（检测技术与自动化装置专业论文）ZigBee无线技术在心血管检测中的研究和应用.pdf

中田科学技术大学颂i 二学位论 摘器 摘要 随着时代发展和生活水平提高，生命健康越来越为人们所重视。心血管系 统足人体的重要组成部分，预防和控制心血管疾病的发生具有非常迫切而重要 的意义。本论文课题研制的基于z i g b e e 无线技术的嵌入式心血管功能检测仪可 通过脉搏传感器无创伤检测人体桡动脉信息，并用z i g b e 圮无线通信技术发送到 接收端分析计算出入体心血管功能参数，对人体心血管系统进行健康诊断并给 出健康咨询建议。 本论文主要讨论了基于z i g b c e 无线技术的嵌入式心血管健康检测仪的研究 与开发。文章首先对人体心血管系统的功能、原理，结构及特征进行了简单介 绍。分析了桡动脉传感器原理与结构，并根据脉搏检测的特点，结合先进的 z i g b e e 无线通信技术从而实现了仪器的无线化，同时本着仪器微型化、低功耗 的原则，有针对性的设计了相应的硬件电路和电源动态调整软件。而在接收端 根据脉搏波的特点对其特征点进行识别，并对脉搏波的类型进行识别分类，然 后根据所属类射，采用相应的算法计算心血管系统各功能参数，从而为专家诊 断提供直接的参考信息。在此基础上。本论文详细讨论了心血管功能检测仪的 软硬件实现。本系统采用a v r 嵌入式微处理器，扩展了相应外围电路与接口， 包括脉搏波信息采集模块、调试接口与无线通信接口等。论文概述了在w i n a v r 开发工具中用c 语言及汇编语言编写的程序代码，对系统心血管功能测试、 z i g b e e 无线通信、测试仪与p c 机通信等功能的实现做了较详细的介绍。在论 文的最后对课题进行了总结，并分析简述了心血管健康检测仪的发展。 关键词：心血管系统脉搏波z i g b e e a v ru s b 嵌入式检测仪 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s u a d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fs o c i e t ya n di m p r o v i n gi np e o p l e sl i v i n gl e v e l ，t h em o l e a t t e n t i o ni s p a i d t oh e a l t h c a r d i o v a s c u l a rs y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t so fh u m a nb e i n g a n d , i ti ss i g n i f i c a n t t oc o n t r o la n dp r e v e n tt h e c a r d i o v a s c u l a r 科瓣锄d i s e a s e s i n t h i s p a p e r , an e we m b e d d e dd e 把曲d r f o r c a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o nw h i c hi sb a s e do nz i g , b e ei si n t r o d u c 以i tc 锄u s ea s e n s o r t o m e a s u r e t h ep r e s s u r e o f p u l s e w a v e w i t h o u t i n v a s i o n , a n d t h e n t r a n s m i t t h e d a t a o f p u l s ew a v et or e c e i v e rd e v i c eb yz i g s e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h e z i g s e er e c e i v e rd e v i c e ，t h ep u l s ew a v eo f b o d yi su s e df o ra n a l y s i sa n dc o m p u t e db y ab o d yp a t t e r n , a n dt h e nc a r d o v a s c u l a rp a r a r r m t e r sa r co b t a i n e df r o mt h ep r e s s u r e s i 留l a lo fp u l s ew a v e a tt i cs a m et i m e ，e x p e r ts y s t e mw i l lm a k ead i a g n o s i sa n d 垂v es o m ea d v i c e sb yt h e s ec a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ed 既e e t o rw i l lb ed i s c u s s e dm a i n l y t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec a r d i o v a s c u l a rs y s t e m ss t r u c t u r ea n db i o l o g i ci n f o r m a f i u r l t h e na s p e c i a ls e n s o ri si n t r o d u e e db a s e do nt h ec h a r a e t e r i s u co fp u l s ew a v ea n d z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h i sd e t e c t o ri sa v a i l a b l ef o rw i r e l e s s d e t e c t i n g , f o rt h em i n i a t u r i z a t i o na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , t h i sd e t e c t o r 馏s d e s i g n e dt e c h n i c a l l yo n l yt h ep a r to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ez i g s e er e c e i v e r d e v i c e , a tt h ef i r s ts t e p ，t h ed e t e c t o rc o l l e c t sp f i m i t i v 鹤o f p u l s ew a v e a c c o r d i n gt o s o m ep r i n c i p l e s , t h ea l g o r i t h mc a nr c c o g i n z 既p u l s ew a v e sp a t t e r n t h e n , m a n y c a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e db yd i f f e r e n tm e t h o d s e x p e r ts y s t e mi l 镪 t h e s ec a r d i o v a s c u l a ri x l r a m e t e r sa se v i d e n c o st od i a g n o s e t h i sp a p e ra l s op r e s e n t s t h eh a r d w a r ea n ds o f l w a r co ft h ed e t e c t o ri nd e t a i l i nt h i s s y s t e m , a v r m i c r o - c o n t r o l l e ri su s e da st h i s s y s t e m sm i c r o - c o n t r o l l e r a n do t h e rp e r i p h e r a l h a r d w a r ed e p e n d so i li t , i n c l u d i n gt h ep u l s ew a v es a m p l i n gm o d u l e ，j - t a ga n d z i g b e ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e , e t c w i t ha s p e c to ft h es o t b v a r c , t h i sp a p e rp a y s m o r ea t t e n t i o nt od e s c r i b et h ec a r d i o v a s c u l a rd e t e c t i n gf u n c t i o n , z i g b e e c o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i c a t i n gw i t hp cf u n c t i o n a tt h ee n d , t h ep a p e r s u m m a r i z e st h i ss y s t e ma n dg i v e sa p r o s p e c t t ot h ec a r d i o v a s c u l a rs y s t e md e t e c t o r k e yw o r d s ：c a r d i o v a s c u l a rs y s t e m ；p u l s ew a v e ；z i 9 8 e e ：a v r ；u s b ；e m b e d d e d s y s t e m ；d e t e c t o r 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：隘旦盘笪 z a o t 年口6 月护i 日 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论 进入2 1 世纪，伴随着全球科技的进步与经济发展，关爱生命与健康已成为 人类的共同追求。 当前心血管疾病已成为全球范围内危及人类生命和健康的“头号杀手”，根 据w h o 对全球各种疾病死亡的统计，心脑血管疾病死亡人数占总死亡人数的 2 8 8 。预计到2 0 0 8 年，该比例将上升至3 6 【l l ，目前，我国心血管疾病的病死 率、致残率已跃居各种疾病的首位，严重威胁着广大人民群众的生命健康和患 者的生活质量。我国心脑血管疾病( 包括脑卒中) 患者的死亡数居各种疾病死 因之首，占总死亡人数的4 0 7 。据此推算，全国每年有2 0 0 万以上患者死于 心脑血管疾病；全国有l 亿多高血压病患者，每年新增患者3 5 0 万人，患病率 每十年增加5 0 。 心血管疾病重在预防。世界卫生组织( w h o ) 经过对我国国民健康现状的 调查后认为：中国心血管疾病高发的原因主要是普遍缺少健康意识和健康的生 活方式，解决问题的关键是要倡导日常自我保健和疾病预防能力。世界卫生组 织同时还向全人类倡导一个全新的观念：2 l 世纪“最好的医生是自己，最好的 药物是时间”，其含义就是要学会自我关爱和保健，有病早发现，早治疗阻3 1 。 今天，越来越多的人已认识到健康生活方式和疾病预防的重要性，对拥有 日常家庭化和个性化的健康监测和疾病预防手段的需求也日益迫切。但是，目 前在国内，针对心脏、血管、血液、微循环等反映心血管健康状况的参数监测， 患者和希望得到监测的用户只能依赖于医院的专用医疗仪器，而心血管健康方 面的仪器则基本是空白，无法满足人们健康保健方面的现实需求。 基于上述背景与现状，不难发现：心血管功能检测新技术、新方法的研究 以及心血管功能监测类家用电子医疗保健仪器的开发，刻不容缓。它不仅能满 足当前大众的医疗保健急需，也能为维持与发展我国家用数字医疗事业，为推 行实施国家“家庭医疗保健工程”( 简称h h c e ) 做出积极而长久的贡献。 中国科学技术大学颐士学位论文第章绪论 1 。2 国内外研究状况 从近代医学的角度来看，人体循环系统是人体输送养料，传递能量的主要 途径。血液在人体的循环系统中川流不息、循环不止。它一方面将氧气和营养 物质运送到全身各处，另一方面又从全身各处将新陈代谢所产生的二氧化碳和 其它代谢废物运送到肺和其它排泄器官排出体外。人体的循环系统包括动力系 统与管路系统两部分。其动力系统是心脏，其管路系统是血管，心脏与血管组 合成一个充满血液的虎克弹性体管道系统，即心血管系统。人体脉搏波主要由 心脏有效泵力在动脉内驱动血液时的压力波和动脉的阻尼弹性波合成。”1 ” 从整个循环系统来看，桡动脉介于大动脉与小动脉之间，其搏动信息是由 心脏的舒缩、血液的流动、血管壁的弹性等因素互相作用而产生的。这启示我 们可以通过测试桡动脉波来诊断人体心血管功能。同时，几千年的中医脉诊历 史，也证明基于脉搏波的心血管功能检测与监测，是完全可行的。 ” 目前，国外面向家庭的心血管功能健康自我检测与监护的主要产品有心脏 h o l t e r 、血压、血糖及远程医疗咨询等方面。国外主要生产厂家有日本 o m r o n 公司、美国b o m e x i 公司、瑞士罗氏公司等。在国内，市场上能满足 人们这种要求和愿望的产品非常之少，日常进入家庭的只有电子血压计、血糖 仪、磁疗仪等为数不多的心血管功能检测仪器。 自上世纪8 0 年代以来，基于血液动力流变学和弹性腔理论的无创伤心血管 功能检测方法的研究逐渐受到了广泛关注。许多不同学科的研究人员与医学专 家共同合作，研究出了各种应用型的人体脉搏传感器，有单部、三部、单点、 多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态水、子母式等，组成 脉搏传感器的主要组件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏组件，p v d f 压电 薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛”“。 在桡动脉脉搏传感器研究的同时，基于血液动力流变学和弹性腔理论的心 血管检测监测仪器的研制也取得了很快发展，如安徽中科智能公司的a z n 系列 心血管功能检测仪、北京仁达康检测技术公司的t p c b s 心血管系列参数无创 伤检测系统、科泰世纪与上海耐星共同开发的c f 系列心血管功能检诊仪、合 肥华科电子技术研究所的z x g 系列自动心血管功能诊断仪以及合肥建桥医疗 电子公司j q 系列心血管功能测试诊断仪等，这些仪器均为“测试盒+ p c ”形式。 桡动脉具有人体生命活动的基本特征：多变量特性及闭环持性，由多个生 理参量共同决定，具有多环路、多层次、多重控制的闭环调节功能”。基于人 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 体桡动脉波的无创伤心血管健康检测、监测仪只针对桡动脉波血液压力参量的 开环特性进行测量，这决定了测量方法和技术以及测量结果的涵义和结论都会 带有一定的局限件：另外，测量条件受环境的限制，测量参数受被测对象的生 理与心理因素的影响，测量结果的难以标定比对，医学先验知识的模糊性以及 被测试者需要绝对安全保证等因素都对仪器的性能设计提出了较高要求。无创 伤检测、特征信息智能识别、参数自动计算及专家系统诊断及网络架构已逐渐 成为新型家用健康检测、监测仪器的基本性能要求。 1 。3 本课题研究的主要内容 本课题研究的基本内容，即心血管功能智能检测技术，是2 0 0 4 年安徽省信 息产业厅专项资金资助项目。本研究课题“z i i g b 无线通信技术在心血管 健康智能检测仪中的研究和应用”，以安徽中科智能技术有限公司相应产品开发 为依托，进行深入研究。本人完成的课题内容主要包括： 1 ) 在分析人体桡动脉波的特点和为了扩大心血管检测应用领域的基础上，根据 桡动脉波信息低速的特点，以及手持设备低功耗的要求，提出了采用先进的 z i g b e 地无线通信技术，摆脱有线的束缚，很好的实现心血管功能无线检测的方 案。并且为以后多人同时检测脉搏，运动检测，z i 【g b 网络覆盖等等打下了良 好的基础。 2 ) 基于a v r 嵌入式处理器平台实现智能化仪器。a v r 的r i s c 体系结构，独 特的指令系统，便捷的开发工具以及丰富的开发资源，极低的功耗，还兼顾到 了高性能、低价格等几个方面。在便携式低端数据采集设计中a v r 嵌入式处理 器显示出了很强的针对性，完全能够满足心血管各项功能参数的计算要求。仪 器的实现主要包括了硬件研制与软件实现两个方面，本人作为主要参与入完成 了硬件设计；并负责完成了整个软件的设计与编写。 3 ) u s b 设备现在广泛的运用在各种仪表仪器中，u s bd e v i c e 与u s bh o s t 端进 行通信的开发也越来越普遍，所以本文在u s b 通信方面也做了较为深入的分 析。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章总体方案j 殳计及脉搏波原理分析 第二章总体方案设计及脉搏波原理分析 现有的心血管检测仪大致可以分为两种，一种是用一个检测盒作为信息处 理中心，通过脉搏传感器检测人体脉搏波，在内部进行数据预处理，然后使用 u s b 或者串口把脉搏数据传给p c 机，让p c 机傲相应的算法计算和诊断结果 显示：另一种是便携式检测仪，检测仪带有液晶显示。检测仪自己采集人体脉 搏波，利用自己强大的运算能力进行算法计算。这种仪器通过便携式设计基本 实现了移动检测的功能。但是由于带有液晶显示，所以体积和重量不能得到很 好的控制。因此为了真正实现心血管检测的便携性和动态性，无线通信技术成 为比较理想的一种解决方案。下面主要对这种无线检测方法进行探讨。 2 1 总体方案 陌稠 i 传感器l i _ j ， i +，! 一 ：z i g b e e ； ：，一一一 1 7 ， u s b 或串 图2 1 系统总体框架 通过对比各种无线通信技术后选用基于z i g b e e 的无线技术实现脉搏波的无 线传输，z i g b 是一种近距离( 0 7 5 米) 的低速率( 2 5 0 k b p s ) 的无线技术， 而人体脉搏波的数据量较小，如果按照6 8 m s 的采样率来计算，一个人的脉搏 波的数据量在i k b s 左右；同时，z i g b 在工作时候的电流 2 0 m a ，而休眠的 时候能够达到3 - - 4 0 u a 的水平，能够满足手持设备对功耗的苛刻要求，同时还 能搭建z i g b e e 无线通信网络。所以，z i l g b e e 无线技术完全能够胜任这项传输 功能。 2 1 1 腕式脉搏检测盒 腕式脉搏检测盒作为桡动脉搏波信息采集单元，佩戴在人的手腕部，因此 要进行小型化，手持设备设计。在这里采用锂电池绘模块供电，并把a v r 单片 4 中国科学技术大学硕士学位论文第二章总体方案设计及脉搏波原理分析 机通过传感器把脉搏数据采集进来后，利用z i g b e e 无线通道发送出去，图2 2 是腕式脉搏检测盒的结构框图： 图2 2 腕式脉搏检测盒结构框图 2 1 2z i g b e e 无线数据接收器 主要用于接受腕式脉搏检测盒传来的桡动脉搏波信息，然后通过u s b 或者 串口传给p c 机进行计算。 2 1 3 p c 端 p c 端主要把脉搏数据根据血流动力流变学( h e m o d y n a m i c a la n dh e m e r h o l o g i c a l ) 参数的检弼，通过人体循环系统的弹性腔模型计算出各个功能参 数，并提供许多病变的依据，让医疗专家系统分析最终给出诊断结果。 2 2 桡动脉波信号采集原理 心血管健康检测仪是基于脉压法原理实现的。它以人体循环系统弹性腔模 型建立起来的理论为基础，对模型进行分室网路分析，用线性相关算法推导出 系列计算公式。由公式计算得到的结果，经过非线性补偿和临床经验参数修 正，便能获得一组反映人体循环系统的血流动力流变学参数。综合评估这些参 数，便可获得心脏、血管、血液及微循环系统的功能及其调节状态的信息，从 而能为心血管疾病的诊断、治疗、监护甚至早期危急病变预报提供定量的分析 依据。本章对脉搏波的形成原因、生理机理特征及其检测方法进行了简要介绍。 1 3 - 1 5 1 5 中国科学技术大学硕士学位论文第二章总雄方案漫计及脉搏渡原理分析 2 2 1 动脉弹性腔理论 人体血液循环系统是一个充满血液的虎克弹性体管道系统，在这个弹性管 道系统中可分成心脏、动脉、毛细血管、静脉和神经体液调节五个腔室，血液 由心脏加压搏出，经动脉至毛细血管，然后由静脉回到心脏，从而形成在机体 整体调节下以心脏为中心的周流不息的血液循环，籍以完成机体生命活动的需 要。其中。心脏搏出的血量和由静脉回心的血量是完全均等平衡的。删l g l 动脉系统是一个弹性腔模型嘲，如图2 3 所示，设单位时间内从心脏流入 动脉弹性腔的血液体积( 即血液的体积流量) 为碍。；单位时间内从动脉弹性腔经 微动脉与毛细血管流入静脉腔的血液体积为g 。，。当心脏收缩、主动脉瓣开 启时，从心脏流入动脉弹性腔的血液除一部分直 接经过微动脉与毛细血管流入静脉 腔之外，其余部分将会因动脉管壁的 弹性扩张而贮留在动脉腔之中。假设 在t 时刻，动脉弹性腔的体积为v ( t ) ，经过d t 时间后，由于心脏 的射血，动脉弹性腔的体积将扩大为 1 ， 矿+ ；西。因此，在单位时间内， 珊 由于心脏的射血将使动脉弹性腔的 心奎动黯游性艘 图z 3动脉弹性腔血液流量守恒 体积增大华。考虑到血液在生理压力范围内，其体积因压力改变引起的变化 甜 是可以忽略的，而且考虑到缸液在动脉腔中的流动是不中断的，因此，在心室 收缩期( 即o t t s ，这里t s 表示心室收缩期的持续时间) ，。单位时间内从 心室流入动脉弹性腔的血液体积应等于从动脉弹性腔经微动脉、毛细血管 进入静脉腔的血液体积口。与单位时间内动脉弹性腔的体积增大量譬之 l z 和。或者说，有 g “= g 。+ 譬 ( 2 - 1 ) 方程( 2 一1 ) 表明，心室收缩期，从心室流入动脉弹性腔的血液流量q ! 。应等于从 动脉腔流入静脉腔的血液流量q 。与单位时间内贮留在弹性腔中的血液体积 _ d v - 之和。通常称方程( 2 1 ) 为心室收缩期内血液流动的连续性方程。 6 中国科学技术大学硕士学位论文第二章总体方案设计及脉搏波原理分析 对于心室舒张期，即t s t t ( 这里t 为心动周期) ，此时主动脉瓣关闭， 心室停止射血，由心脏流入动脉弹性腔的血液流量为零，即可。= o 。然而，由 于动脉壁的弹性恢复，迫使原来在收缩期贮留在动脉弹性腔中的那一部分血液 继续流经微动脉与毛细血管而进入静脉腔。类似于上述对收缩期所做的讨论。 可得心室舒张期对于动脉弹性腔的血液流动的连续性方程为 j 矿 0 = 叮。+ ( 2 - 2 ) “l 方程( 2 2 ) 表明，在心室舒张期，单位时问内从动脉弹性腔流入静脉腔的血液 l 体积q 一将与单位时间内动脉弹性腔的体积减小量一竺二相等。 讲 由此可见，正是由于主动脉与大动脉的管壁富有弹性，它们起着弹性腔的 作用，才使得在整个心动周期内，血液能够在血管中连绵不断、川流不息。 2 2 2 桡动脉波特征 收缩期左心室射血产生压力波，这压力波将沿着动脉管传播。向前传播的 压力波其部分能量将从血管树的不同部位向后反射回到，i i , 脏。这些往返的脉搏 波的组合将构成动脉中脉搏波的特征形状。 中医诊脉选择人体桡动脉波进行诊断，这是因为人体桡动脉是浅表动脉， 易于把脉检测。图2 2 所示为桡动脉在个i i , 脏搏动周期内的脉压波动信号。 它是两种波的合成：一是 心脏有效泵力在动脉内 驱动血液时的压力波，以 血液为介质向远心端传 播；二是动脉的阻尼弹性 波，向远心端逐渐衰减为 零。图中的b - e f - g l 波 为动脉的压力波，呈压力 曲线；c d m - n 波为动脉 壁弹性振动波，呈阻尼曲 线，它反映了从心室收缩， 左心室增压与喷血，血管振荡运动， 列动力学过程。i t 3 - 1 7 1 图2 4脉搏波动信号 左心室舒张与充盈，到主动脉排空等一系 7 中国科学技术大学硕士学位论文第二章总体方案设计及脉搏波原理分析 脉图的标志点和曲线具有明确的血流动力流变学的生理含义，它们的对应 关系如图2 5 所示： 主要特征点生理含义； a 点：左心室收缩开始点心脏收缩期 b 点：主动脉瓣开放点( 时段t 1 ) c 点；主动脉最高压力点d 点：主动脉弹性扩张降低点，m ，n 点：主动脉振荡点 e 点：左心室停止射血点c l 点：左心室舒张降压点c 2 点：主动脉瓣关闭点 心脏舒张期f o 点； 二尖瓣关闭点( 时段t 2 ) g 波：主动脉弹性回缩波 r 点：主动脉静压排空起始点 l 波：主动脉排空段。 图2 5 完整的典型脉搏波形图 根据大量体外实测的结果，人体挠动脉信息的特征如下：脉波信号的频率 分量约在0 - 1 0 0 h z 频带内，典型脉波的功率谱如图2 6 所示：大部分的能量 密度集中在脉率基频附近，该范围的频率分量主要反应了心脏压力波的特征； l27 。? 。j 。i 。? 一j 。i ! 。? 。? 。： - i 功0 8 塞 密o 6 度 o 4 o 2 0 01 0 3 0 柚, 5 0 t o l 图2 6 典型脉搏形信号的频谱特性 在2 0 h z 附近有一峰值响应，主要反 应血管阻尼振荡的特征。在0 5 0 m 频带内，几乎占有总能量的9 5 ，它 包含了在心血管健康检测仪中所有 感兴趣的脉搏波形特征；频谱5 0 h z 以上的分量是一些与本仪器无关的 细节变化和与测量噪声有关的信息。 h z 1 5 1 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章总体方案设计及脉搏波原理分析 2 3 脉搏传感器介绍 2 3 1 半导体应变片式脉搏传感器 自7 0 年代中期以来，国内天津、上海、贵州、江西等地相继成立了跨学 科的脉象研究协作组，多学科共同合作，促成了多式样的脉搏传感器的出现。 以下按桡动脉传感器的形式、特点及研制者做一简单的归纳，详见表2 1 1 2 l 。 表2 1 桡动脉传感器 研制者 传感器形式单部传感器形式三部 北京医疗仪器厂m x 1 型( 应变片)b y s 1 4 型( 应变片) 上海医疗仪器研究所m x - 3 型，m x - 5 型( 7 点式)3 m x - 1 型( 应变片) 天津医疗仪器研究所 m t y - a 型( 寸部7 点，应变片 上海中医学院 z m 1 型( 子母式，应变片)九路型( 径向7 点，轴向3 组 贵州省脉象协作组z h i 型( 应变片)z h - i i 型，径向轴向均可调节 西安交通大学圆形气囊加压式( 7 点)( 应变片) 上海中医研究院横向线列式九道( 应变片) 浙江大学 6 3 点( p v d f 压电薄膜1 大连2 0 1 医院 d h g z ( 气导微压式) 西苑医院压电晶体 江西脉图协作组m x 8 1i 型( 液态汞) 中科院基础所硅杯式( 单晶硅) 中科院智能机械所 软接触式( 应变片，液态) 湖南省中医学院 血管容积式( 光敏组件) 湖南省中医研究院 阻抗仪 中国台湾汪叔游三部压力换能器 美国d r l a u b 压电晶体)三部手套力与压力复合式 德国p a r k h s 式 = 部绑带充气加压 日本谷美智士半导体应变片式 桡动脉传感器式样很多，有单部、三部：单点、多点；刚性接触式、软性 接触式；气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等，组成传感器的主要组 9 中国科学技术大学硕士学位论文第二章总体方案设计及脉搏渡原理分析 件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏组件、p v d f 压电薄膜等，其中以单部 单点应变片式为最广泛。 中国科学院合肥智能机械研究所研制的半导体应变片式脉搏传感器，属于 单部单点软接触形式。其结构图2 7 所示【1 2 j ： b 图2 7 半导体应变片式脉搏传感器结构示意图 示意图中的b 是感压结构，采用带波纹的金属橡胶膜片。这种特殊结构可 尽量增加其位移，压力比，从而使它与主弹性体等强度悬臂梁相比，满足弹性系 数k i l o i n 通信距离短会降低无线通信的优势，无形中也减少了腕式脉搏检测盒的 应用范围，而即使通过组网来扩大覆盖面积也会增加节点的数目。 能够组成网络 随着网络技术的发展，人们对网络化的要求也越来越高。同时它也增加 了各个节点的功能。 成本低 在技术特点都能满足腕式脉搏检测盒的需求的情况下，成本高肯定会影 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章z i g b 无线通信技米 响腕式脉搏检测盒的推广，所以我们要尽量选择成本较低的无线通信技术。 3 1 1 无线局域网o v i - f i ) w l f i 全称w i r e l e s sf i d e l i t y ，又称8 0 2 1 l b 标准，它的最大优点就是传输速 度较高，可以达到ll m b p s ，同时它的有效距离也很长。正e e8 0 2 1 l b 无线网络 规范是i e e e8 0 2 1 1 网络规范的变种，最高带宽为1 1m b p s ，在信号较弱或有干 扰的情况下，带宽可调整为5 5 m b p s 、2 m b p s 和i m b p s ，带宽的自动调整，有 效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开 放性区域，通讯距离可达3 0 5 米，在封闭性区域，通讯距离为7 6 米到1 2 2 米， 方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。 w i f i 无线保真技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距 离无线技术。该技术使用的使2 4 g h z 附近的频段，该频段目前尚属没用许可 的无线频段。该技术由于有着自身的优点，因此受到厂商的青睐。 w i f i 技术突出的优势在于： 其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半 径大约只有约l o 米，而w i f i 的半径则可达约1 0 0 米，办公室自不用说，就是 在整栋大楼中也可使用。 其二，虽然由w i f i 技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝 牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到ll m b p s ，符合 个人和社会信息化的需求。 根据无线网卡使用的标准不同，w i f i 的速度也有所不同。其中i e e e 8 0 2 1 i b 最高为1 1 m b p s ( 部分厂商在设备配套的情况下可以达到2 2 m b p s ) ，i e e e 8 0 2 1 l a 为5 4 m b p s 、正e e 8 0 2 1 l g 也是5 4 m b p s 。 3 1 2 广域无线宽带技术w i m a x w i m a x 全称为w o r l di n t e r o p e r a b i l 埘f o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波接 入互操作性。w i m a x 的另个名字是8 0 2 1 6 。i e e e 8 0 2 1 6 标准，又称w i m a x ， 或广带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 标准。它是一项无线城域网 ( w m a n ) 技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用 于将8 0 2 1 l a 无线接入热点连接到互联网，也可连结公司与家庭等环境至有线 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章z i g a e e 无线通信技术 骨于线路。它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。 w i m a x 是一项新兴的无线通信技术，能提供面向互联网的高速连接，据称 该技术能提供覆盖三十英里范围的高速互联网连接。它也是一种功能强大的无 线技术，将是固定电话运营商还击移动通讯的有力武器。长期以来，移动通讯 一直在蚕食固定电话业务。目前英特尔已经花费数亿美元推广w i f i 无线技术， 并将协 a x 视为一种能对偏远地区和发展中国家提供互联网连接的新方式。 另外还得到了全球最大的手机制造商诺基亚的支持。使用这种技术，用户可以 在5 0 公里以内的范围以非常非常快的速度进行数据通讯。尽管与当前的技术相 比，3 g 网络的速度已经有了大幅提高，但是相对于w i m a x 来说，3 g 就是小 巫见大巫了，3 g 网络的速度较w i m a x 低3 0 倍，3 g 发射塔的覆盖面积比 w i m x 要小l o 倍。 w m a x 与w i - f i 一样，都是用于传输无线信号的技术，但w i - f i 解决的是 无线局域网的接入问题，而w i m a x 解决的是无线城域网的问题。w i f i 只能把 互联网的连接信号传送到3 0 0 英尺远的地方，w i m a x 则能把信号传送3 l 英里 之远。而且，网络连接速度也将飙升至每秒7 0 m b p s ，而现在、矾f i 每秒5 4 m b p s 的速度就已经可以在1 秒钟内完成1 个小时m p 3 歌曲的下载。 3 1 3 超宽频( u l t r aw i d e b a n d ) 超宽带u w b 由u l t r aw i d e b a n d 缩写而成，它是一种无载波通信技术，利用 纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。 u w b 可在非常宽的带宽上传输信号，美国f c c 对u w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。 u w b 不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直 接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。这两种技术是目前t g 3 a ( i e e e8 0 2 1 5 3 a t a s kg r o u p ，i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组) 所讨论的两个竞争提议的基础。 u w b 是一种“特立独行”的无线通信技术，它将会为无线局域网l a n 和 个人局域网p a n 的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线 通信技术。u w b 解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，具 有对信道衰落不敏感，发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂 度低、厘米级的定位精度等优点。u w b 具有以下特点： 1 抗于扰性能强 中国科学技术大学硕士擘位论文 第三章z w , m * 无线通信技术 i m m 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无 线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。 接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与雁旺 8 0 2 1 1 a 、匝e e8 0 2 1 1 b 和蓝牙相比，在周等码速条件下，u w b 具有更强的抗干 扰性。 2 传输速率高 i n b 的数据速率可以达到几十m b i t s 到几百m b i v s 。有望高于蓝牙1 0 0 倍， 也可以高于旺e8 0 2 1 1 a 和髓e8 0 2 1 l b 。 3 带宽极宽 l f w b 使用的带宽在i g h z 以上，高达几个g h z 。超宽带系统容量大，并且 可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今 天，开辟了一种新的时域无线电资源。 4 消耗电能小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗一 定电能。而u w b 不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0 和l 发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以，消耗电能小。 5 保密性好 u w b 保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有己知发送 端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传 统的接收机无法接收。 6 发送功率非常小 l f w b 系统发射功率非常小，通信设备可以用小于l m w 的发射功率就能实 现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁 波辐射对人体的影响也会很小。0 5 1 当然，l r w b 通信也存在不足，主要问题是u w b 系统占用的带宽很大，u w b 系统可能会干扰现其他无线通信系统，因此u w b 系统的频率许可问题一直在 争论之中：另外，还有学者认为，尽管u w b 系统发射的平均功率很低，但是 由于它的脉冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到 民航等许多系统的正常工作。 t 6 中国科学技术大学硕士学位论文第三章z i g b c e 无线通信技术 3 1 42 5 3 g g p r s ( 通用无线分组业务：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线m 连接。目前，g p r s 移动通信网的传输速度可达1 1 5 k s 。g p r s 是在g s m 基础上发展起来的技术， 是介于第二代数字通信和第三代分组型移动业务之间的一种技术，通常称为 2 5 g 。 3 g 是3 r dg e n e r a t i o n 的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制 式手机( 1 g ) 和第二代g s m 、t d m a 等数字手机( 2 g ) ，第三代手机是指将无 线通信与互联网等多媒体通信结合的