穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现.pdf

大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：窒戴盘堑能屋塞苤耋题塑丕统煎遮进生塞理 作者签名： 丕鳃星 日期：- 二猃堆年厶月l 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着我国人口老年化进程的加快，老年人养老服务已经成为重大的社会问题。我国 现有的养老机构在资源和服务上都还存在很大的不足，大部分老年人都选择在家中养 老。我国家庭日趋小型化，家庭养老功能逐步弱化，以及人们生活水平的不断提高，人 们对养老服务形式的多样化提出了新的要求。因此，本论文详细介绍了如何构建一种创 新模式的老年人居家养老照护系统。 本论文介绍的穿戴式智能居家照护系统将基于人体区域网的穿戴式技术与基于物 联网的智能家居技术结合起来。一方面，我们利用穿戴式智慧衣对老年人的心血管疾病 进行连续地监测，并提供日常照护、居家护理等基本服务信息；另一方面，我们利用智 能家居技术，能够让老年人方便的对灯光、门窗、家电进行控制以及对家庭周围环境进 行实时的视频监控，建立完善的居家服务系统。 在硬件方面，本系统采用1 0 1 英寸a n d r o i d 系统的s g p 3 2 1 作为上位机。心电信号 监测方面，利用导电纤维制作了一款舒适、能反复清洗的衣服，与心电信号采集开发板 相结合，制作成一件能够采集心电信号的穿戴式智慧衣。智能家居控制方面，利用网络 摄像头e 3 2 和控制器a d 锄4 0 5 5 构建便利舒适的智能家居。 在软件方面，本系统能够自动更新日常照护、居家护理、生活服务、接送服务、幸 福医疗、照护用品、养生餐点的基本服务信息。还能对智慧衣采集到的心电信号进滤波 放大，并通过u s b 传输到上位机，在上位机上对心电信号进行实时显示、r 波侦测、 实时心率计算，以及5 分钟短程的时域分析和频域分析。另外，还能通过上位机控制 a d 锄4 0 5 5 的状态以及对家庭周围环境进行实时监控。 关键词：穿戴式；智慧衣；智能家居；居家养老 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw e a r a b l es m a r th o m ec a r es y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t e dp r o c e s so fo u rc o u n t r ya g i n gp o p u l a t i o n ，t h ee l d e r l yc a r es e r v i c eh a s b e c o m eam a jo rs o c i a lp r o b l e m b e c a u s ec u r r e n tp e n s i o ni n s t i t u t i o n so fo u rc o u n t r yh a sa g r e a ts h o r t a g ei nr e s o u r c e sa n ds e r v i c e s ，m o s to fo l d e rp e o p l ea r ec h o o s i n gh o m ec a r e o u r f a m i l i e si sb e c o m i n gs m a l l e r ，t h eg r a d u a lw e a k e n i n go fh o m ec a r ef u n c t i o n s ，a sw e l la st h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，p e o p l ep u tf o r w a r dn e wd e m a n d si ns e r v i c ef o r p e n s i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sh o wt ob u i l da ne l d e r l yh o m ec a r es y s t e mo f i n n o v a t i v em o d e li nd e t a i l i nt h i sp a p e r , w e a r a b l es m a r th o m ec a r es y s t e mt e c h n o l o g yo fb a s e do nb o d ya r e a n e t w o r kc o m b i n ew i t hi o t b a s e ds m a r th o m et e c h n o l o g y o nt h eo n eh a n d ，w eu s ew e a r a b l e s m a r tc l o t h i n gc o n t i n u o u s l yd e t e c tc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ef o rt h ee l d e r l y ，a n dp r o v i d ed a i l y c a r e ，h o m ec a r ea n do t h e rb a s i cs e r v i c e si n f o r m a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，w ea l l o wt h ee l d e r l y c o n v e n i e n t l yc o n t r o ll i g h t i n g ，w i n d o w s ，e l e c t r i ce q u i p m e n t ，a n dm o n i t o rt h es u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n to ft h eh o u s et h r o u g hr e a l t i m ev i d e os u r v e i l l a n c et h r o u g hs m a r th o m e ，a n d e s t a b l i s hac o m p l e t eh o m es e r v i c es y s t e m i nt e r m so fh a r d w a r e ，m ys y s t e mu s es g p 3 21o f10 1i n c ha n d r o i do p e r a t es y s t e ma s h o s tc o m p u t e r i ne c gm o n i t o r i n g ，w e a r a b l es m a r tc l o t h i n gi sm a d eo ft h ec l o t h i n gt h a ti s m a d eo fc o n d u c t i v ef i b e r sa n dt h eb o a r do fe c gd a t aa c q u i s i t i o n 。i ns m a r th o m e 。s y s t e mu s e aw e b c a me 3 2a n dc o n t r o l l e ra d a m 4 0 5 5t ob u i l dac o n v e n i e n ta n dc o m f o r t a b l es m a r th o m e i nt e r m so fs o f t w a r e ，m ys y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yu p d a t et h ei n f o r m a t i o no fd a i l yc a r e ， h o m ec a r e ，l i f es e r v i c e ，s h u t t l es e r v i c e ，h a p p ym e d i c a lc a r es u p p l i e s ，h e a l t hc a r ed e v i c ea n d h e a l t hm e a l ss e r v i c e s y s t e mc a nf i l t e ra n da m p l i f i e de c gd a t at h a ta c q u i s i t i o nt h r o u g h w e a r a b l es m a r tc l o t h i n g ，a n dt r a n s m i t t e de c gd a t at oh o s tc o m p u t e rv i au s b h o s tc o m p u t e r u s ee c gd a t at od i s p l a yd y n a m i ce c gi nm o n i t o r ，d e t e c tr w a v e ，c a l c u l a t er e a lt i m eh e a r t r a t e ，a sw e l la sd ot h et i m e d o m a i na n a l y s i sa n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i so ff i v em i n u t e s s h o r tt i m e i na d d i t i o n ，h o s tc o m p t e rc a nc o n t r o lt h es t a t eo fa d a m 一4 0 55a n dm o n i t o rt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to ft h eh o u s e k e yw o r d s ：w e a r a b l e ；s m a r tc l o t h i n g ；s m a r th o m e ；h o m ec a r e i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文的研究内容及结构安排5 2 生理学相关知识介绍6 2 1心电信号的产生机理6 2 2 动态心电图的心率变异性分析7 2 2 1 时域分析8 2 2 2 频域分析10 2 2 3 非线性分析1 2 3需求分析13 3 1 总体需求1 3 3 2 硬件需求分析1 3 3 3 软件需求分析1 4 4 系统硬件设计与实现1 5 4 1系统的总体结构1 5 4 2 穿戴式智慧衣的设计与制作1 6 4 3穿戴式心电信号采集电路设计与实现18 4 3 1 器件的选型1 8 4 3 2 心电信号采集电路设计19 4 3 3 心电信号采集电路实现2 0 4 4 智能家居方案设计与实现2 5 5 系统软件设计与实现2 7 5 1系统界面与照护信息更新的设计与实现2 7 5 2 穿戴式心电信号采集的软件设计与实现2 8 5 3 穿戴式心电信号分析的软件设计与实现3 4 5 4 智能家居的软件设计与实现4 0 6 系统测试4 4 6 1系统界面与照护信息更新的测试4 4 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 6 2 穿戴式心电信号采集的测试4 5 6 3穿戴式心电信号分析的测试4 7 6 4 智能家居的测试4 9 结论51 参考文献5 2 附录as oa n do h a nr 波侦测算法5 4 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 8 致谢5 9 大连理工大学学位论文版权使用授权书6 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景和意义 公共卫生及医疗科技的进步，全球人口平均寿命的延长，造成普遍的高龄化社会。 根据研究可以预知，到2 0 5 0 年，全世界6 5 岁以上的老年人人口将达世界人1 5 1 总数的l 4 ， 欧美占2 4 7 ，亚洲占3 2 7 ，全球第一为日本的3 5 7 。且人1 3 老化的速度并未趋缓， 仍不断在上升。根据国家统计局于2 0 1 4 年1 月2 0 日发布的( ( 2 0 1 3 年国民经济发展稳中 向好的新闻公报披露：截止2 0 1 3 年底，我国6 0 周岁及以上人口为2 0 2 4 3 万人，占总 人口数的1 4 9 ，6 5 周岁及以上人口为1 3 1 6 1 万人，占总人口数的9 7 。超过了国际 标准中6 0 周岁及以上老年人口占总人1 3 数1 0 ，也就是说，我国人口已经进入老龄化 社会。数量庞大的老年人需要相应的养老和医疗，而且我国的老龄化是在“未富先老 的情况下到来，养老机构在设施和服务方面还不是很健全。目前，我国机构养老的床位 远远少于老年人的人数，要入住机构的养老院是比较困难的，而且价格比较贵，大多数 的老年人还是会选择在家中养老【l j 。 为此，中国老年人事业发展“十二五”规划指出：“要改善老年人的居住条件， 重点发展居家养老服务，但是这里的居家养老不是“养儿防老”，而是以家庭作为主要 的养老场所、以社区作为依托，提供专业化的居家养老服务，鼓励社会服务型企业发挥 自身的优势，研发居家养老照护项目，开创新的养老服务模式，大力发展以居家为主的 养老服务业，尤其是要将居家养老服务作为重点来发展任务，从而，推进居家养老服务 的发展，将养老服务从基本的生活照护向医疗保健、照护用具、居家护理、紧急呼救等 方面延伸【2 j ；把老年人事业发展作为经济社会发展的一个重要方向，并且为其提供一些 优惠的政策，重视老年人用具、老年人用品、康复器材、远程呼救等养老照护项目的研 究开发，大力发展适合老年人多样化需求的居家护理、保健养生、医疗保健等服务项目， 培养一批出产老年人器材、用品和提供养老服务的龙头企业，打造一批老年人产业知名 品牌。 当前，随着社会节奏的加快，人们对社会机构养老的诉求越来越多，但是由于我国 老年人口比较多，经济条件还不是很发达，因此，仅仅依靠社会机构养老是完全不能满 足现在养老需求的。家庭在老年人养老中一直扮演着非常重要的角色，大部分的老年人 都希望能在家中养老，享受与家人在一起的快乐时光。居家养老服务和社会机构养老服 务比起来，具有费用更加低、服务形式更加灵活、涉及的面更加广、更加人性化等优点， 居家养老也比较符合我过的传统观念。更为重要的是，居家养老服务可以为大多数有养 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 老照护需求的老年人提供精心照料，从而对促进家庭和睦、缓减我国机构养老的压力起 到很大的作用。 一般而言，7 5 的老年人都患有一种或多种慢性疾病【3 j ，而心血管疾病已经超过癌 症，成为全世界致死率最高的疾病，因心血管疾病死亡的人数占总死亡人数的4 0 ，每 年全国死于此病者达2 0 0 万人【4 j 。在心血管疾病中以冠状动脉疾病发作最为突出，当病 人发病后，必须在全世界公认的黄金9 0 分钟内抢救，否则成活率会很低。然而现在病 患发病的时间点完全无法掌握，加上现代人饮食习惯不正常，自己本身并不清楚有心血 管疾病。换句话说，若是透过临床上的检查方式不但无法快速抢救病患，最后延误关键 的9 0 分钟治疗时间，这对病人来说是非常危险的【5 | 。因此，若能在老年人身上佩戴穿戴 式的动态心电图采集装置，实现对心血管疾病的健康情况跟踪，不仅可以减轻医院的工 作量，提高心血管疾病诊断的效率，而且也达到了降低心血管疾病死亡率的目的。 另一方面，老年人在夜间活动时，在灯光没有开启的情况下，容易造成摔伤等危险， 若是在智慧衣上安装加速度传感器，检测到起床的动作，则开启房间的灯光，可以减少 这种危险。因此，在老年人家中安装一套智能家居系统，不仅可以减少摔伤的为危险， 而且还可以方便老年人的生活，提高老年人的生活品质，提升老年人独立生活的能力。 综上所述，利用纺织材料、人体区域网、物联网、运动科学以及电子电路等技术， 以尊重个人生命价值和个人隐私，且不影响到老年人生活的前提下，建构一个基于物联 网技术的智能家居与基于人体区域网技术的穿戴式智慧衣相结合的智慧型居家养老照 护系统，对老年人的心血管疾病状况进行无创连续的监测，不仅方便老年人的生活起居， 提升独立自主的生活能力，活得健康，活得有品质，减少因老化所衍生的疾病问题，从 而缓解目前医务资源不足的矛盾，而且减轻我国社会养老的压力，对老年人事业“十二 五”规划也具有非常重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 智能家居除了能够实现灯光控制、视频监控等功能外，穿戴式居家养老照护将会是 以后非常有潜力的一个发展方向。这将促进移动医疗模式的发展，老年人不再需要到医 院就可以获得医疗服务，更重要的是能对健康状况进行连续的侦测，达到早诊断、早治 疗的效果。可穿戴式设备体积小、功耗低、使用方便、对健康连续侦测等特点，将会成 为智能家居在健康照护方面不可或缺的设备【6 j 。 可穿戴式智能设备是目前比较热门的技术之一，其实最早的可穿戴式设备在2 0 世 纪8 0 年代初就已经出现，当时身为高中生的史蒂夫曼恩( s t e v em a n n ) 将显示器像眼镜 大连理工大学专业学位硕士学位论文 一样架在眼前，输入设备可以是单手操作的按钮和定点设备，这就是早期可穿戴式智能 设备原型中的代表。随着计算机在硬件和软件两方面的快速发展，可穿戴式智能设备的 功能越来越强大，渐渐在医疗、军事、航天、工业等很多领域都展现出了非常重要的研 究价值和商业价值。 穿戴式智能设备的强势来袭，将改变人们以往的生活方式。通过这些穿戴式设备， 人们能够对自己的健康状况进行实时的监测，及时的预防疾病的发生；能够更加方便的 与亲人朋友进行沟通，实现更为无缝的交流。 国内外将穿戴式技术专门应用于老年人居家养老照护的研究还比较少。目前，穿戴 式技术主要应用在两个领域，一是运动健身的户外领域，另一个是医疗健康照护的领域。 在运动健身的户外领域，涉足这一领域的公司主要是提供专业户外运动的公司，以及一 些新创型的公司，以小型的胸带、手表、项链、耳机为主要形式，实现对呼吸、心率、 步数、步频、卡路里等指标的侦测、处理和分析。而在医疗健康照护领域，涉足这一领 域的公司主要是医疗便携设备公司，以穿戴式背心、腰带、内衣、植入式芯片为主要形 式，实现对血压、脉搏、心电信号等生理状况的侦测、处理与分析。 近几年，国外在穿戴式健康监测方法及应用仪器的研究方面取得了很大进展，其中 具有代表性的研究成果有：w e a r a b l em o t h e r b o a r d 穿戴式主板生理量测系统、l i f e s h i r t 穿戴式生命衫生理量测系统，以及s m a r ts h i r t 穿戴式心血管疾病连续监测系统。 美国的乔治亚理工学院在穿戴式领域取得了非常不错的成果，他们开发的w e a r a b l e m o t h e r b o a r d 是一件可以监控心跳的频率、血压、呼吸以及体温的穿戴式主板，其实物 如图1 1 所示。这件智慧衣在穿戴者出现危机生命的生理反应时，如心脏病发作时，会 自动发出求救信号，可降低突发性死亡的概率【7 j 。 图1 1 穿戴式主板 f i g 1 1 w e a r a b l em o t h e r b o a r d 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 美国南加利福利亚州的v i v o m e t r i c s 公司开发了一种即时监控生理健康状况的智慧 衣( l i f es h i r t ) 【8 】，其实物如图1 2 所示。可以记录血压、呼吸、心跳等3 0 多种生理信 号，且通过网络系统可以将健康数据信息及时的传送到v i v o m e t r i c s 公司，并利用系统 对数据进行处理和判读。将分析的结果发送到医院给医生诊断，达到及时掌握穿戴者身 体健康状况的功能。 图1 2 生命衫 f i g 1 2 l i f es h i r t 美国纽约的s e n s a t e x 公司运用导电纤维和棉纤维所交织而成的智慧衫( s m a r t s h i r t ) ，其实物如图1 3 所示。将感应生理状况的传感器植入织物中，使其具有完整的 医疗保健功能，可以侦测穿戴者的呼吸血压、脉搏、体温及卡路里的计算，并对所有量 测到的生理数据进行分析判断，然后传送到服务器。 图1 3 智慧衫 f i g 1 3 s m a r ts h i r t 大连理工大学专业学位硕士学位论文 除此之外，芬兰c l o t h i n g + 开发的s m a r ts h o u t ，欧洲的l e v i ss t r a u s s 与飞利浦实验 室合作开发的i c d + ，以及其他公司开发的夹在指尖的血氧测量仪、手腕式的血糖测量 仪、手腕式的睡眠品质监测仪、手腕式的睡眠生理监测仪、胸带式的心跳监护仪等等1 9 j ， 都是穿戴式技术在健康照护上的实际应用。 在国内，许多的公司也开始投入可穿戴式智能设备的研发中。目前，国内的可穿戴 式产品主要面向娱乐和运动，代表性的产品有百度网络技术有限公司推出的“咕咚 手 环、盛大网络技术有限公司推出的g e a k 智能手表、映趣科技有限公司推出的智能腕式 手表( i n w a t c h ) 等等。穿戴式产品在医疗健康照护方面的发展起步比较晚，对于心血 管疾病监测相关的技术还处于起步阶段，但是经过不断的探索和研究，也取得了很多有 价值的成果，例如李肃义利用小波变换、提升小波变换以及静态小波变换，对穿戴式心 电信号监测中的低频噪声进行了有效过滤【1 0 】，但是要将穿戴式技术运用于实际的健康照 护还需要一段时间。 1 。3 论文的研究内容及结构安排 本文共分为六章，每章安排及内容简介如下： 第一章为绪论，探讨了穿戴式智能居家养老照护系统的背景及意义，总结了国内外 穿戴式技术的研究现状及应用。 第二章介绍了穿戴式心电信号量测相关的生理学知识，包括心电信号的产生机理， 动态心电图心率变异性分析的时域分析和频域分析。 第三章对穿戴式智能居家养老照护系统的总体需求、硬件需求和软件需求进行了详 细的介绍。 第四章对穿戴式智能居家养老照护系统硬件设计与实现进行了详细的介绍，包括智 慧衣分设计与制作，穿戴式心电信号采集电路的设计与实现以及智能家居方案的设计与 实现。 第五章对穿戴式智能居家养老照护系统软件设计与实现进行了详细的介绍，包括系 统界面与照护信息更新的设计与实现，穿戴式心电信号采集软件的设计与实现，穿戴式 心电信号采集软件的设计与实现以及智能家居软件的设计与实现。 第六章对穿戴式智能居家养老照护系统的测试结果进行详细的介绍，包括系统界面 和信息更新的测试，穿戴式心电信号采集的测试，穿戴式心电信号分析的测试以及智能 家居的测试。 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 2 生理学相关知识介绍 本章主要对穿戴式技术相关的生理学知识进行简单的介绍，包括心电信号的产生机 理和动态心电图的心率变异性分析两个方面的内容。 2 1心电信号的产生机理 正常成人心脏节律性收缩是每分钟6 0 到1 0 0 下，如图2 1 画出了心脏控制收缩的特 殊兴奋与传导系统。大多数的心肌纤维都有自我兴奋的能力，这是一种能引发自主节律 性收缩的过程。当房室结未受到外界来源刺激时，以每分钟4 0 到6 0 次的内在节律速率 放电，蒲肯野纤维放电速率为每分钟1 5 到4 0 次，相比之下，位于右心房的窦房结的正 常速率为每分钟7 0 到8 0 次。因为窦房结的速率比房室结和蒲肯耶纤维的速率都要大的 多，所以窦房结通常控制了整个心脏的跳动速率，是心脏的正常整律器【1 1 1 。 图2 1 心脏传导系统 f i g 2 1 c a r d i a cc o n d u c t i o ns y s t e m 湮 心肌细胞在静息状态下是处于极化状态的，细胞膜的里面带负电荷，膜的外面带正 电荷，膜内和膜外保持动态的平衡，不产生电位的变化。当窦房结将心脏冲动传到心肌 细胞时，细胞膜里面带正电，膜外面带负电，导致心肌细胞的收缩，此时处于去极化状 态。过一小段时间，细胞又逐渐恢复成为静息状态，该过程称为再极化。心房和心室就 是通过反复的收缩和放松，将血液输送到全身的。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 当去极化电流经过心脏时，电流会扩散到心脏周围的组织，并且有一小部分会一直 传递到体表。如图2 2 所示，在医学临床上，可将电极贴片置于四肢或胸前，就可以记 录到心脏所产生的电位差，这个记录便是心电图( e c g ) 【l2 l ，这只是其中的一种导联， 根据电极片的不同位置，心电信号的监测有十二种导联方式。 一个心跳周期的心电图如图2 3 所示，心电图波形中的p 波代表心房的去极化收缩 所形成的结果；q r s 复合波群，代表心室去极化收缩的结果，在此同时心房产生再极化， 但是在心电图上无法看到此波形，因为它与q r s 复合波同时发生，且讯号信号小于心 室去极化产生的q r s 复合波；t 波代表心室再极化的结果；u 波很小，一般很难侦测到。 图2 2 心电图胸前导程 f i g 2 2 e c gc h e s tl e a d 图2 3 一个周期的正常心电图 f i g 2 3 e c go f n o r m a ls i n u sr h y t h m 在图2 3 中，p r 间期指的是从p 波起点到q r s 波群起点的一小段时间，正常人的 p r 间期在o 1 2 0 2 0 s 之间，代表节律兴奋从心房去极化开始到心室去极化开始的时间。 s t 段指的是心室去极化到心室再极化的一段时间，正常情况下，s t 段位于基线上，部 分正常人也会有轻度的下移或是抬高，下移不应该超过0 0 5 m v ，抬高不应该超过 0 0 5 m v 。q t 段指的是心室开始去极化到再极化的所有时间，其时间的长短与心率有很 大的关系。 2 2 动态心电图的心率变异性分析 心率变异性分析( h r v ) 是一种评估自主神经系统功能的重要方法，其本质是对窦 性心率不齐程度的定量分析。自主神经系统可以分为交感神经系统和副交感神经系统。 交感神经系统可以使得心跳速度加快、排汗量增加，以及肌肉收缩，并让人体呈紧张状 态。副交感神经系统则使心跳速度减慢、排汗量减少，以及肌肉放松，并让人体呈放松 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 状态，二者相互拮抗并保持动态平衡l i 引。 h r v 降低是自主神经系统发生改变的结果，跟很多疾病有关系，例如急性心肌梗 死、糖尿病、高血压、冠心病、心脏病等，所以可以用来研究相关的疾病、评判自主神 经系统的功能、对病人进行急诊监测、指导医生进行治疗、评估病人的病情和预后，例 如预测心脏病猝死、评估冠心病的预后、评估高血压的病情、评估糖尿病的病情等都是 h r v 在临床医学的应用。总之，h r v 的检测分析已经被广泛的应用于临床和研究i l 4 | 。 正常人的心跳并不是以个固定的频率在跳动，当激烈运动时，心跳可以增加到平 常的三倍。每次心跳间隔的时间是不一样的，会有几毫秒到几十毫秒的微小差异，即使 不运动的情况下，这种差异也是存在的，这种差异被称为心率变异性。心率变异性可利 用心电图进行分析，在心电图上，r 波时比较显著的波形，容易被侦测，所以最常用 r r 间期来代表心跳间期如图2 4 所示， r r - ri n l e n ，a i r 。 l 卜- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - - - 1 图2 4r - r 问期 f i g 2 4 r - ri n t e r v a l 目前，h r v 可以分为时域分析、频域分析以及非线性分析三种方法，本论文研究 主要对动态心电图进行了时域分析和频域分析，而非线性分析方法目前仍在发展中，需 要更多临床的研究进行验证，这里仅进行简单的介绍。 2 2 。1时域分析 时域分析是用5 分钟或2 4 小时的心电图记录作为基本资料，将连续心电图中的每 一个q r s 复合波的间隔侦测出来，相邻的r 波代表心跳的周期，此间距就是r - ri n t e r v a l ， 而有连续的r ri n t e r v a l 所组成的连续间期被称为n o r m a l - t o - n o r m a li n t e r v a l ，即n n 间 期，然后对n n 间期数据进行统计学计算。主要包括几何学分析方法和统计学分析方法 两大类。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 几何学分析方法 h r v 分析的几何学方法比较简单，通过n n 间期在直方图中的分布来评估h r v 的 大小。 n n 间期直方图指的是在一段时间内，统计出的n n 间期在直方图中的分布情况。 举个例子来说，就是以一个固定的n n 间期为间隔，例如1 2 5 6 s ，也就是3 9 0 6 m s ，统 计不同的n n 间期的心跳个数。假设n n 间期长度在8 0 0 8 0 3 9 0 6 m s 之间的心跳个数 有6 5 0 0 个，在8 0 3 9 0 6 8 0 7 9 2 0 m s 之间的心跳个数是4 8 0 0 个，依次类推将所有的心跳 数据进行统计。由这些数据画出的直方图就是n n 间期直方图，其中每个数据都是以 n n 间期相差3 9 0 6 m s 的时间间隔统计出来的。n n 间期直方图的形状与统计数时使用 的时间间隔有关，当横坐标时间间隔小时，画出的直方图矮而胖；当横坐标时间间隔大 时，画出的直方图窄而高。为了评估的一致性，采用1 2 5 6 s 作为横坐标时间间隔的标准。 n n 间期直方图的横坐标是n n 间期的长度( m s ) ，纵坐标是心跳个数【1 5 】。 正常人的心率变异性比较大，n n 间期的数值分布范围比较大，n n 间期直方图一 般有多个峰值，整个直方图的形状矮而胖。而自主神经系统受损的病人心率变异性比较 小，n n 间期的数值分布范围比较小，n n 间期直方图多呈单峰形状，直方图窄而高。 通过对大量正常人和病人的研究，这种方法在临床医学应用中取得了较好的效果。 ( 2 ) 统计学分析方法 统计学分析方法可以用于5 分钟短程的h r v 检测分析，也可以用于2 4 小时长程的 h r v 检测分析，可以用来评估自主神经系统对心率的调节作用。接下来对相关的指标 进行介绍： n n 5 0 表示5 分钟或者是2 4 小时内相邻n n 间期的差超过5 0 毫秒的心跳个数，单位心跳 个数。可以用来评估副交感神经对心率的调控作用大小。 p n n 5 0 表示5 分钟或者是2 4 小时内相邻n n 间期超过5 0 毫秒的心跳个数占总心跳个数的 百分比。p n n 5 0 和n n 5 0 的意义差不多，二者可以相互比较，正常参考值是4 4 2 9 0 。 s d n n 表示5 分钟或者是2 4 小时内全部n n 间期的标准差，单位毫秒( m s ) 。其正常参 考值是1 0 2 1 8 0 m s ，计算公式如下： s d n n ( m s ) - - ( 2 1 ) 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 式中，n 表示检测时间内n n 间期的个数，i 表示心搏顺序的序号，n n i 表示第i 个n n 间期，m e a n n n 表示n 个n n 间期的平均值。 r m s s d 表示5 分钟或者是2 4 小时内相邻n n 间期差的均方根，单位毫秒( m s ) 。可以用 来评估副交感神经对心率的调节作用大小，其正常参考值是2 4 5 4 m s ，计算公式如下： r m s s d ( m 0 - - ( 2 2 ) 式中，n 表示检测时间内n n 间期的个数，a n n ；表示第i 个相邻n n 间期的差。 s d a n n 这是一个2 4 小时的长程指标，单位毫秒( m s ) 。对心电信号进行2 4 小时无间断的 侦测，每5 分钟计算一次n n 间期的平均值，可以得到2 8 8 个5 分钟的n n 间期平均值， 然后，计算这2 8 8 个数据的平均值，最后，计算出这2 8 8 个数据的标准差，其正常参考 值是1 0 2 6 1 5 9 2 m s ，计算公式如下： s d a y n ( m s ) - - ( 2 3 ) 式中，m 表示2 4 小时分成的时间段数，即2 8 8 ，n n ；表示第i 段时间内n n 间期的 平均值，m e a n 雨表示m + l n i 的平均值。 2 2 2 频域分析 h r v 主要量测n n 间期变化大小和变化规律，h r v 时域分析的指标主要用于描述 h r v 整体的大小，不能详细分析交感神经和副交感神经各自活动的情况，而h r v 频谱 分析正好可以弥补这个缺点。 h r v 频域分析是指对5 分钟内或2 4 小时内的连续n n 间期进行频谱分析，推荐使 用5 分钟短程检测的频谱分析。目前，应用于h r v 频域分析的方法主要有基于自回归 a r 模型的频谱分析和基于快速傅里叶变化( f f t ) 的频谱分析。自回归a r 模型分析方 法得到的频谱曲线光滑，当n n 间期数据比较少时，也能够计算出频谱的成分，但是计 算比较复杂，速度慢。因此本论文采用基于f f t 的频谱分析。 基于f f t 的频谱分析是将n n 间期数据进行快速傅里叶变化，然后计算出功率谱密 度( p s d ) ，其计算公式如下： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 p 驴) 2 志p 荟y 2 枇l2 志p 扩) f 2 4 式中，a t 表示采样时间，y ( k ) 是n n 间期原始数据经过等间隔重新抽样后得到的数 据，代表按时间顺序排列的n n 间期变化规律，y ( 厂) 是y ( k ) 的离散傅里叶变换的结果。 基于f f t 的频谱分析大致可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 在数学上，离散的傅里叶变化只适合对等间隔采样数据进行变换，由于每个 心搏的r r 间期并不相等，n n 间期的数据在时间上是不等间隔的，因此需要把n n 间 期的数据通过重新抽样变成等间隔的数据。 ( 2 ) n n 间期数据是有限区间的离散信号，这段时间之外没有数据或都是零，这 种有限的离散信号在傅里叶变换时会产生频谱的畸变，所以对重新抽样后的n n 间期数 据使用窗处理技术，例如汉宁窗函数( h a n n i n gw i n d o wf u n c t i o n ) ，使得n n 间期数据 进行傅里叶变换后得到的曲线更加平滑。 ( 3 ) 通过离散快速傅里叶变换得到功率谱密度曲线，等到的曲线如图2 5 所示。 o o 1 o 2 o 3 o 4 h z 图2 5 功率谱密度曲线 f i g 2 5 p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( 4 ) 对功率谱密度曲线函数进行相应的计算，可以计算出以下的七个指标： 总功率( t o t a lp o w e r ，t p ) 指功率谱密度曲线函数在0 - 0 4 h z 范围内的积分值，单位m s 2 。代表总的变异性。 高频功率( h i g hf r e q u e n c yp o w e r ，h f ) 指功率谱密度曲线函数在o 1 5 0 4 h z 范围内的积分值，单位m s 2 。代表副交感神经 活性的指标。 穿戴式智能居家养老照护系统的设计与实现 低频功率( 1 0 wf r e q u e n c yp o w e r ，l f ) 指功率谱密度曲线函数在0 0 4 0 1 5 h z 范围内的积分值，单位m s 2 。代表交感神经 与副交感神经同时调控的指标。 极低频功率( v e r yl o w 仔e q u e n c yp o w e r ，v l f ) 指功率谱密度曲线函数在0 0 0 3 0 0 4 h z 范围内的积分值，单位m s 2 。其生理意义不 明确。 归一化低频功率( n o r m a l i z e dl f ，l fn o r m ) 低频功率几总功率极低频功率) 1 0 0 。代表交感神经活性的指标。 归一化高频功率( n o r m a l i z e dh f ，h fn o r m ) 高频功率总功率极低频功率) 1 0 0 。代表副交感神经活性的指标。 低频高频功率比值( l f 砸) 指低频功率与高频功率的比值，代表交感神经和副交感神经调控的指标。 2 2 3 非线性分析 前面两个小节讨论的心率变异性时域分析方法和频域分析方法都是属于线性方法。 线性方法多年来被用于医学临床研究，通过对大量样本的长期随访，研究结果的已经得 到验证，并被广泛应用于医学临床研究。由于心率的变化受到许多因素的影响，例如受 到呼吸快慢、电生理变化、激素变化、自主神经系统控制和中枢神经系统控制等多种因 素影响，心率的波动是一个非常复杂的过程，并不是一个线性的过程。因此，心率变异 性的线性分析方法并不能完全的分析出心率变化的过程。用线性方法来为非线性的心率 调控建立数学模型，这不仅使得线性分析方法的分析结果不能得到比较好的医学临床解 释，而且也降低了疾病预测的准确性。 随着非线性动力学的研究的快速进展，非线性动力学在化学、物理学、计算科学等 诸多领域的研究中取得了一定的成果。用非线性动力学方法来研究角度来研究心率变异 性这个复杂的过程，可以获得更多心率变异性中隐藏的信息，提高心率变异性作为疾病 预测和指导治疗的准确性。 目前，非线性方法学在已经开始被用来研究心率变异性，例如p o i n c a r e 散点图，又 称为l o r e n z 散点图，定性分析可以将散点图可以分为彗星型、鱼雷型、短棒型、扇型 以及复杂型五种，定量分析有散点图长度和散点图离散度两个定量指标，但是这些方法 还处于研究的初级阶段，心率变异性的非线性分析在应用于临床治疗之前，需要大量的 研究和临床试验1 1 7 j 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 需求分析 在明确了研究的背景和研究的意义之后，想要开发一个完整的居家养老照护系统， 还需要明确老年人对这个系统的需要。因此，对长庚养生文化村的老年人进行了调查走 访，同时，也与长庚医院的医生进行了多次的探讨。最终明确了穿戴式智能居家养老照 护系统需要实现什么样的功能。 3 1总体需求 本系统相对目前市面上的智能家居系统来讲，将穿戴式技术应用在智能家居的老年 人健康照护上，是本系统的一大特色。在综合考虑了养生文化村的老年人和长庚医院的 医生的意见后，本系统的总体需求如下： ( 1 ) 系统的操作界面既简单又美观； ( 2 ) 穿戴式智慧衣要让老年人感觉到舒适，对身体活动的限制少，具有良好的弹 性，确保能与老年人皮肤进行完好的接触，且不能对皮肤有害，能够反复的清洗。 ( 3 ) 通过穿戴式智慧衣获取老年人的心电信号，并对心电信号数据进行分析和判 读，当发生危险时，能自动向医院和监护人发出求救信号； ( 4 ) 实现智能家居的基本功能，例如灯光控制、门窗控制、实时监控等功能； ( 5 ) 提供最新的日常健康护理安排信息，记录每天身体状况、情绪反应及日常护 理并上传到医院的服务器，医生能够根据上传的信息对日常照护计划进调整； ( 6 ) 提供的居家护理、生活服务、接送服务、幸福医疗、照护用具、养生餐点相 关的服务信息，并能够自动更新； ( 7 ) 将相关的健康数据传输到云端，建立健康数据库，能够实时的查看个人的健 康数据信息； ( 8 ) 保证老年人的隐私、老年人的健康数据以及整个的系统安全。 3 2 硬件需求分析 要开发一套完整的智慧型居家养老照护系统，离不开硬件的支持。结合总体需求需 要实现的目标，在硬件方面提出了以下的需求： (