摘 要： 針對傳統(tǒng)生理監(jiān)測系統(tǒng)價格昂貴、操作麻煩、便攜性差等問題，設(shè)計出一套無線的、可穿戴的、低心理負(fù)荷的多參數(shù)生理監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在被監(jiān)護人員的運動狀態(tài)下實時、連續(xù)、長時間監(jiān)測心電、呼吸、體溫和體動參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，可準(zhǔn)確、實時、連續(xù)地監(jiān)測被測者生理狀況。
關(guān)鍵詞： 可穿戴技術(shù)； 生理參數(shù)； 監(jiān)測系統(tǒng)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及人們對老人健康狀況關(guān)注度的不斷提高，越來越多的生理監(jiān)測設(shè)備被研制并應(yīng)用。但現(xiàn)有的生理監(jiān)測設(shè)備存在著監(jiān)測參數(shù)少、價格昂貴、實時性差、便攜性差等實際問題。可穿戴技術(shù)是一種具有信號檢測和處理、信號特征提取及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿挠糜谌梭w狀態(tài)非介入式監(jiān)測的新技術(shù)。它將生命信息檢測技術(shù)與人們?nèi)粘４┐鞯囊挛锵嗳诤?，可以在自然狀態(tài)下實現(xiàn)基本生命信息的獲取[1-2]?？纱┐骷夹g(shù)具有低生理負(fù)荷、低心理負(fù)荷、可移動操作、使用簡便、支持長時間連續(xù)工作和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c，目前已廣泛地應(yīng)用于生理信息監(jiān)測、醫(yī)療救護和康復(fù)治療等與人類健康息息相關(guān)的領(lǐng)域。因此，利用可穿戴技術(shù)可建立一個穿戴式的生理監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)病人心電、呼吸、血壓、體溫等生理參數(shù)的連續(xù)、長時間監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
生理監(jiān)測系統(tǒng)由生理信息采集與處理模塊、無線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測與顯示模塊3大部分組成，系統(tǒng)整體組成框圖如圖1所示。各模塊之間相互聯(lián)系，協(xié)同工作，其工作原理是：生理信息采集與處理模塊主要監(jiān)測被測人員的心電、呼吸、體溫等生理參數(shù)；采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理和數(shù)據(jù)融合，再通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊；數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊可對數(shù)據(jù)進行分析、處理、顯示、存儲和回放，并在出現(xiàn)異常情況時報警提示。
2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計
2.1 處理器模塊設(shè)計
處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心。從系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、性能指標(biāo)、開發(fā)條件和成本以及系統(tǒng)的可靠性、體積和功耗等方面綜合考慮后，選用TI公司的CC2530芯片作為系統(tǒng)的核心處理模塊。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有高集成度、低功耗、小體積、低成本以及接口豐富等特點，可外接多種傳感器采集數(shù)據(jù)，需要極少的外部元件就能實現(xiàn)射頻功能，減小了系統(tǒng)體積，降低了設(shè)備費用[3]。CC2530選用32 kHz的主晶振和32.768 kHz的可選晶振來維持電路正常工作[4]。
2.2 生理信息采集與處理模塊設(shè)計
生理信息采集與處理模塊由多種生理傳感器和信號處理單元組成。生理傳感器與身體直接接觸，負(fù)責(zé)心電、呼吸和體溫等生理參數(shù)的采集，將微弱抽象的生理信息轉(zhuǎn)換為電信號；信號處理單元對采集后的電信號進行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，便于數(shù)據(jù)的無線傳輸，提高抗干擾能力。
2.2.1 心電模塊
心電模塊由電極采集、前置放大、屏蔽驅(qū)動、右腿驅(qū)動、低高通濾波、50 Hz工頻陷波、二級放大和電平抬升8部分組成[5]，如圖2所示。其工作原理是：電極從體表拾取心電信號，通過高輸入阻抗、高共模抑制比的前置放大電路進行初步放大，抑制零點漂移，減少共模信號干擾；右腿驅(qū)動電路進一步提高信號的采集質(zhì)量并保證系統(tǒng)的安全性；屏蔽驅(qū)動電路用來提高整個電路的抗共模干擾能力；低高通濾波電路主要濾除心電信號頻率(0.05 Hz～100 Hz)外的干擾；50 Hz工頻陷波電路用來消除市電電網(wǎng)50 Hz正弦波形上疊加的尖峰脈沖信號的干擾；二級放大電路實現(xiàn)心電信號進一步放大；電平抬升電路用于將心電信號中的負(fù)電壓變?yōu)檎妷?，符合隨后A/D轉(zhuǎn)換的電壓輸入范圍；A/D轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)模擬心電信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。
2.2.2 呼吸模塊
呼吸模塊主要由激勵源電路、前置放大電路、檢波整流電路和濾波放大電路組成，如圖3所示。工作原理是：激勵源電路產(chǎn)生頻率為62.5 kHz、幅值為2 mA的恒流激勵信號，通過心電電極將恒流激勵信號輸入人體，周期性呼吸運動產(chǎn)生的阻抗變化反映在兩電極之間的電壓變化上，檢測電壓信號，并經(jīng)過前置放大完成初步放大，利用檢波整流電路提取有用信號，再通過濾波電路濾除多余頻段信號，最后經(jīng)過放大得到呼吸信號。
2.2.3 體溫模塊
通過對比分析常用的數(shù)字溫度傳感器MAX6575、MAX6635、DS1722、DS18B20等,本文選用DS18B20來實現(xiàn)溫度采集。DS18B20具有精度高、分辨率可調(diào)、溫度轉(zhuǎn)換時間短、單線接口、使用方便的特點[6]。本文采取外接電源的供電方式，并采用3點測溫，取平均值作為測量體溫,從而避免了因單個傳感器損壞而造成的數(shù)據(jù)無效。
2.2.4 體動模塊
體動的測量一般選用震動傳感器和三維加速度傳感器。本文采用三維加速度傳感器MMA7260QT實現(xiàn)體動信息的采集，該傳感器具有體積小、功耗低、散熱性好的特點,能夠監(jiān)測x、y、z 3個方向上的運動[7]。MMA7260QT加速度傳感器的硬件電路極其簡單，通過引腳1、2切換睡眠模式和設(shè)置靈敏度。本設(shè)計通過引腳1、2懸空來保證靈敏度,并在ADC之間增加阻容濾波電路。
2.3 無線收發(fā)模塊設(shè)計
無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)發(fā)送和接收預(yù)處理后的生理信息及系統(tǒng)指令，該功能是由處理器模塊中的射頻部分負(fù)責(zé)完成(CC2530集成了RF模塊)。
2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊設(shè)計
數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊主要由計算機和監(jiān)測軟件組成。計算機通過串口通信的方式接收無線收發(fā)模塊傳輸?shù)纳硇畔?，實時、動態(tài)、直觀地顯示波形。
3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。本系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和復(fù)合感知節(jié)點構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計了以監(jiān)控計算機為中心、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為基礎(chǔ)、多個復(fù)合感知節(jié)點共同構(gòu)成的穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單的星型網(wǎng)絡(luò)。各復(fù)合感知節(jié)點負(fù)責(zé)采集監(jiān)測被監(jiān)護人員的心電、呼吸、體溫等生理信號，并將采集到的信號分時發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各復(fù)合感知節(jié)點之間的同步工作，并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的計算機上進行數(shù)據(jù)通信、處理和顯示。
4 系統(tǒng)測試
4.1 系統(tǒng)功能測試
(1) 生理信息的監(jiān)測和顯示測試
測試方法：將復(fù)合感知節(jié)點緊貼被測人員衣物內(nèi)側(cè)固定，使電極和傳感器接觸身體；打開系統(tǒng)開關(guān)，運行監(jiān)測軟件；查看監(jiān)控中心計算機上是否顯示采集到的生理信號的波形。
測試結(jié)果：系統(tǒng)運行正常，可實時、連續(xù)監(jiān)測被測者生理信息，如圖5所示。
4.2 系統(tǒng)性能測試
(1) 系統(tǒng)功耗測試
測試方法：采用伏安法測量，在復(fù)合感知節(jié)點正常工作時用數(shù)字萬用表的電壓檔測量出復(fù)合感知節(jié)點兩端的電壓，用數(shù)字萬用表的電流檔測量出復(fù)合感知節(jié)點的電流，根據(jù)公式：P=UI，將所測電壓和電流相乘即可計算出功耗。
測試結(jié)果：系統(tǒng)功耗為240 mW。
(2) 無線通信距離測試
測試方法：通信距離的測試環(huán)境是在室外，空曠無障礙，由一名被測者佩戴復(fù)合感知節(jié)點進行測試。
測試結(jié)果：無障礙條件下無線通信距離為150 m。
測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，可實時、連續(xù)地監(jiān)測被測者生理狀況，并能動態(tài)、直觀地顯示波形數(shù)據(jù)，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，具有成本低、功耗小、便攜性好、功能豐富、抗干擾能力強等特點，可廣泛地應(yīng)用于家庭醫(yī)療監(jiān)護及遠(yuǎn)程護理的領(lǐng)域。
參考文獻
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