Аппаратно-программная реализация локальной Wi-Fi-сети для передачи биомедицинских сигналов

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.309387

Ключові слова:

біомедичний сигнал, Холтерівське моніторування, комп'ютерне моделювання, система MatLab, Wi-Fi передача, алгоритм, модуль ESP32

Анотація

Об'єктом дослідження є бездротова локальна Wi-Fi мережа для трансляції біомедичних сигналів, її структура та принципи побудови. Вирішується проблема мінімізації енергоспоживання Wi-Fi передавачем, що забезпечує можливість створення бездротової системи тривалого моніторингу біомедичних сигналів. У результаті розроблено функціональну схему бездротової системи Холтерівського моніторингу на базі мікроконтролера ESP32, яка включає в свою структуру підсистему налаштування та діагностики блоків системи з використанням програмних пакетів MatLab, генератора ЕКГ-сигналів та багатофункціональної PCIe плати від компанії National Instruments. Запропоновано критерії оцінки та способи мінімізації енергоспоживання автономним Wi-Fi передавачем. Визначено методи синхронізації робочих циклів передавача та приймача системи Холтерівського моніторингу. Представлено методику визначення оптимальної частоти вимірювання біосигналу, за якої спотворення ЕКГ-сигналів буде мінімальним, що забезпечує передачу сигналу без втрат. Розроблено концепцію побудови алгоритму реалізації програми для Wi-Fi передавача, яка забезпечує паралельність виконання операцій вимірювання ЕКГ-сигналів та їх передачі по локальній мережі. Представлено дані напівнатурних випробувань з експериментальною системою Холтерівського моніторингу з підсистемою попереднього налаштування та з використанням зовнішніх вимірювальних приладів, комп'ютера і програмного середовища MatLab. Порівняльний аналіз даних експериментів з первинними ЕКГ-сигналами та ЕКГ-сигналами на виході приймача показав досить стійку відповідність вхідних і вихідних ЕКГ-сигналів. Запропоновані алгоритми дозволяють знизити середній струм споживання мікроконтролера ESP32 до 50,5 мА. Результати проведеного дослідження показують можливість побудови енергоефективної бездротової системи тривалого моніторингу біомедичних сигналів на основі Wi-Fi інтерфейсу

Біографії авторів

Yuliya Gerasimova, M. Kozybayev North Kazakhstan University

Candidate of Engineering Sciences

Department of Energetic and Radioelectronics

Victor Ivel, M. Kozybayev North Kazakhstan University

Doctor of Sciences in Engineering

Department of Energetic and Radioelectronics

Sayat Moldakhmetov, M. Kozybayev North Kazakhstan University

PhD

Department of Power Engineering and Radio Electronics

Pavel Petrov, M. Kozybayev North Kazakhstan University

PhD

Department of Power Engineering and Radio Electronics

Посилання

  1. Patel, S., Park, H., Bonato, P., Chan, L., Rodgers, M. (2012). A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 9 (1). https://doi.org/10.1186/1743-0003-9-21
  2. Bekbay, A., Alimbayeva, Z., Alimbayev, C., Bayanbay, N., Ozhikenov, K., Mukazhanov, Y. (2022). Development of an atrioventricular block prediction of method for portable heart monitoring system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (5 (117)), 15–27. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.258791
  3. Subramaniam, S., Akay, M., Anastasio, M. A., Bailey, V., Boas, D., Bonato, P. et al. (2024). Grand Challenges at the Interface of Engineering and Medicine. IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology, 5, 1–13. https://doi.org/10.1109/ojemb.2024.3351717
  4. Garudadri, H., Chi, Y., Baker, S., Majumdar, S., Baheti, P. K., Ballard, D. (2011). Diagnostic grade wireless ECG monitoring. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. https://doi.org/10.1109/iembs.2011.6090194
  5. Pinho, F., Correia, J. H., Sousa, N. J., Cerqueira, J. J., Dias, N. S. (2014). Wireless and wearable eeg acquisition platform for ambulatory monitoring. 2014 IEEE 3nd International Conference on Serious Games and Applications for Health (SeGAH). https://doi.org/10.1109/segah.2014.7067078
  6. Barrett, P. M., Komatireddy, R., Haaser, S., Topol, S., Sheard, J., Encinas, J. et al. (2014). Comparison of 24-hour Holter Monitoring with 14-day Novel Adhesive Patch Electrocardiographic Monitoring. The American Journal of Medicine, 127 (1), 95.e11-95.e17. https://doi.org/10.1016/j.amjmed.2013.10.003
  7. Ivel, V. P., Gerasimova, Y. V., Moldakhmetov, S. S., Petrov, P. A., Gerasimov, I. A., Zainchkovskaya, K. V. (2019). Wireless three-channel Holter monitoring system. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 537 (3), 032090. https://doi.org/10.1088/1757-899x/537/3/032090
  8. Oresko, J. J., Duschl, H., Cheng, A. C. (2010). A Wearable Smartphone-Based Platform for Real-Time Cardiovascular Disease Detection Via Electrocardiogram Processing. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 14 (3), 734–740. https://doi.org/10.1109/titb.2010.2047865
  9. Frederix, I., Caiani, E. G., Dendale, P., Anker, S., Bax, J., Böhm, A. et al. (2019). ESC e-Cardiology Working Group Position Paper: Overcoming challenges in digital health implementation in cardiovascular medicine. European Journal of Preventive Cardiology, 26 (11), 1166–1177. https://doi.org/10.1177/2047487319832394
  10. Mukhopadhyay, S. C. (2015). Wearable Sensors for Human Activity Monitoring: A Review. IEEE Sensors Journal, 15 (3), 1321–1330. https://doi.org/10.1109/jsen.2014.2370945
  11. Saad, C., Mostafa, B., Ahmadi, E., Abderrahmane, H. (2014). Comparative Performance Analysis of Wireless Communication Protocols for Intelligent Sensors and Their Applications. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 5 (4). https://doi.org/10.14569/ijacsa.2014.050413
  12. Franceschinis, M., Pastrone, C., Spirito, M. A., Borean, C. (2013). On the performance of ZigBee Pro and ZigBee IP in IEEE 802.15.4 networks. 2013 IEEE 9th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob). https://doi.org/10.1109/wimob.2013.6673344
  13. Al Hadidi, M., Al-Azzeh, J. S., Tkalich, O., Odarchenko, R., Gnatyuk, S., Khokhlachova, Y. (2017). ZigBee, Bluetooth and Wi-Fi Complex Wireless Networks Performance Increasing. International Journal on Communications Antenna and Propagation (IRECAP), 7 (1), 48. https://doi.org/10.15866/irecap.v7i1.10911
  14. Weyer, S., Menden, T., Leicht, L., Leonhardt, S., Wartzek, T. (2015). Development of a wearable multi-frequency impedance cardiography device. Journal of Medical Engineering & Technology, 39 (2), 131–137. https://doi.org/10.3109/03091902.2014.990161
  15. Iqbal, S. M. A., Mahgoub, I., Du, E., Leavitt, M. A., Asghar, W. (2022). Development of a wearable belt with integrated sensors for measuring multiple physiological parameters related to heart failure. Scientific Reports, 12 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23680-1
  16. Barylo, H. I., Kuchmii, H. L., Kremer, I. P. (2013). ZigBee wireless communication system for telemedicine. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (12 (66)), 79–82. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2013.19741
  17. Danbatta, S. J., Varol, A. (2019). Comparison of Zigbee, Z-Wave, Wi-Fi, and Bluetooth Wireless Technologies Used in Home Automation. 2019 7th International Symposium on Digital Forensics and Security (ISDFS). https://doi.org/10.1109/isdfs.2019.8757472
  18. Filho, P., Schulz, F. (2013). Zigbee Network for Biomedical Signal Monitoring: Preliminary Results. International journal of Engineering Research and Application, 3 (5), 531–534.
  19. Fernández-López, H., Afonso, J. A., Correia, J. H., Simoes, R. (2012). Towards the design of efficient nonbeacon-enabled ZigBee networks. Computer Networks, 56 (11), 2714–2725. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2012.04.013
  20. Yang, Z., Zhou, Q., Lei, L., Zheng, K., Xiang, W. (2016). An IoT-cloud Based Wearable ECG Monitoring System for Smart Healthcare. Journal of Medical Systems, 40 (12). https://doi.org/10.1007/s10916-016-0644-9
  21. Kaliaskarov, N., Ivel, V., Gerasimova, Y., Yugay, V., Moldakhmetov, S. (2020). Development of a distributed wireless Wi-Fi system for monitoring the technical condition of remote objects. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (9 (107)), 36–48. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.212301
  22. Martínez-Suárez, F., García-Limón, J. A., Baños-Bautista, J. E., Alvarado-Serrano, C., Casas, O. (2023). Low-Power Long-Term Ambulatory Electrocardiography Monitor of Three Leads with Beat-to-Beat Heart Rate Measurement in Real Time. Sensors, 23 (19), 8303. https://doi.org/10.3390/s23198303
  23. Li, D., Liu, P., Sun, T., Li, L., Xue, Y. (2024). Real-Time PVC Recognition System Design Based on Multi-Parameter SE-ResNet. IEEE Access, 12, 70345–70356. https://doi.org/10.1109/access.2024.3402359
  24. Ivel, V. P., Gerasimova, Y. V., Moldakhmetov, S. S., Petrov, P. A., Gerasimov, I. A. (2020). Wireless Holter monitoring system with a dual-core processor. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 919 (2), 022040. https://doi.org/10.1088/1757-899x/919/2/022040
  25. Data Sheet. AD8232. Available at: https://www.micro-semiconductor.com/datasheet/29-AD8232ACPZ-R7.pdf
  26. Sigit, R. (2014). Mini Wireless ECG for Monitoring Athletes’ ECG Signal Based on Smartphone. IOSR Journal of Engineering, 4 (6), 13–18. https://doi.org/10.9790/3021-04611318
  27. Syahmi Md Dzahir, M. A., Seng Chia, K. (2023). Evaluating the Energy Consumption of ESP32 Microcontroller for Real-Time MQTT IoT-Based Monitoring System. 2023 International Conference on Innovation and Intelligence for Informatics, Computing, and Technologies (3ICT). https://doi.org/10.1109/3ict60104.2023.10391358
  28. Jung, J., Shin, S., Kang, M., Kang, K. H., Kim, Y. T. (2021). Development of Wearable Wireless Electrocardiogram Detection System using Bluetooth Low Energy. Electronics, 10 (5), 608. https://doi.org/10.3390/electronics10050608
  29. Koshekov, K., Kobenko, V., Koshekov, A., Moldakhmetov, S. (2020). Hand-written character structure recognition technology on the basis of identification measurements. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 15 (21), 2555–2562. Available at: https://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2020/jeas_1120_8390.pdf
Аппаратно-программная реализация локальной Wi-Fi-сети для передачи биомедицинских сигналов

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-08-30

Як цитувати

Gerasimova, Y., Ivel, V., Moldakhmetov, S., & Petrov, P. (2024). Аппаратно-программная реализация локальной Wi-Fi-сети для передачи биомедицинских сигналов. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(9 (130), 34–43. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.309387

Номер

Том 4 № 9 (130) (2024): Інформаційно-керуючі системи

Розділ

Інформаційно-керуючі системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Yuliya Gerasimova, Victor Ivel, Sayat Moldakhmetov, Pavel Petrov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.