用MATLAB等軟件對存儲的數據文件做進一步分析，以得出患者準確的運動參數。
2 結果
2.1 系統結果
帕金森病患者運動監測設備如圖 6(b)所示，包括五個傳感器節點、數據中繼器和監控上位機。傳感器節點尺寸為39 mm×33 mm×16 mm，平均重量18 g，通過彈力綁帶佩戴于患者身上，如圖 6(a)所示。
圖6
帕金森病患者運動監測系統
(a)運動傳感器佩戴示意；(b)運動監測硬件系統；(c)監控上位機軟件界面
Figure6. Motion monitoring system for patients with Parkinson’s disease(a) example of wearing of the devices； (b) the hardware system； (c) software in the host computer
監控上位機軟件界面主要由運動數據顯示區、系統狀態顯示區、患者信息錄入區三大部分組成，如圖 6(c)所示。各節點傳回的運動信號均會在運動數據顯示區中顯示。使用者可以在患者信息錄入區保存患者基本信息和運動監測數據。設備運行狀態會在系統狀態顯示區顯示。
使用者的活動范圍是設備的重要指標之一，設備通過無線局域網進行數據傳輸，數據的可靠無線傳輸范圍即為使用者最大活動范圍。將不同距離下規定時間內上位機接收到的實際數據包數和理論數據包數相比，可以得到各個傳感器節點丟包率和傳輸距離的關系。如圖 7所示，顯示了在空曠環境下，傳感器節點正常佩戴時，各傳感器節點丟包率和傳輸距離之間的關系。可以看出，在空曠環境下，本設備能在45 m范圍內實現所有傳感器節點零丟包率數據傳輸。
圖7
傳感器節點不同無線通信距離下丟包率
Figure7.
Packet loss rate on different data transmission distance
為了測試設備的續航時間，使用直流電源分析儀(型號Agilent N6705B，美國)對傳感器節點進行功耗測量，測試結果如下表 1所示。可以看出，當傳感器節點采用3.7 V、500 mAh鋰電池供電，最短工作時間可達12.4 h。
表1
傳感器節點工作電流
Table1.
Average current of sensor nodes
2.2 臨床測試結果
為測試本設備的實際使用效果，在蘇州大學附屬第二醫院神經內科進行了臨床測試。測試選取兩名帕金森病患者和兩名健康受試者試用本設備。其中患者1為女性68歲，Hoehn-Yahr 1期，左側起病，左上肢有明顯靜止性震顫；患者2為男性，50歲，Hoehn-Yahr 1期，右側起病，右上肢有明顯靜止性震顫。對照1為女性，60歲，對照2為男性，73歲，對照均健康，無運動障礙疾病。該測試得到蘇州大學附屬第二醫院倫理委員會同意，同時在測試前征得被測者知情同意。測試結果表明，本設備可以穩定地記錄使用者各部位的運動信息。如圖 8所示，顯示了在靜息狀態下，患者1和對照1左手傳感器節點X、Y、Z軸的加速度、角速度和磁場強度信號。在進行臨床范式評估的同時進行運動信息的監測，其包括在醫院走廊完成10 m起立行走試驗，使用本設備可以完整記錄患者評估過程中的運動信息，設備數據丟包率為0%。
圖8
帕金森患者和對照在靜息狀態下左手節點運動信號
Figure8.
Motion signal from the left forearm in a resting Parkinson’s disease patient and control
為進一步驗證設備監測信息的有效性，對記錄到的數據進行進一步分析。選取帕金森病患者和對照被試者靜息站立狀態下左右手節點角速度信號進行分析。為去除低頻信號干擾，對信號進行1 Hz高通濾波，分別計算得出三軸信號功率譜密度(power spectral density，PSD)，然后計算三軸功率譜密度的模，進而得到總功率譜密度，結果如圖 9所示，圖中橫坐標表示頻率，縱坐標表示角速度總功率譜密度。從圖中可以看出，患者1左手在5 Hz處有明顯震顫，患者2右手在4 Hz處有明顯震顫，患者1左手震顫強度小于患者2右手，患者1右手、患者2左手、對照左右手均無明顯震顫。本設備可以區分不同肢體震顫的狀況，還可以用于定量計算患者手部震顫頻率和強度[16]。
圖9
帕金森病患者與對照靜息狀態下手部震顫信號功率譜
Figure9.
Power spectrum of Parkinson’s disease patients and control group
3 討論
患者上肢、下肢和腰部的加速度、角速度及磁場強度數據蘊含了豐富的運動信息，通過對翻腕、10米起立行走、睜/閉眼站立等范式動作時所記錄到運動數據的分析，本設備可以給出客觀定量的帕金森病患者震顫、運動遲緩等主要癥狀的定量信息。本設備還可以靈活擴展更多的運動傳感節點，用于更精細的帕金森病患者運動癥狀評估。
3.1 多信息
本設備可以同時采集患者各個部位的多種類型運動信息。相對于僅測量三軸加速的帕金森病運動監測設備[4-5]。本設備可以同時監測加速度、角速度、磁場強度信號，不僅可以計量患者運動頻率和運動幅度，還可以解析出監測點的姿態和運動軌跡信息。相對局部運動監測系統[7]，本設備可以同時測量患者上肢、下肢和腰部的運動信息，不僅能監測震顫等局部運動癥狀，還能監測運動遲緩等整體性運動癥狀。設備的數據中繼系統具有優良的擴展性能，可以很容易地接入其他類型的傳感器節點，用于更全面的帕金森病患者監測。例如針對肌張力異常等非運動性癥狀，可以增加肌電傳感節點，用于帕金森病患者的肌電信號監測[17]。
3.2 微負荷
監測設備傳感部分的體積、重量等佩戴負荷會對患者監測數據產生一定的干擾[2]。本設備傳感器節點體積小、重量輕，并且允許直接佩戴在服裝表面，可以最大程度減小佩戴負荷的干擾。同時各傳感器節點數據均通過無線的方式傳輸到監控上位機，也可以減少數據傳輸線對患者的影響[4]。
3.3 長時程
設備中傳感器節點充電一次至少可以連續工作12 h。在我們的臨床測試中，單個帕金森病患者的臨床范式評估僅需30~50 min。因此，本設備可以滿足目前醫院環境下臨床范式評估的續航需求。下一步可以考慮優化傳感器節點軟硬件，擴大電池容量進一步提高傳感器節點續航時間，以滿足帕金森病患者藥效評估、深部腦刺激術后管理等更長時程的監測需求。
3.4 大活動范圍
設備采用TCP/IP協議在Wi-Fi無線局域網內進行數據實時傳輸，可以解決前人監測數據不能實時顯示的問題[11]。經測試，空曠環境下無線傳輸距離可達45 m。在醫院環境下，雖然由于建筑及人群對無線信號的遮擋，設備的無線傳輸距離會有一定程度衰減，但臨床范式評估中患者最大活動范圍僅為10 m，本設備仍然可以滿足需求。另外，本設備具有局域網覆蓋范圍內數據丟包率為0%、覆蓋范圍外數據丟包率急劇上升的數據傳輸特性。這也為劃定設備的可靠使用范圍提供了依據。下一步可以采用更高功率的數據中繼器，或者多數據中繼器級聯的方法，進一步提高無線傳輸范圍，以滿足更大活動范圍的帕金森病患者運動監測需求。
4 結語
本文研制了一套用于帕金森病癥狀定量評估的多節點運動信息實時監測可穿戴設備，為帕金森病定量評估提供了可靠的硬件設備。本設備具有多信息、微負荷、長時程、大活動范圍的特點，在體測試也表明使用本設備可以可靠地進行帕金森病患者運動監測。
引言
帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一種患者眾多、病程長，需要長期管理與康復的退行性神經系統疾病，癥狀準確定量評估是帕金森病精準診療和長期管理的關鍵[1]。帕金森病定量評估是利用先進傳感器設備對帕金森病運動癥狀進行監測與度量的技術，該方法不受檢測者與被檢測者主觀影響，能更敏感地檢測患者的輕微癥狀[2]。與常用的統一帕金森病評估量表等量表相比，定量評估方法不僅客觀，而且能克服量表有限分級的“天花板效應”，敏感性與可靠性更高[3]。
運動癥狀監測設備是帕金森病癥狀定量評估的關鍵儀器，直接決定了帕金森病定量評估的可靠性。近年來，國內外的研究團隊針對帕金森病定量評估設備進行了相應的探索，設計了多種類型的帕金森病運動監測設備。Patel等[4]設計了有線數據傳輸的穿戴式傳感設備，實現了三個身體部位帕金森病患者加速度運動信號采集。Mostile等[5]設計了可佩戴于腕部的加速度信號記錄設備，完成了原發性震顫患者的震顫評分與運動信號關系的研究。Uhríková等[6]設計了基于計算機視覺的運動監測設備，實現了原發性震顫的震顫頻率自動測量。Mera等[7]設計了可佩戴于指尖的加速度信號記錄系統，實現了帕金森病患者深部腦刺激參數優化指導。Oess等[8]設計了角速度記錄手套，實現了帕金森病患者手部運動功能的評估。Roy等[9]設計了表面肌電和加速度信號混合記錄系統，實現了帕金森病患者在無約束狀態下的運動信息追蹤。Parisi等[10]設計了可以同時記錄雙腿和背部加速度和角速度信號的運動記錄系統，完成了規定運動范式下腿部敏捷性統一帕金森病評估量表評分的量化。國內汪豐等[11]設計了基于ZigBee和MPU6050的多傳感器運動數據采集系統，實現了帕金森病患者步行運動的定量分析。
目前現有帕金森病患者運動監測可穿戴設備僅使用加速度或者視頻信息，難以實現姿態等運動信息的精確定量。此外，數據傳輸主要通過線纜、藍牙、ZigBee等技術進行，在醫院復雜環境下容易受到電磁、運動等因素干擾，且很難做到遠距離自由活動狀態下的可靠運動監測。用于臨床的帕金森病患者運動監測可穿戴設備需要解決如下技術難點：① 多信息：可同時采集身體多個部位的數據以便綜合評估癥狀，同時可以監測加速度、角速度、磁場強度信息，實現步態、姿態、軌跡等運動信息的監測。大信息量需求為數據傳輸以及功耗管理帶來挑戰。② 微負荷：要求設備盡可能的小巧輕便，降低設備本身對疾病癥狀的影響。③ 長時程，要求設備的續航時間盡可能長，以便用于藥物、深部腦刺激管理的長時間評估。④ 大活動范圍，可在大范圍內、自由活動狀態下對患者運動癥狀進行監測，以達到更為準確的定量評估[12]。
本文針對帕金森病患者定量評估可穿戴設備研發需求，采用多節點高靈敏度運動傳感器實現多身體部位同步監測，使用微功耗無線寬帶(Wireless Fidelity，Wi-Fi)芯片降低能耗，利用Wi-Fi無線組網技術實現大范圍、多節點數據無線傳輸，最終設計并研制了一款可用于臨床的帕金森病患者運動監測可穿戴設備。
1 系統設計
1.1 整體設計
為實現身體多部位運動狀況同步監測，本文利用Wi-Fi技術實現多運動傳感器節點無線組網，將五個傳感器分別佩戴在患者上肢、下肢和腰部以實現自由活動狀況下多部位運動信息采集。為降低傳感器節點的佩戴負荷，選用MPU9250芯片作為設備的運動傳感芯片，該芯片能同時測量加速度、角速度和磁場強度信號，且該芯片的外圍電路較為簡單，可以減小傳感器節點的體積和重量。為調和設備體積和續航能力間的矛盾，采用德州儀器公司的CC3200芯片作為傳感器節點的微控制器。該芯片同時集成了低功耗電源管理模塊和Wi-Fi數據傳輸模塊。該芯片不僅能保證設備的長時程工作，還能通過Wi-Fi技術實現運動數據的大范圍無線傳輸，為低功耗、大數據量遠距離傳輸和微負荷技術需求提供了較好的解決方案。
設備由運動傳感系統、數據中繼和監控上位機組成。設備工作時，首先由Wi-Fi數據中繼將各個傳感器節點和監控上位機組成無線局域網，再由傳感器節點將患者身體各個位置的加速度、角速度以及磁場強度信號通過局域網同步傳輸到監控上位機，最后由監控上位機進行顯示和分析，從而實現帕金森病患者運動信息的實時監測。
1.2 運動傳感系統設計
設備的運動傳感系統由五個運動傳感器節點組成，每個傳感器節點具有唯一標識的識別碼。傳感器節點通過彈力綁帶佩戴在患者的手腕、腳踝和腰部(第四、五腰椎處)，采集佩戴部位的加速度、角速度和磁場強度信號，并通過無線局域網傳回給監控上位機。
1.2.1 硬件設計
各個傳感器節點的硬件整體結構設計如圖 1所示，傳感器節點的硬件電路主要由傳感器模塊、控制器模塊和電源模塊組成。傳感器采樣頻率為100 Hz，可以同時記錄運動點的三軸加速度、三軸角速度及三軸磁場強度信號。其中，加速度量程為(±16) g，分辨率為0.48 mg/LSB；陀螺儀量程為(±17.45) rad/s，分辨率為1.05×10-3 rad/(s·LSB)；磁力計量程為(±4 800) μT，分辨率為0.63 μT/LSB。傳感器與控制器之間的數據傳輸通過SPI接口完成。電源模塊主要由穩壓電路、充電電路和電量自檢電路組成。穩壓電路產生+3.3 V電壓為傳感器和控制器供電。充電電路用于傳感器節點可充電電池充電管理。電量自檢電路通過定期檢測電池電壓來預估節點電量。本方案中還設計有指示燈電路，用以指示系統初始化、Wi-Fi連接、電量不足等不同的系統狀態。
圖1
可穿戴傳感器節點硬件設計框圖
Figure1.
Hardware diagram of the wearable device
1.2.2 軟件設計
傳感器節點的軟件主要由主程序、中斷程序和客戶端程序組成。主程序負責系統初始化、電量檢測、建立Wi-Fi連接等任務。中斷程序由傳感器中斷引腳觸發，負責讀取傳感器數據并組成待發送的數據包。客戶端程序負責通過定制化通信協議向監控上位機的服務器傳輸數據包。
傳感器節點的主程序和中斷程序流程圖如圖 2所示。主程序在上電后首先進行系統初始化，然后進行節點電量檢測，接著開始掃描Wi-Fi信號，并與數據中繼建立連接，當連接完成后，即啟動傳感器數據采集。
圖2
傳感器節點軟件流程圖
(a)主程序流程圖；(b)中斷服務程序流程圖
Figure2. Flow charts of main and interrupt service programs(a) flow chart of main program; (b) flow chart of interrupt service program
中斷程序每隔10 ms被傳感器觸發一次。處理器在中斷程序中讀取傳感器數據，并每隔500 ms將數據打包存入緩沖區中。主程序檢測到緩沖區中數據包準備完畢后，調用客戶端程序將數據包發送到監控上位機服務器中。
客戶端程序基于套接字網絡通信方法，根據預設的互聯網協議地址和端口號與監控上位機服務器建立連接。連接建立后，客戶端可以通過發送和接收函數與服務器進行數據交換。
1.3 數據中繼系統設計
數據中繼系統用于各個傳感器節點與監控上位機間的數據通信。通過數據中繼系統可進一步增加數據傳輸距離，提高信號傳輸可靠性，提供更多的擴展應用方案。本文采用Wi-Fi技術進行傳感器、中繼器、監控上位機各子系統間的數據通信。本文采用該技術不僅可以克服ZigBee傳輸數據量小、藍牙覆蓋范圍短的問題，還可以實現多個傳感器節點數據的并行傳輸[13-14]。如圖 3所示，使用無線路由器作為數據中繼，建立Wi-Fi信號，可將傳感器節點和監控上位機以基站模式連接至路由器，進而組成一個小型無線局域網。
圖3
系統局域網結構圖
Figure3.
Structure diagram of local area network systems
傳感器節點和監控上位機通過TCP/IP協議在局域網內進行數據通信[15]。監控上位機和傳感器節點上分別安裝有服務器程序和客戶端程序，服務器程序負責接收數據，客戶端程序負責發送數據。服務器程序與客戶端程序之間的通信流程如圖 4所示。為實現多傳感器數據同時傳輸，將服務器程序設計為多線程并行，使得服務器程序可以同時與多個客戶端程序建立連接，從而實現多傳感器數據的同步傳輸。
圖4
通信流程圖
(a)服務器程序流程圖；(b)客戶端程序流程圖
Figure4. Flow chart of socket communications(a) flow chart of server; (b) flow chart of client
1.4 監控上位機設計
監控上位機用于接收、存儲和顯示接收到的各傳感器節點的數據。監控上位機由數據接收軟件和桌面計算機組成，數據接收軟件由C#語言編寫，在Windows 8環境下運行，其軟件結構如圖 5所示。
圖5
監控上位機數據接收程序框圖
Figure5.
Diagram of the program in the monitoring computer
服務器程序用于接收傳感器節點的數據包；數據計算程序用于數據包處理，將其轉化為浮點數格式的加速度、角速度、磁場強度數據；實時顯示程序用于將處理后的數據以坐標圖的形式實時顯示在電腦屏幕中。數據接收軟件還包含一個患者基本信息錄入程序，用于記錄患者的姓名、性別、年齡、病史等基本信息，該信息數據與運動數據一起生成數據文件，通過數據存儲程序存儲于計算機硬盤中。可以用MATLAB等軟件對存儲的數據文件做進一步分析，以得出患者準確的運動參數。
2 結果
2.1 系統結果
帕金森病患者運動監測設備如圖 6(b)所示，包括五個傳感器節點、數據中繼器和監控上位機。傳感器節點尺寸為39 mm×33 mm×16 mm，平均重量18 g，通過彈力綁帶佩戴于患者身上，如圖 6(a)所示。
圖6
帕金森病患者運動監測系統
(a)運動傳感器佩戴示意；(b)運動監測硬件系統；(c)監控上位機軟件界面
Figure6. Motion monitoring system for patients with Parkinson’s disease(a) example of wearing of the devices； (b) the hardware system； (c) software in the host computer
監控上位機軟件界面主要由運動數據顯示區、系統狀態顯示區、患者信息錄入區三大部分組成，如圖 6(c)所示。各節點傳回的運動信號均會在運動數據顯示區中顯示。使用者可以在患者信息錄入區保存患者基本信息和運動監測數據。設備運行狀態會在系統狀態顯示區顯示。
使用者的活動范圍是設備的重要指標之一，設備通過無線局域網進行數據傳輸，數據的可靠無線傳輸范圍即為使用者最大活動范圍。將不同距離下規定時間內上位機接收到的實際數據包數和理論數據包數相比，可以得到各個傳感器節點丟包率和傳輸距離的關系。如圖 7所示，顯示了在空曠環境下，傳感器節點正常佩戴時，各傳感器節點丟包率和傳輸距離之間的關系。可以看出，在空曠環境下，本設備能在45 m范圍內實現所有傳感器節點零丟包率數據傳輸。
圖7
傳感器節點不同無線通信距離下丟包率
Figure7.
Packet loss rate on different data transmission distance
為了測試設備的續航時間，使用直流電源分析儀(型號Agilent N6705B，美國)對傳感器節點進行功耗測量，測試結果如下表 1所示。可以看出，當傳感器節點采用3.7 V、500 mAh鋰電池供電，最短工作時間可達12.4 h。
表1
傳感器節點工作電流
Table1.
Average current of sensor nodes
2.2 臨床測試結果
為測試本設備的實際使用效果，在蘇州大學附屬第二醫院神經內科進行了臨床測試。測試選取兩名帕金森病患者和兩名健康受試者試用本設備。其中患者1為女性68歲，Hoehn-Yahr 1期，左側起病，左上肢有明顯靜止性震顫；患者2為男性，50歲，Hoehn-Yahr 1期，右側起病，右上肢有明顯靜止性震顫。對照1為女性，60歲，對照2為男性，73歲，對照均健康，無運動障礙疾病。該測試得到蘇州大學附屬第二醫院倫理委員會同意，同時在測試前征得被測者知情同意。測試結果表明，本設備可以穩定地記錄使用者各部位的運動信息。如圖 8所示，顯示了在靜息狀態下，患者1和對照1左手傳感器節點X、Y、Z軸的加速度、角速度和磁場強度信號。在進行臨床范式評估的同時進行運動信息的監測，其包括在醫院走廊完成10 m起立行走試驗，使用本設備可以完整記錄患者評估過程中的運動信息，設備數據丟包率為0%。
圖8
帕金森患者和對照在靜息狀態下左手節點運動信號
Figure8.
Motion signal from the left forearm in a resting Parkinson’s disease patient and control
為進一步驗證設備監測信息的有效性，對記錄到的數據進行進一步分析。選取帕金森病患者和對照被試者靜息站立狀態下左右手節點角速度信號進行分析。為去除低頻信號干擾，對信號進行1 Hz高通濾波，分別計算得出三軸信號功率譜密度(power spectral density，PSD)，然后計算三軸功率譜密度的模，進而得到總功率譜密度，結果如圖 9所示，圖中橫坐標表示頻率，縱坐標表示角速度總功率譜密度。從圖中可以看出，患者1左手在5 Hz處有明顯震顫，患者2右手在4 Hz處有明顯震顫，患者1左手震顫強度小于患者2右手，患者1右手、患者2左手、對照左右手均無明顯震顫。本設備可以區分不同肢體震顫的狀況，還可以用于定量計算患者手部震顫頻率和強度[16]。
圖9
帕金森病患者與對照靜息狀態下手部震顫信號功率譜
Figure9.
Power spectrum of Parkinson’s disease patients and control group
3 討論
患者上肢、下肢和腰部的加速度、角速度及磁場強度數據蘊含了豐富的運動信息，通過對翻腕、10米起立行走、睜/閉眼站立等范式動作時所記錄到運動數據的分析，本設備可以給出客觀定量的帕金森病患者震顫、運動遲緩等主要癥狀的定量信息。本設備還可以靈活擴展更多的運動傳感節點，用于更精細的帕金森病患者運動癥狀評估。
3.1 多信息
本設備可以同時采集患者各個部位的多種類型運動信息。相對于僅測量三軸加速的帕金森病運動監測設備[4-5]。本設備可以同時監測加速度、角速度、磁場強度信號，不僅可以計量患者運動頻率和運動幅度，還可以解析出監測點的姿態和運動軌跡信息。相對局部運動監測系統[7]，本設備可以同時測量患者上肢、下肢和腰部的運動信息，不僅能監測震顫等局部運動癥狀，還能監測運動遲緩等整體性運動癥狀。設備的數據中繼系統具有優良的擴展性能，可以很容易地接入其他類型的傳感器節點，用于更全面的帕金森病患者監測。例如針對肌張力異常等非運動性癥狀，可以增加肌電傳感節點，用于帕金森病患者的肌電信號監測[17]。
3.2 微負荷
監測設備傳感部分的體積、重量等佩戴負荷會對患者監測數據產生一定的干擾[2]。本設備傳感器節點體積小、重量輕，并且允許直接佩戴在服裝表面，可以最大程度減小佩戴負荷的干擾。同時各傳感器節點數據均通過無線的方式傳輸到監控上位機，也可以減少數據傳輸線對患者的影響[4]。
3.3 長時程
設備中傳感器節點充電一次至少可以連續工作12 h。在我們的臨床測試中，單個帕金森病患者的臨床范式評估僅需30~50 min。因此，本設備可以滿足目前醫院環境下臨床范式評估的續航需求。下一步可以考慮優化傳感器節點軟硬件，擴大電池容量進一步提高傳感器節點續航時間，以滿足帕金森病患者藥效評估、深部腦刺激術后管理等更長時程的監測需求。
3.4 大活動范圍
設備采用TCP/IP協議在Wi-Fi無線局域網內進行數據實時傳輸，可以解決前人監測數據不能實時顯示的問題[11]。經測試，空曠環境下無線傳輸距離可達45 m。在醫院環境下，雖然由于建筑及人群對無線信號的遮擋，設備的無線傳輸距離會有一定程度衰減，但臨床范式評估中患者最大活動范圍僅為10 m，本設備仍然可以滿足需求。另外，本設備具有局域網覆蓋范圍內數據丟包率為0%、覆蓋范圍外數據丟包率急劇上升的數據傳輸特性。這也為劃定設備的可靠使用范圍提供了依據。下一步可以采用更高功率的數據中繼器，或者多數據中繼器級聯的方法，進一步提高無線傳輸范圍，以滿足更大活動范圍的帕金森病患者運動監測需求。
4 結語
本文研制了一套用于帕金森病癥狀定量評估的多節點運動信息實時監測可穿戴設備，為帕金森病定量評估提供了可靠的硬件設備。本設備具有多信息、微負荷、長時程、大活動范圍的特點，在體測試也表明使用本設備可以可靠地進行帕金森病患者運動監測。
