摘  要： 針對傳統(tǒng)生理監(jiān)測系統(tǒng)價(jià)格昂貴,、操作麻煩,、便攜性差等問題，設(shè)計(jì)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(hù)人員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí),、連續(xù),、長時(shí)間監(jiān)測心電、呼吸,、體溫和體動(dòng)參數(shù),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,，安全可靠,，可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí),、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(jià)格昂貴,、實(shí)時(shí)性差、便攜性差等實(shí)際問題,?？纱┐骷夹g(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(shí)現(xiàn)基本生命信息的獲取[1-2],。可穿戴技術(shù)具有低生理負(fù)荷,、低心理負(fù)荷,、可移動(dòng)操作、使用簡便,、支持長時(shí)間連續(xù)工作和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn),，目前已廣泛地應(yīng)用于生理信息監(jiān)測、醫(yī)療救護(hù)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(gè)穿戴式的生理監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)病人心電,、呼吸,、血壓、體溫等生理參數(shù)的連續(xù),、長時(shí)間監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)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(jìn)行分析,、處理,、顯示、存儲(chǔ)和回放,，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)報(bào)警提示,。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)
2.1 處理器模塊設(shè)計(jì)
    處理器模塊是整個(gè)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(chǔ)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(diǎn),，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(shí)現(xiàn)射頻功能，減小了系統(tǒng)體積,，降低了設(shè)備費(fèi)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(jì)
　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(jìn)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(dòng),、右腿驅(qū)動(dòng),、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(jìn)行初步放大，抑制零點(diǎn)漂移,，減少共模信號干擾,；右腿驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)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(dòng)電路用來提高整個(gè)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(shí)現(xiàn)心電信號進(jìn)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(shí)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(lì)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(lì)源電路產(chǎn)生頻率為62.5 kHz,、幅值為2 mA的恒流激勵(lì)信號，通過心電電極將恒流激勵(lì)信號輸入人體,，周期性呼吸運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)溫度采集,。DS18B20具有精度高、分辨率可調(diào),、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間短,、單線接口、使用方便的特點(diǎn)[6],。本文采取外接電源的供電方式,，并采用3點(diǎn)測溫，取平均值作為測量體溫,從而避免了因單個(gè)傳感器損壞而造成的數(shù)據(jù)無效,。
2.2.4 體動(dòng)模塊
    體動(dòng)的測量一般選用震動(dòng)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(shí)現(xiàn)體動(dòng)信息的采集，該傳感器具有體積小,、功耗低,、散熱性好的特點(diǎn),能夠監(jiān)測x、y,、z 3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)[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(jì)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(jì)
    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(jì)
　數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊主要由計(jì)算機(jī)和監(jiān)測軟件組成。計(jì)算機(jī)通過串口通信的方式接收無線收發(fā)模塊傳輸?shù)纳硇畔?，?shí)時(shí),、動(dòng)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(diǎn)構(gòu)成,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以監(jiān)控計(jì)算機(jī)為中心,、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為基礎(chǔ)、多個(gè)復(fù)合感知節(jié)點(diǎn)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(diǎn)負(fù)責(zé)采集監(jiān)測被監(jiān)護(hù)人員的心電、呼吸,、體溫等生理信號,，并將采集到的信號分時(shí)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(diǎn)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(jì)算機(jī)上進(jìn)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(diǎn)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(yùn)行監(jiān)測軟件,；查看監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)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(yùn)行正常,，可實(shí)時(shí),、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(diǎn)正常工作時(shí)用數(shù)字萬用表的電壓檔測量出復(fù)合感知節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的電流,，根據(jù)公式：P=UI,，將所測電壓和電流相乘即可計(jì)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(diǎn)進(jìn)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(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠,，可實(shí)時(shí),、連續(xù)地監(jiān)測被測者生理狀況，并能動(dòng)態(tài),、直觀地顯示波形數(shù)據(jù),，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)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(qiáng)等特點(diǎn),，可廣泛地應(yīng)用于家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)及遠(yuǎn)程護(hù)理的領(lǐng)域。
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