Fakulta elektrotechnická

ˇ e vysoké uˇcen´ı technické v Praze Cesk´ Fakulta elektrotechnická

Diplomová práce

Moˇ znosti bezdr´ atov´ eho pˇ renosu biologick´ ych sign´ al˚ u ˇıla Jiˇr´ı S´

Vedouc´ı práce: Ing. Vratislav Fabián

Studijn´ı program: Elektrotechnika a informatika dob´ıhaj´ıc´ı magistersk´ y Obor: Biomedic´ınské inˇzen´ yrstv´ı kvˇeten 2008

Podˇ ekov´ an´ı Rád bych podˇekoval vedouc´ımu práce Ing. Vratislavu Fabiánovi za odborné veden´ı a vstˇr´ıcn´ y pˇr´ıstup bˇehem naˇs´ı spolupráce. Dále dˇekuji v´ yvojovému t´ ymu Freescale Poloˇ vodiˇce Ceská Republika, jmenovitˇe pán˚ um Gargulákovi, Mienkinovi a Moravˇc´ıkovi, za zap˚ ujˇcen´ı ZigBee modul˚ u a konzultace pˇri v´ yvoji aplikace. Nejvˇetˇs´ı ˇcást d´ık˚ u pak pochopitelnˇe patˇr´ı mé rodinˇe za dlouhodobou podporu pˇri studiu. ii

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne

..........................

...................................

iii

České vysoké učení technické v Praze - Fakulta elektrotechnická

Školní rok: 2006/2007

Katedra kybernetiky

ZADÁNÍ

DIPLOMOVÉ

Student:

Jiří Šíl a

Obor:

Biomedicínské inženýrství

PRÁCE

Název tématu: Bezdrátový přenos EKG signálu s využitím technologie Zigbee Zásady pro vypracování:

Na základě důkladné analýzy možností přenosu fyziologických technologie Zigbee:

signálů

pomocí bezdrátové

1. Navrhněte a realizujte bezdrátový systém pro přenos EKG s využitím technologie ZigBee založený na standardu 802.15.4 pracující v IBM pá~mu 2,4 GHz. 2. Zjistěte možnost současného přenosu signálů z více koncových stanic na jednu centrální stanici ajejich zpracování na EKG přístroji. 3. Diskutujte vhodné napájení systému z hlediska minimalizace spotřeby a možností nabíjení. 4. Diskutujte výhody a nevýhody ZigBee komunikace při uplatnění v přenosu EKG signálu.

Seznam odborné literatury: Dodá vedoucí práce.

Vedoucí diplomové práce:

Ing. Vratislav Fabián

Termín zadání diplomové práce:

zimní semestr 2006/2007

Termín odevzdání diplomové práce:

leden 2008

(1/

~tM1.

prof. Ing. Zbyněk Škvor, CSc.

prof. Ing. V adimír Mařík, DrSc. ved ucí katedry

děkan

V Praze dne 19.02.2007

Abstrakt Modern´ı medic´ına vyˇzaduje, aby byl stav pacient˚ u nepˇretrˇzitˇe monitorován. Sleduje se zejména tˇelesná teplota, krevn´ı tlak, tep, EKG, saturace krve kysl´ıkem nebo hladina krevn´ıch cukr˚ u. K tˇemto u ´ˇcel˚ um slouˇz´ı tzv. systémy mˇeˇren´ı biologick´ ych signál˚ u. V souˇcasné dobˇe jsou staré systémy nahrazovány novˇejˇs´ımi bezdrátov´ ymi, které v´ yraznˇe zvyˇsuj´ı mobilitu pacienta. Jejich dalˇs´ı nespornou v´ yhodou je snadné ovládán´ı a d´ıky napájen´ı bateriemi také menˇs´ı riziko u ´razu elektrick´ ym proudem. Vzhledem k trvalému nedostatku kvalifikovaného personálu a zároveˇ n rostouc´ımu poˇctu pacient˚ u d˚ uchodového vˇeku lze oˇcekávat, ˇze se bezdrátové systémy mˇeˇren´ı biologick´ ych signál˚ u brzy stanou nepostradateln´ ym vybaven´ım kaˇzdé nemocnice. Bylo by vˇsak chybou domn´ıvat se, ˇze jejich uplatnˇen´ı je vázáno pouze na nemocniˇcn´ı zaˇr´ızen´ı. Bezdrátové systémy jsou s u ´spˇechem pouˇz´ıvány také ke sledován´ı stavu pacient˚ u v domác´ı péˇci (tzv. home-care) nebo nacház´ı-li se pacient mimo domov (tele-care). Veˇskerá data z´ıskaná od jednotliv´ ych pacient˚ u jsou shromaˇzd’ována tzv. dohledov´ ymi systémy na jednom m´ıstˇe. Setˇr´ıdˇená a vyhodnocená data jsou rychle pˇr´ıstupná a pomáhaj´ı v´ yraznˇe zefektivnit práci kvalifikovaného personálu. Nezanedbatelné jsou rovnˇeˇz u ´spory finanˇcn´ıch prostˇredk˚ u za jednotlivé monitorovac´ı jednotky, které jsou plnˇe nahrazeny centráln´ım dohledov´ ym systémem. Práce nastiˇ nuje problematiku topologie a druhu s´ıt´ı, které jsou vyuˇz´ıvány k propojen´ı jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı a moˇznosti sn´ımán´ı biologick´ ych veliˇcin. Kl´ıˇ cov´ a slova: EKG, ZigBee, telemetrie.

v

Abstract Permanent monitoring of patients´health is required in modern medicine. The most monitored values are body temperature, blood pressure, pulse, ECG, blood oxygen saturation and blood sugar level. The biological signals measurement systems serve for this purpose. Old systems are currently being replaced with newer wireless systems which significantly increase patient´s mobility. Easy operation and battery power supply reduce the possibility of electrical injury. The wireless biological signals measurement systems are expected to soon become essential equipment in every hospital due to long–time qualified manpower shortage and the growing number of patients of pensionable age. These systems are used not only in hospitals, but also to monitor patient´s health in home care or to monitor the condition of the patient outside his home (tele–care). All data obtained from patients are collected by so–called supervisory monitors in one place. The analysed and sorted data are quickly and easily available to qualified staff to markedly improve their work. The financial savings resulting from full replacement of the individual monitoring units with a central supervisory monitor are also significant. The thesis deals with the issue of topology and types of networks used for connection of several devices and with the possibilities of biological signals sensing. Keywords: ECG, ZigBee, telemetry.

vi

Obsah ´ 1 Uvod 1.1 Biosignály . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Srdce . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.1 Anatomie srdce . . . . . 1.2.1.2 Pˇrevodn´ı systém srdeˇcn´ı ˇ 1.2.1.3 Cinnost srdce . . . . . . 1.2.2 Vznik EKG signálu . . . . . . . . 1.2.3 Svody . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 EKG kˇrivka . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Elektrody . . . . . . . . . . . . . 1.2.6 Holter . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Bezdrátové technologie . . . . . . . . . . 1.3.1 S´ıtˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.1 Topologie . . . . . . . . 1.3.1.2 Rozsah s´ıtˇe . . . . . . . 1.3.2 Pˇrenosová pásma a standardy . . 1.3.2.1 IEEE 812.11 . . . . . . 1.3.2.2 IEEE 802.15 . . . . . . 1.3.2.3 IEEE 812.16 . . . . . . 1.3.2.4 IrDA . . . . . . . . . . . 1.3.3 Pˇrenos . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 ZigBee, IEEE 802.15.4 . . . . . . 1.3.5 Bluetooth, IEEE 802.15.1 . . . . 1.3.6 Porovnán´ı ZigBee a Bluetooth . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 3 3 3 3 4 4 6 9 11 14 15 15 15 16 17 17 18 19 19 19 21 25 28

. . . . . . . . . . . .

29 29 30 32 35 37 38 38 41 41 42 44 46

3 Zhodnocen´ı 3.1 Závˇer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Návrhy pro budouc´ı práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49 49 49

4 Literatura

50

2 Realizace 2.1 Analogová ˇcást . . . . . . . 2.1.1 Souhlasné ruˇsen´ı . . 2.1.2 Sn´ımán´ı EKG . . . . 2.1.3 Napájen´ı . . . . . . . 2.1.4 Návrh ploˇsného spoje 2.2 Pˇrenosová ˇcást . . . . . . . 2.2.1 ZigBee moduly . . . 2.3 Mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Spotˇreba . . . . . . . 2.3.2 Zkreslen´ı . . . . . . . 2.3.3 Ruˇsen´ı signálu EKG 2.3.4 Korelace . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

vii

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

53

B Tabulky

54

C Obr´ azky

56

D Seznam pouˇ zit´ ych zkratek

60

Seznam tabulek

62

Seznam obr´ azk˚ u

63

viii

´ KAPITOLA 1. UVOD

1

´ 1 Uvod Prvn´ı kapitola práce se zab´ yvá druhy a p˚ uvodem biosignál˚ u vyuˇz´ıvan´ ych v lékaˇrské praxi. Krevn´ı obˇeh je základn´ı ˇzivotn´ı funkc´ı. Hlavn´ı ˇcást kapitoly je proto vˇenována detailn´ımu popisu stavby a ˇcinnosti srdce. Pˇribliˇzuje vznik EKG signálu, zp˚ usoby a prostˇredky pro jeho mˇeˇren´ı. V závˇeru kapitoly jsou popsány druhy a vlastnosti bezdrátov´ ych technologi´ı a s´ıt´ı uˇz´ıvan´ ych pro pˇrenos biosignál˚ u. Nejvˇetˇs´ı d˚ uraz je kladen na technologie s n´ızkou spotˇrebou energie. Druhá kapitola nejprve rozeb´ırá teoretick´ y návrh zapojen´ı pro mˇeˇren´ı EKG signálu. Následnˇe popisuje v´ ybˇer souˇcástek a v´ ysledné hardwarové ˇreˇsen´ı pˇr´ıpravku.

1.1

Biosign´ aly

Biologické signály jsou generovány ˇziv´ ymi organismy spontánnˇe nebo po vnˇejˇs´ı stimulaci. Podle charakteru mˇeˇren´ ych veliˇcin lze biologické signály rozdˇelit do následuj´ıc´ıch kategori´ı [30] [32] [7]: • Elektrické - Elektrické biosignály jsou generovány nervov´ ymi a svalov´ ymi buˇ nkami v d˚ usledku jejich ˇcinnosti. Maj´ı p˚ uvod ve sloˇzit´ ych biochemick´ ych procesech. Vˇetˇsina bioelektrické aktivity prob´ıhá na bunˇeˇcn´ ych membránách. P˚ usob´ı-li na nervovou nebo svalovou buˇ nku stimul silnˇejˇs´ı neˇz prahová hodnota dráˇzdˇen´ı, buˇ nka generuje akˇcn´ı potenciál. Celkov´ y akˇcn´ı potenciál reprezentuje tok iont˚ u membránou buˇ nky. Elektrické pole generované ˇcinnost´ı bunˇek se dobˇre ˇs´ıˇr´ı organismem. Mˇeˇr´ıme ho nejˇcastˇeji neinvazivnˇe na povrchu tˇela jako ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh biosignálu. Pro mˇeˇren´ı je tˇreba zvolit vhodné elektrody, protoˇze docház´ı k pˇrevodu toku iont˚ u na tok elektron˚ u. Elektrick´ ymi biosignály jsou napˇr. EKG, EEG nebo EMG. • Impedanˇcn´ı - Impedance tkán´ı nesou informace o jejich skladbˇe, perfusi, objemu krve, nervové a endokrinn´ı aktivitˇe a dalˇs´ıch. Nejedná se o spontánn´ı biosignály, ale o signály zp˚ usobené pr˚ uchodem velmi malého proudu tkán´ı. Proud mus´ı b´ yt natolik mal´ y, aby tepelnˇe nepoˇskodil tkánˇe. Napˇr. pˇri bioelektrické impedanˇcn´ı anal´ yze proud urˇcitou buˇ nkou a jej´ımi souˇcástmi procház´ı v závislosti na své frekvenci. Ta se nejˇcastˇeji vol´ı v rozmez´ı 1 - 100 kHz. Na základˇe mˇeˇreného napˇet´ı se urˇcuje skladba tkánˇe. • Magnetické - Srdce, mozek a nˇekteré dalˇs´ı orgány v tˇele generuj´ı velmi slabá magnetická pole. Tato pole nám dávaj´ı informace o specifick´ ych fyziologick´ ych aktivitách. Vzhledem ke srovnatelné permeabilitˇe tkán´ı a vzduchu nedocház´ı na hranic´ıch prostˇred´ı k odraz˚ um magnetick´ ych pol´ı. Mˇeˇren´ı proto prob´ıhá bezkontaktnˇe. Bohuˇzel vzhledem k velmi malé u ´rovni magnetické indukce v ˇrádu pT je velmi obt´ıˇzné mˇeˇrit tyto signály z d˚ uvodu ruˇsiv´ ych pol´ı z okol´ı. • Akustické - Bioakustick´ y signál je napˇr´ıklad generován pˇri ˇcinnosti srdce. Mluv´ıme o srdeˇcn´ıch ozvách. Jsou zp˚ usobeny pohybem krve v komorách a s´ın´ıch. Fonokardiogram pak zaznamenává vibrace vzniklé akcelerac´ı a decelerac´ı krve. Do kategorie akustick´ ych signál˚ u se ˇrad´ı také otoakustické emise. P˚ uvod maj´ı ve vnitˇrn´ım uchu a vznikaj´ı pohybem vnˇejˇs´ıch vláskov´ ych bunˇek bud’ samovolnˇe (spontánn´ı), nebo po vybuzen´ı zvnˇejˇsku (evokované). Vyuˇz´ıvaj´ı se jako screeningová metoda k ovˇeˇren´ı, zda pacient slyˇs´ı.

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

Zvuky jsou dále generovány v zaˇz´ıvac´ım traktu a v kloubech. Sn´ımaj´ı se mikrofony nebo akcelerometry. V lékaˇrské praxi se také posuzuj´ı zvuky vzniklé pr˚ uchodem vzduchu d´ ychac´ımi cestami. • Chemické - Mˇeˇr´ıme koncentrace r˚ uzn´ ych látek v tkán´ıch. V praxi se nejˇcastˇej´ı mˇeˇr´ı saturace krve kysl´ıkem, jej´ı pH a glykémie. Dále se mˇeˇr´ı koncentrace iont˚ u drasl´ıku a vápn´ıku v buˇ nkách. • Mechanické - Biomechanické signály souvis´ı se zdroji vibrac´ı generovan´ ych pohybem. M˚ uˇzeme mˇeˇrit napˇr. nepˇr´ımo krevn´ı tlak, srdeˇcn´ı v´ ydej, zmˇeny objem˚ u ˇcást´ı tˇela (pletysmogram) nebo respiraˇcn´ı frekvenci. • Optické - Optické biosignály jsou v´ ysledkem pozorován´ı optick´ ych vlastnost´ı biologického systému. Vypl´ yvaj´ı z podstaty systému nebo jsou indukovány pˇri mˇeˇren´ı. Napˇr. pˇri mˇeˇren´ı saturace krve kysl´ıkem se vyuˇz´ıvá Lambertova-Beerova zákona [34], kter´ y ˇr´ıká, ˇze koncentrace roztoku m˚ uˇze b´ yt vypoˇc´ıtána z mnoˇzstv´ı svˇetla známé vlnové délky j´ım absorbovaného. • Tepelné - Nejzákladnˇejˇs´ı biologick´ y signál spojitého nebo diskrétn´ıho charakteru, kter´ y dává informaci o teplotˇe tˇelesného jádra nebo rozloˇzen´ı teplot na povrchu organismu. M˚ uˇzeme mˇeˇrit kontaktnˇe a bezkontaktnˇe. • Radiologické - Vznikaj´ı interakc´ı ionizuj´ıc´ıho záˇren´ı s biologick´ ymi strukturami. Na vˇsech aplikovan´ ych vlnov´ ych délkách i u ´rovn´ıch energi´ı nesou informace o vnitˇrn´ıch anatomick´ ych strukturách organismu. Vyuˇz´ıvaj´ı se v diagnostice a pˇri plánován´ı radiaˇcn´ı terapie. • Ultrazvukové - Vznikaj´ı interakc´ı ultrazvukového vlnˇen´ı s tkánˇemi organismu a dávaj´ı nám informace o akustick´ ych impedanc´ıch biologick´ ych struktur a jejich anatomick´ ych zmˇenách. Biologické signály primárnˇe zachycujeme, abychom mohli sledovat urˇcité patologické nebo fyziologické stavy za u ´ˇcelem diagnózy a urˇcen´ı terapie. Z´ıskané signály je tˇreba dále zpracovat. C´ılem zpracován´ı signálu m˚ uˇze b´ yt odstranˇen´ı ruˇsen´ı, pˇresné stanoven´ı modelu systému rozborem signálu nebo extrakce vlastnost´ı pro rozhodnut´ı o funkci nebo dysfunkci. Na základˇe rozboru signálu m˚ uˇzeme také pˇredpov´ıdat patologické nebo funkˇcn´ı stavy. Sledovan´ y biosignál m˚ uˇzeme povaˇzovat za kombinaci uˇziteˇcného signálu a ˇsumu. Tento ˇsum m˚ uˇze pocházet ze samotného mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje nebo z elektromagnetick´ ych interferenc´ı. Mˇeˇren´ı a pˇrenos vˇsech biologick´ ych signál˚ u má nˇekolik spoleˇcn´ ych rys˚ u. Jedn´ım z nich je nutnost zajistit maximálnˇe bezpeˇcn´ y a spolehliv´ y pˇrenos vˇsech mˇeˇren´ ych dat v reálném ˇcase. Signály se vyhodnocuj´ı v reálném ˇcase a na základˇe jejich anal´ yzy se pˇrij´ımaj´ı pˇr´ısluˇsná opatˇren´ı k zajiˇstˇen´ı zdrav´ı pacient˚ u. Z tohoto d˚ uvodu je nepˇr´ıpustné, aby docházelo napˇr´ıklad k v´ ypadk˚ um pˇrenosu. K zajiˇstˇen´ı spolehlivosti pomáhá dodrˇzován´ı jednotliv´ ych standard˚ u, které budou podrobnˇeji probrány dále.

´ KAPITOLA 1. UVOD

1.2

EKG

1.2.1

Srdce

1.2.1.1

3

Anatomie srdce

Srdce je dut´ y svalov´ y orgán, kter´ y sv´ ymi pravideln´ ymi stahy pohán´ı krev v krevn´ım obˇehu. Je uloˇzeno v osrdeˇcn´ıku (perikardu) za hrudn´ı kost´ı, tˇretinou vpravo, dvˇema ˇ tˇretinami vlevo a spoˇc´ıvá na bránici. Hmotnost srdce se pohybuje mezi 230-240 g. Zeny maj´ı srdce menˇs´ı. Pˇribliˇznˇe do ˇsedesáti let vˇeku hmotnost srdce roste. Srdce je tvoˇreno pˇredevˇs´ım myokardem - pˇr´ıˇcnˇe pruhovanou srdeˇcn´ı svalovinou, která je zevnitˇr vystlána endokardem a zvenku potaˇzená epikardem. Pravá a levá pˇreds´ıˇ n (atrium dextrum et atrium sinistrum) a dále pravá a levá komora (ventriculus dexter et ventriculus sinister ) jsou dutiny, které dˇel´ı srdce do ˇctyˇr funkˇcn´ıch ˇcást´ı. V závislosti na velikosti obˇehu, kter´ y mus´ı jednotlivé ˇcásti srdce obslouˇzit, se liˇs´ı velikosti jednotliv´ ych dutin i mnoˇzstv´ı svalové hmoty, které dutiny obklopuj´ı. Svalovina stˇen levé komory dosahuje aˇz trojnásobné tlouˇst’ky stˇen pravé komory. Srdeˇcn´ı svalové buˇ nky jsou krátké, rozvˇetvené a vzájemnˇe mezi sebou propojené vodiv´ ymi spoji. Podráˇzdˇen´ı jedné srdeˇcn´ı buˇ nky se tak pˇrenáˇs´ı na dalˇs´ı srdeˇcn´ı svalovou buˇ nku. 1.2.1.2

Pˇ revodn´ı syst´ em srdeˇ cn´ı

Pˇrevodn´ı systém srdeˇcn´ı je soubor specializovan´ ych ˇcást´ı myokardu, které vytváˇrej´ı vzruchy vedouc´ı ke kontrakci myokardu a rozvádˇej´ı je svalovinou srdeˇcn´ı [10]. Tyto ˇcásti myokardu se naz´ yvaj´ı centry automacie. Myokard nepotˇrebuje ke své ˇcinnosti nervy. Nervy pouze ˇcinnost srdce ovlivˇ nuj´ı - zrychluj´ı nebo zpomaluj´ı dle aktuáln´ı potˇreby. Pˇrevodn´ı systém se svou stavbou pˇr´ıliˇs neliˇs´ı od pracovn´ıho myokardu.

Obrázek 1.1: Pˇrevodn´ı systém srdeˇcn´ı, pˇrevzato z [31]

´ KAPITOLA 1. UVOD

4

Pˇrevodn´ı systém srdeˇcn´ı se skládá: • Sinusov´ y uzel (Nodus sinuatrialis) - je základn´ım u ´tvarem pˇrevodn´ıho systému. Udává rytmus srdce a je uloˇzen´ y ve stˇenˇe pravé pˇreds´ınˇe, kde je obklopen pracovn´ım myokardem. Je bohatˇe inervovan´ y sympatick´ ymi a parasympatick´ ymi nervov´ ymi vlákny. B´ yvá také naz´ yván Pacemakerem. • S´ıˇ nokomorov´ y uzel (Nodus atrioventricularis) - je uloˇzen na rozhrann´ı pˇreds´ın´ı a komor v pˇreds´ıˇ novém septu. Podnˇety ze sinusového uzlu se do uzlu s´ıˇ nokomorového neˇs´ıˇr´ı myokardem, ale myocyty typu purkyˇ nov´ ych vláken. • Spoje ze sinusového uzlu k s´ıˇ nokomorovému uzlu - vzruch mezi uzly je veden rychleji neˇz pracovn´ım myokardem. • Atrioventrikulárn´ı (His˚ uv) svazek - vycház´ı ze s´ıˇ nokomorového uzlu a dále se vˇetv´ı. • Levé a pravé atrioventrikulárn´ı raménko - jsou pokraˇcován´ım Hisova svazku a smˇeˇruj´ı smˇerem k srdeˇcn´ımu hrotu. • Purkyˇ nova vlákna - pˇredstavuj´ı koneˇcné vˇetven´ı ramének pˇrevodn´ıho systému. Vˇetv´ı se po stˇenách komor smˇerem od srdeˇcn´ıho hrotu. 1.2.1.3

ˇ Cinnost srdce

Do levé pˇreds´ınˇe vstupuje okysliˇcená krev z plicn´ıch ˇzil. Z levé komory je pak vypuzována aortou do velkého tˇeln´ıho obˇehu. Do pravé pˇreds´ınˇe je pˇrivádˇena neokysliˇcená krev z tˇela. Pravou komorou je pak hnána do plic. Stejn´ ym zp˚ usobem, jak´ ym se vˇetv´ı vlákna pˇrevodn´ıho systému srdeˇcn´ıho docház´ı ke kontrakci srdeˇcn´ıho svalu. Kontrakˇcn´ı vlny myokardu postupuj´ı od u ´st´ı ˇzil pˇreds´ınˇemi k srdeˇcn´ımu hrotu a dále stˇenami komor k tepenn´ ym u ´st´ım. Srdeˇcn´ı ˇcinnost má dvˇe základn´ı fáze. Pˇri systole (srdeˇcn´ım stahu) se uzav´ıraj´ı atrioventrikulárn´ı chlopnˇe a otev´ıraj´ı se polomˇes´ıˇcité chlopnˇe. Krev je z komor vypuzena do obˇehu. Druhou fáz´ı je diastola (uvolnˇen´ı stahu svaloviny). Docház´ı k uzavˇren´ı polomˇes´ıˇcit´ ych chlopn´ı a otevˇren´ı chlopn´ı atrioventrikulárn´ıch. Pˇreds´ınˇe a komory se pak pasivnˇe pln´ı krv´ı. Na jeden srdeˇcn´ı stah je vypuzeno kolem 80 ml krve. Pˇri frekvenci 75 tep˚ u za minutu trvá jeden srdeˇcn´ı cyklus 0,8 s. Systola pˇreds´ın´ı trvá 0,06 s a systola komor 0,27 s. Diastola prob´ıhá témˇeˇr souˇcasnˇe na pˇreds´ın´ıch i komorách a trvá 0,47 s. 1.2.2

Vznik EKG sign´ alu

Mechanizmus elektrické vodivosti v tˇele je zaloˇzen na pohybu iont˚ u a nabit´ ych molekul v buˇ nkách a tkán´ıch. Tˇelo je tedy vodiˇcem druhé tˇr´ıdy. Bunˇeˇcná membrána je polopropustná fosfolipidová dvojvrstva oddˇeluj´ıc´ı extracelulárn´ı a intracelulárn´ı tekutiny. Na membránˇe vzniká elektrochemick´ y gradient, kter´ y popisuje Nernstova rovnice 1.1. V klidovém stavu je membrána slabˇe propustná pro N a+ a v´ıce propustná pro K + a Cl− . Pro drasl´ıkové kationty je 50–100x propustnˇejˇs´ı neˇz pro sod´ıkové kationty. Draseln´ y kationt K + unikaj´ıc´ı z buˇ nky polarizuje membránu: jej´ı vnitˇrek se nabije zápornˇe a vnˇejˇsek kladnˇe. Udrˇzen´ı ustáleného stavu mezi intracelulárn´ım a extracelulárn´ım prostˇred´ım vyˇzaduje neustál´ y aktivn´ı transport iont˚ u proti koncentraˇcn´ımu gradientu. Transport zajiˇst’uj´ı Na-K pumpy. Sod´ık se aktivnˇe pˇresouvá

´ KAPITOLA 1. UVOD

5

z buˇ nky a drasl´ık do buˇ nky v pomˇeru 3N a+ : 2K + [36]. Dalˇs´ım ˇcinitelem ovlivˇ nuj´ıc´ım tok iont˚ u pˇres membránu je vzniklé elektrické pole. V´ ysledn´ y potenciál lze urˇcit pomoc´ı Nernstovy rovnice [33]: RT ai V = (1.1) ln zF ao • kde: R = plynová konstanta = 8,314 J/K T = teplota ◦ K z = náboj iontu F = Faradayova konstanta = 9, 649 × 104 C/Mol a = koncentrace iont˚ u v prostoru uvnitˇr a vnˇe buˇ nky Biopotenciály vznikaj´ı chemickou aktivitou excitabiln´ıch bunˇek, které jsou souˇcást´ı nervov´ ych, svalov´ ych a ˇzlázov´ ych tkán´ı. Jsou generovány zmˇenou koncentrace iont˚ u vzájemnˇe oddˇelen´ ych bunˇeˇcnou membránou. Pˇred stimulac´ı maj´ı buˇ nky myokardu klidov´ y potenciál pˇribliˇznˇe -90 mV. Po nadprahové stimulaci docház´ı k depolarizaci. Poˇcáteˇcn´ı prudká depolarizaˇcn´ı ˇcást cyklu má rychlost nábˇehu vˇetˇs´ı neˇz 150 Vs−1 a je zp˚ usobena proudem sod´ıkov´ ych iont˚ u vstupuj´ıc´ıch do buˇ nky. Poté následuje rychlá repolarizaˇcn´ı ˇcást, která pˇrecház´ı ve fázi plató (plateau). Bˇehem fáze plató pˇretrvává depolarizace buˇ nky a do buˇ nky na základˇe koncentraˇcn´ıho gradientu proud´ı Ca2+ po dobu pˇribliˇznˇe 200–300 ms. Docház´ı tak k relaxaci myokardu. Koneˇcná repolarizace obnovuj´ıc´ı klidov´ y membránov´ y potenciál trvá po zbytek srdeˇcn´ıho cyklu. Pr˚ ubˇeh polarizace a depolarizace je oznaˇcován jako elektrická systola. Klidová ˇcást, ve které se buˇ nka myokardu nacház´ı v klidovém stavu, se naz´ yvá elektrická diastola.

Obrázek 1.2: Pr˚ ubˇeh akˇcn´ıho potenciálu buˇ nky pracovn´ıho myokardu, pˇrevzato z [37]

´ KAPITOLA 1. UVOD 1.2.3

6

Svody

Akˇcn´ı potenciály vznikaj´ıc´ı v souvislosti s prac´ı srdeˇcn´ı svaloviny mˇeˇr´ıme na povrchu ´ e prvn´ı zp˚ tˇela nˇekolika r˚ uzn´ ymi zp˚ usoby. Uplnˇ usob mˇeˇren´ı EKG kˇrivky navrhl nositel Nobelovy ceny Willem Einthoven v roce 1903. Jedná se o rozd´ılové - bipolárn´ı mˇeˇren´ı potenciál˚ u vˇzdy mezi dvˇema body na tˇele. Kaˇzdé toto mˇeˇren´ı se oznaˇcuje jako svod. Einthoven definoval tˇri konˇcetinové svody ˇc´ıslované ˇr´ımsk´ ymi ˇc´ıslicemi I, II, a III. Jsou definovány následovnˇe [7]: I = VLA − VRA (1.2) II = VLL − VRA

(1.3)

III = VLL − VLA ,

(1.4)

kde LA oznaˇcuje levou ruku, RA pravou ruku a LL levou nohu. Elektrody se um´ıst’uj´ı mimo svalové skupiny konˇcetin, aby se minimalizoval vliv myopotenciálov´ ych artefakt˚ u. Mezi svody existuje vztah [7]: II = I + III (1.5) Tento vztah vypl´ yvá z druhého Kirchhoffova zákona zachován´ı energie. Konˇcetinové

Obrázek 1.3: Einthovenovi konˇcetinové svody, pˇrevzato z [11] svody jsou daleko od srdce (mohou b´ yt oznaˇceny jako globáln´ı) a jsou projekc´ı elektrického pole srdce jako celku do frontáln´ı roviny. Obsahuj´ı pouze dvojdimenzionáln´ı vektor sn´ıman´ y ze tˇr´ı elektrod. Nejvˇetˇs´ı v´ ychylka vektoru je na II. svodu. Druh´ y zp˚ usob mˇeˇren´ı navrhl F.N. Wilson. Naz´ yvá se unipolárn´ım mˇeˇren´ım, i kdyˇz oznaˇcen´ı unipolárn´ı je zavádˇej´ıc´ı. Vˇsechny svody jsou ve své podstatˇe bipolárn´ı [12]. Referenci navrhl v podobˇe aritmetického pr˚ umˇeru potenciál˚ u tˇrech konˇcetinov´ ych elektrod. B´ yvá oznaˇcována jako Wilsonova svorka. Tˇret´ı zp˚ usob mˇeˇren´ı zavedl Goldberger. Jedná se o augmentované bipolárn´ı svody, které odstraˇ nuj´ı problém mal´ ych v´ ychylek napˇet´ı pˇri mˇeˇren´ı podle Wilsona. Amplitudy jsou o 50% vˇetˇs´ı. Jako reference slouˇz´ı vˇzdy pr˚ umˇer potenciálu protˇejˇs´ı strany Einthovenova troj´ uheln´ıku. V´ ysledné potenciály ve vrcholech Einthovenova troj´ uheln´ıka jsou dány

´ KAPITOLA 1. UVOD

7

vztahy [30][12]: UaV R = VRA − 0, 5 (VLA − VLL )

(1.6)

UaV L = VLA − 0, 5 (VRA − VLL )

(1.7)

UaV F = VLL − 0, 5 (VLA − VRA )

(1.8)

UaV R + UaV L + UaV F = 0

(1.9)

ˇ Sest unipolárn´ıch hrudn´ıch svod˚ u znaˇcen´ ych V1 − V6 sn´ımá pouze lokáln´ı informace

Obrázek 1.4: Augmentované konˇcetinové svody, pˇrevzato z [11] o srdeˇcn´ı ˇcinnosti v horizontáln´ı rovinˇe. Referenc´ı je Wilsonova svorka vzniklá propojen´ım ˇ konˇcetinov´ ych svod˚ u pˇres rezistory o hodnotˇe 5kΩ. Casto se vyuˇz´ıvá dvanáctisvodového

Obrázek 1.5: Hrudn´ı svody, pˇrevzato z [11] mˇeˇren´ı EKG, které zahrnuje tˇri konˇcetinové svody podle Einthovena, tˇri konˇcetinové svody mˇeˇrené proti modifikované Wilsonovˇe svorce a ˇsest svod˚ u hrudn´ıch mˇeˇren´ ych proti referenci v podobˇe Wilsonovy svorky. Kompletn´ı dvanáctisvodové mˇeˇren´ı ale obsahuje

´ KAPITOLA 1. UVOD

8

spoustu redundantn´ıch dat. M˚ uˇzeme vystaˇcit s ˇsesti hrudn´ımi a dvˇema konˇcetinov´ ymi svody. Vˇsechny ostatn´ı svody lze pˇr´ıpadnˇe dopoˇc´ıtat. Rozm´ıstˇen´ı elektrod na povrchu tˇela podstatnˇe ovlivˇ nuje EKG. Zmˇena polohy pacienta m˚ uˇze ovlivnit velikosti zaznamenávan´ ych amplitud signálu. Ortogonáln´ı svodové systémy vytváˇrej´ı obraz elektrické aktivity srdeˇcn´ıho svalu pomoc´ı pr˚ umˇetu elektrického vektoru do tˇr´ı rovin ortogonáln´ıho systému [30]. Tˇri ortogonáln´ı osy x (horizontáln´ı, smˇeˇruj´ıc´ı od pravé ruky k levé ruce), y (vertikáln´ı, smˇeˇruj´ıc´ı od hlavy k nohám) a z (dorzáln´ı, smˇeˇruj´ıc´ı od hrudi k zád˚ um) definuj´ı tˇri ortogonáln´ı pr˚ umˇetové roviny: sagitáln´ı (rovina yz ), horizontáln´ı (rovina xz ), frontáln´ı (rovina xy). Nejv´ıce se rozˇs´ıˇril Frank˚ uv ortogonáln´ı systém. Elektrody jsou oznaˇceny I, E, C, A, M, F a H.

Obrázek 1.6: Frank˚ uv ortogonáln´ı svodov´ y systém, pˇrevzato z [13] Nehomogenita tˇela zp˚ usobuje zkreslen´ı vektorkardiogramu. Rezistorová s´ıt’ zajiˇst’uje ortonormalitu systému. Vˇsechny tˇri ˇcásti srdeˇcn´ıho vektoru jsou pak mˇeˇreny se stejnou citlivost´ı. Pouze 5% elektrokardiogram˚ u je zaznamenáno pomoc´ı vektorkardiograf˚ u [13].


9

EKG kˇ rivka

Kaˇzdá srdeˇcn´ı buˇ nka tvoˇr´ı pˇri pr˚ ubˇehu akˇcn´ıho potenciálu dipól - vektor smˇeˇruj´ıc´ı od depolarizované ˇcásti k polarizované. Souˇctem vˇsech vektor˚ u v jednom ˇcasovém okamˇziku vznikne vektor elektrické srdeˇcn´ı osy. EKG kˇrivka (elektrokardiogram) je ˇcasov´ y záznam velikosti pr˚ umˇetu elektrického srdeˇcn´ıho vektoru do pˇr´ısluˇsného svodu. Vektorov´ ym sloˇzen´ım v´ ychylek ze tˇr´ı svod˚ u z´ıskáme v´ ysledn´ y vektor elektrické srdeˇcn´ı osy. Z EKG záznamu lze tedy odhadnout smˇer vektoru elektrické srdeˇcn´ı osy, kter´ y by mˇel smˇeˇrovat doleva dozadu dol˚ u. Na jeho základˇe m˚ uˇzeme usuzovat, jak je srdce uloˇzeno, a jaké jsou jeho proporce. Akˇcn´ı potenciály maj´ı za normáln´ıch okolnost´ı p˚ uvod v sinusovém uzlu a jsou v srdci rozvedeny pomoc´ı pˇrevodn´ıho systému srdeˇcn´ıho. Vzruch m˚ uˇze vzniknout i v atrioventrikulárn´ım uzlu, coˇz je sekundárn´ı pacemaker. Pokud je vˇse v poˇrádku, jsou vzruchy vzniklé v centrech náhradn´ı automacie potlaˇceny nadˇrazen´ ym sinusov´ ym uzlem. V patologick´ ych pˇr´ıpadech vznikaj´ı vzruchy v patologick´ ych ohnisc´ıch zcela mimo oblast uzl˚ u. Akˇcn´ı potenciál na bunˇeˇcné membránˇe myokardu dosahuje hodnot kolem 100 mV. Hodnoty elektrického potenciálu mˇeˇreného na povrchu tˇela se pohybuj´ı kolem 0,05–4 mV. Frekvence se pohybuje v rozmez´ı 0,01–150 Hz u dospˇel´ ych osob [36]. U dˇet´ı dosahuje frekvence 250 Hz. Na EKG kˇrivce jsou definovány body a u ´seky, které se po ˇradˇe oznaˇcuj´ı P,

Obrázek 1.7: Vznik EKG kˇrivky, pˇrevzato z [37] Q, R, S, T a U. Toto oznaˇcen´ı zavedl jiˇz Einthoven. Vlna P je zp˚ usobena depolarizac´ı s´ın´ı a je iniciována ˇcinnost´ı sinusového uzlu. Interval PQ odpov´ıdá ˇcasovému u ´sek pr˚ ubˇehu vzruchu od sinusového uzlu pˇrevodn´ım systémem srdeˇcn´ım. QRS komplex je zp˚ usoben postupnou depolarizac´ı komor. Podstatou intervalu ST je repolarizace komor. Vznik

´ KAPITOLA 1. UVOD

10

vlny U nen´ı zcela jasn´ y. Vyskytuje se pˇredevˇs´ım u mlad´ ych lid´ı a sportovc˚ u. Normy pro pˇrevodn´ı systém stanov´ı, ˇze trván´ı jednotliv´ ych u ´sek˚ u mus´ı b´ yt kratˇs´ı neˇz urˇcitá kritická hodnota. Na základˇe morfologie EKG kˇrivky lze stanovit diagnózu. Základn´ı frekvence QRS komplexu na povrchu tˇela je ≈10 Hz a vˇetˇsina diagnostick´ ych informac´ı je u dospˇel´ ych obsaˇzena pod 100 Hz. Základn´ı frekvence T vlny je pˇribliˇznˇe 1–2 Hz. Filtrace signálu v pásmu mezi 1–30 Hz poskytne EKG bez artefakt˚ u, ale toto pásmo je nedostateˇcnˇe ˇsiroké pro diagnostick´ y záznam, protoˇze deformuje n´ızkofrekvenˇcn´ı a vysokofrekvenˇcn´ı ˇcásti signálu. Vysokofrekvenˇcn´ı ˇcásti EKG signálu definuj´ı nejstrmˇeji se mˇen´ıc´ı ˇcásti signálu, napˇr. Q vlnu. Mˇeˇren´ı amplitudy QRS závis´ı na pˇresné detekci ˇspiˇcky R vlny. Nedostateˇcná vysokofrekvenˇcn´ı odezva vede k systematickému podhodnocen´ı amplitudy signálu a vyhlazen´ı kmit˚ u.


11

Elektrody

Elektrody mohou slouˇzit ke sn´ımán´ı biopotenciál˚ u nebo aplikaci léˇcebn´ ych proud˚ u. Obvody elektrického pˇr´ıstroje jsou tvoˇreny vodiˇcem prvn´ı tˇr´ıdy (pˇrenosu náboje se u ´ˇcastn´ı elektrony), kdeˇzto tˇelo je vodiˇcem druhé tˇr´ıdy. Pˇrevodn´ı funkci zajiˇst’uj´ı právˇe elektrody. Na jejich kvalitˇe a proveden´ı je závislá kvalita v´ ysledného mˇeˇren´ı sn´ıman´ ych biopotenciál˚ u. Obecnˇe lze elektrody rozdˇelit dle druhu na: • Povrchové – Plovouc´ı - kovová elektroda a vodivá pasta. – Suché ∗ Neizolované - kovová elektroda um´ıstˇená pˇr´ımo na k˚ uˇzi. P˚ ulˇclánkov´ y potenciál vytváˇr´ı pot. Nev´ yhodou je poˇzadavek na velk´ y vstupn´ı odpor zesilovaˇce v ˇrádech GΩ. Elektroda mus´ı b´ yt pˇritisknuta velk´ ym tlakem. ∗ Izolované - kovová elektroda s vrstvou dielektrika na povrchu. • Podpovrchové – Vpichové - platinové nebo nerezové jehly. – Implantabiln´ı - elektrody kardiostimulátor˚ u a kochleárn´ıch implantát˚ u. EKG se sn´ımá in vivo. Pro jeho sn´ımán´ı se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvaj´ı tˇri druhy elektrod [30]: • Standardn´ı kovové velkoploˇsné elektrody Jsou nejˇcastˇeji vyrobeny ze slitiny zinku, mˇedi a niklu. Uˇz´ıvaj´ı se pro krátkodob´ y záznam signálu EKG z konˇcetinov´ ych svod˚ u. Aplikuj´ı se s tenkou vrstvou elektrodového gelu nebo elektrolytu tvoˇreného vodn´ ym roztokem chloridu sodného a chloridu draselného. Ke k˚ uˇzi se fixuj´ı elastick´ ym obinadlem nebo pérovou svorkou. • Pˇr´ısavné elektrody Uˇz´ıvaj´ı se pro krátkodobé sn´ımán´ı signálu EKG z hrudn´ıch svod˚ u. Nejˇcastˇeji maj´ı tvar duté ˇc´ıˇsky s gumov´ ym pˇr´ısavn´ ym balónkem. Aplikuj´ı se také s vrstvou elektrolytu. • Plovouc´ı elektrody Elektroda je vyrobena ze stˇr´ıbra a na povrchu je pokryta chloridem stˇr´ıbrn´ ym. Jako vodivá pasta slouˇz´ı chlorid draseln´ y v podobˇe gelu. Ke k˚ uˇzi se fixuj´ı pomoc´ı oboustrannˇe adhezivn´ı pásky. Elektrody jsou vhodné pro dlouhodobá mˇeˇren´ı. I kdyˇz rozhran´ım kovu a elektrolytu elektrody neprotéká ˇzádn´ y proud, existuje zde v d˚ usledku elektrochemické reakce elektrick´ y potenciál. Vzniká zde tzv. galvanick´ y p˚ ulˇclánek - elektrická dvojvrstva. Pokud rozhrann´ım zaˇcne protékat proud, tento potenciál se zaˇcne mˇenit. Rozd´ıl mezi potenciálem pˇri nulovém proudu a mˇeˇren´ ym potenciálem pˇri pr˚ uchodu proudu je oznaˇcován jako pˇrepˇet´ı. Toto pˇrepˇet´ı je v´ ysledkem zmˇeny v rozloˇzen´ı náboje v roztoku a na elektrodˇe. Tento efekt je znám jako polarizace a vede ke zhorˇsen´ı vlastnost´ı elektrody. Pˇrepˇet´ı je tedy m´ırou polarizace. K dalˇs´ımu zhorˇsen´ı vlastnost´ı docház´ı pˇri pohybu roztoku v˚ uˇci elektrodˇe. Dokonale polarizovatelné elektrody vedou proud mezi elektrodou a roztokem zmˇenou rozloˇzen´ı náboje v roztoku bl´ızko elektrody. Nepolarizovatelné elektrody vedou proud volnˇe rozhrann´ım bez zmˇeny

´ KAPITOLA 1. UVOD

12

rozloˇzen´ı náboje v bl´ızkosti elektrody. V reáln´ ych podm´ınkách nelze vytvoˇrit ˇzádnou z elektrod, ale pouze se lze jejich vlastnostem pˇribl´ıˇzit. Elektrody vyrábˇené ze vzácn´ ych kov˚ u jako je platina jsou vysoce polarizovatelné. Napˇet´ı galvanick´ ych p˚ ulˇclánku se pro r˚ uzné materiály elektrod liˇs´ı 1.1. Uvedená napˇet´ı jsou vztaˇzena k standardn´ı vod´ıkové elektrodˇe, jej´ıˇz p˚ ulˇclánkov´ y potenciál byl urˇcen jako nulov´ y. Chlorid stˇr´ıbrná elektroda se vlastnostmi bl´ıˇz´ı nepolarizovatelné elektrodˇe, takˇze je

Kov a reakce

Půlčlánkový potenciál [V]

AL→ AL3+ + 3eNi → Ni2+ + 2eH2 → 2H+ + 2eAg + Cl- → AgCl + eAg → Ag+ + eAu → Au+ + e-

-1,706 -0,230 0,000 +0,223 +0,779 +1,680

Tabulka 1.1: Napˇet´ı galvanick´ ych p˚ ulˇclánk˚ u vhodná pro mˇeˇren´ı biopotenciál˚ u. Ve srovnán´ı s polarizovateln´ ymi elektrodami jsou zde vysoce potlaˇceny pohybové artefakty, protoˇze zde docház´ı k minimáln´ı polarizaci. Také má lepˇs´ı ˇsumové vlastnosti. Snahou tedy je, aby docházelo pouze ke koncentraˇcn´ı polarizaci. Pak docház´ı k menˇs´ımu u ´bytku napˇet´ı na pˇrechodu elektroda - elektrolyt. Chlorid stˇr´ıbrná elektroda se skládá ze stˇr´ıbrného drátku, kter´ y je potaˇzen vrstviˇckou chloridu stˇr´ıbrného ponoˇreného do roztoku chloridov´ ych iont˚ u. Je charakterizována ˇclánkovou poloreakc´ı [34]: AgCl + e− * (1.10) ) Ag + Cl−

Model rozhrann´ı elektroda-elektrolyt (impedance rozhrann´ı elektroda - elektrolyt):

Obrázek 1.8: Model rozhrann´ı elektroda-elektrolyt, pˇrevzato z [7] • kde: – Uep - p˚ ulˇclánkov´ y potenciál pˇrechodu elektroda-pasta – Cep a Rep - ztrátov´ y kondenzátor

´ KAPITOLA 1. UVOD

13

Impedance rozhrann´ı je frekvenˇcnˇe závislá d´ıky paraleln´ı kombinaci Cep a Rep . Na vysok´ ych frekvenc´ıch je impedance malá a nedocház´ı k u ´tlumu vysokofrekvenˇcn´ı ˇcásti signálu. Na n´ızk´ ych frekvenc´ıch m˚ uˇze b´ yt impedance velmi velká a z toho d˚ uvodu m˚ uˇze b´ yt v´ yznamnˇe utlumena n´ızkofrekvenˇcn´ı ˇcást signálu. Jako celek tak pˇrechod p˚ usob´ı jako horn´ı propust. V pˇr´ıpadˇe EKG tak m˚ uˇze docházet k deformaci vln P, S a T, nebo zmˇenˇe ST segmentu, coˇz je velmi neˇzádouc´ı [37]. Pro mˇeˇren´ı biopotenciál˚ u se uˇz´ıvá dvou elektrod. Vznikl´ y p˚ ulˇclánkov´ y potenciál se pak neuplatn´ı. Pokud dojde k rychlé zmˇenˇe potenciálu na jedné z elektrod napˇr. z d˚ uvodu zmˇeny velikosti odporu kontaktu elektrody s k˚ uˇz´ı v d˚ usledku pohybu pacienta, dojde ke stejnosmˇernému ofsetu mˇeˇreného napˇet´ı, pr˚ uchodu proudu elektrodami pˇres tkán ˇ, a tak k driftu nulové linie zaznamenávaného biosignálu. Tento drift by mˇel b´ yt odfiltrován. Pomalé zmˇeny by se projevit nemˇely. Materiál elektrody nebo elektrolytu nesm´ı b´ yt agresivn´ı v˚ uˇci organismu. Na v´ ysledky mˇeˇren´ı má vliv pocen´ı pacienta, které se mˇen´ı v ˇcase. Tento problém lze omezit oˇciˇstˇen´ım a obrouˇsen´ım zrohovatˇelé pokoˇzky pˇred aplikac´ı elektrod, ˇc´ımˇz dojde ke sn´ıˇzen´ı ˇsumu a zlepˇsen´ı kvality zaznamenaného signálu EKG.

Obrázek 1.9: Jednorázová elektroda, pˇrevzato z [37]


14

Holter

Pˇrenosn´ y monitor EKG, neboli Holter [7], je zaˇr´ızen´ı uˇz´ıvané pro nepˇretrˇzité sledován´ı elektrické aktivity srdce po dobu 24 hodin dennˇe. Jméno z´ıskal po svém tv˚ urci, DR. Nor´ manu J. Holterovi. Uˇcelem dlouhodobého monitorován´ı je detekce nepˇrirozené elektrické aktivity srdce pacienta, která nastává náhodnˇe, nebo za urˇcit´ ych podm´ınek, jako je stres nebo velká fyzická zátˇeˇz takto z´ıskané informace mohou pomoci zjistit jinak nezaznamenatelé srdeˇcn´ı stavy. Jedná se pˇredevˇs´ım o arytmie nebo ischémie. Elektrody jsou pˇripevnˇeny na k˚ uˇzi hrudn´ıku pacienta. Jejich poˇcet a um´ıstˇen´ı je dáno vlastn´ım technick´ ym ˇreˇsen´ım pˇr´ıstroje. Tyto elektrody jsou pˇripojeny k záznamovému a vyhodnocovac´ımu pˇr´ıstroji, kter´ y pacient nos´ı pˇripevnˇen napˇr´ıklad k opasku. Dneˇsn´ı holtery jsou schopné detekovat a analyzovat arytmie, variabilitu R-R intervalu, analyzuj´ı tepovou frekvenci, ST a QT segmenty EKG kˇrivky.

Obrázek 1.10: Um´ıstˇen´ı elektrod pro záznam EKG ze tˇr´ı svod˚ u, pˇrevzato z [11] Holtery m˚ uˇzeme dˇelit do dvou kategori´ı podle zp˚ usobu zaznamenáván´ı srdeˇcn´ı ˇcinnosti. Prvn´ı skupinu tvoˇr´ı zaˇr´ızen´ı s nepˇretrˇzit´ ym záznamem. Do druhé skupiny patˇr´ı zaˇr´ızen´ı, u kter´ ych urˇcuje poˇr´ızen´ı záznamu sám pacient v okamˇziku v´ yskytu urˇcit´ ych událost´ı. Pˇr´ıstroj tedy trvale monitoruje, ale zaznamenává do své pamˇeti jen pˇr´ıleˇzitostnˇe. Vˇetˇsina holter˚ u vyuˇz´ıvá pˇet aˇz sedm elektrod pˇripevnˇen´ ych na hrudn´ık, které zaznamenávaj´ı signál ze dvou nebo tˇr´ı bipolárn´ıch svod˚ u do dvou nebo tˇr´ı kanál˚ u. Nejbˇeˇznˇejˇs´ı konfigurace bipolárn´ıch svod˚ u je sloˇzena z upraveného pátého, tˇret´ıho a aVF svodu. Nˇekteré systémy sn´ımaj´ı skuteˇcné dvanáctisvodové EKG a nˇekteré dopoˇc´ıtávaj´ı dvanáctisvodové EKG pouze ze tˇr´ı svod˚ u.

´ KAPITOLA 1. UVOD

1.3

15

Bezdr´ atov´ e technologie

Telemetrie, neboli dálkové mˇeˇren´ı, zajiˇst’uje pˇrenos hodnot mˇeˇren´ ych elektrick´ ych i neelektrick´ ych veliˇcin na poˇzadovanou vzdálenost [35]. Pˇrenos informac´ı m˚ uˇze prob´ıhat analogovˇe nebo digitálnˇe, ale pˇredevˇs´ım bezdrátovˇe (dˇr´ıve radiotelemetrie). V souvislosti s medic´ınou a mˇeˇren´ım biologick´ ych signálu vznikla biotelemetrie, která nacház´ı vyuˇzit´ı napˇr´ıklad v telemedic´ınˇe. 1.3.1

S´ıtˇ e

S´ıtˇe tvoˇr´ı soubory autonomn´ıch zaˇr´ızen´ı, které jsou urˇcit´ ym zp˚ usobem vzájemnˇe propojeny tak, aby si mohli pˇredávat informace a komunikovat mezi sebou. Vlastn´ı fyzické propojen´ı je realizováno r˚ uzn´ ymi médii, napˇriklad optick´ ymi a metalick´ ymi kabely nebo vzduchem. Informace mezi ˇcleny s´ıtˇe pˇrenáˇs´ı elektromagnetické vlnˇen´ı z ˇsirokého spektra frekvenc´ı, nebo jsou pˇrenáˇseny ve formˇe akustického tlaku. Kaˇzdé médium má své vlastnosti, v´ yhody a nev´ yhody. Jsou jimi dosah, nároˇcnost realizace, rychlost pˇrenosu dat, ovlivnˇen´ı pˇrenáˇsené informace ruˇsen´ım, moˇznost odposlechu nebo nutnost sd´ılen´ı média. Bezdrátové s´ıtˇe slouˇz´ı k propojen´ı dvou a v´ıce objekt˚ u bez pouˇzit´ı kabel˚ u. V´ yhoda je zˇrejmá. Spoˇc´ıvá pˇredevˇs´ım v mobilitˇe jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı zapojen´ ych do s´ıtˇe. Komunikace m˚ uˇze prob´ıhat bud’ opticky, nebo pomoc´ı radiového pˇrenosu a pˇrenáˇset m˚ uˇzeme analogové nebo digitáln´ı signály. S´ıtˇe od sebe m˚ uˇzeme rozliˇsit podle r˚ uzn´ ych vlastnost´ı. Nejˇcastˇeji se dˇel´ı podle topologie nebo velikosti geografické oblasti, kterou pokr´ yvaj´ı. 1.3.1.1

Topologie

Topologie s´ıtˇe specifikuje zp˚ usob, jak´ ym jsou jednotlivá zaˇr´ızen´ı propojena a jak´ ym zp˚ usobem spolu komunikuj´ı 1.11. Topologie rozliˇsujeme logické a fyzické. Fyzickou topologii definuj´ı fyzická a spojová vrstva OSI modelu, logickou pak s´ıt’ová vrstva. Logická topologie urˇcuje, jak´ ym zp˚ usobem jsou data v s´ıti pˇrenáˇsena bez ohledu na fyzické propojen´ı. Obecnˇe uˇz´ıvané fyzické topologie jsou Sbˇernice (Bus), Hvˇezda (Star ), Strom (Tree), Kruh (Ring), (Mesh) a Bod-Bod (Point-To-Point). V bezdrátov´ ych s´ıt´ıch se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıvaj´ı topologie Point-To-Point, Hvˇezda, Strom, Mesh a jejich vzájemné kombinace.

Obrázek 1.11: S´ıt’ové topologie • Hvˇezda - star topology Topologie hvˇezda je specifická pˇripojen´ım prvk˚ u s´ıtˇe, ˇcasto oznaˇcovan´ ych jako slave,

´ KAPITOLA 1. UVOD

16

k jednomu centráln´ımu prvku zvanému master. Za v´ yhodu lze povaˇzovat jednoduchou centralizovanou správu s´ıtˇe, rychlou odezvu a velkou ˇs´ıˇrku pásma. Pˇri selhán´ı centráln´ıho prvku se ale s´ıt’ stává nefunkˇcn´ı, centráln´ı prvek má také vˇetˇs´ı nároky na spotˇrebu energie. K dosaˇzen´ı vˇetˇs´ıho pokryt´ı se uˇz´ıvá topologie Extended star, která v´ıcenásobnˇe propojuje nˇekolik s´ıt´ı typu Hvˇezda v jednu. • Strom - hierarchical topology Tato topologie je podobná topologii Extended star, ovˇsem propojen´ı je hierarchické. Dva uzly jsou tak vˇzdy propojeny pouze jednou cestou. • Mesh Podstatou Mesh topologie je vytvoˇren´ı v´ıcenásobn´ ych redundantn´ıch spojen´ı. ´ castn´ıci jsou propojeni navzájem, ˇc´ımˇz je zajistˇena maximáln´ı spolehlivost koUˇ munikace. Nev´ yhodou je sloˇzitost ˇreˇsen´ı a velká reˇzie pˇri ˇr´ızen´ı. • Point-To-Point V s´ıti Point-To-Point spolu komunikuj´ı jednotliv´ı u ´ˇcastn´ıci pˇr´ımo bez asistence centráln´ıho prvku. 1.3.1.2

Rozsah s´ıtˇ e

Rozliˇsen´ı s´ıt´ı podle své geografické rozlehlosti nen´ı zcela pˇresné, protoˇze nelze pˇresnˇe definovat hranice jednotliv´ ych s´ıt´ı [16]. I pˇresto se toto dˇelen´ı pouˇz´ıvá velmi ˇcasto. • WAN - wide area network. Jedná se o rozlehlé s´ıtˇe v podstatˇe celosvˇetového mˇeˇr´ıtka. Pouˇz´ıvaj´ı se k propojen´ı menˇs´ıch s´ıt´ı lokáln´ıho rozsahu. Z bezdrátov´ ych technologi´ı se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvá pˇrenos dat pˇres satelity. Na kvalitu spojen´ı má vˇsak velk´ y vliv záˇren´ı z kosmu i poˇcas´ı na Zemi. • MAN - metropolitan area network. MAN jsou s´ıtˇe propojuj´ıc´ı menˇs´ı s´ıtˇe pouze v rozsahu nˇekolika kilometr˚ u. Nejˇcastˇeji jsou realizovány radiov´ ymi skoky point-to-point v licencovan´ ych nebo koordinovan´ ych kmitoˇctov´ ych pásmech. Dosahuj´ı pˇrenosov´ ych rychlost´ı aˇz des´ıtek Mbps. Dosah m˚ uˇze b´ yt aˇz kolem 50km. Dalˇs´ı moˇznost´ı je pˇrenos pomoc´ı optick´ ych bezdrátov´ ych spoj˚ u, uˇz´ıvaj´ıc´ıch k pˇrenosu svˇetlo emitované diodami nebo laserem v infraˇcervené ˇcásti svˇetelného spektra. Poskytuj´ı velkou pˇrenosovou kapacitu, dosah je v ˇrádu stovek metr˚ u. Na rozd´ıl od radiofrekvenˇcn´ıho pˇrenosu nelze toto spojen´ı odposlouchávat ani ruˇsit (pokud pomineme pˇreruˇsen´ı pˇrenosové cesty), proto je velmi bezpeˇcné. Pˇri pouˇzit´ı laseru je nutné zajistit bezpeˇcnost v pˇr´ıpadˇe, ˇze by byl kdokoliv zasaˇzen záˇren´ım. Nev´ yhodou obou ˇreˇsen´ı je nutná pˇr´ımá viditelnost mezi propojovan´ ymi body. Kvalita pˇrenosu b´ yvá ovlivnˇena povˇetrnostn´ımi podm´ınkami. • LAN - local area netwok. WLAN - wireless LAN. Jedná se o s´ıtˇe point-to-point a point-to-multipoint s mal´ ym dosahem v ˇrádu stovek metr˚ u. Pouˇz´ıvaj´ı se k pokryt´ı m´ıstnost´ı a budov. Nejˇcastˇeji nasazovanou bezdrátovou technologi´ı je WiFi v bezlicenˇcn´ım pásmu 2,4 GHz. Pˇrenosové rychlosti jsou dle norem 11 nebo 54 Mbps (standard IEEE 802.11b a 802.11g). Slabou stránkou tˇechto s´ıt´ı je n´ızká imunita v˚ uˇci ruˇsen´ı (mikrovlnné trouby, bezdrátové

´ KAPITOLA 1. UVOD

17

telefony nebo zaˇr´ızen´ı komunikuj´ıc´ı pˇres Bluetooth) a slabá u ´roveˇ n zabezpeˇcen´ı. V brzké budoucnosti bude pˇrijata fináln´ı verze standardu 802.11n, coˇz je nástupce dnˇeˇsn´ıch WiFi s´ıt´ı. Tento nov´ y standard bude dosahovat pˇrenosov´ ych rychlost´ı v ˇrádu stovek Mbps. • PAN - personal area network. S´ıtˇe PAN jsou standardizovány pracovn´ı skupinou 802.15 organizace Institute of Electrical and Electronic Engineers. Dosavadn´ı s´ıtˇe PAN si nekladou za c´ıl pˇrenáˇset data velkou rychlost´ı na velké vzdálenosti, ale pˇredevˇs´ım se snaˇz´ı, aby pouˇzité technologie byly co nejménˇe energeticky nároˇcné, jednoduché na implementaci a provoz, snadno rozˇsiˇritelné a pˇredevˇs´ım cenovˇe dostupné. Jejich dosah je typicky v ˇra´dech jednotek aˇz des´ıtek metr˚ u a pˇrenosové rychlosti se pohybuj´ı v rozmez´ı des´ıtek kilobit˚ u aˇz jednotek megabit˚ u. S pˇr´ıchodem nov´ ych technologi´ı dosah i pˇrenosové rychlosti postupnˇe vzr˚ ustaj´ı. Pˇredstaviteli tˇechto s´ıt´ı jsou napˇr. ZigBee a Bluetooth. Technologie jsou definovány standardy IEEE 802.15.4 - zigbee a IEEE 802.15.1 - Bluetooth. Dalˇs´ımi alternativami pro s´ıtˇe PAN jsou bezdrátové USB, tzv. UWB, které definuje norma IEEE 802.15.3a, nebo IrDA pˇrenos v infraˇcervené ˇcásti svˇetelného spektra. 1.3.2

Pˇ renosov´ a p´ asma a standardy

Vyuˇzit´ı pˇrenosov´ ych pásem je v Evropˇe regulováno nevládn´ı organizac´ı CEPT. Pro pˇrenos telemetrick´ ych dat lze vyuˇz´ıt pásma UHF (pˇredevˇs´ım 868-928 MHz) a ISM. ISM je zkratka pro bezlicenˇcn´ı pásmo urˇcené pro pr˚ umysl, vˇedu a lékaˇrstv´ı (Industry, Science and Medical). V Evropˇe je toto pásmo definováno od 2471 MHz do 2497 MHz. Maximáln´ı ekvivalentn´ı izotropnˇe vyzáˇren´ y v´ ykon (EIRP) je pro systémy s frekvenˇcn´ım skákán´ım nosné omezen na 100mW, pro systémy s pˇr´ım´ ym rozprostˇren´ım spektra na 10mW. Pásmo kolem 900 MHz m˚ uˇze kolidovat s mobiln´ı s´ıt´ı GSM. Pro medic´ınské vyuˇzit´ı existuje pásmo MICS (402-405 MHz), které slouˇz´ı pro komunikaci s implantovan´ ymi zaˇr´ızen´ımi. Jednotlivé druhy bezdrátov´ ych pˇrenos˚ u jsou definovány standardy. Tyto standardy jsou vyv´ıjeny r˚ uzn´ ymi organizacemi. Jsou jimi napˇr. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers, ISO - International Organization for Standardization nebo ITU - International Telecommunications Union. Dodrˇzován´ı jednotliv´ ych standard˚ u je nutné napˇr´ıklad z d˚ uvodu koexistence v´ıce r˚ uzn´ ych bezdrátov´ ych s´ıt´ı, které se mohou vzájemˇe ovlivˇ novat. Jen tak m˚ uˇze b´ yt zajiˇstˇena funkˇcnost jednotliv´ ych systém˚ u. 1.3.2.1

IEEE 812.11

Standard 802.11 je nasazován v lokáln´ıch bezdrátov´ ych s´ıt´ıch (WLAN). Je také znám pod názvem Wi-Fi. Vzhledem k v´ yvoji standardu bylo postupnˇe vytvoˇreno nˇekolik doplˇ nk˚ u, které specifikuj´ı pˇredevˇs´ım pouˇzité vys´ılac´ı pásmo, pˇrenosové rychlosti a modulaci RF signálu. Specifikuje tedy fyzickou a spojovou vrstvu. Nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı a v praxi pouˇz´ıvané jsou standardy 802.11b a 802.11g. • IEEE 802.11b Standard 802.11b pracuje v bezlicenˇcn´ım pásmu 2,4 GHz a podporuje pˇrenosové rychlosti 1, 2, 5,5 a 11 Mbit/s. K modulaci vyuˇz´ıvá DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

´ KAPITOLA 1. UVOD

18

• IEEE 802.11g 802.11b pracuje v bezlicenˇcn´ım pásmu 2,4 GHz stejnˇe jako jeho pˇredch˚ udce. Je zpˇetnˇe kompatibiln´ı a nav´ıc d´ıky modulaci OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) je ménˇe náchyln´ y k chybovosti, coˇz umoˇznilo zv´ yˇsen´ı pˇrenosov´ ych rychlost´ı aˇz na 55 Mbit/s. Obˇe technologie vyuˇz´ıvaj´ı pˇr´ıstupovou metodu CSMA/CA. 1.3.2.2

IEEE 802.15

Patnáctá pracovn´ı skupina IEEE 802 se specializuje na bezdrátové s´ıtˇe PAN (Personal Area Network). Zahrnuje pˇet pracovn´ıch podskupin popsan´ ych dále. • IEEE 802.15.1 [1] Tento projekt byl odvozen v roce 2002 od standardu wireless PAN zaloˇzeném na Bluetooth v1.1. Definuje MAC a fyzickou vrstvu technologie Bluetooth. Bluetooth je pr˚ umyslovou specifikac´ı pro pˇrenosná osobn´ı zaˇr´ızen´ı komunikuj´ıc´ı na krátké vzdálenosti. • IEEE 802.15.2 [2] Tematická skupina 2 pro bezdrátové PAN vyvinula doporuˇcené smˇernice pro koexistenci jednotliv´ ych bezdrátov´ ych s´ıt´ı PAN spolu se s´ıtˇemi standardu 802.11 pracuj´ıc´ımi v bezlicenˇcn´ım pásmu 2,4 GHz. Byl vytvoˇren model koexistence stanovuj´ıc´ı vzájemné interference jednotliv´ ych s´ıt´ı a mechanismy podporuj´ıc´ı souˇcinnost zaˇr´ızen´ı WLAN a WPAN. • IEEE 802.15.3 [4] Tato tematická skupina se zab´ yvá návrhem nového standardu pro vysokorychlostn´ı bezdrátové PAN pracuj´ıc´ı s pˇrenosov´ ymi rychlostmi pˇres 20 Mbit/s. Dále se soustˇred´ı na ˇreˇsen´ı v´ıce energeticky nenároˇcného a levnˇejˇs´ıho ˇreˇsen´ı smˇeˇrovaného pro mobiln´ı multimediáln´ı aplikace s vysokou u ´rovn´ı zabezpeˇcen´ı a QoS. Stejnˇe jako skupina 802.15.1 vyvinula návrh poˇzadavk˚ u definuj´ıc´ı MAC a PHY vrstvy pro v´ ymˇenu dat mezi s´ıtˇemi LAN/MAN. Stanovené rychlosti pˇrenosu dat jsou 11, 22, 33, 44 a 55 Mbps. Technologie zaloˇzené na tomto standardu se naz´ yvaj´ı UWB. • IEEE 802.15.3b [3] Tematická skupina pracuj´ıc´ı na dodatku ke standardu 182.15.3 zlepˇsuj´ıc´ım realizaci a souˇcinnost MAC vrstvy. Zahrnuje menˇs´ı vylepˇsen´ı zachovávaj´ıc´ı zpˇetnou kompatibilitu. Dále opravuje nˇekteré chyby. • IEEE 802.15.4 [28] ˇ Ctvrt´ a skupina byla povˇeˇrena v´ yzkumem jednoduchého n´ızkorychlostn´ıho ˇreˇsen´ı, které by bylo napájeno z bateri´ı a bylo schopno pracovat po dobu nˇekolika mˇes´ıc˚ u aˇz let. Zaˇr´ızen´ı by mˇelo pracovat ve vˇsech národn´ıch bezlicenˇcn´ıch pásmech. Vlastnosti s´ıt´ı specifikovan´ ych standardem IEEE 802.15.4 jsou pˇrenosové rychlosti 20, 40 a 250 kbps, dva adresovac´ı módy (16-bit a 64-bit), pˇr´ıstup ke sd´ılenému médiu CSMACA, automatická organizace s´ıtˇe realizovaná koordinátorem, protokol pro spolehliv´ y zp˚ usob komunikace, energetické ˇr´ızen´ı pro minimáln´ı spotˇrebu a rozvrˇzen´ı jednotliv´ ych pˇrenosov´ ych pásem. Pˇrijat´ y standard byl vydán jako 802.15.4-2003 a na jeho dalˇs´ıch reviz´ıch pracuje skupina 802.15.4b. Na základech tohoto standardu byla vytvoˇrena komunikaˇcn´ı technologie ZigBee.

´ KAPITOLA 1. UVOD 1.3.2.3

19

IEEE 812.16

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)se sv´ ym rozsahem ˇrad´ı mezi s´ıt’e MAN. Jeho pokryt´ı dosahuje aˇz 50 km s pˇrenosovou rychlost´ı do 70 Mbps. Dle standaru 802.16 pracuje v pásmech 10–66 GHz, dle novˇejˇs´ı revize 802.16a v pásmech 2–11 GHz. Jeho v´ yhodou je, ˇze se pˇr´ıj´ımaˇc m˚ uˇze pohybovat aˇz rychlost´ı 100 km/h. 1.3.2.4

IrDA

IrDA - Infrared Data Association (zaloˇzena v roce 1994) je nezisková organizace, která vyv´ıj´ı specifikace pro bezdrátovou komunikaci v infraˇcervené oblasti svˇetelného spektra, pˇredevˇs´ım na vlnové délce 875 nm. Ve standardech jsou specifikována jak fyzická koncová zaˇr´ızen´ı, tak komunikaˇcn´ı protokoly. K vys´ılán´ı se vyuˇz´ıvaj´ı infraˇcervené LED diody a pro pˇr´ıjem PIN fotodiody. Hlavn´ı nev´ yhodou tohoto pˇr´ıstupu je nutná pˇr´ımá viditelnost mezi zaˇr´ızen´ımi a pouze urˇcit´ yu ´hel mezi vys´ılaˇcem a pˇrij´ımaˇcem. Dosah a propustnost se liˇs´ı podle normy. Jedná se o jednotky metr˚ u a pˇrenosová rychlost se pohybuje od 2,4 kbps do 16 Mbps. Vzhledem k dosaˇzitelné ˇs´ıˇrce pásma je dnes jiˇz zcela nahrazeno radiov´ ymi technologiemi. Nev´ yhodou je pouze halfduplex spojen´ı - nelze souˇcasnˇe vys´ılat a pˇrij´ımat data. Na druhé vrstvˇe ISO/OSI modelu nespecifikuje standard ˇzádné zabezpeˇcen´ı, takˇze o bezpeˇcnost se mus´ı starat vyˇsˇs´ı vrstvy. 1.3.3

Pˇ renos

Bezdrátová zaˇr´ızen´ı vyuˇz´ıvaj´ı ke komunikaci spoleˇcné fyzické médium, proto se o nˇej mus´ı urˇcit´ ym zp˚ usobem dˇelit. Jednou z technik zabezpeˇcuj´ıc´ı pˇr´ıstup ke sd´ılenému médiu je CSMA-CA (Carrier sense multiple access with collision avoidance). Je to protokol definovan´ y na druhé vrstvˇe referenˇcn´ıho modelu ISO/OSI. Na rozd´ıl od metody CSMACD, nasazené napˇr´ıklad u legacy ethernetu1 , tato technika pouze nedetekuje a neˇreˇs´ı jiˇz nastalou kolizi, ale snaˇz´ı se j´ı pˇredcházet. Zjednoduˇsenˇe se toho dosahuje pˇr´ıposlechem média a pouˇzit´ım komunikaˇcn´ıch rámc˚ u. Pokud chce nˇejaké zaˇr´ızen´ı zahájit komunikaci, mus´ı si nejdˇr´ıve ovˇeˇrit, zda je médium bez provozu. Pokud na médiu prob´ıhá komunikace, poˇcká zaˇr´ızen´ı urˇcitou dobu, tzv. backoff. Pokud je jiˇz médium volné, m˚ uˇze se zahájit komunikace. Nejprve se vyˇsle poˇzadavek na komunikaci. T´ım se vˇsechny okoln´ı zaˇr´ızen´ı uzly - upozorn´ı, ˇze s´ıt’ je uˇz´ıvána. Adresát pak odpov´ı zaslán´ım informace, ˇze je pˇripraven ke komunikaci. Pokud tuto informaci vys´ılac´ı uzel nepˇrijme, je pokus o navázán´ı spojen´ı povaˇzován za kolizi a cel´ y postup se opakuje. Systém je efektivn´ı pouze pokud nen´ı pod velkou zátˇeˇz´ı. S´ıtˇe WPAN uˇz´ıvaj´ı dva druhy CSMA-CA [28]. Jsou jimi unslotted a slotted CSMA-CA. Mechanismy se liˇs´ı v délce backoff ˇcasovaˇce. V pˇr´ıpadˇe unslotted CSMA-CA je délka backoff náhodná na rozd´ıl od slotted CSMA-CA, kdy je doba ˇcekán´ı urˇcena náhodn´ ym poˇctem stejnˇe dlouh´ ych backoff slot˚ u. Pˇrenos zajiˇst’uje fyzická vrstva PHY pomoc´ı nˇekolika pˇrenosov´ ych metod. V s´ıt´ıch PAN se pouˇz´ıvaj´ı pˇredevˇs´ım FHSS a DSSS, které ˇreˇs´ı problém interferenc´ı mezi zaˇr´ızen´ımi pracuj´ıc´ımi ve stejném frekvenˇcn´ım pásmu. Mnoˇzstv´ı interferenc´ı je dáno mnoˇzstv´ım pˇrenáˇsen´ ych dat v jednotliv´ ych s´ıt´ıch a vys´ılac´ım v´ ykonem zaˇr´ızen´ı [29]. 1

p˚ uvodn´ı ethernet 10 mbit vyuˇz´ıvaj´ıc´ı koaxiáln´ı kabel

´ KAPITOLA 1. UVOD

20

• FHSS - frequency hopping spread spectrum [1] [2] Technika frekvenˇcn´ıho pˇreskakován´ı nebo také frekvenˇcn´ı skákán´ı nosné je zaloˇzena na rychl´ ych zmˇenách kmitoˇct˚ u nosné vlny - tzv. hops. V pˇr´ıpadˇe bezlicenˇcn´ıho pásma 2,4 GHz je v USA a evropˇe definováno 79 podkanál˚ u. Kaˇzd´ y kanál má ˇs´ıˇrku pásma 1 MHz. Pseudonáhodná zmˇena nosné frekvence (v pˇr´ıpadˇe bluetooth 1600x za sekundu) umoˇzn ˇuje maximálnˇe sn´ıˇzit mnoˇzstv´ı interferenc´ı s dalˇs´ımi zaˇr´ızen´ımi pracuj´ıc´ımi ve stejném frekvenˇcn´ım pásmu. Znamená to, ˇze ˇspatnˇe pˇrenesené rámce se vys´ılaj´ı znovu, ovˇsem jiˇz na jiné nosné frekvenci. Provoz v´ıce zaˇr´ızen´ı v s´ıti umoˇzn ˇuje rozdˇelen´ı jednotliv´ ych kanál˚ u do timeslot˚ u. Novˇejˇs´ı verze Blutetooth 1.2 z roku 2003 dovede zaznamenat, ve kter´ ych kanálech docház´ı k interferenc´ım, a v dalˇs´ıch pˇrenosech je jiˇz nevyuˇz´ıvá. • DSSS - direct sequence spread spectrum Technika pˇr´ımého rozprostˇren´ı spektra nahrazuje kaˇzd´ y pˇrenáˇsen´ y bit skupinou v´ıce bit˚ u, které jsou generovány pseudonáhodnˇe (vyuˇz´ıvá se Goldov´ ych a Barkerov´ ych kód˚ u). D´ıky tomu pak signál zab´ırá vˇetˇs´ı ˇcást kmitoˇctového spektra, takˇze je ménˇe citliv´ y na ostatn´ı signály pˇr´ıtomné ve stejném frekvenˇcn´ım pásmu. D´ıky pseudonáhodnosti generován´ı kód˚ u m˚ uˇze b´ yt souˇcasnˇe provozováno v´ıce zaˇr´ızen´ı. Tato technika je nasazena u bezdrátové technologie ZigBee.


21

ZigBee, IEEE 802.15.4

ZigBee [6] [28] [27] je velmi nenároˇcná bezdrátová technologie. Pˇri jej´ım zrodu v roce 2004 bylo c´ılem v´ yvojáˇr˚ u vytvoˇrit bezdrátov´ y systém, kter´ y by byl spolehliv´ ym a levn´ ym ˇreˇsen´ım pro domác´ı automatizaci. Systém vyvinulo uskupen´ı des´ıtek spoleˇcnost´ı v ˇcele s firmami Honeywell, Motorola, Philips, Samsung a spoustou dalˇs´ıch. Standard je volnˇe pˇr´ıstupn´ y pro nekomerˇcn´ı vyuˇzit´ı. Protokol ZigBee je zaloˇzen na vrstvovém modelu. Jednotlivé vrstvy poskytuj´ı prostˇredky a vlastn´ı soubor sluˇzeb a schopnost´ı nadˇrazen´ ym vrstvám. Rozvrˇzen´ı vrstev je zaloˇzeno na ISO/OSI modelu. Komunikace mezi jednotliv´ ymi vrstvami prob´ıha skrze SAP. Základn´ı rozdˇelen´ı vrstev je následuj´ıc´ı: • fyzická vrstva (PHY) • spojová vrstva (MAC) • s´ıt’ová vrstva (NWK) • aplikaˇcn´ı vrstva (APL)

Application (APL) Layer Application Framework

…

ZigBee Device Object (ZDO)

Endpoint 1 APSDE-SAP


IEEE 802.15.4 defined

Layer interface

-

Network (NWK) Layer NWK Message Broker

Routing Management

Network Management

MLDE-SAP

MLME-SAP

Medium Access Control (MAC) Layer

End manufacturer defined Layer function

Reflector Management

NLDE-SAP

NWK Security Management

ZigBeeTM Alliance defined

APS Message Broker

NLME-SAP

Security Service Provider

APSME-SAP

Application Support Sublayer (APS) ASL APS Security Management

ZDO Management Plane


Application Object 1

ZDO Public Interfaces

Application Object 240

PLME-SAP

PD-SAP

Physical (PHY) Layer 2.4 GHz Radio

868/915 MHz di

Obrázek 1.12: Vrstvov´ y model ZigBee, pˇrevzato z [27] ZigBee vyuˇz´ıvá specifikaci fyzické a spojové vrstvy dle standardu IEEE 802.15.4-2003. Fyzická vrstva obsluhuje radiov´ y transceiver spolu s jeho ovládac´ım u ´stroj´ım a umoˇzn ˇuje vys´ılán´ı a pˇr´ıjem fyzick´ ych PDU skrze rádiov´ y kanál. Dále poskytuje sluˇzby pro v´ ybˇer kanálu, detekci energetické hladiny (ED), hodnocen´ı kvality signálu (LQI) a detekci volného kanálu (CCA). Standard definuje dva druhy fyzick´ ych vrstev. Prvn´ı v pásmu

´ KAPITOLA 1. UVOD

22

868/915 MHz (1/11 kanál˚ u) a druhou v pásmu 2,4 GHz (16 kanál˚ u). V obou pásmech je vyuˇzita technika rozprostˇren´ı spektra metodou DSSS. Signál je modulován metodou O-QPSK. V pásmu 2,4 GHz lze dosáhnout rychlosti pˇrenosu dat 250 kbps. V pásmech 868/915 MHz je podporována rychlost pˇrenosu dat 20 kbps a 40 kbps. V´ ybˇer fyzické vrstvy závis´ı na m´ıstn´ıch naˇr´ızen´ı a v´ ybˇeru uˇzivatele pro jeho konkrétn´ı aplikaci. PHY (MHz) 868/915 2450

Spreading parameters

Frequency band (MHz)

Chip rate (kchip/s)

868-868.6

300

Data parameters

Modulation

Bit rate (kb/s)

Symbol rate (ksymbol/s)

Symbols

BPSK

20

20

Binary

902-928

600

BPSK

40

40

Binary

2400-2483.5

2000

O-QPSK

250

62.5

16-ary Orthogonal

Tabulka 1.2: Frekvenˇcn´ı pásma a pˇrenosové rychlosti, pˇrevzato z [27] Spojová vrstva (MAC) poskytuje pˇr´ıstup k fyzick´ ym kanál˚ um. Standard vyuˇz´ıvá s´ıt’ s mnohonásobn´ ym pˇr´ıstupem s pˇredcházen´ım koliz´ım (CSMA-CA). Pro komunikaci mezi uzly s´ıtˇe jsou definovány ˇctyˇri typy rámc˚ u. Jsou jimi Data frame pro pˇrenos uˇziteˇcné informace a Acknowledgement frame pro potvrzen´ı pˇri komunikaci. Dále MAC command frame slouˇz´ıc´ı ke konfiguraci a ˇr´ızen´ı zaˇr´ızen´ı zapojen´ ych v s´ıti a Beacon frame, kter´ y synchronizuje zaˇr´ızen´ı. Synchronizace zaˇr´ızen´ı pomoc´ı beacon fram˚ u je d˚ uleˇzitá pro ˇr´ızen´ı spotˇreby. Beacon framy definuj´ı ˇcas uspáván´ı jednotliv´ ych koncov´ ych zaˇr´ızen´ı na pˇresnˇe urˇcenou dobu. Tato doba m˚ uˇze b´ yt nastavena v intervalu 15 ms aˇz 15 minut. Standard IEEE 802.15.4-2003 dále definuje tzv. superframe. Ten je ohraniˇcen beacony, které jsou pravidelnˇe vys´ılány coordinátorem s´ıtˇe. Superframe je rozdˇelen na 16 stejnˇe velk´ ych slot˚ u, ve kter´ ych mohou vys´ılat jednotlivá zaˇr´ızen´ı synchronizovaná pomoc´ı beacon˚ u. Tento zp˚ usob pˇrenosu dat je vyuˇz´ıván pro aplikace vyˇzaduj´ıc´ı rychlou odezvu, napˇr. mˇeˇren´ı EKG signálu. Pro pˇr´ıstup k pˇrenosovému médiu je pak vyuˇzita metoda slotted CSMA/CA. Utváˇren´ı s´ıtˇe realizuje s´ıt’ová vrstva NWK, jej´ıˇz definice jiˇz nen´ı souˇcást´ı standardu IEEE 802.15.4-2003, ale definuje ji standard ZigBee. S´ıt’ová vrstva NWK tedy zahrnuje mechanismy pro pˇripojen´ı a odpojen´ı od s´ıtˇe. Zabezpeˇcuje a smˇeruje rámce na m´ısto jejich urˇcen´ı a vytváˇr´ı a udrˇzuje pˇrenosové cesty mezi jednotliv´ ymi uzly podobnˇe jako routery v ethernetov´ ych s´ıt´ıch. Kaˇzdá nezávislá PAN s´ıt’ si vol´ı jedineˇcn´ y 16ti bitov´ y identifikátor PAN ID. Vˇsechna zaˇr´ızen´ı mus´ı m´ıt jiˇz od v´ yrobce jedineˇcnou 64-bitovou adresu. Tato adresa m˚ uˇze b´ yt vyuˇzita pro pˇr´ımou komunikaci v s´ıti, nebo pro pˇrenos dat mezi zaˇr´ızen´ımi napˇr´ıˇc nezávisl´ ymi s´ıtˇemi. PAN koordinátor m˚ uˇze pˇri pˇripojen´ı zaˇr´ızen´ı pˇridˇelit nam´ısto 64-bitové adresy krátkou adresu délky 16 bit˚ u pro komunikaci pouze v rámci s´ıtˇe, kterou spravuje. V jedné s´ıti pak m˚ uˇze b´ yt pˇres 65 000 zaˇr´ızen´ı. Definované s´ıt’ové topologie jsou Hvˇezda, Strom a Mesh. S´ıt’ libovolné topologie mus´ı zahrnovat alespoˇ n jedno zaˇr´ızen´ı v roli koordinátora, kter´ y zajiˇst’uje komunikaci mezi zaˇr´ızen´ımi. Koordinátor je zodpovˇedn´ y za zaloˇzen´ı s´ıtˇe, pˇripojován´ı a odpojován´ı jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı k s´ıti. Ostatn´ı zaˇr´ızen´ı jsou bud’ routery, nebo koncová zaˇr´ızen´ı. Aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı topologii hvˇezda zahrnuj´ı domác´ı automatizaci, periferie poˇc´ıtaˇc˚ u a prostˇredky osobn´ı zdravotn´ı péˇce. U topologie strom se mohou vyskytovat mezilehlé uzly - smˇerovaˇce (routery), které zprostˇredkovávaj´ı komunikaci mezi koncov´ ymi zaˇr´ızen´ımi a zaˇr´ızen´ım centráln´ım. Smˇerovac´ı strategie je hierarchická, pˇr´ıpadnˇe m˚ uˇze b´ yt ˇr´ızena

´ KAPITOLA 1. UVOD

23

smˇerovac´ımi tabulkami. Peer-to-Peer topologie umoˇzn ˇuje realizovat sloˇzitˇejˇs´ı s´ıt’ová spojen´ı, jak´ ym je napˇr´ıklad s´ıt’ová topologie mesh. Mesh topologie má také PAN koordinátora. Od topologie hvˇezda se odliˇsuje v tom, ˇze kaˇzdé zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze komunikovat s jak´ ymkoliv jin´ ym zaˇr´ızen´ım, dokud je v jeho dosahu. Dále umoˇzn ˇuje v´ıcenásobné pˇreskoky pˇres mezilehlé uzly pro smˇerován´ı zpráv mezi zaˇr´ızen´ımi v s´ıti. Souˇcást´ı LR-WPAN s´ıtˇe mohou b´ yt zaˇr´ızen´ı dvou typ˚ u, FFD a RFD. FFD - Full-function device pracuje ve tˇrech reˇzimech. Jsou jimi PAN koordinátor, koordinátor nebo zaˇr´ızen´ı. M˚ uˇze komunikovat s dalˇs´ım FFD nebo RFD. Zaˇr´ızen´ı RFD - Reduced-function device pracuje pouze v reˇzimu zaˇr´ızen´ı a m˚ uˇze komunikovat jen se zaˇr´ızen´ım FFD. RFD je urˇceno pro velmi jednoduché aplikace, které nepotˇrebuj´ı vys´ılat vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı dat. M˚ uˇze b´ yt implementováno s minimaln´ımi prostˇredky a kapacitou pamˇeti. Zaˇr´ızen´ı vykonává urˇcit´ yu ´kol a je poˇcáteˇcn´ım nebo koncov´ ym bodem komunikace. PAN koordinátor m˚ uˇze vykonávat u ´koly jako zaˇr´ızen´ı, ale pˇredevˇs´ım je vyuˇzit pro zahájen´ı, ukonˇcen´ı a ˇr´ızen´ı komunikace v s´ıti. Koordinátor s´ıtˇe m˚ uˇze b´ yt napájen z elektrické s´ıtˇe, zat´ımco zaˇr´ızen´ı jsou nejˇcastˇeji napájena bateriovˇe. Aplikaˇcn´ı vrstva APL obsahuje pomocnou podvrstvu APS (application support sublayer), objekty ZigBee (ZDO - ZigBee device object) a uˇzivatelsky definované aplikaˇcn´ı objekty vestavˇené v Application Framework. ZDO specifikuje postaven´ı objektu v s´ıti m˚ uˇze b´ yt koordinátorem, smˇerovaˇcem nebo koncov´ ym zaˇr´ızen´ım, nacház´ı zaˇr´ızen´ı v s´ıti a urˇcuje, které sluˇzby budou poskytovat. Zahajuje a odpov´ıdá na poˇzadavky navázán´ı spojen´ı a zajiˇstuje jejich zabezpeˇcen´ı. APS poskytuje rozhrann´ı mezi s´ıt’ovou NWK a aplikaˇcn´ı APL vrstvou skrze obecn´ y soubor sluˇzeb, které jsou uˇzity jak v ZDO, tak ve v´ yrobcem definovan´ ych aplikaˇcn´ıch objektech. APS podvrstva je zodpovˇedná za udrˇzován´ı spojovac´ıch tabulek, které slouˇz´ı pro párován´ı zaˇr´ızen´ı dle poskytovan´ ych sluˇzeb a poˇzadavk˚ u. Dále odpov´ıdá za doruˇcován´ı zpráv mezi spojen´ ymi zaˇr´ızen´ımi. Pro adresován´ı zpráv lze vyuˇz´ıt jeden ze tˇr´ı reˇzim˚ u. Jedná se o pˇr´ımé adresován´ı, které vyuˇz´ıvá 64-bit nebo 16-bit adresu a ˇc´ıslo endpointu (pˇr´ısluˇs´ı aplikaˇcn´ımu objektu). Pro nepˇr´ımé adresován´ı nen´ı tˇreba znát c´ılovou adresu. Smˇerován´ı provád´ı coordinátor na základˇe smˇerovac´ıch tabulek. Tˇret´ım zp˚ usobem je vˇseobecné adresován´ı (broadcast). S´ıt’ se sestává z nˇekolika zaˇr´ızen´ı. Za zaˇr´ızen´ı je povaˇzován veˇsker´ y hardware, kter´ y sd´ıl´ı jednu radiovou jednotku. V kaˇzdém zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze b´ yt aˇz 240 aplikaˇcn´ıch objekt˚ u, které modeluj´ı jednotlivé ˇcásti hardwaru (napˇr. teplomˇer, akcelerometr, vyp´ınaˇc). Jednotlivé aplikaˇcn´ı objekty (endpoints) maj´ı pˇridˇeleno ˇc´ıslo v rozmez´ı 1-240, které slouˇz´ı k jejich identifikaci. Souˇcást´ı aplikaˇcn´ıch objekt˚ u jsou datové atributy, které reprezentuj´ı nˇejakou hodnotu nebo stav, ve kterém se pˇr´ısluˇsná ˇcást zaˇr´ızen´ı nacház´ı. K popisu aplikaˇcn´ıch objekt˚ u slouˇz´ı deskriptory, které jsou definovány ZigBee alianc´ı nebo v´ yrobcem. Kaˇzd´ y deskriptor má pˇriˇrazen unikátn´ı identifikátor. ZDO pomoc´ı deskriptor˚ u zjiˇst’uj´ı, jaké sluˇzby dané zaˇr´ızen´ı poskytuje. Skupina deskriptor˚ u je oznaˇcován jako ZigBee Device Profile. Pro ovládán´ı osvˇetlen´ı je definován napˇr. HCL - Home Control Lightning profile. Ve v´ yvoji je PHHC - Personal, Home and Hospital Care profile. D´ıky pouˇzit´ı profil˚ u spolu mohou komunikovat zaˇr´ızen´ı r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u. Proprietárn´ım ˇreˇsen´ım slouˇz´ı tzv. private profiles. Pro realizaci logického propojen´ı mezi jednotliv´ ymi aplikaˇcn´ımi objekty slouˇz´ı clustery. Cluster se chová jako port, má vstupn´ı a v´ ystupn´ı identifikátor. Na základˇe identifikátor˚ u docház´ı k logick´ ym propojen´ım - tzv. cluster binding. Kaˇzd´ y cluster je tvoˇren skupinou datov´ ych atribut˚ u, které maj´ı také své identifikátory. Zabezpeˇcen´ı jsou realizována v nˇekolika u ´rovn´ıch a na r˚ uzn´ ych vrstvách modelu [29]:

´ KAPITOLA 1. UVOD • Bez zabezpeˇcen´ı • Vyuˇzit´ı pˇr´ıstupov´ ych seznam˚ u ACL • Autentizace a ˇsifrován´ı pomoc´ı AES v reˇzimech 32-bit aˇz 128-bit.

24


25

Bluetooth, IEEE 802.15.1

Standard definovan´ y pracovn´ı skupinou IEEE 802.15.4 vznikl na základˇe spolupráce firem Ericsson, Motorola, Nokia, Toshiba a Intel seskupen´ ych v neziskové organizaci Bluetooth Special Interest Group (SIG)[15]. Jiˇz ze skladby firem je patrné, ˇze rozhrann´ı je pˇredurˇceno k vyuˇzit´ı v mobiln´ı telekomunikaˇcn´ı technice a komunikaci poˇc´ıtaˇcov´ ych periferi´ı pˇredevˇs´ım jako náhrada kabelov´ ych spojen´ı. Verze 1.0 vznikla v roce 1999 a dosahovala pˇrenosové rychlosti do 1 Mbit/s. Dnes je aktuáln´ı verze 2.1 + EDR. Dosah Power Class

Maximum Output Power (Pmax)

Nominal Output Power

Minimum Output Power1

1

100 mW (20 dBm)

N/A

1 mW (0 dBm)

2

2.5 mW (4 dBm)

1 mW (0 dBm)

0.25 mW (-6 dBm)

Optional: Pmin2) to Pmax

3

1 mW (0 dBm)

N/A

N/A

Optional: Pmin2) to Pmax

Power Control Pmin<+4 dBm to Pmax Optional: Pmin2 to Pmax

Table 3.1: Power classes 1. Minimum output power at maximum power setting. 2. The lower power limit Pmin<-30dBm is suggested but is not mandatory, and may be chosen according to application needs.

Tabulka 1.3: Rozdˇelen´ı do v´ ykonov´ ych tˇr´ıd, pˇrevzato z [14] se liˇs´ı podle v´ ykonové tˇr´ıdy. Zaˇr´ızen´ı spadaj´ıc´ı do prvn´ı tˇr´ıdy s maximáln´ım vyzáˇren´ ym v´ ykonem 20 dBm maj´ı dosah kolem 100 m. Zaˇr´ızen´ı druhé tˇr´ıdy maj´ı definován maximáln´ı vyzáˇren´ y v´ ykon 4 dBm. Dosah se pak pohybuje kolem 10 m Zaˇr´ızen´ı tˇret´ı tˇr´ıdy maj´ı maximáln´ı vyzáˇren´ y v´ ykon pouze 0 dBm a dosah 1 m. Hodnota 0 dBm odpov´ıdá 1 mW. Bluetooth verze 1.2 je schopno pˇrenést nejv´ yˇse 1 Mbps, verze 2.0 aˇz 3 Mbps. Na rok 2008 je plánována dalˇs´ı evoluce bluetooth, která zvyˇsuje pˇrenosovou rychlost na 100 Mbit/s pˇri dosahu kolem 10 metr˚ u za pouˇzit´ı MB-OFDM. S t´ım je spojena i zmˇena frekvenˇcn´ıho pásma z 2,4 GHz na 6 GHz. Jádro systému Bluetooth lze rozdˇelit do dvou ˇcást´ı a ˇctyˇr vrstev 1.13. Kaˇzdá vrstva má své funkˇcn´ı bloky a sv˚ uj komunikaˇcn´ı protokol. Specifikace Bluetooth definuje protokoly mezi pˇr´ısluˇsn´ ymi vrstvami, aby byla zajiˇstˇena souˇcinnost zaˇr´ızen´ı. Prvn´ı tˇri vrstvy tvoˇr´ı subsystém naz´ yvan´ y Bluetooth Controller. • Radio Layer RF blok rádiové vrstvy je zodpovˇedn´ y za vys´ılán´ı a pˇr´ıjem paket˚ u na fyzickém kanálu. • Baseband Layer Vrstva zahrnuje dva funkˇcn´ı bloky - Link Controller a Baseband Resource Manager. Link Controller zabezpeˇcuje ˇr´ızen´ı spojen´ı. Pˇrenáˇs´ı informace o doruˇcen´ı paket˚ u a signalizaci slouˇz´ıc´ı k ˇr´ızen´ı toku. Baseband Resource Manager zodpov´ıdá za pˇridˇelován´ı timeslot˚ u na fyzick´ ych kanálech vˇsem entitám, které maj´ı sjednan´ y pˇr´ıstup. Dále sjednává tento pˇr´ıstup s jednotliv´ ymi entitami tak, aby byl splnˇen poˇzadavek na QoS za u ´ˇcelem poskytnut´ı uˇzivatelské aplikace s oˇcekávan´ ym v´ ykonem.

´ KAPITOLA 1. UVOD

26

• Link Mannager Layer Komunikuje pomoc´ı Link Manager Protokolu s Link Managerem dalˇs´ıho zaˇr´ızen´ı za u ´ˇcelem vytváˇren´ı a zmˇen logick´ ych linek a logick´ ych pˇrenos˚ u mezi zaˇr´ızen´ımi. Zajiˇst’uje obecné ˇr´ızen´ı spojen´ı, napˇr. pˇrizp˚ usoben´ı vys´ılac´ıho v´ ykonu fyzické linky nebo upraven´ı nastaven´ı QoS logické linky. Na pomez´ı mezi druhou a tˇret´ı vrstvou se nacház´ı Device Manager zodpovˇedn´ y za vˇsechny operace systému, které pˇr´ımo nezajiˇst’uj´ı pˇrenos dat. Zjiˇst’uje pˇr´ıtomnost bl´ızk´ ych Bluetooth zaˇr´ızen´ı a zajiˇst’uje k nim pˇripojen´ı. Dále se zpˇr´ıstupˇ nuje pro navázán´ı spojen´ı s okoln´ımi zaˇr´ızen´ımi. K pˇrenosovému médiu pˇristupuje pˇres Baseband Resource Manager. • L2CAP (Logical Link Control and Adaptation) Layer L2CAP vrstva obsahuje dva funkˇcn´ı bloky - L2CAP Resource Manager a Channel Manager. Spodn´ı tˇri vrstvy jsou s vrstvou L2CAP propojeny rozhrann´ım Host Controller Interface (HCI), které zajiˇst’uje jednotn´ y pˇr´ıstup k hardwaru nezávisle na implementaci a pˇr´ıstup ke sluˇzbám Link Manager vrstvy. Pro praktické nasazen´ı se mus´ı Bluetooth zaˇr´ızen´ı zaˇradit do urˇcitého profilu, kter´ y definuje moˇzné aplikace tohoto zaˇr´ızen´ı. Bluetooth profily jsou obecné reˇzimy, kter´ ymi Synchronous unframed traffic

Asynchronous and isochronous framed traffic

data control

data

C-plane and control services

control

U-plane and data traffic Protocol signalling

Device control services

L2CAP layer

L2CAP Resource Manager

Channel Manager

L2CAP

HCI

Bluetooth Controller

Link Manager layer

Link Manager

LMP

Device Manager Baseband Resource Manager

Baseband layer

Radio layer

Link Controller

LC

Radio RF

Obrázek 1.13: Jádro BT, pˇrevzato z [14]

´ KAPITOLA 1. UVOD

27

zaˇr´ızen´ı komunikuj´ı mezi sebou. Kaˇzdá specifikace profilu obsahuje informace o závislosti na jin´ ych profilech, navrˇzen´ ych uˇzivatelsk´ ych formách rozhrann´ı a zvláˇstn´ıch ˇcástech Bluetooth protocol stacku uˇzitého profilem. Profil˚ u je definováno celkem 22. Podstatné jsou Generic access profile a Personal Area Networking Profile: • Generic access profile (GAP) poskytuje základ pro ostatn´ı profily a definuje shodné prostˇredky pro zajiˇstˇen´ı základn´ıho spojen´ı mezi zaˇr´ızen´ımi. Mus´ı b´ yt implementován ve vˇsech Bluetooth zaˇr´ızen´ıch. Obsahuje obecné protokoly pro nalezen´ı a propojen´ı zaˇr´ızen´ı. Zajiˇst’uje vysok´ y stupeˇ n souˇcinnosti mezi apliakce a zaˇr´ızen´ımi. Umoˇzn ˇuje v´ yvojáˇr˚ um snadno definovat nové profily na základˇe existuj´ıc´ıch definic. Bluetooth zaˇr´ızen´ı, která nevyhovuj´ı ˇzádnému z profil˚ u se mus´ı podˇr´ıdit GAP pro zajiˇstˇen´ı základn´ı funkce a koexistence. • Personal Area Networking Profile (PAN) definuje, jak´ ym zp˚ usobem mohou dvˇe a v´ıce zaˇr´ızen´ı vytváˇret ad hoc propojen´ı a jak m˚ uˇze b´ yt stejn´ y postup uˇzit k pˇr´ıstupu vzdálen´ ych s´ıt´ı skrze s´ıt’ov´ y pˇr´ıstupov´ y bod. • Serial port profile (SPP) definuje nastaven´ı virtuáln´ıch sériov´ ych port˚ u a propojen´ı dvou Bluetooth zaˇr´ızen´ı. Uˇz´ıvá RFCOMM protokol. D´ıky nˇemu poskytuje bezdrátové nahrazen´ı fyzické sériové linky. – RFCOMM protokol emuluje sériov´ y port RS-232. Je uˇz´ıván pro poskytován´ı sériového pˇrenosu dat. Propojuje dvˇe nejniˇzˇs´ı vrstvy vrstvového modelu Bluetooth skrz L2CAP vrstvu. Aplikace zaloˇzené na Bluetooth vyˇzaduj´ı nˇekolik dalˇs´ıch sluˇzeb a protokol˚ u na vyˇsˇs´ıch vrstvách, které jsou bl´ıˇze definovány ve specifikaci Bluetooth. Standard podporuje jak dvoubodovou komunikaci, tak komunikaci mnohobodovou. V´ıce jak dvˇe synchronizovaná zaˇr´ızen´ı v jedné s´ıti tvoˇr´ı skupinu - piconet, která je ˇr´ızena ˇ ıdic´ı zaˇr´ızen´ı urˇcuje pseudonáhodné zmˇeny nosné jend´ım zaˇr´ızen´ım zvan´ ym master. R´ frekvence na základˇe adresy a synchronizaˇcn´ıho signálu. V jeden okamˇzik m˚ uˇze b´ yt navázáno aˇz sedm soubˇeˇzn´ ych spojen´ı s podˇr´ızen´ ymi zaˇr´ızen´ımi. Propojen´ım v´ıce piconets vzniká rozprostˇrená s´ıt’ zvaná scatternet. Fyzick´ y kanál je rozdˇelen do ˇcasov´ ych jednotek zvan´ ych timesloty. Data pˇrenáˇsená mezi zaˇr´ızen´ımi jsou pos´ılána v paketech, které jsou um´ıstˇené v tˇechto slotech. Nˇekolik po sobˇe následuj´ıc´ıch timeslot˚ u m˚ uˇze b´ yt vyˇclenˇeno pro jeden paket. Specifikace Bluetooth poskytuje tˇri stupnˇe zabezpeˇcen´ı [29]: • bez zabezpeˇcen´ı - jakékoliv zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze zahájit komunikaci • bezpeˇcnost na u ´rovni sluˇzeb - pˇristup ke sluˇzbám je autorizován • bezpeˇcnost na u ´rovni spoje - autentizace a ˇsifrován´ı


28

Porovn´ an´ı ZigBee a Bluetooth

ZigBee je urˇceno pˇredevˇs´ım pro ovládán´ı a komunikaci r˚ uzn´ ych bezpeˇcnostn´ıch systém˚ u (pohybová a hluková ˇcidla), pˇrenos dat z poˇzárn´ıch detektor˚ u, ovládán´ı klimatizac´ı atd. z jednoho centráln´ıho m´ısta. Postupnˇe se ale vyvinulo v technologii nasazenou jak v domácnostech, tak v pr˚ umyslové automatizaci (diagnostika, mˇeˇren´ı r˚ uzn´ ych fyzikáln´ıch veliˇcin), lékaˇrské péˇci (pro vzdálen´ y monitoring ˇzivotn´ıch funkc´ı), v poˇc´ıtaˇcov´ ych periferi´ıch (myˇsi, klávesnice) a spotˇrebn´ı elektrotechnice. ZigBee má mnoho spoleˇcn´ ych prvk˚ u s Bluetooth, ale tyto technologie si nekonkuruj´ı. Bluetooth je koncipován pro nasazen´ı v mobiln´ıch telefonech, PDA a dalˇs´ıch podobn´ ych mobiln´ıch zaˇr´ızen´ıch k jednorázovému pˇrenosu vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı dat sp´ıˇse multimediáln´ıho charakteru. Jako s´ıt’ nen´ı pˇr´ıliˇs flexibiln´ı. Pokud ze s´ıtˇe vypadne master zaˇr´ızen´ı, s´ıt’ se okamˇzitˇe zhrout´ı. Propojen´ı piconet s´ıt´ı je ˇreˇseno pouze proprietárnˇe. ZigBee narozd´ıl od Bluetooth v´ıce smˇeˇruje do oblasti pr˚ umyslu a medic´ıny. V´ yhodou ZigBee je pˇredevˇs´ım jeho malá spotˇreba energie, spolehlivost a n´ızká cena, která se dnes pohybuje kolem 2 USD za transceiver a 4 USD za SiP. Nav´ıc specifikace dovoluje vytváˇret jednoduˇsˇs´ı koncová zaˇr´ızen´ı. Dále umoˇzn ˇuje lepˇs´ı konfigurovatelnost s´ıtˇe Technologie

ZigBee

Výrobce, Typ Napájení [V] Spotřeba [mA]

Bluetooth

Texas Instruments CC2420

Atmel AT86RF230

Freescale MC13192

Texas Instruments BRF6150

Atmel T0724

STMicroelectronics STLC2150

2,1 - 3,6

1,8 – 3,6

2,O – 3,4

1,65 – 3,6

2,7 – 5,5

2,5 – 3,6

TX

17,4

17

30

25

190

80

RX

18,8

16

37

37

8

52

Tabulka 1.4: Porovnán´ı spotˇreby ZigBee a Bluetooth RF Transceiver˚ u Vzhledem ke vˇsem zm´ınˇen´ ym faktor˚ um bylo rozhodnuto otestovat moˇznosti pˇrenosu EKG signálu technologi´ı ZigBee.

KAPITOLA 2. REALIZACE

29

2 Realizace Realizace spoˇc´ıvá v obvodovém návrhu, v´ ybˇeru souˇcástek, návrhu a osazen´ı desky ploˇsného spoje a fyzickém proveden´ı kompletn´ıho ˇreˇsen´ı. V pˇr´ıpadˇe bezdrátového pˇrenosu EKG lze návrh rozdˇelit na dvˇe samostatné ˇcásti. Prvn´ı je návrh analogové ˇcásti obvodu, která realizuje mˇeˇren´ı EKG signálu. Druhou ˇcást´ı je pˇrenosov´ y systém.

2.1

Analogov´ aˇ c´ ast

Pˇri návrhu vstupn´ı jednotky elektrokardiografu mus´ıme vz´ıt v u ´vahu r˚ uzné nároky na zesilovaˇc tak, aby byly splnˇeny poˇzadavky kriteria vˇernosti [30][5]: • Dynamický rozsah vstupn´ıho napˇet´ı. Zesilovaˇc mus´ı pˇrenést bez tvarového zkreslen´ı signál od ±20 µV do ± 5 mV . • Amplitudová kmitoˇctová charakteristika. Kmitoˇctová charakteristika má doporuˇcenou doln´ı mezn´ı frekvenci 0,05 Hz. Doporuˇcená horn´ı mezn´ı frekvence je 250 Hz. • Vstupn´ı impedance. Vstupn´ı impedance mˇeˇrená vˇcetnˇe pˇredepsaného pacientského kabelu mus´ı m´ıt pro vˇsechny aktivn´ı elektrody na kmitoˇctu 10 Hz minimáln´ı velikost 2,5 M Ω. • Svalové akˇcn´ı potenciály. Mohou b´ yt filtrovány filtrem s mezn´ım kmitoˇctem 35– 45 Hz redukuj´ıc´ım svalové potenciály. Strmost filtru by mˇela b´ yt -6 dB/okt. • Kol´ısán´ı nulové linie. Kol´ısán´ı nulové linie lze potlaˇcit vazebn´ım RC obvodem s ˇcasovou konstantou minimálnˇe 3,2 s. • Potlaˇcen´ı soufázového signálu s´ıt’ového kmitoˇctu. Vstupn´ı obvody zesilovaˇce s pˇripojen´ ym pacientsk´ ym kabelem mus´ı pˇri soufázovém buzen´ı vˇsech elektrod potlaˇcit vstupn´ı signál nejménˇe o 89 dB. • Ustálen´ı po defibrilaci. Po proveden´ı defibrilaˇcn´ıho v´ yboje mus´ı pˇrechodov´ y dˇej v kontrolovaném kanálu odezn´ıt do 5 s. D˚ uleˇzit´ ym stupnˇem vˇsech zesilovaˇc˚ u je jejich vstupn´ı ˇcást - pˇredzesilovaˇc. Pˇredzesilovaˇc mus´ı u ´ˇcinnˇe potlaˇcit ruˇsen´ı, protoˇze jeho v´ ystup je dále zesilován následuj´ıc´ımi stupni zesilovaˇce. Tzn. ˇze by ruˇsen´ı bylo dále zesilováno spolu s uˇziteˇcn´ ym signálem. Mezi neˇzádouc´ı souˇcásti signálu lze zaˇradit vysokofrekvenˇcn´ı ruˇsen´ı nebo s´ıt’ov´ y brum. Vstup mus´ı b´ yt pˇripojen k elektrodám bez pouˇzit´ı kapacitn´ı vazby aby byla zajiˇstˇena optimáln´ı odezva na n´ızk´ ych frekvenc´ıch. Mezi vstupem a elektrodami tedy nesm´ı b´ yt sériovˇe zapojen kondenzátor blokuj´ıc´ı stejnosmˇerná napˇet´ı. D´ıky tomu ale nastává problém s polarizac´ı elektrod vstupn´ımi klidov´ ymi proudy. Pˇredzesilovaˇce b´ yvaj´ı galvanicky oddˇeleny od ostatn´ıch zesilovac´ıch stupˇ n˚ u, aby byla zajiˇstˇena bezpeˇcnost pˇri mˇeˇren´ı. Pˇri bateriovém napájen´ı problém galvanického oddˇelen´ı odpadá. Pˇr´ıklad ˇreˇsen´ı pˇredzesilovaˇce je uveden na obr.2.1 Pˇr´ıstrojov´ y zesilovaˇc v prvn´ı ˇcásti poskytuje vysokou hodnotu impedance diferenˇcn´ıch stupˇ n˚ u. T´ım se omez´ı mnoˇzstv´ı energie pˇrenáˇsené z mˇeˇreného systému. Elektrody mohou generovat napˇet’ov´ y offset do velikosti 0,3 V. Aby se pˇr´ıstrojov´ y zesilovaˇc nedostal do saturace, má nastaveno malé zes´ılen´ı Au = 26. Za pˇr´ıstrojov´ ym zesilovaˇcem následuje


30

Obrázek 2.1: Pˇredzesilovaˇc, pˇrevzato z [36] pasivn´ı horn´ı propust. Jej´ı mezn´ı kmitoˇcet je pˇri pouˇzit´ı rezistoru 3,3 MΩ a kondenzátoru 1µF roven: 1 ∼ (2.1) ωmez = = 0, 05 Hz 2πRC Posledn´ı ˇcást tvoˇr´ı neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc se zes´ılen´ım Au = 32, kter´ y je zároveˇ n aktivn´ı doln´ı propust´ı s mezn´ım kmitoˇctem ωmez = 100Hz. Sp´ınaˇc S1 m˚ uˇze b´ yt sepnut pro sn´ıˇzen´ı doby vybit´ı v pˇr´ıpadˇe, ˇze se v´ ystup dostane do saturace. Tento stav m˚ uˇze nastat napˇr. pˇri pˇrepojován´ı svod˚ u nebo po defibrilaci. Kondenzátor horn´ı propusti se pak rychleji nabije na novou hodnotu a v´ ystup se dostane zpˇet do lineárn´ı oblasti. Kondenzátor by nemˇel b´ yt vybit zcela. Sp´ınán´ı m˚ uˇze b´ yt automatické, ˇr´ızené obvodem detekuj´ıc´ım saturaci v´ ystupu, nebo m˚ uˇze b´ yt manuáln´ı. 2.1.1

Souhlasn´ e ruˇ sen´ı

Jako souhlasné napˇet´ı je oznaˇcováno napˇet´ı pˇrivedené souˇcasnˇe na oba vstupy zesilovaˇce. Potlaˇcen´ı souhlasného signálu CMRR znamená schopnost diferenˇcn´ıho zesilovaˇce potlaˇcit signály shodné pro oba jeho vstupy. Tzn. ˇze velikost napˇet´ı na v´ ystupu zesilovaˇce závis´ı pouze na diferenciáln´ım napˇet´ı na vstupu zesilovaˇce a na diferenˇcn´ım zes´ılen´ı Ad . Mezi invertuj´ıc´ı a neinvertuj´ıc´ı vstupn´ı ˇcást´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce jsou vˇzdy malé rozd´ıly, takˇze pˇri pˇripojen´ı souhlasného napˇet´ı bude na v´ ystupu malé v´ ystupn´ı napˇet´ı. To je urˇceno souhlasn´ ym zes´ılen´ım As . Pokud je kter´ ykoliv ze vstup˚ u zesilovaˇce uzemnˇen, je chyba souhlasného napˇet´ı nulová. Pˇr´ıstrojové zesilovaˇce dosahuj´ı lepˇs´ıch hodnot parametru CMRR, kter´ y je definován: Ad CM RR = → ∞

As

Ad → ∞ [dB]

CM R = 20log

(2.2)

(2.3) As CMRR se zmenˇsuje s rostouc´ım kmitoˇctem vstupn´ıho signálu. Pouˇzit´ı precizn´ıho pˇr´ıstrojového zesilovaˇce pro EKG dovoluje vyuˇzit´ı systému Driven-right-leg [36][9].


31

U modern´ıch kardiograf˚ u nen´ı pacient uzemnˇen. M´ısto toho je k jeho noze pˇripevnˇena elektroda, na kterou je pˇriveden v´ ystup pomocného zesilovaˇce. Souhlasné ruˇsen´ı na tˇele je sn´ımáno dvˇema pr˚ umˇeruj´ıc´ımi rezistory, následnˇe je invertováno, zes´ıleno a pˇrivedeno zpˇet na elektrodu na levé noze. Záporná zpˇetná vazba tak sniˇzuje souhlasné napˇet´ı na niˇzˇs´ı hodnotu. Zapojen´ı jednak u ´ˇcinnˇe uzemˇ nuje pacienta a má také bezpeˇcnostn´ı funkci. Pokud mezi zem´ı a pacientem vznikne abnormálnˇe velké napˇet´ı vzniklé napˇr´ıklad pr˚ urazem, pomocn´ y operaˇcn´ı zesilovaˇc se dostane do saturace. To v podstatˇe odpoj´ı pacienta od zemˇe, protoˇze operaˇcn´ı zesilovaˇc nen´ı dále schopen budit elektrodu na pravé noze. Mezi pacienta a zem se dostává paraleln´ı zapojen´ı rezistor˚ u Rf a R0 (viz.2.2), které mohou m´ıt dohromady hodnotu v ˇrádech M Ω, coˇz je dostateˇcné k omezen´ı proudu.

Obrázek 2.2: Driven-right-leg, pˇrevzato z [36]

KAPITOLA 2. REALIZACE 2.1.2

32

Sn´ım´ an´ı EKG

Signál z elektrod je pˇriveden na vstupn´ı svorky pˇr´ıstrojového zesilovaˇce pˇres analogov´ y pasivn´ı filtr prvn´ıho ˇrádu typu doln´ı propust s mezn´ım kmitoˇctem 1 kHz. Byl zvolen pˇr´ıstrojov´ y zesilovaˇc INA128/129 v´ yrobce Texas Instruments. Vyniká vysok´ ym potlaˇcen´ım souhlasného signálu CMRR=120 dB pˇri zes´ılen´ı G ≥ 100. K blokován´ı napájen´ı byly pouˇzity keramické kondenzátory 0,1 µF. Zes´ılen´ı zesilovaˇce lze nastavit

Obrázek 2.3: Pˇr´ıstrojov´ y zesilovaˇc INA128, pˇrevzato z [22] rezistorem RG v rozmez´ı 1–1000. Závislost zes´ılen´ı na rezistoru je hyperbolická. Pro zesilovaˇc INA128 je zes´ılen´ı dáno rovnic´ı 2.4, pro INA129 2.5. G=1+

49, 4kΩ RG R2 R4 1+2 = R3 RG

G=1+ + VIN

V0 − − VIN

50kΩ RG

(2.4) (2.5) (2.6)

Vzhledem k poˇzadavku na malé zes´ılen´ı kolem hodnoty 25 byla zvolena velikost rezistoru RG = 2 kΩ. V pˇr´ıpadˇe prvn´ıho pˇr´ıstrojového zesilovaˇce je nastaven´ı zes´ılen´ı realizováno sériovou kombinac´ı rezistor˚ u velikosti 1kΩ slouˇz´ıc´ıch systému Driven-right-leg. Zesilovaˇc má ˇsirok´ y rozsah napájec´ıch napˇet´ı od ±2,25 V do ±18 V. Maximáln´ı proudov´ y odbˇer zesilovaˇce ˇcin´ı ±750 µA. Nutnost symetrického napájen´ı je nev´ yhodná vzhledem k pouˇzit´ı baterie jako zdroje. Hodnota vstupn´ıch klidov´ ych proud˚ u dosahuje maximálnˇe 5 nA. Vstupn´ı napˇet’ov´ y offset je maximálnˇe 50 µV. Systém Driven-right-leg byl spolu s aktivn´ım st´ınˇen´ım realizován pomoc´ı operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u typu OPA2132 [21]. Je pouˇzit pouze u prvn´ıho svodu. Blokován´ı napájen´ı zajiˇst’uje keramick´ y kondenzátor 10 nF. St´ınˇen´ı kabelu je pˇripojeno za oddˇelovac´ım zesilovaˇcem.


33

Aktivn´ı st´ınˇen´ı je vhodné pˇri pouˇzit´ı delˇs´ıch pˇr´ıvodn´ıch kabel˚ u od elektrod. Ruˇsen´ı lze také omezit um´ıstˇen´ım pˇredzesilovaˇce bl´ızko zdroji signálu tak, aby nedocházelo k jeho pohlcován´ı vodiˇci. Druh´ y zesilovaˇc zesiluje a invertuje napˇet´ı pˇrivádˇené na elektrodu levé nohy. Operaˇcn´ı zesilovaˇc OPA2132 má stejn´ y rozsah napájec´ıho napˇet´ı jako INA128. Ma-

Obrázek 2.4: Realizace Driven-right-leg a aktivn´ıho st´ınˇen´ı, pˇrevzato z [22] ximáln´ı proudov´ y odbˇer je ±4,8 mA na jeden zesilovaˇc. V´ ystup z pˇr´ıstrojového zesilovaˇce je pˇres pasivn´ı doln´ı propust pˇriveden na vstup neinvertuj´ıc´ıho zesilovaˇce, jak bylo ˇreˇceno v´ yˇse 2.1. Pro tuto závˇereˇcnou ˇcást obvodu byly pouˇzity operaˇcn´ı zesilovaˇce z ˇrady TLV247x [25] v´ yrobce Texas Instruments. Zesilovaˇc je typu Rail-to-Rail, tzn. ˇze maximáln´ı povolen´ y rozkmit vstupn´ıho a v´ ystupn´ıho signálu se velmi bl´ıˇz´ı k mez´ım dan´ ym velikost´ı napájec´ıho napˇet´ı. D´ıky této vlastnosti je zesilovaˇc vhodn´ y jako pˇredstupeˇ n analogovˇe-ˇc´ıslicového pˇrevodn´ıku. Zesilovaˇc lze napájet nesymetricky i symetricky. Pˇri nesymetrickém napájen´ı je doporuˇcené maximáln´ı napájec´ı napˇet´ı 6 V. V druhém pˇr´ıpadˇe jsou mezn´ı hodnoty napájec´ıch napˇet´ı v rozmez´ı od ±1,35 V do ±3 V. Pˇri pouˇzit´ı stabilizátoru LP2985 je doporuˇcená hodnota pˇrekroˇcena o ±0,3 V. Integrovan´ y obvod TLV2474 je v obvodu pouˇzit dvakrát. Blokován´ı napájen´ı je ˇreˇseno keramick´ ym kondenzátory 0,1 µF v tˇesné bl´ızkosti napájec´ıch pin˚ u. Dále je paralelnˇe pˇripojen tantalov´ y kondenzátor 6,8 µF spoleˇcn´ y pro oba zesilovaˇce. Pˇred analogovˇe-ˇc´ıslicov´ ym pˇrevodem je tˇreba signál ze zesilovaˇce posunout do kladn´ ych hodnot, coˇz je moˇzné realizovat neinvertuj´ıc´ım souˇctov´ ym zesilovaˇcem, kter´ y k signálu pˇriˇcte napˇet´ı z napˇet’ové reference. V´ ychoz´ı vztahy jsou: up = (ip1 + ip2 + . . . + ipm ) × Rp1 ||Rp2 . . . ||Rpm ||Rp ip1 =

up1 ... Rp1

(2.8)

R1 un = u0 × RF + R1 Pro v´ ysledn´ y vztah plat´ı podm´ınka:

up ∼ = un RF u0 = up × 1 + R1

(2.7)

(2.9)

(2.10)

(2.11)


34

Obrázek 2.5: Neinvertuj´ıc´ı souˇctov´ y zesilovaˇc, pˇrevzato z [8] V obvodu byla pouˇzita napˇet’ová reference LM385-1,2 V [23] od Texas Instruments spolu s proudov´ ym zdrojem LM334, kter´ y umoˇzn ˇuje ˇcinnost reference v ˇsirokém napˇet’ovém rozsahu 2,3 V–30 V. Reference má toleranci v´ ystupn´ıho napˇet´ı 1% a jej´ı v´ ystupn´ı proud je maximálnˇe 20 mA. lm385bdrg4-1-2 R1 4 1 2 3

ANODE NC NC NC

CATHODE NC NC NC

ref

8 2.74k

5 6 7

1 R +VDD

V-

3

2 V+ LM334/TO92

Obrázek 2.6: Referenˇcn´ı napˇet´ı Pro ovˇeˇren´ı kmitoˇctové charakteristiky v´ ysledného zapojen´ı byl vyuˇzit simulaˇcn´ı software NI Multisim. V´ ysledky naprosto odpov´ıdaly pˇredpoklad˚ um, na zapojen´ı nebylo tˇreba nic mˇenit, viz. obr.C.1.


35

Nap´ ajen´ı

Volba napájen´ı je u ´zce spjata s volbou souˇcástek pro mˇeˇren´ı signálu a naopak v´ ybˇer souˇcástek je závisl´ y na zvoleném napájen´ı. U bezdrátového mˇeˇren´ı EKG pˇripadá v u ´vahu pouze bateriové napájen´ı. Pouˇzité baterie mus´ı m´ıt dostateˇcnou kapacitu pro co nejdelˇs´ı dobu provozu. Dále mus´ı umoˇznit rychlé a bezpeˇcné nab´ıjen´ı. V u ´vahu pˇripadá pouˇzit´ı bˇeˇzn´ ych Ni-MH a Ni-Cd ˇclánk˚ u, nebo Li-Ion a Li-Pol bateri´ı. Nab´ıjec´ı baterie Ni-MH velikosti AAA dosahuj´ı kapacit aˇz 1000 mAh. Jejich elektromotorické napˇet´ı 1,3 V je ale pro napájen´ı nedostateˇcné. Tento problém lze ˇreˇsit sériov´ ym zapojen´ım nˇekolika ˇclánk˚ u. Baterie jsou ale konstruovány pro vˇetˇs´ı proudové odbˇery, takˇze se lépe hod´ı do spotˇrebn´ı elektroniky. Vhodnˇejˇs´ı volbou jsou Li-Ion akumulátory. Hod´ı se pro pˇr´ıstroje s mal´ ym a stˇredn´ım odbˇerem. Jejich jmenovité napˇet´ı 3,7 V je dostateˇcné pro napájen´ı vˇetˇsiny souˇcástek vyvinut´ ych pro pˇrenosná zaˇr´ızen´ı a nen´ı tedy tˇreba kombinovat v´ıce ˇclánk˚ u. Vynikaj´ı pˇredevˇs´ım velkou hustotou energie, n´ızkou hmotnost´ı, dlouhou ˇzivotnost´ı, nemaj´ı pamˇet’ov´ y efekt a netrp´ı samovyb´ıjen´ım. Nav´ıc mohou m´ıt r˚ uzné tvary dle potˇreby. Existuj´ı ve formˇe jednotliv´ ych ˇclánk˚ u nebo akupack˚ u. Akupacky maj´ı nav´ıc ochranné obvody, které hl´ıdaj´ı minimáln´ı a maximáln´ı napˇet´ı ˇclánku a dále minimáln´ı a maximáln´ı nab´ıjec´ı proud. Zamezuj´ı tedy u ´plnému vybit´ı ˇclánku (elektromotorické napˇet´ı nesm´ı klesnout pod 3 V), zniˇcen´ı nebo explozi pˇri ˇspatném zp˚ usobu nab´ıjen´ı tak, ˇze ˇclánek jednoduˇse odpoj´ı. Dále mohou m´ıt integrovan´ y termistor, kter´ y dává nab´ıjec´ımu obvodu informaci o teplotˇe ˇclánku. Pˇri nab´ıjen´ı je nutné dodrˇzet co nejpˇresnˇeji koneˇcné nab´ıjec´ı napˇet´ı 4,2 V. Pokud dojde k pˇrekroˇcen´ı napˇet´ı, zkrát´ı se ˇzivotnost ˇclánku. Pˇri menˇs´ım napˇet´ı se ˇclánek nenabije zcela. Nab´ıjec´ı proud m˚ uˇze nab´ yvat hodnot od 0,1 C do 2 C, kde C je jmenovitá kapacita ˇclánku. Pˇresnou hodnotu nab´ıjec´ıho proudu urˇcuje v´ yrobce. Pr˚ ubˇeh nab´ıjen´ı lze rozdˇelit do tˇr´ı fáz´ı. V závislosti na napˇet´ı akumulátoru je nastaven nab´ıjec´ı proud. Nové a hluboce vybité baterie s napˇet´ım pod 3 V jsou nab´ıjeny proudem 50–150 mA. Po dosaˇzen´ı napˇet´ı 3–3,1 V je baterie nab´ıjena proudem 1C (napˇr. baterie s kapacitou 750 mAh je nab´ıjena proudem 750 mA). Tato fáze prob´ıhá do dosaˇzen´ı maximáln´ıho nab´ıjec´ıho napˇet´ı 4,2 V. V tento okamˇzik je baterie nabita pˇribliˇznˇe na 70– 90% své kapacity. Ve tˇret´ı fázi je baterie nab´ıjena konstantn´ım maximáln´ım nab´ıjec´ım napˇet´ım 4,2 V a nab´ıjec´ı proud klesá k nulové hodnotˇe. Nab´ıjec´ı napˇet´ı je tˇreba dodrˇzet s pˇresnost´ı do ±1%. Ve chv´ıli kdy nab´ıjec´ı proud poklesne pod urˇcitou mezn´ı hodnotu, je nab´ıjen´ı ukonˇceno.

Regulation Voltage

Pre-Conditioning Phase

Current Regulation Phase

Voltage Regulation and Charge Termination Phase

Regulation Current

Charge Voltage Minimum Charge Voltage

Charge Complete

Charge Current

Pre-Conditioning and Taper Detect

t (PRECHG)

t(CHG) t(TAPER) Figure 2. Typical Charging Profile

Obrázek 2.7: Pr˚ ubˇeh nab´ıjen´ı, pˇrevzato z [24]


36

Pro nab´ıjen´ı Li-Ion a Li-Pol akumulátor˚ u existuje ˇrada specializovan´ ych integrovan´ ych obvod˚ u. Jedn´ım z nich je jednoˇcipové ˇreˇsen´ı bq24010 od firmy Texas Instruments pro jednoˇclánkové akumulátory. Poskytuje nab´ıjec´ı napˇet´ı 4,2 V s pˇresnost´ı ±0,5%. D´ıky ˇcasovaˇci m˚ uˇze b´ yt nab´ıjen´ı ukonˇceno nezávisle na poklesu nab´ıjec´ıho proudu. Nab´ıjec´ı proud urˇcuje rezistor RSET pˇripojen´ y k pinu ISET. IO(OU T ) =

KSET ∗ VSET RSET

(2.12)

• kde: IO(OU T ) = nab´ıjec´ı proud KSET = 335 VSET = 2,5 V Pro maximáln´ı nab´ıjec´ı proud 750 mA je hodnota rezistoru RSET ∼ = 1k2. Obvod umoˇzn ˇuje trvalou kontrolu teploty akumulátoru. Napˇet´ı z napˇet’ového dˇeliˇce RT1, RT2 je pˇrivedeno na pin TS a je porovnáváno s intern´ımi prahov´ ymi hodnotami VT S1 =30% VCC a VT S2 =60% VCC. Pokud se teplota dostane mimo povolené rozpˇet´ı, je akumulátor okamˇzitˇe odpojen. Nab´ıjen´ı je automaticky spuˇstˇeno pokud se teplota vrát´ı zpˇet do normáln´ıho rozpˇet´ı. Teplota nen´ı monitorována, je-li na pin TS pˇrivedeno konstantn´ı napˇet´ı spadaj´ıc´ı do rozpˇet´ı VT S2 a VT S1 . Obvod je dále chránˇen proti zkratu, detekuje pˇripojen´ı a odpojen´ı akumulátoru a poskytuje v´ ystupy pro indikaci stavu nabit´ı a pˇripojen´ı správného napájec´ıho napˇet´ı. Po odpojen´ı napájec´ıho napˇet´ı pˇrecház´ı do stavu spánku, ve kterém odeb´ırá maximálnˇe 5 µA. Obvod je vybaven termáln´ı ploˇskou, která mus´ı b´ yt pˇripojena spolu s pinem VSS pˇr´ımo na zem. BATTERY PACK

bq24010DRC

DC +

0.47 mF

1 IN

OUT 10

2 VCC

BAT 9

PACK+ VCC

+ PACK

0.1 mF CHARGE

DONE

RT1 3 STAT1

TS 8

4 STAT2

PG 7

5 VSS

RT2

ISET 6 RSET

DCPOWERGOOD

Obrázek 2.8: Doporuˇcené zapojen´ı obvodu bq24010, pˇrevzato z [24] Stabiln´ı napájec´ı napˇet´ı 3,3 V zajiˇst’uje low–dropout regulátor LP2985 [26] od Texas Instruments dimenzovan´ y na odbˇer 150 mA. Pokles napˇet´ı pˇri plném zat´ıˇzen´ı ˇcin´ı 280 mV. Stabilizátor umoˇzn ˇuje vypnut´ı v´ ystupn´ı vˇetve obvodu. Spotˇreba obvodu pak ˇcin´ı pouh´ ych 0,01 µA. Tato funkce nebyla vyuˇzita. Pˇred stabilizátorem je Schottkyho dioda zajiˇst’uj´ıc´ı ochranu proti pˇrepólován´ı.


37

Symetrické napájen´ı zesilovaˇc˚ u zajiˇst’uje invertor napˇet´ı LT1054 [20] v´ yrobce Texas Instruments v pouzdˇre SOIC16. Invertor pracuje v rozsahu 3,5–15 V, pˇriˇcemˇz v´ ystupn´ı napˇet´ı je typicky -5 V. Pˇri maximáln´ım proudovém zat´ıˇzen´ı 100 mA ˇcin´ı pokles v´ ystupn´ıho napˇet´ı 1,1 V. Napˇet´ı menˇs´ı neˇz 0,45 V pˇrivedené na pin FB/SD vyp´ıná invertor. V tomto stavu invertor odeb´ırá maximálnˇe 200 µA. Napájec´ı vstup je blokován tantalov´ ym filtraˇcn´ım kondenzátorem C2. Tantalov´ y kondenzátor C1 je stˇr´ıdavˇe pˇrep´ınán mezi vstupem a v´ ystupem. Nejprve je nab´ıjen vstupn´ım napˇet´ım a následnˇe je paralelnˇe pˇripojen k v´ ystupn´ımu kondenzátoru C3. Toto pˇrep´ınán´ı je ˇr´ızeno frekvenc´ı vnitˇrn´ıho oscilátoru. +VDD

CAP+ CAPFB/SD

1 2 7 8 9

NC NC NC NC NC

OSC VOUT VREF

13 11 12

NC NC NC

10 15 16

-VDD C3 CT100M

GND

4 6 3

5

+ C1 CT10M

VCC

lt1054idwrg4

14

C2 CT2M2

+

+

Obrázek 2.9: Invertor napˇet´ı LT1054

2.1.4

N´ avrh ploˇ sn´ eho spoje

Návrh dvouvrstvého ploˇsného spoje vstupn´ı jednotky EKG prob´ıhal v programu OrCAD Layout. Pro realizaci byla zvolena tˇr´ıda pˇresnosti 4. Realizece DPS je v pˇr´ıloze C.2, v´ yrobn´ı data a kompletn´ı obvodové schéma jsou souˇcást´ı pˇriloˇzeného CD A.


2.2 2.2.1

38

Pˇ renosov´ aˇ c´ ast ZigBee moduly

Po prostudován´ı specifikac´ı ZigBee modul˚ u r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u bylo zvoleno kompletn´ı SiP ˇreˇsen´ı MC13213 firmy Freescale, které integruje transceiver, 8-bit MCU s 60 kB flash pamˇeti a 4 kB RAM. MCU je dostateˇcnˇe dimenzované, aby zvládlo kompletn´ı implementaci ZigBee stacku spolu s uˇzivatelskou aplikac´ı. Mikroˇradiˇc m˚ uˇze b´ yt taktován frekvenc´ı aˇz 40 MHz (20 MHz sbˇernice) pˇri napájen´ı nad 2,08 V a 16 MHz (8 MHz sbˇernice) pˇri napájen´ı nad 1,8 V. LGA pouzdro má 64 pin˚ u a jeho rozmˇery jsou pouze 9x9x1 mm. Základn´ı parametry obvodu jsou následuj´ıc´ı: • RF ˇcást: transceiver 2.4 GHz vyhovuj´ıc´ı IEEE 802.15.4 umoˇzn ˇuj´ıc´ı pˇrenos 250 kbps jmenovit´ y v´ ystupn´ı v´ ykon 1 mW programovateln´ y v rozsahu -27 dBm–+3 dBm citlivost pˇrij´ımaˇce < −92 dBm pˇri 1%PER 16 kanál˚ u o ˇs´ıˇrce 5 MHz integrovan´ y oscilátor 16 MHz integrovan´ y pˇrep´ınaˇc vys´ılán´ı a pˇr´ıjmu • MCU: n´ızkopˇr´ıkonové MCU 40 MHz s jádrem HCS08 60 kB flash a 4 kB RAM pamˇeti 16-ti bitové ˇcasovaˇce dvˇe nezávislá sériová rozhrann´ı SCI, I 2 C rozhrann´ı 8–10 bit A/D pˇrevodn´ık s postupnou aproximac´ı, 8 kanál˚ u In system programován´ı pomoc´ı Bacground Debug Module (BDM) Napájec´ı napˇet´ı modulu by mˇelo b´ yt v rozsahu 2–3,4 V. Pro minimalizaci spotˇreby se nab´ız´ı vyuˇzit´ı jednoho ze tˇr´ı u ´sporn´ ych reˇzim˚ u. Jedná se o Wait reˇzim a dva Stop reˇzimy. V reˇzimu Wait jsou povolena pˇreruˇsen´ı, hodiny procesorového jádra jsou zablokovány. Ve Stop2 reˇzimu jsou nav´ıc vypnuty periferie taktované centráln´ı sbˇernic´ı. Je uchován pouze obsah pamˇeti RAM. Dle datasheetu odeb´ırá jednotka ve spánku 1 µA, pˇri vys´ılán´ı 30 mA a pˇri pˇr´ıjmu 37 mA. Integrovan´ y obvod MC1321x nab´ız´ı dva nezávislé moduly ˇcasovaˇc˚ u. Jedná se o jednokanálov´ y a ˇctyˇrkanálov´ y 16-bit ˇcasovaˇc. A/D pˇrevodn´ık m˚ uˇze pracovat s voliteln´ ym rozliˇsen´ım 8 nebo 10 bit, v nepˇretrˇzitém nebo jednorázovém módu. Dobu pˇrevodu lze nastavit v rozmez´ı 14–60 µs. Analogov´ y multiplexer umoˇzn ˇuje pˇripojen´ı osmi analogov´ ych vstupn´ıch kanál˚ u. Kaˇzd´ y kanál A/D pˇrevodn´ıku m˚ uˇze b´ yt samostatnˇe nastaven jako univerzáln´ı vstupnˇe v´ ystupn´ı pin. Kromˇe pracovn´ıho módu lze pˇrevodn´ık uvést do dvou mód˚ u ˇsetˇr´ıc´ıch energii. Dále je k dispozici KBI modul, kter´ y umoˇzn ˇuje vyuˇz´ıt osm pin˚ u portu A jako zdroje pˇreruˇsen´ı generované pˇripojenou klávesnic´ı. ˇ ym Systémov´ Pro testován´ı modul˚ u byly vyuˇzity desky ZCOMM C.6 poskytnuté Cesk´ ym Centrem Freescale Polovodiˇce. Desky obsahuj´ı vˇsechny komponenty potˇrebné k funkci modulu. Jedná se napˇr. o lineárn´ı regulátor NCP502SQ33T1 s jmenovit´ ym v´ ystupn´ım


39

napˇet´ım 3,3 V. Kromˇe napájen´ı slouˇz´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı regulátoru jako referenˇcn´ı napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku. Deska m˚ uˇze b´ yt napájena ze stejnosmˇerného zdroje 3,3–12 V. Pro vyp´ınán´ı a zap´ınán´ı slouˇz´ı vyp´ınaˇc pobl´ıˇz napájec´ıho konektoru. Konverzi TTL u ´rovn´ı z mikrokontroléru na napˇet’ové u ´rovnˇe RS-232 realizuje zaˇr´ızen´ı Sipex SP3220. Port RS-232 je vyveden na standardn´ı DB9 konektor. Pro taktován´ı je vyuˇzit extern´ı krystal 16 MHz NX2520SA. Deska je nav´ıc vybavena ˇctyˇrmi tlaˇc´ıtky pˇripojen´ ymi k portu C (nelze vyuˇz´ıt Keyboard Interupt modul MCU) a ˇctyˇrmi LED diodami pˇripojen´ ymi k portu A (blokuj´ı 4 vstupy A/D pˇrevodn´ıku). Na desce je osazen konektor ladic´ıho rozhrann´ı BDM. Na aplikaˇcn´ım konektoru jsou vyvedeny ˇcasovaˇce, piny A/D pˇrevodn´ıku, SCI2 a I 2 C rozhrann´ı, piny GPIO a KBD. Pro snadnˇejˇs´ı ovládán´ı aplikace byla vytvoˇrena extern´ı klávesnice, která se pˇres aplikaˇcn´ı konektor pˇripojuje k pin˚ um KBI modulu. Rámová anténa (smyˇcka) je um´ıstˇena na vrchn´ı ˇcásti ploˇsného spoje. Schéma desky ZCOMM je souˇcást´ı pˇriloˇzeného CD A. Freescale poskytuje 3 r˚ uzná softwarová ˇreˇsen´ı bezdrátového pˇrenosu, která obsahuj´ı jak zdrojové kódy, tak pˇreloˇzené bloky potˇrebné pro komunikaci a tvorbu poˇzadované aplikace. Jednotlivé bal´ıˇcky jsou porovnány v tabulce B.2. SMAC je poskytován v podobˇe ANSI C zdrojového kódu. IEEE 802.15.4 MAC a BeeStack jsou k dispozici v podobˇe strojového kódu. BeeStack typicky zab´ırá 40–50 KB pamˇeti podle toho, které z jeho modul˚ u jsou vyuˇzity. Freescale BeeKit dovoluje uˇzivatel˚ um vytváˇret, upravovat a aktualizovat jednotlivé bezdrátové implementace, zahrnuj´ıc´ı SMAC, 802.15.4 MAC a BeeStack. BeeKit zastˇreˇsuje komplexn´ı sadu bezdrátov´ ych s´ıt’ov´ ych knihoven, aplikaˇcn´ıch ˇsablon a vzorov´ ych aplikac´ı. Slouˇz´ı pˇredevˇs´ım pro vygenerován´ı pracovn´ıch soubor˚ u, které lze importovat do CodeWarrioru. CodeWarrior nab´ız´ı pro dalˇs´ı v´ yvoj a ladˇen´ı aplikace ANSI C/C++ kompilátor, linker, debugger, assembler, simulátor a vlastn´ı v´ yvojové prostˇred´ı IDE. Nav´ıc je do programu integrován velmi praktick´ y generátor kódu UNIS Processor Expert. Jako v´ ychoz´ı pro bezdrátov´ y pˇrenos EKG signálu byla zvolena ˇsablona GenericApp, která vyuˇz´ıvá BeeStack Codebase 1.0.5., jenˇz je souˇcást´ı BeeKitu verze 1.6.1. Pro práci s vygenerovan´ ym projektem je tˇreba CodeWarrior 6.1 nebo novˇejˇs´ı. Na webov´ ych stránkách firmy Freescale by mˇely b´ yt k dispozici dvˇe bezplatné testovac´ı verze CodeWarrioru. Lze volit mezi verz´ı s omezen´ım velikost´ı kódu na 32 kB nebo tˇricetidenn´ı testovac´ı verz´ı, jej´ıˇz licenci lze prodlouˇzit aˇz na ˇsedesát dn´ı. Pˇripravená vzorová aplikace GenericApp je napsána pro demonstraˇcn´ı kity vybavené akcelerometry, napˇr. 1321xEVK. Na desce SRB je zabudován akcelerometr, kter´ y sn´ımá náklon této desky ve tˇrech osách a zmˇeˇrená data odes´ılá dvakrát za sekundu pomoc´ı ZigBee modulu na desku NCB. Na té jsou data zobrazena na LCD displeji. Na deskách jsou nav´ıc USB rozhrann´ı, senzor teploty, pamˇet’ EEPROM nebo klávesnice pˇripojená ke KBI modulu. Tato aplikace byla nejprve v BeeKitu pˇrizp˚ usobena pro hardwarové ˇreˇsen´ı desek ZCOMM. Jedná se napˇr. o zmˇeny v nastaven´ı vstupnˇe–v´ ystupn´ıch port˚ u, UART rozhrann´ı, nebo vyˇrazen´ı ovladaˇc˚ u LCD z projektu. Nav´ıc byly nastaveny pˇrenosové kanály, adresy zaˇr´ızen´ı a s´ıtˇe a nˇekteré dalˇs´ı parametry t´ ykaj´ıc´ı se zabezpeˇcen´ı a smˇerován´ı. Následuje vygenerován´ı ˇreˇsen´ı v podobˇe zdrojov´ ych soubor˚ u a vlastnost´ı IDE projektu. Bˇehem v´ yvoje aplikace vyˇslo najevo, ˇze vlastnosti IDE projektu vygenerované BeeKitem do XML souboru jsou nepouˇzitelné v kombinaci s OSBDM programátorem. Pokud je takto vytvoˇren´ y projekt zapisován do flash pamˇeti MCU, uloˇz´ı se regulérnˇe pouze obsah pamˇeti RAM, coˇz odpov´ıdá 4 kB. Tento problém se projevuje nemoˇznost´ı zmˇenit c´ılové zaˇr´ızen´ı nebo programátor a dále nefunkˇcnost´ı a nemoˇznost´ı debuggován´ı kódu. Nestan-


40

dardn´ım, ale funkˇcn´ım ˇreˇsen´ım tohoto problému je ruˇcn´ı zaloˇzen´ı projektu pro vybrané zaˇr´ızen´ı a programátor. Následnˇe mus´ı b´ yt vˇsechny vygenerované soubory odstranˇeny. Dále je tˇreba ruˇcnˇe importovat celou adresáˇrovou strukturu vˇcetnˇe jednotliv´ ych sobor˚ u vygenerovan´ ych BeeKitem. Posledn´ım krokem je zmˇena nastaven´ı kompilátoru a linkeru ve vlastnostech ruˇcnˇe zaloˇzeného projektu dle nastaven´ı vygenerovaného projektu. Inicializace radiové ˇcásti, MAC vrstvy, jednotliv´ ych komponent a ZigBee stacku je 1 spuˇstˇena funkc´ı main() v BeeAppInit.c . Následnˇe je funkc´ı BeeAppInit() inicializována uˇzivatelská aplikace. Pro vytvoˇren´ı s´ıtˇe vyuˇz´ıvá BeeStack plánovaˇc proces˚ u. Procesy jsou plánovány prioritnˇe bez pˇredb´ıhán´ı. Tzn. kaˇzd´ y proces má pˇriˇrazenu svou prioritu a bˇeˇz´ı, dokud nen´ı zpracován a nevrát´ı ˇr´ızen´ı. Nejvyˇsˇs´ı prioritu má MAC proces pro zajiˇstˇen´ı pˇrenosu dat. Proces˚ u m˚ uˇze b´ yt maximálnˇe 255, pˇriˇcemˇz BeeStack uˇz´ıvá nejv´ıce 11 proces˚ u. Kaˇzd´ y proces vyˇzaduje 6 byt˚ u v RAM. Pˇridˇelen´ı poˇctu proces˚ u prob´ıhá pˇri kompilován´ı. Pokud zaˇr´ızen´ı vyˇzaduje pˇripojen´ı do s´ıtˇe podle standardu 802.15.4, mus´ı se nejprve asociovat se zaˇr´ızen´ım, které jiˇz v s´ıti je. T´ımto zaˇr´ızen´ım je koordinátor, kter´ y m˚ uˇze poskytovat synchronizaˇcn´ı sluˇzby pro zaˇr´ızen´ı, které jsou s n´ım asociovány. V s´ıti s topologi´ı hvˇezda m˚ uˇze b´ yt pouze jeden PAN koordinátor, v s´ıti s topologi´ı peer-to-peer je v´ıce koordinátor˚ u a jeden PAN koordinátor. ZigBee stack potˇrebuje pro svou komunikaci s fyzickou a spojovou vrstvou definovanou standardem IEEE 802.15.4-2003 sluˇzby, které mu zpˇr´ıstupn´ı funkce poskytované tˇemito vrstvami. Jsou jimi MLME-SAP a MCPS-SAP. Dle specifikace ZigBee lze vyuˇz´ıt beacon˚ u v s´ıt´ıch se stromovou topologi´ı. Mesh s´ıt’ podle specifikace ZigBee vyluˇcuje nasazen´ı beacon fram˚ u. Routery v mesh s´ıt´ıch totiˇz nejsou schopny beacony vys´ılat. Implementace BeeStacku pouˇzit´ı beacon˚ u a GTS neumoˇzn ˇuje. Pro testován´ı pˇrenosu EKG je po stisku prvn´ıho tlaˇc´ıtka zaloˇzena s´ıt’ bez zabezpeˇcen´ı. Zaloˇzen´ı a pˇripojen´ı do s´ıtˇe zajiˇst’uje funkce ZDO Start(). Po pˇripojen´ı koncové stanice je tˇreba vytvoˇrit logické propojen´ı mezi endpointy. Toto propojen´ı je realizováno mezi clustery na základˇe jejich identifikátor˚ u. Ke spárován´ı docház´ı po stisku tˇret´ıho tlaˇc´ıtka na koncové stanici. Ihned po propojen´ı je spuˇstˇen ˇcasovaˇc, kter´ y zahajuje odbˇery vzork˚ u 8-bit A/D pˇrevodn´ıkem a jejich pˇrenos. Poˇcet ˇcasovaˇc˚ u mus´ı b´ yt urˇcen pˇredem nastaven´ım konstanty gTmrApplicationTimers c. Pˇred spuˇstˇen´ım se ˇcasovaˇce alokuj´ı funkc´ı TMR AllocateTimer(), která vrac´ı unikátn´ı ID ˇcasovaˇce. Trván´ı ˇcasovaˇce lze nastavit v rozmez´ı od 4 ms do pˇribliˇznˇe 4 minut. Doba 4 ms odpov´ıdá vzorkovac´ı frekvenci 250 Hz. Koncová stanice by mohla pˇrej´ıt do reˇzimu spánku pouze v pˇr´ıpadˇe zastaven´ı vˇsech ˇcasovaˇc˚ u. Na c´ılové stanici je k pˇrijat´ ym dat˚ um volitelnˇe pˇridán synchronizaˇcn´ı byte a data jsou následnˇe odeslána sériov´ ym rozhrann´ım do poˇc´ıtaˇce.

1

Detailn´ı popis jednotliv´ ych funkc´ı je v komentáˇr´ıch zdrojov´ ych kód˚ u na pˇriloˇzeném CD.


2.3

41

Mˇ eˇ ren´ı

2.3.1

Spotˇ reba

Spotˇreba vstupn´ı jednotky a desky ZCOMM byla mˇeˇrena multimetrem Metex M-3270D. V´ ysledky jsou shrnuty v tabulce 2.1. Spotˇreba modemu integrovaného v obvodu MC13213 Po spuštění [mA]

Připojení do sítě [mA]

Vysílání / příjem [mA]

Velikost kódu [B]

ZCOMM pouze MCU

15,8

-

-

1100

ZCOMM MCU+LED

19,8

-

-

1100

ZCOMM cooridnator

26,5 – 30,5

65

65

46500

ZCOMM endpoint

23,5 - 28

63,5

54-55

39850

ZCOMM a vstupní jednotka EKG

61-65

100

91-92

39850

Vstupní jednotka EKG

49

-

-

-

Tabulka 2.1: Spotˇreba vstupn´ı jednotky EKG a desky ZCOMM v r˚ uzn´ ych reˇzimech je dle [18] pˇri pˇr´ıjmu 37 mA a pˇri vys´ılán´ı 30 mA. Tento pomˇer potvrzuj´ı i namˇeˇrené hodnoty. Mˇeˇren´ı bylo provedeno pˇri nastaven´ı jmenovitého v´ ystupn´ıho v´ ykonu zesilovaˇce modemu na v´ ychoz´ı hodnotu 0 dBm. Spotˇreba desky ZCOMM v roli koordinátora s´ıtˇe, která data pˇrij´ımala, byla pˇribliˇznˇe o 10 mA vyˇsˇs´ı neˇz u desky v roli koncového zaˇr´ızen´ı.Pˇri nepˇretrˇzitém provozu a napájen´ı prismatick´ ym Li–Ion akumulátorem s jmenovitou kapacitou 1100 mAh by koncové zaˇr´ızen´ı mohlo pracovat pˇribliˇznˇe 11–12 hodin na jedno nabit´ı akumulátoru. Spotˇrebu koncové jednotky lze sn´ıˇzit pˇribliˇznˇe o 1 mA vypnut´ım zaˇr´ızen´ı SP3220 v pˇr´ıpadˇe, ˇze nen´ı vyuˇzito sériové rozhrann´ı. Mnohem v´ yraznˇeji lze celkovou spotˇrebu energie sn´ıˇzit zmˇenou mˇeˇren´ı EKG signálu. Staˇc´ı zaznamenávat pouze signál ze dvou svod˚ u a tˇret´ı dopoˇc´ıtávat na vyhodnocovac´ım zaˇr´ızen´ı podle rovnice 1.5. Tento pˇr´ıstup souˇcasnˇe sn´ıˇz´ı zat´ıˇzen´ı bezdrátové s´ıtˇe o 1/3 a uˇsetˇr´ı nezanedbatelné náklady na souˇcástky pouˇzité na vstupn´ı jednotce. Lead II, blue - measured, red - calculated 2.5

ECG [mV]

2 1.5 1 0.5 0 -0.5

0

1

2

3

4

5 Time [s]

6

7

8

Obrázek 2.10: Porovnán´ı zmˇeˇreného a vypoˇcteného svodu II

9

10


42

Zkreslen´ı

Pro testován´ı kvality pˇrenosu byl vyuˇzit pacientsk´ y simulátor BC Biomedical PS–21000 zap˚ ujˇcen´ y z firmy Medicton C.8. Pˇr´ıstroj generuje QRS komplex 30, 60, 120 a 240-krát za minutu. Pulsy prvn´ıho a tˇret´ıho svodu jsou generovány s amplitudou 1.75 mV a 1 mV. Pulsy druhého svodu jsou generovány s amplitudou 2.75 mV a odchylkou ±2%. Frekvence je generována s pˇresnost´ı 0.5%. Pˇr´ıpustné zkreslen´ı mˇeˇreného signálu se liˇs´ı dle zp˚ usobu zpracován´ı a anal´ yzy EKG [30]. Jedno z kritéri´ı ˇr´ıká, ˇze odchylka zpracovaného nezaruˇseného signálu EKG od jeho lineárn´ı reprezentace nemá v pˇr´ıpadˇe vizuáln´ı anal´ yzy, pˇrekroˇcit 25 µV, pokud je velikost signálu menˇs´ı neˇz 0,5 mV. Pro u ´roveˇ n signálu vˇetˇs´ı neˇz 0,5 mV potom 5%. Pro poˇc´ıtaˇcovou anal´ yzu a pˇrenos ˇci uchováván´ı dat jsou tyto poˇzadavky pˇr´ısnˇejˇs´ı. V tˇechto pˇr´ıpadech nesm´ı b´ yt rozd´ıl mezi zpracovan´ ym signálem a lineárn´ı reprezentac´ı vstupn´ıho signálu vˇetˇs´ı neˇz 10 µV. V pˇr´ıpadˇe ˇze je signál vˇetˇs´ı neˇz 0,5 mV, má rozd´ıl ˇcinit maximálnˇe 2%. Pˇred vyhodnocen´ım bylo tˇreba upravit namˇeˇren´ y signál v Matlabu. Od namˇeˇren´ ych dat byla odeˇctena hodnota odpov´ıdaj´ıc´ı pˇr´ıspˇevku napˇet’ové reference k mˇeˇrenému signálu. Následnˇe byl signál 832x zmenˇsen, coˇz odpov´ıdá navrˇzenému zes´ılen´ı vstupn´ıho zesilovaˇce. Pr˚ umˇerné zkreslen´ı QRS komplexu vztaˇzené k signálu generovan´ ym pˇr´ıstrojem PS–2100 ˇcinilo pˇribliˇznˇe 2.2%. Lead1

ECG [mV]

2 1 0 0

1

2

3

4

5 Time [s] Lead2

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5 Time [s] Lead3

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5 Time [s]

6

7

8

9

10

ECG [mV]

2 1 0

ECG [mV]

2 1 0

Obrázek 2.11: Pr˚ ubˇeh bezdrátovˇe pˇreneseného EKG – 30 tep˚ u za minutu


43

Lead1

ECG [mV]

2 1 0 0

1

2

3

4

5 Time [s] Lead2

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5 Time [s] Lead3

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5 Time [s]

6

7

8

9

10

ECG [mV]

2 1 0

ECG [mV]

2 1 0


Lead1

ECG [mV]

2 1 0 0

1

2

3

4

5 Time [s] Lead2

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5 Time [s] Lead3

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5 Time [s]

6

7

8

9

10

ECG [mV]

2 1 0

ECG [mV]

2 1 0



44

Ruˇ sen´ı sign´ alu EKG

Pˇri napájen´ı koncové jednotky ze s´ıt’ového adaptéru se v´ yraznˇeji projevilo ruˇsen´ı pronikaj´ıc´ı z rozvodné s´ıtˇe. Jedná se o u ´zkopásmové ruˇsen´ı vzniklé indukc´ı napˇet´ı ze silov´ ych ˇ elektrick´ ych rozvod˚ u [30]. Sirokopásmové ruˇsen´ı zp˚ usobené myopotenciály se vzhledem k pouˇzit´ı pacientského simulátoru nemohlo v signálu vyskytnout. Stejnˇe tak se v signálu nemohlo vyskytnout kol´ısán´ı izoelektrické linie, které zp˚ usobuje napˇr. d´ ychán´ı pacienta. Porovnán´ı signál˚ u pˇri napájen´ı ze s´ıtˇe a z baterie je na obr. 2.14. Na obr.2.15 jsou zobrazeny spektra signál˚ u mˇeˇren´ ych pˇri napájen´ı z baterie a s´ıt’ového adaptéru.


45

Battery powered 2.5

ECG [mV]

2 1.5 1 0.5 0 -0.5

0

1

2

3

4

5 Time [s]

6

7

8

9

10

6

7

8

9

10

Adapter powered 2.5

ECG [mV]

2 1.5 1 0.5 0 -0.5

0

1

2

3

4

5 Time [s]

Obrázek 2.14: Porovnán´ı zaruˇsen´ı signálu pˇri bateriovém a s´ıt’ovém napájen´ı koncové jednotky -5

7

Single-Sided Amplitude Spectrum of ECG - battery powered

x 10

6

|A|

5 4 3 2 1 0

0

20

-5

7

40

60 Frequency (Hz)

80

100

120

100

120

Single-Sided Amplitude Spectrum of ECG - adapter powered

x 10

6

|A|

5 4 3 2 1 0

0

20

40

60 Frequency (Hz)

80

Obrázek 2.15: Spektra EKG signál˚ u pˇri bateriovém a s´ıt’ovém napájen´ı koncové jednotky


46

Korelace

Pro porovnán´ı referenˇcn´ıho signálu se signálem pˇrenesen´ ym bezdrátovˇe byl pouˇzit algoritmus korelace. Referenˇcn´ı signál z pacientského simulátoru byl vzorkován 8-bit A/D pˇrevodn´ıkem, kter´ y je souˇcást´ı integrovaného obvodu MC13213 a pˇres sériové rozhrann´ı pˇrenesen pˇr´ımo do poˇc´ıtaˇce. Pˇri psan´ı této aplikace byla vyuˇzita utilita Processor Expert, která je itegrována do v´ yvojového prostˇred´ı CodeWarrior IDE. Pro odhad korelaˇcn´ı posloupnosti podle rovnice 2.13 byla pouˇzita funkce Matlabu xcorr. X 1 N −k−1 x1 [n] x2 [n + k] Rx1 x2 [k] = N n=0

(2.13)

Protoˇze je EKG signál periodick´ y, je tˇreba ve vztahu pro odhad korelaˇcn´ı posloupnosti v´ ykonov´ ych signál˚ u pouˇz´ıt multiplikativn´ı koeficient 1/N pˇred sumou souˇcinu vzork˚ u signál˚ u (parametr ’biased’ ve funkci xcorr). 3 Leads By Wire

ECG [mV]

2 1 0 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3 3.2 Time [s] 3 Leads Wireless

3.4

3.6

3.8

4

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3.4

3.6

3.8

4

-400

-300

-200

-100

200

300

400

500

ECG [mV]

2 1 0

-9

RX1X2[k]

15

x 10

3 3.2 Time [s] Correlation - biased

10 5 0 -5 -500

0 k

100

Obrázek 2.16: Korelace EKG mˇeˇreného pˇr´ımo a bezdrátovˇe


47

ECG [mV]

Bˇehem zátˇeˇzov´ ych zkouˇsek kapacity pˇrenosu a následném vyhodnocen´ı namˇeˇren´ ych dat bylo zjiˇstˇeno, ˇze s rostouc´ım zat´ıˇzen´ım s´ıtˇe roste mnoˇzstv´ı QRS komplex˚ u zaznamenan´ ych v ˇcase 2.17. Zv´ yˇsen´ı datového toku bylo simulováno v´ıcenásobn´ ym pˇrenosem namˇeˇren´ ych hodnot. D˚ uvodem tohoto jevu je strategie plánován´ı proces˚ u implemen3 Leads, By Wire (fvz~249 Hz)

2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

7

8

9

10

7

8

9

10

7

8

9

10

7

8

9

10

7

8

9

10

ECG [mV]

Time [s]

3 Leads, Wireless (fvz~220 Hz)

2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

ECG [mV]

Time [s]

6 Samples, Wireless (fvz~215 Hz)

2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

ECG [mV]

Time [s]


2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

ECG [mV]

Time [s]


2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

ECG [mV]

Time [s]


2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

Time [s]

Obrázek 2.17: Poˇcet QRS komplex˚ u v ˇcase v závislosti na mnoˇzstv´ı pˇrenáˇsen´ ych vzork˚ u tovaná v BeeStacku. Jedná se o plánován´ı bez pˇredb´ıhán´ı, tzv. non–preemptive task ˇ scheduling. Softwarov´ y ˇcasovaˇc tedy nebˇeˇz´ı v reálném ˇcase [19]. Casov´ e hodnoty které poskytuje jsou pouze pˇribliˇzné. S rostouc´ımi poˇzadavky na systém, kter´ y mus´ı zpracovat v´ıce dat, se perioda odbˇeru vzork˚ u z A/D pˇrevodn´ıku prodluˇzuje z poˇzadovan´ ych 4 ms aˇz k hodnotˇe bl´ızké 6 ms. Vzorkovac´ı frekvence tedy klesá z nastaven´ ych 250 Hz aˇz ke 170 Hz 2.18. V d˚ usledku poklesu vzorkovac´ı frekvence se mˇen´ı i pˇr´ır˚ ustek rychlosti pˇrenosu dat. Reálná rychlost pˇrenosu dat tedy neroste tak prudce, jako rychlost teoretická pˇri konstantn´ı vzorkovac´ı frekvenci fvz = 250 Hz 2.19.


48

Závislost vzorkovací frekvence na počtu přenášených vzorků 250

Fvz [Hz]

200

150

100

50

0 0

10

20

30

40

50

60

Počet přenášených vzorků

Obrázek 2.18: Závislost vzorkovac´ı frekvence na poˇctu pˇrenáˇsen´ ych vzork˚ u

Závislost rychlosti přenosu dat na počtu vzorků Rychlost reálná

Rychlost teoretická

120000

Rychlost přenosu [bps]

100000

80000

60000

40000

20000

0 0

10

20

30

40

50

Počet přenášených vzorků

Obrázek 2.19: Zmˇena pˇrenosové rychlosti vzhledem k poˇctu pˇrenáˇsen´ ych vzork˚ u

60

KAPITOLA 3. ZHODNOCENÍ

49

3 Zhodnocen´ı 3.1

Z´ avˇ er

Senzory ˇzivotn´ıch funkc´ı tvoˇr´ıc´ı bezdrátové s´ıtˇe jsou kl´ıˇcovou technologi´ı pro monitoring zdravotn´ıho stavu pacient˚ u. Jejich vysok´ y stupeˇ n integrace minimálnˇe omezuje pacienta. Data sn´ımaná senzory pro EKG nebo SpO2 lze nav´ıc obohatit o data poskytnutá akcelerometry nebo GPS jednotkou. Vyuˇzit´ı standardu ZigBee dovoluje vytvoˇrit velmi rozsáhlou s´ıt’ senzor˚ u, která m˚ uˇze b´ yt prostˇrednictv´ım brány pˇripojena k nemocniˇcn´ımu informaˇcn´ımu systému. Pˇredmˇetem této práce bylo zjistit, jaké technologie jsou dnes pouˇz´ıvány k mˇeˇren´ı biologick´ ych signál˚ u a jejich pˇrenosu. Byla otestována moˇznost bezdrátového pˇrenosu EKG signálu z jeho zdroje k vyhodnocovac´ımu zaˇr´ızen´ı. Bˇehem praktického testován´ı se volba standardu ZigBee a jeho implementace v podobˇe BeeStacku ukázala jako ne zcela vhodná pro pˇrenos EKG signálu v reálném ˇcase. Pˇrenos signálu z v´ıce koncov´ ych stanic je s omezen´ım realizovateln´ y. Propustnost s´ıtˇe se pohybuje kolem 70 kbps uˇziteˇcn´ ych dat. V pˇr´ıpadˇe 8-bit vzorkován´ı tˇr´ı konˇcetinov´ ych svod˚ u vzorkovac´ı frekvenc´ı 250 Hz by byly teoreticky pokryty nároky jedenácti koncov´ ych stanic. S rostouc´ım poˇctem stanic ale roste reˇzie s´ıtˇe, coˇz v´ yraznˇe zatˇeˇzuje v´ ypoˇcetn´ı prostˇredky jednotek. Data pak nemus´ı b´ yt k dispozici v poˇzadovaném ˇcase, coˇz v pˇr´ıpadˇe kontinuáln´ıho mˇeˇren´ı EKG m˚ uˇze m´ıt fatáln´ı následky. Nejvˇetˇs´ı v´ yhoda, kterou ZigBee standard pˇrináˇs´ı na rozd´ıl od Bluetooh, je ˇsiroká moˇznost uspáván´ı koncov´ ych zaˇr´ızen´ı. Vzhledem k poˇzadavku na kontinuáln´ı pˇrenos dat je tato pˇrednost zcela nevyuˇzita. Chyb´ı také standardizace dosud vyv´ıjeného PHHC profilu. Tento profil v budoucnu umoˇzn´ı bezproblémovou spolupráci medic´ınsk´ ych senzor˚ u r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u.

3.2

N´ avrhy pro budouc´ı pr´ ace

Volba souˇcástek byla omezena momentáln´ı nab´ıdkou bezplatn´ ych vzork˚ u spoleˇcnost´ı Texas Instruments. Návrh ploˇsného spoje prob´ıhal bez moˇznosti d˚ ukladného otestován´ı jednotliv´ ych souˇcástek. V dobˇe návrhu PCB také nebylo známo, jaké bezdrátové ˇreˇsen´ı bude nasazeno. Konstrukce je tedy maximálnˇe univerzáln´ı s moˇznost´ı dodateˇcn´ ych u ´prav. Pˇri dalˇs´ım v´ yvoji je vhodné pouˇz´ıt pˇredevˇs´ım SMD souˇcástky a integrované obvody s moˇznost´ı jejich vypnut´ı pro lepˇs´ı energetick´ y management. Kvalitn´ı návrh ploˇsného spoje spoleˇcného pro vstupn´ı jednotku EKG a integrovan´ y obvod MC13213 spolu s redukc´ı mnoˇzstv´ı pouˇzit´ ych souˇcástek (viz.2.3.1) umoˇzn´ı jeho zmenˇsen´ı na snadno pˇrenositelnou velikost. Vliv nepˇresného ˇcasovaˇce m˚ uˇze sn´ıˇzit kombinace rychlejˇs´ıho MCU a samostatného RF transceiveru nebo optimalizace kódu. Lze ale vyuˇz´ıt jin´ y protokol zaloˇzen´ y na standardu IEEE 802.15.4. Firma Freescale nab´ız´ı jednoduˇsˇs´ı proprietáln´ı protokol SMAC a také plnou implementaci Freescale 802.15.4 MAC, která má menˇs´ı reˇzii pˇri udrˇzován´ı s´ıtˇe a celkovˇe nen´ı tak nároˇcná jako BeeStack. Nav´ıc poskytuje funkce GTS management a beacon notification, které nejsou pˇri pouˇzit´ı BeeStacku pˇr´ıstupné.

KAPITOLA 4. LITERATURA

50

4 Literatura [1] ALFVIN, R.: IEEE 802.15.1. 09-Feb-2004, [Online]; [cit. 2007-2-14]. URL [2] ALFVIN, R.: IEEE 802.15.2. 12-May-2004, [Online]; [cit. 2007-2-14]. URL [3] ALFVIN, R.: IEEE 802.15.3b WPAN Task Group. 21-Jan-2005, [Online]; [cit. 20072-14]. URL [4] ALFVIN, R.: IEEE 802. 22-Jan-2007, [Online]; [cit. 2007-2-14]. URL [5] BAILEY, J. J.; BERSON, A. S.; GARSON, A.; aj.: Recommendations for standardization and specifications in automated electrocardiography: bandwidth and digital signal processing. A report for health professionals by an ad hoc writing group of the Committee on Electrocardiography and Cardiac Electrophysiology of the Council on Clinical Cardiology, American Heart Association. roˇcn´ık 81, 1990: s. 730–739, ISSN 1524-4539. ´ C, ˇ Z.: AUTOMATIZACE — Cl´ ˇ anky — Bezdrátov´ [6] BRADA y komunikaˇcn´ı standard ZigBee. Apr-2005, [Online]; [cit. 2007-1-27]. URL [7] BRONZINO, J.: The Biomedical Engineering Handbook, Second Edition. CRC Press, ˇ Boca Raton, prvn´ı vydán´ı, Cerven 2000, ISBN 0-8493-0461-X, 3024 s. ˇ [8] DOLECEK, J.: Modern´ı uˇcebnice elektroniky - Operaˇcn´ı zesilovaˇce a kompar´ atory. Praha: BEN - technická literatura, páté vydán´ı, 2007, ISBN 978-80-7300-187-2, 232 s. [9] GUDAITIS, A. M.: US Patent 5392784: Virtual right leg drive and augmented right leg drive circuits for common mode voltage reduction in ECG and EEG measurements. 1993, [Online] c2004-2007 [cit 2007-8-11]. URL ˇ AK, ´ R.: Anatomie 3. GRADA, 2004, ISBN 80-247-1132-X, 692 s. [10] CIH [11] JONES, S. A.: ECG Notes: Interpretation and Management Guide. F. A. Davis Company, 2005, ISBN 978-0803613478, 200 s. [12] KLIGFIELD, P.; GETTES, L. S.; BAILEY, J. J.; aj.: Recommendations for the Standardization and Interpretation of the Electrocardiogram: The Electrocardiogram and Its Technology. Journal of the American College of Cardiology, roˇcn´ık 49, March 13 2007: s. 1109–1127, ISSN 0735-1097. [13] MALMIVUO, J.; PLONSEY, R.: Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields. New York: Oxford University Press, 1995, ISBN 978-0195058239, 506 s.


51

[14] Bluetooth SIG: BLUETOOTH SPECIFICATION Version 2.1 + EDR. 1420 s., [online]. c2007 [cit. 2007-12-28]. [15] Bluetooth SIG: Compare with Other Technologies. [online]. c2007 [cit. 2007-12-28]. URL [16] Cisco Systems: Cisco Networking Academy Program — CCNA 1 Networking Basics. [Online] c2003 [cit. 2007-2-21]. URL R 802.15.4 / ZigBeeTM Software Selector Guide. [17] Freescale Semiconductor: IEEE 2007, [Online] c2007 [cit. 2008-04-02]. URL

[18] Freescale Semiconductor: MC13211/212/213 ZigBeeTM - Compliant Platform - 2.4 R 802.15.4 Standard plus Microcontroller. GHz Low Power Transceiver for the IEEE 2007, [Online] c2007 [cit. 2008-04-02]. [19] Freescale Semiconductor: Freescale Platform Reference Manual. 2008, [Online] c2008 [cit. 2008-05-21]. [20] Texas Instruments: LT1054 (SLVS033F). 2004, [Online] c2004 [2007-12-28]. URL [21] Texas Instruments: OPA2132 (SBOS054A). 2004, [Online] c2007 [2007-12-28]. URL [22] Texas Instruments: INA128 (SBOS051B). 2005, [Online] c2005 [2007-12-28]. URL [23] Texas Instruments: LM385-1.2 (SLVS075I). 2005, [Online] c2005 [2007-12-28]. URL [24] Texas Instruments: bq24010 (SLUS530I). 2007, [Online] c2007 [2007-12-28]. URL [25] Texas Instruments: TLV2474 (SLOS232E). 2007, [Online] c2007 [2007-12-28]. URL [26] Texas Instruments: LP2985 (SLVS522K). 2008, [Online] c2008 [cit. 2008-04-02]. URL [27] ZigBee Alliance: ZigBee Specification. San Ramon, USA, 378 s., [Online] c2007 [cit. 2007-11-30]. [28] NAEVE, M.: IEEE 802.15.4 WPAN-LR Task Group. 11-Sep-2006, [Online]; [cit. 2007-2-14]. URL


52

ˇ ´ R.: Bezpeˇcnost bezdr´ [29] PUZMANOV A, atové komunikace - Jak zabezpeˇcit WiFi, Bluetooth, GPRS ˇci 3G. CP Books, a.s., Brno, Listopad 2005, ISBN 80-251-0791-4, 184 s. [30] ROZMAN, J.; BURIAN, J.; GROSS, M.; aj.: Elektronické pˇr´ıstroje v lékaˇrstv´ı. ACADEMIA, Praha, 2006, ISBN 80-200-1308-3, 408 s. [31] SEELEY, R.; STEPHENS, T.; TATE, P.: Anatomy and Physiology. McGraw-Hill, 6 vydán´ı, 2003, ISBN 978-0072932201, 1200 s. ˇ J.: Biologické sign´ [32] SVATOS, aly I - Geneze, zpracov´ an´ı a analýza. Vydavatelstv´ı ˇ CVUT, Praha, 1998, ISBN 80-01-01822-9. [33] VOKURKA, M.: Patofyziologie pro nelékaˇrské smˇery. Karolinum, Praha, 2005, ISBN 978-80-246-0896-9. [34] VOLKA, K.: Analytická chemie II. Vysoká ˇskola chemicko-technologická, Praha, 1995, ISBN 80-7080-227-8. ˇ [35] VÍTOVEC, J.: Telemetrie a pˇrenos dat. Ediˇcn´ı stˇredisko CVUT, Praha, 1985. [36] WEBSTER, J. G.: Medical instrumentation: Application and design. John Wiley & Sons, 1998, ISBN 0-471-15368-0. [37] WEBSTER, J. G.: Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, roˇcn´ık 6. John Wiley & Sons, druhé vydán´ı, Duben 2006, ISBN 978-0471263586, 3666 s.

ˇ ˇ EHO ´ DODATEK A. OBSAH PRILO ZEN CD

53

A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD V koˇrenovém adresáˇri CD jsou uloˇzeny následuj´ıc´ı soubory a podadresáˇre: bin/ BeeKit/ OpenSourceBDM/

Obsahuje software a jednoduch´ y program pro komunikaci s jednotkou ZCOMM. BeeKit verze 1.6.1, jehoˇz souˇcást´ı je pouˇzit´ y BeeStack codebase verze 1.0.5. firmware, ovladaˇce a dokumentace programátoru OSBDM.

doc/ schema/ srcThesis/ thesis/dp.pdf

Obsahuje dokumentaci diplomové práce. schéma desky ZCOMM a vstupn´ı jednotky. TEXov´ y kód diplomové práce, soubor diplomové práce,

results/

Obsahuje v´ ysledky mˇeˇren´ı, které byly pouˇzity jako podklady pro kapitolu 2.3. v´ ysledky mˇeˇren´ı zpracované pro pouˇzit´ı v Matlabu. v´ ysledky mˇeˇren´ı zpracované v tabulkovém kalkulátoru.

Matlab Tabs/ src/ BeeKit/ Capture CodeWarrior/ Layout Matlab readme.txt

Obsahuje kompletn´ı zdrojov´ y kód projektu. projekt ECGApp pro BeeKit. soubory návrhu schématu vstupn´ı jednotky. adresáˇre se zdrojov´ ymi kódy pro pˇr´ımé a bezdrátové mˇeˇren´ı EKG. soubory návrhu desky ploˇsného spoje a podklady pro v´ yrobu. zdrojové soubory pro zpracován´ı namˇeˇren´ ych dat v Matlabu. Obsahuje struˇcn´ y seznam soubor˚ u a podadresáˇr˚ u uloˇzen´ ych na CD a uˇzivatelskou pˇr´ıruˇcku.

DODATEK B. TABULKY

54

B Tabulky Classification Bioelectric Action potential Electroneurogram (ENG) Electroretinogram (ERG) Electro-oculogram (EOG) Electroencephalogram (EEG) Surface

Acquisition

Frequency Range

Comments Invasive measurement of cell membrane potential Potential of a nerve bundle Evoked flash potential Steady-corneal-retinal potential

Microelectrodes

100 Hz–2 kHz

10 μV–100 mV

Needle electrode Microelectrode Surface electrodes

100 Hz–1 kHz 0.2–200 Hz dc–100 Hz

5 μV–10 mV 0.5 μV–1 mV 10 μV–5 mV

Surface electrodes

0.5–100 Hz

2–100 μV

Multichannel (6–32) scalp potential Young children, deep sleep and pathologies Temporal and central areas during alert states Awake, relaxed, closed eyes

50–100 μV 100–200 μV

Bursts of about 0.2 to 0.6 s Bursts during moderate and deep sleep Response of brain potential to stimulus Occipital lobe recordings, 200-ms duration Sensory cortex Vertex recordings Recordings from exposed surface of brain

Delta range

0.5–4 Hz

Theta range

4–8 Hz

Alpha range Beta range Sleep spindles K-complexes Evoked potentials (EP)

Dynamic Range

8–13 Hz 13–22 Hz 6–15 Hz 12–14 Hz

0.1–20 μV

Surface electrodes

Visual (VEP)

1–300 Hz

1–20 μV

Somatosensory (SEP) Auditory (AEP) Electrocorticogram

Needle electrodes

2 Hz–3 kHz 100 Hz–3 kHz 100 Hz–5 kHz

Electromyography (EMG) Single-fiber (SFEMG)

Needle electrode

500 Hz–10 kHz

1–10 μV

Needle electrode

5 Hz–10 kHz

100 μV–2 mV

2–500 Hz 0.01–1 Hz 0.05–100 Hz 100 Hz–1 kHz

50 μV–5 mV

Motor unit action potential (MUAP) Surface EMG (SEMG) Skeletal muscle Smooth muscle Electrocardiogram (ECG) High-Frequency ECG

0.5–10 μV

Action potentials from single muscle fiber

Surface electrodes

Surface electrodes Surface electrodes

1–10 mV 100 μV–2 mV

Notchs and slus waveforms superimposed on the ECG.

Tabulka B.1: Typické hodnoty vybran´ ych biosignál˚ u, pˇrevzato z [7]

DODATEK B. TABULKY

Feature

SMAC

55

802.15.4 MAC

ZigBee Stack

Provided level of service

802.15.4 PHY (uses transceiver 802.15.4 MAC + PHY (uses transceiver Network level (uses transceiver packet data mode) streaming data mode) streaming data mode; based on 802.15.4 MAC + PHY)

Primary types of topologies

* Proprietary Point-Point links * Proprietary star and repeaters * Lack of true MAC limits number of devices and amount of traffic

*802.15.4 Star or Cluster Tree *Proprietary smaller Network Service * MAC does not provide network service but allows use of greater density of nodes or more reliable network traffic * Beaconing (not supported in ZigBee) * GTS (not supported in ZigBee)

* ZigBee compatibility * Up to and including mesh networking

Memory Size (RAM/Flash)

* 2-4 kbytes SMAC ROM plus application * Typically < 0.15 kbytes RAM

* 24-27 kbytes MAC ROM plus application * Typically 2 kbyte RAM plus application

* 45-50 kbytes stack ROM plus application * Typically 2.7-3.4 kbyte RAM plus application

Cost

Source provided (no cost), easily modified. The development of higher layer functions and applications may be more costly.

Object provided (no cost), cannot modify. The development of higher layer functions and applications may be more costly.

Higher development tool cost and cost to use software. Use of ZigBee IP for profit requires membership in the ZigBee Alliance.

Security

Custom

AES-128 and CCM*

AES-128 and CCM*

Channel power scan (CCA, ED, and LQI)

Hardware provided

Hardware provided

Hardware provided

Effective data throughput

~50-120 kbps

~90-120 kbps

~30-70 kbps

Tabulka B.2: Porovnán´ı vlastnost´ı softwaru, pˇrevzato z [17]

´ DODATEK C. OBRAZKY

C Obr´ azky

Obrázek C.1: Kmitoˇctová charakteristika analogové ˇcásti elektrokardiografu

Obrázek C.2: Ploˇsn´ y spoj, vrchn´ı vrstva mˇedi (TOP)

56


Obrázek C.3: Ploˇsn´ y spoj, spodn´ı vrstva mˇedi (BOT)

Obrázek C.4: Ploˇsn´ y spoj, vrchn´ı nepájivá maska (SMTOP)

Obrázek C.5: Ploˇsn´ y spoj, spodn´ı nepájivá maska (SMBOT)

57


58

Obrázek C.6: Deska ZCOMM

Obrázek C.7: Programátor Open Source BDM


Obrázek C.8: Pacientsk´ y simulátor BC Biomedical PS-2010

Obrázek C.9: Pr˚ ubˇeh mˇeˇren´ı a pˇrenosu EKG

59

ˇ YCH ´ DODATEK D. SEZNAM POUZIT ZKRATEK

D Seznam pouˇ zit´ ych zkratek ACL Access control list APL Application layer APS Application support sub-layer BER Bit error rate CMRR Common mode Rejection Ration CSMA-CA Carrier-sense, multiple-access, collision avoidance DPS Deska ploˇsného spoje DSSS Direct sequence spread spectrum EEG Elektroencefalogram EKG Elektrokardiogram EMG Elektromyogram FFD Full-function device FHSS Frequency hopping spread spectrum GTS Guaranteed Time Slots IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ISM Industrial, scientific, and medical LLC Logical link control LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network MAC Medium Access Control MCU Micro Controller Unit O-QPSK Offset quadrature phase-shift keying OSI Open system interconnection OZ Operaˇcn´ı zesilovaˇc PAN Personal Area Network PDU Protocol data unit PHHC Personal, Home and Hospital Care PHY Physical Layer

60

ˇ YCH ´ DODATEK D. SEZNAM POUZIT ZKRATEK POS Personal operating space QoS Quality of Service RFD Reduced-function device SAP Service access point SDU Service data unit SiP System in Package USB Universal Serial Bus UWB Ultra-Wideband WAN Wide Area Network WiFi Wireless Fidelity ZDO ZigBee device object EDR Enhanced data rate

61

SEZNAM TABULEK

62

Seznam tabulek 1.1 1.2 1.3 1.4

Napˇet´ı galvanick´ ych p˚ ulˇclánk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . Frekvenˇcn´ı pásma a pˇrenosové rychlosti, pˇrevzato z [27] . Rozdˇelen´ı do v´ ykonov´ ych tˇr´ıd, pˇrevzato z [14] . . . . . . Porovnán´ı spotˇreby ZigBee a Bluetooth RF Transceiver˚ u

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

12 22 25 28

2.1

Spotˇreba vstupn´ı jednotky EKG a desky ZCOMM v r˚ uzn´ ych reˇzimech . .

41

B.1 Typické hodnoty vybran´ ych biosignál˚ u, pˇrevzato z [7] . . . . . . . . . . . B.2 Porovnán´ı vlastnost´ı softwaru, pˇrevzato z [17] . . . . . . . . . . . . . . .

54 55

´ U ˚ SEZNAM OBRAZK

63

Seznam obr´ azk˚ u 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13

Pˇrevodn´ı systém srdeˇcn´ı, pˇrevzato z [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh akˇcn´ıho potenciálu buˇ nky pracovn´ıho myokardu, pˇrevzato z [37] Einthovenovi konˇcetinové svody, pˇrevzato z [11] . . . . . . . . . . . . . Augmentované konˇcetinové svody, pˇrevzato z [11] . . . . . . . . . . . . Hrudn´ı svody, pˇrevzato z [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frank˚ uv ortogonáln´ı svodov´ y systém, pˇrevzato z [13] . . . . . . . . . . Vznik EKG kˇrivky, pˇrevzato z [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Model rozhrann´ı elektroda-elektrolyt, pˇrevzato z [7] . . . . . . . . . . . Jednorázová elektroda, pˇrevzato z [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . . Um´ıstˇen´ı elektrod pro záznam EKG ze tˇr´ı svod˚ u, pˇrevzato z [11] . . . . ’ S´ıt ové topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vrstvov´ y model ZigBee, pˇrevzato z [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jádro BT, pˇrevzato z [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19

Pˇredzesilovaˇc, pˇrevzato z [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Driven-right-leg, pˇrevzato z [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇr´ıstrojov´ y zesilovaˇc INA128, pˇrevzato z [22] . . . . . . . . . . . . . . . . Realizace Driven-right-leg a aktivn´ıho st´ınˇen´ı, pˇrevzato z [22] . . . . . . . Neinvertuj´ıc´ı souˇctov´ y zesilovaˇc, pˇrevzato z [8] . . . . . . . . . . . . . . . Referenˇcn´ı napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh nab´ıjen´ı, pˇrevzato z [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Doporuˇcené zapojen´ı obvodu bq24010, pˇrevzato z [24] . . . . . . . . . . . Invertor napˇet´ı LT1054 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porovnán´ı zmˇeˇreného a vypoˇcteného svodu II . . . . . . . . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh bezdrátovˇe pˇreneseného EKG – 30 tep˚ u za minutu . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh bezdrátovˇe pˇreneseného EKG – 60 tep˚ u za minutu . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh bezdrátovˇe pˇreneseného EKG – 120 tep˚ u za minutu . . . . . . . . Porovnán´ı zaruˇsen´ı signálu pˇri bateriovém a s´ıt’ovém napájen´ı koncové jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spektra EKG signál˚ u pˇri bateriovém a s´ıt’ovém napájen´ı koncové jednotky Korelace EKG mˇeˇreného pˇr´ımo a bezdrátovˇe . . . . . . . . . . . . . . . . Poˇcet QRS komplex˚ u v ˇcase v závislosti na mnoˇzstv´ı pˇrenáˇsen´ ych vzork˚ u Závislost vzorkovac´ı frekvence na poˇctu pˇrenáˇsen´ ych vzork˚ u . . . . . . . Zmˇena pˇrenosové rychlosti vzhledem k poˇctu pˇrenáˇsen´ ych vzork˚ u . . . .

45 45 46 47 48 48

C.1 C.2 C.3 C.4 C.5 C.6 C.7 C.8 C.9

Kmitoˇctová charakteristika analogové ˇcásti elektrokardiografu Ploˇsn´ y spoj, vrchn´ı vrstva mˇedi (TOP) . . . . . . . . . . . . . Ploˇsn´ y spoj, spodn´ı vrstva mˇedi (BOT) . . . . . . . . . . . . . Ploˇsn´ y spoj, vrchn´ı nepájivá maska (SMTOP) . . . . . . . . . Ploˇsn´ y spoj, spodn´ı nepájivá maska (SMBOT) . . . . . . . . . Deska ZCOMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programátor Open Source BDM . . . . . . . . . . . . . . . . . Pacientsk´ y simulátor BC Biomedical PS-2010 . . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh mˇeˇren´ı a pˇrenosu EKG . . . . . . . . . . . . . . . . .

56 56 57 57 57 58 58 59 59

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

3 5 6 7 7 8 9 12 13 14 15 21 26 30 31 32 33 34 34 35 36 37 41 42 43 43

Fakulta elektrotechnická

Recommend Documents