（机械电子工程专业论文）人体体征监测系统的研究.pdf

堕玺萋三些奎兰三兰堡圭兰堡墼圣 摘要 针对老弱病和潜在危险群体可能在没有医护人员和家属照料下出现异常 情况的危险，该论文课题依托国家8 6 3 项目“移动式危险传染病应急诊疗病 房系统”，研究开发出了一套可分离式人体监测装置和一套心肺音监测装 置。 该文详尽分析了常见体征参数的变化规律以及测量研究的意义。论文对 n t c 热敏电阻、高分子湿敏元件和桥式硅压阻传感器等各种医疗监测传感 元件的工作机理进行了深入探讨，借鉴了国内外医疗监护仪器设备的优缺 点，确定了合理的监测方法和监测器件。在此基础上研制了具有自己特色的 测量和控制电路，完成了两套装置的设计、安装和调试。并且以两套装置为 核心与计算机一起组建了远程医疗监测系统。论文提出了用模糊测量技术用 于出汗状态监测的构思，较好的解决了异常出汗的监测问题。论文中把桥式 硅压阻传感器和微型气泵等新型器件用于血压测量，研究了相应的测量和控 制方法，减小了血压测量单元的体积和重量，提高了监测性能指标和稳定 性。论文中把体温、出汗、血压和脉搏等多种参数监测集成到一套便携装置 中，实现了多功能脏测。心肺音监测装置把医生人工监测和心肺音自动显 示、记录相结合，实现了综合优势。采用高性能的m e m s 麦克风和声音探 头设计解决了微弱心肺音采样问题，通过选择性滤波和低噪音放大实现高灵 敏度心肺音监测。论文课题通过可分离技术和网络通讯技术相结合，使两套 监测装置既可以便携、独立操作，也可以与控制中心计算机联网组成远程监 测系统，实现远程报警和监测数据汇总分析。通过与传统监测仪器、国外相 应电子监测装置的对比试验，证明了本文研究成果的有效性和可靠性。主要 技术指标达到了预定蚕求。其中出汗监测指标没有相关监测装置进行对比， 只能通过与人工目测对比验证其正确性。 关键词人体体征监测；无创血压测量； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo f c h i n a ，( 2 0 0 3 a a 4 2 10 5 0 ) ，t h a ti s ，t r a v e l i n gw a r ds y s t e mo fe m e r g e n td i a g n o s i s a n dt r e a t m e n tf o rd a n g e r o u se p i d e m i ca sf o u n d a t i o n ，t h ea u t h o ri nt h i sp a p e r d e v e l o p st w os e t so fd e v i c e s o n ei s t h e s e p a r a b l eh u m a nb o d ym o n i t o r , a n d a n o t h e ri sc a r d i o p u t m o n a r ym o n i t o r b o t ho ft h e ma r ed e s i g n e df o rt h ea b n o r m a l d a n g e rt h a ts u c ht a r g e tp e o p l ea st h eo l d ，s i c k ，w e a ka n dt h o s ei n t h ep o t e n t i a l d a n g e ro nt h ec o n d i t i o n o fa b s e n c eo ft h em e d i c a ls t a f fa n dt h e i rr e l a t i v e s 、c a r e 1 1 1 ep a p e ra l s oa n a l y z e si nd e t a i lt h ec h a n g i n gr e g u l a t i o no fc o m m o n l ys e e n p h y s i c a ls i g np a r a m e t e r sa n ds i g n i f i c a n c eo f t h em e a s u r e m e n tr e s e a r c h s o m e w o r k i n g m e c h a n i s mo fk i n d so ft h es e n s o re l e m e n t so ft h em e d i c a lm o n i t o r ss u c h a sn t ct h e r m i s t o r , m a c r o m o l e c u l em o i s t u r es e n s o r , s i l i c o np i e z o r e s i s t i v eb r i d g e p r e s s u r ee l e m e n t ，e t c ，a r ed e e p l yi n v e s t i g a t e m o r e o v e r ，w i t ht h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f m e d i c a lm o n i t o rm a d ei nb o t ha th o m ea n da b r o a da sr e f e r e n c e ， t h er e a s o n a b l em e a s u r e m e n tm e t h o da n de l e m e n t si nt h i sp a p e ra r ec o n f i r m e d m e a n w h i l e ，b o t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lc i r c u i tw i t h t h eu n i q u ef e a t u r e sa n dd e s i g n ，i n s t a l l m e n ta n da d j u s t m e n to ft h e s et w os e t so f m o n i t o r sa r ea l s ob a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h e s a n dt h e s et w os e t so f m o n i t o r s ， a st h ec o r ec o m p o n e n t s ，a r ec o n n e c t e dt ot h ec o m p u t e rs y s t e mt of o r mar e m o t e m e d i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m t h ea u t h o ri nt h ep a p e rp r o p o s e san e wf o r m u l af o r a p p l y i n gf u z z ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u et o m o n i t o rp e r s p i r e ，w h i c hw i l lb e r e r s o l v et h ep r o b l e mi nm o n i t o r i n gt h ea b n o r m a lp e r s p i r e i nt h ep a p e r , s u c ht h e n e w l y d e v e l o p e de l e m e n t sa sb r i d g es i l i c o nd e p e n d e n tr e s i s t o r ，m i c r oa i rp u m p a n de t c ，a r e a p p l i e dt o b l o o dp r e s s u r em e a m , r e m e u ti no r d e rt or e d u c et h e v o l u m ea n dw e i g h td fb l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n tu n i ta n dt o i m p r o v et h e s p e c i f i c a t i o n a n d s t a b i l i t y o f m o n i t o r i n gp e r f o r m a n c e t h e f u n c t i o n sf o r m o n i t o r i n g t h ed i f f e r e n t p a r a m e t e r s ，s u c h a s t e m p e r a t u r e ，p e r s p i r e ，b l o o d p r e s s u r e ，p u l s e a n de t c ，a r ea l l i n t e g r a t e d i n t oas e to ft h ep o r t a b l ed e v i c e t o g e t h e r , w h i c he n a b l e sm u l t i - f u n c t i o nm o n i t o r i n g t oc o m e t r u e c a r d i o p u l m o n a r y m e a s u r e m e n td e v i c e i n t e g r a t e s t h ea r t i f i c i a l m o n i t o r i n gw i t h t h ef u n c t i o no f a u t o m a t i c a l l yd i s p l a y i n ga n dr e c o r d i n gc a r d i o p u l m o n a r yt or e a l i z et h ea d v a n t a g e 儿 堕堡堡三些查耋三兰堡当耋堡篁兰 i n t e g r a t i o n t h ed e s i g nw i t hh i g hp e r f o r m a n c em e m sm i c r o p h o n ea n ds o l d d e t e c t o ri n s t a l l e dp r o v i d e sab e t t e rs o l u t i o nt ot h ep r o b l e mi ns a m p l i n gt h ef e e b l e c a r d i o p u l m o n a r y , a n de n a b l e st h ec a r d i o p u l m o n a r yt o b em o n i t o r e di nav e r y h i g hs e n s i t i v i t yt h r o u g ht h es e l e c t i v ef i l t e r i n g a n dt h el o wn o i s ea m p l i f y i n g a c c o r d i n g t or e s e a r c h e si nt h e p a p e r , t h r o u 曲i n t e g r a t i o n o ft h e s e p a r a b l e t e c h n o l o g ya n d n e t w o r ka n dt e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yt h ea b o v et w o s e t so f m o n i t o r sa r ed e s i g n e dt of u n c t i o nb o t hp o r t a b l ya n da l o n e ，a n dt ob ec o n n e c t e dt o t h e c o m p u t e rs y s t e mo fc o n t r o l c e n t r et of o r mr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mt o r e a l i z er e m o t ea l a r ma n dc o l l e c t i o na n da n a l y s i so f m o n i t o r i n gd a t a t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm o n i t o r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g f o r e i g ne l e c t r o n i cm o n i t o r s ，t h er e s u l to f t h i se x p e r i m e n ts h o w st h a tt h er e s u l to f t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sv a l i da n dr e l i a b l e ，a n dt h em a i nt e c h n i c a li n d e x e s a l s or e a c ht h ee x p e c t a n td e m a n d b e c a u s et h ei n d e xi np e r s p i r em o n i t o r i n gi sn o t c o m p a r e dw i t ht h a to f t h ec o r r e s p o n d i n gm o n i t o r , t h ec o m p a r i s o nw i t ha r t i f i c i a l e y e b a l l i n gi st h eo n l yw a y t ov a l i d a t ei t sv a l i d i t y k e y w o r d s h u m a np h y s i c a l s i g nm o n i t o r i n g ，n o n i n v a s i v e b l o o d p r e s s u r e m e a s u r e m e n t ，c a r d i o p u l m o n a r ys o u n d m e a s u r e m e n t i l i 堕查鎏三些查兰三兰堡圭兰堡丝奎 1 1 课题背景 第1 章绪论 目前，在医院和家庭都存在着大量患有比较严重的病症，但是仍然具有一 定的生活自理能力的病人。这些病人并不需要时时刻刻躺在病床上由家属或医 护人员随时照顾。他们平时有足够的能力照顾自己，也需要适当是运动来改善 自己的身体状况。但是他们离开别人照料也确实有随时有发病的危险。对于这 类患者，我们既要鼓励他们做一些运动以改善体质，也要随时提防这些病人出 现的危险。对于这类病人的家庭监护需求非常大，可是市场上很少有满足这种 需求的分离式综合性监护装置。 病患监护系统对于减轻家属和医护人员压力，确保患者安全具有重要意 义。通过佩戴简单轻便的监护仪，依靠有效的报警通讯功能，患者可以脱离监 护人员的视线进行部分活动，而不必担心出现危险。通过测量主机与监护仪的 配套，可以实现比较完善的人体医学测量，提供简单的医学诊断和辅助治疗功 能。利用计算机还可以实现实时数据传输和医患远程交流。 医学监护技术是一门综合性科学，是集现代科技、现代医学、物理学、计 算机技术等多学科基础的综合技术【l 】。医疗水乎的提高，科学技术的发展，为 监护技术和设备的发展提供了有利的支持和发展空间。医学信号信息的变换， 提取及处理分析技术是现代医学监护技术的关键技术。新型传感器的研究开发 与应用，有利于提高这些参数的采集、分析、处理过程中的稳定性、可靠性和 准确性。 目前，许多重要的生理参数和信息在无创连续测量提供方面还存在困难。 例如，血压的连续测量，它需要用有创的方法，这不仅对病人造成伤害还会产 生交叉感染，因此无创测量技术是需要发展的新技术。现代监护设备应尽可能 向轻型化、无线化、一体化、综合化方面发展，实现单机多功能、综合监护。 随着网络通讯技术的发展，监护仪向网络化、家庭远程化方面发展将成为必 然。现代监护仪通过一个网络系统和接口使临床医生远程访问存取x 光照片， 存档数据，实验室结果、报告、相关协议及更多的信息，实现真正的临床信息 整合。 堕查鎏三些奎兰三兰璧圭耋堡丝圣 1 2 现代监护仪的应用特点 随着监护技术的不断更新和发展，用户需求也逐渐朝多样性方向发展。型 号、规格、功能各异的监护仪已普遍进入医学监护领域。其特点有如下几个方 面。 小型化：在实现机器同等功能的情况下，缩小整机的体积。 插件式：目前广泛应用的监护仪结构上都采用插件式，测试参数实现了多 样性，使监护仪的功能扩展，换代升级功能模块的互换等 2 1 极为方便。 高灵活性：现代监护仪设计非常灵活，用户可根据需要选择显示器( 尺寸 与显示方式) 、用户界面( 中文，英文) 、各种测量功能( 测量模块的增减) 及 测量技术。 功能的可靠性：由于不断采用新的方法和技术，监护仪在功能和性能方面 有了很大提高。如心电监护方面，应用模式识别技术对心电信号的处理功能越 来越强。先进的屏蔽技术使得现代医学监护设备可以与电磁辐射较强的仪器 ( 如高频电刀，心电除颤器等) 同时使用。采用心律同步技术，使无创血压和 脉搏血氧饱和度检测的准确性得到提高。 安全性：采用浮地，开关电源等先进的隔离技术，防止病人和操作人员遭 受电击的危险。 网络化：由于计算机技术和网络通讯技术的发展，通过国际互联网，医院 主干网络或其他专用临床网络，可以实现病人数据，信息的双向传递 3 1 。 1 3 病患监护仪的国内外发展现状 自从1 9 0 3 年发明第一台弦线型心电图仪后，人们逐渐认识到心电图学的 研究对预防心血管疾病有着极其重要的意义。据统计，全世界每年有上千万人 死于呼吸衰竭、心血管疾病。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各 国医学界所重视。2 0 世纪7 0 年代开发和生产出单一功能的监护设备以来，得 到了临床广泛的应用。但单一功能的监护设备远远不能满足临床的需要，严重 制约了医院对广大危重病人的救护。进入2 0 世纪9 0 年代，随着传感器技术和 电子技术的发展，监护参数的不断增多，由过去的单一参数监护发展为多参数 监护。比如由单一的心电监护、血压监护、血氧饱和度监护，逐步发展成为包 括心电、呼吸、无创血压、双体温( 体表温、体腔温) 、血氧饱和度、有创血 压、呼吸末二氧化碳、心输出量及麻醉气体分析等在内的多参数监护仪【4 j ，这 童玺堡三些查耋三兰堡圭兰竺篁耋 些设备正在医院l 晦床的诊治中发挥着积极的作用。 在多参数监护仪不断发展的同时，也加强了各种 监护参数的记录和分析，特别是对异常波形的自动记 录与分析。多参数监护仪采用了美国心脏病学会 a h a 认证的1 2s l 心电分析的标准，为重症心脏 病患者及临床医师带来全面、迅速而准确的诊断与处 理。对于各种胸痛的病人，1 2s l “还可以将病人 s t 段的监护数据传至数据回放与分析系统中再处 理，并选取综合波进行再分析。对于病人躁动或其他 原因引起的干扰，多参数监护仪可以导联纵向比较、 质询，从而将干扰信号完全排除。示波法是2 0 世纪 7 0 年代发展起来的无创伤性动脉血压测量方法，在过去的测量过程中，由于 病人的运动或外界干扰影响袖带内的压力变化时，仪器将无法检测不规则的动 脉波动，因此就可能导致测量失败。目前监护仪已采用了抗干扰的阶梯放气 法，是由软件来自动判断干扰与正常的动脉脉动波，从而在一定程度上具有抗 干扰能力 5 1 。 越来越多的嵌入式解决方案提供商对移动及无线医疗设备提出了他们自己 的解决之道。一些创业公司正在研制嵌入医用传感器的衬衫、手表及戒指等， 将它们用于监护人体各种生理参数及对病情进行监测，移动式监护技术的好处 很多，如病人不必住在医院、在家轻松获 得看病用药的基本医疗数据、病人信息更 加全面、活动基本不受限制等诸多好处。 目前，大多数监护产品都需要通过导线将 数据传到p d a 或p c 进行分析，但无线监 护仪也已经开始进入临床应用及日常保健 医疗工作中。 目前，进入这个前景十分看好的市场 的公司及它们的业务都有哪些? 加州 v i v o m e t r i c s 公司成立了l i f e s h i r t 公司，正 在开发装有传感器的衬衫，这种衬衫上的 传感装置能对人体呼吸功能进行监护，患 有睡眠呼吸暂停综合征穿上它后，病人将 不必到医院专门的睡眠诊室专门花上一 堕堡鎏三些查兰三兰鎏圭耋堡篁圣 夜，才能进行诊断的不便之苦，目前，这种衬衫已被用在5 种药物的临床试验 研究之中，对病人数据进行收集，公司创始人a n d r e wb e h a r 称，这将是个 增长极快的产业。在意大利，医生使用他们发明的这种衬衫在家中对病入实施 监护，减少了病人住院的时间。 匹滋堡b o d y m e d i a 公司研制出像s e n s e w e a r 接收器这样的产品，这种外形类似交通警佩带的臂 章的接收器去年由罗氏诊断公司推向市场，是种 减肥监测仪，售价3 0 0 4 0 0 美元。 在欧洲，借助现在小巧、价低的嵌入式计算机 和无线网络技术，开发各种能穿在身上的监护系统的研究工作开展得非常之 好，投入的经费大约在l ，6 0 0 万美元。爱立信、诺基亚和飞利浦等公司都在进 行相应的研究开发工作。 飞利浦目前研究的一个项目是m y h e a r t ，也就是开发能对心脏进行监护的 衣服，一项由欧盟提供部份资金的四年计划。m y r l e a r t 不断研发产品用于体重 控制、增加康体活动，以及改善睡眠质量等降低染上心脏衄管疾病机会的重要 因素。 m y h e a r t 也正在研发能识别心脏血管疾病早期征兆的电子装置。这些装置 会连续监测您的重要生理状况，例如心跳和呼吸节奏，并可针对任何变化提出 警告。这些装置可以与衣物布料结合，即所谓的“生物医学服装( b i o m e d i c a l c l o t h i n g ) ”。由这些装置所侦测的信息，也可以透过浴室内一面具备特殊用户接 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 口的镜子加以存取。 爱立信研制的系统是m o b i h e a l t h ，目前正在欧洲进行测试，该系统以 p d a 为依托，将所收集的数据通过无线电话网络系统传输给医生，供医生诊断 咨询及治疗监护之用，m o b i h e a l t h 通过蓝牙技术与放置在人体上的传感器进行 连接，将传感器获取的病人数据传到医生诊断室。 腕式血压计是目前市场上很常见的产品：美国福禄克( f l u k e ) 公司的b p p u m p2 无创血压监护仪测试仪可快速准确检测所有成人新生儿袖带式血压 监护仪。它能提供动态血压模拟、静态校准、自动泄漏测试以及高低压释放检 定，并具有扩展功能。此外，它具有包括平坦及颠簸路面的模拟运动抗干扰功 能。 日本西铁城腕式电子血压计可以1 5 秒就完成测量；采用数字显示方式； 通过泵自动加压；定速排气泵减压：通过电磁阀快速自动排气；测定范围：压 力0 2 8 0 m m h g ，刻度值l m m h g ，脉搏4 0 2 0 0 次分；精度：压力4 m m h g 脉 搏5 ；加压设定值：1 6 0 、2 0 0 、2 4 0 、2 8 0 m m h g4 个阶段，该系列血压计有 其独到之处，臂式独创可连接医用水银血压计，随时进行校准；腕式突出人性 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 化设计，无需费力捆扎；智能型以快捷、舒适、精确见长。 日本松下e w 3 0 3 2 型全自动腕式电子血压计采用示波法检测方式及模糊理 论的测量方式：数字式液晶显示：振动片式泵的加压调整；急速排气阀排气： 半导体压力传感器进行压力和脉搏检测；测量范围：压力： o 3 7 3 k p a ( 0 2 8 0 m m h g ) ，脉搏数：( 3 0 1 6 0 ) 次分，准确度：压力： 士o 4 p a ( + 3 m m h 蓟以内，脉搏数：士5 以内。 监护系统是集测量、控制、报 警、记录等多种功能集于一体的医学 仪器，它能迅速、连续地显示或记录 患者和手术后病人的各种重要生理参 数。当被监护的参数超过上、下限值 时仪器能自动报警，使医生及时发现 异常变化，可及时治疗或作其他处 理。为医务人员迅速及时地提供病 情，提高了监护质量，有效地降低了 由于疾病危急的趋势未被及时发现所 造成的死亡率。 1 4 本文主要研究内容 本课题为国家8 6 3 项目“移动式危险传染病应急诊疗病房系统”的一个重 要组成部分，研究开发一套可用于医院传染病房的可分离式病患监护系统。并 且对相关技术进行了深入研究。病患监护系统包括人体监测装置、心肺音监测 装置和计算机数据处理控制系统。人体监测装置要求能测量被监测人的体表温 度、出汗状况、血压、脉搏等参数 6 1 并传输至计算机。心肺音监测装置要求测 量被监测人的心、肺音，放大并输出至耳机，同时提供模拟输出，给计算机进 行波形分析。 主要技术要求： 1 人体监测装置 精度指标： 体温测量精度0 1 ； 出汗：无汗、有、大汗； 血压测量精度4 m m h g ； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 脉搏测量精度士5 以内。 功能指标： 自动测量； l c d 数字显示； 血压测量自动充气和放气； 计算机串口通讯。 2 心肺音监测装置 心、肺音开关选择。 心、肺音耳机输出，声音清晰可调、噪音小，可分辨正常心率和心杂 音，可分辨呼吸音、干罗音、湿罗音。 心、肺音模拟输出，可输出o 5 v 电压信号，提供给计算机进行波形 分析。 结合项目要求，本课题进行研究的主要内容如下： 1 对体温、出汗、血压、脉搏、心音、肺音等体征参数的变化规律及主 要影响因素进行分析； 2 对医疗监测所需传感元件的工作机理及应用范围进行探讨； 3 探讨并提出异常出汗的监测方法； 4 对几种血压、脉搏测量的方法进行比较，分析每种方法的优缺点及适 用条件，并加以选择； 5 解决心肺音微弱信号采样处理难题； 6 在前述研究的基础上研制具有自己特色的测量和控制电路，完成人体 监测装置和心肺音监测装置的设计、安装和调试。通过远程通讯方式 共同组建人体体征监测系统。 堕堡堡三些查兰三兰堡圭兰堡篁兰 第2 章体温与异常出汗的监测单元的研究 2 1 引言 体温是身体健康状况及疾病的重要情报。中西医都很重视对体温的诊断， 事实上，许多疾病都可导致深度体温或局部体温的异常【7 】【8 】。所以，体温监测 一直是临床诊断的一种重要的辅助手段，它既有其生理学的意义，又有其临床 医学的意义。把握日常的体温状况，也是有效检测和预防疾病的重用手段及对 策。 在任何情况下，正常人体的组织间液直接渗出皮肤或者是体内水分通过皮 肤角质层扩散到体表继而蒸发后散失到大气中，这种排湿方式称为非显性出 汗，它不受体温调节中枢的控制，其值随人体的活动状态和环境温度的变动而 变化。当环境温度升高或活动强度增大时，人体通过辐射和对流途径散发的热 量不足以带走代谢产生的热量。为维持体热平衡，汗腺开始分泌汗液，即显性 出汗。 2 2 监测方法和工作原理 2 2 1 体温监测的方法研究 人的体温一般维持在3 7 左右的范围内，但仅限于大脑、胸部、腹部等被 称为内脏器官的温度。手、足等部分会受外部温度条件的变化( 炎热、寒冷 等) 而发生变动。我们称前者为体腔温。后者为体表温。通常是体腔温测量口 腔温度或直肠温度，体表温测量通常测量腋下温度。测量装置需要有0 1 的 高分辨率。要求监测的体腔温度范围大约为3 6 州，而体表温度范围大约为 3 2 , - 4 0 。人体保持一定时间的安静后，安定的状态下测得的体温被称为基础 体温。基础体温随着人体活动略有微妙的变化。一般口腔温度：3 6 3 7 ，直 肠温度：比口腔温度高o 3 0 5 ，腋下温度：比口腔温度低0 3 0 5 。体腔 温中温度最高的是直肠温度，但是热响应有较大的滞后【9 】。因为体温调节中枢 在下丘脑，人们推测下丘脑应是体温变化的敏感区，但是无法直接测量，理想 的替代部位是鼓膜【l 们。皮肤是人体与环境的界面，其温度既受体内传热的控 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 制，又受环境条件的严重影响。局部皮肤温度是临床诊断的珍贵资料。测量皮 肤温度较为容易，它有以下特点：温度梯度，躯干部分很小，肢体部分较大， 环境变冷时增大，变热时减小1 1 】；具有很好的对称性，最大偏差( 小指处) 不 超过2o c t l 2 1 。此监测装置综合考虑实际测量的易用性和快速性，以及满足监测 要求的目的，采用在腕部进行体表温监测。 2 2 2 体温监测的工作原理 人工体温测量主要采用水银体温计测量体温。自动体温测量多采用精密 n t c 热敏电阻【1 3 】。n t c 热敏电阻即负温度系数热敏电阻【1 4 0 5 1 。材料由高纯度 m n 、c u 、c o 、n i 等过渡金属元素氧化物【1 6 1 ，经1 2 0 0 - - d 4 0 0 c 高温采用陶瓷工 艺烧结而成。材料的特性与配方中各氧化物的组成比例、烧成条件、退火条件 的等密切相关【1 7 1 。n t c 热敏电阻具有以下特性：自身稳定，电极材料稳定， 高密度与引出线接合能力强；电阻材料、电极引出线以及包封材料间热膨胀系 数匹配；引线、包封材料耐热且稳定：包封材料具有良好的绝缘性；具有较高 的耐热性、耐冲击性和可靠性【1 8 1 。n t c 材料的一个很重要的特性是电阻率p 和b 值在相当宽的范围内能基本保持一致【1 9 1 。精密n t c 热敏电阻的特点是： 尺寸小( o 6 x 0 6 m m ) ，阻值范围宽( 1 k r 卜1 m q ) ，阻值精度高士1 ，b 值精度 比较高( 士1 吐2 ) 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 】团1 。 n t c 热敏电阻的温度特性如式( 2 1 ) ： b ( ；毒) r ( t ) = r ( 瓦) e 。“( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中b 值反映了温度r 与乃之间的电阻变化，可用公式( 2 2 ) 计算： b ：i n r ( t ) - i n r ( t o ) ( 2 - 2 ) i ，2 l - 1 z j 耗散系数j ( m 、w ) 是指热敏电阻消耗的功率与环境温度变化之比，可通 过公式f 2 3 ) 计算得到： 艿：l ：上生f 2 - 3 、 2 0 2 ：2 0 t 。 其中：w ：热敏电阻消耗的功率( r o w ) r ：热平衡时的温度 a ：周围环境温度 ，：在温度t 时通过热敏电阻电流 r ：在温度t 时热敏电阻的电阻值( q ) 2 筌鎏三些查兰三兰丝圭兰竺鎏；兰； 本装胃体温传感器采用的是高响应、高灵敏度的p s b s 3 型n t c 热敏电 阻。p s b s 3 ，用厚膜成型法制作电极，用镀镍引线固定，元件和引脚部分，在 高温下用合金熔接，然后用熔融的玻璃密封。在空气中热时间常数可达到3 2 s 的高响应速率，r = 1 0 k d a ：1 5 1 ( 3 7 时) ，b = 3 9 3 6 k _ - i ：1 ，热耗散常数约为 0 6 r o w 。 采用如图2 1 放大电路放大，放大器选用运算放大器l m 3 2 4 ，通过体温 传感器将采集的体温信号转换为电信号，经过放大电路放大，通过装置控制单 片机芯片p i c l 6 f 7 3 t “】内部的模数转换器将电压信号转换为数字信号存储，通 过软件数据处理后转换成相应的b c d 码，再由译码子程序将该b c d 码转换为 7 段码，最后由显示予程序送l e d 显示，并可通过串口将数据传输至计算机。 r f 图2 一l 体温传感器工作原理图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i c o f t e m p e r a t u r es e n s o rw o r k i n g 经过计算、试验调整后确定参数，体温传感器测量电路如图2 2 所示， 其中电阻选取时通过测量挑选，保持r l 、r 3 ；心、r 7 ；r 2 、r 1 0 阻值尽量相 同，以减小因阻值误差对测量精度的影响。 f#i 体盘 图2 2 体温传感器测量电路 f i g 2 - 2 m e a s u r i n g c i r c u i to f t e m p e r a t u r es e n s o r 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 测温子程序流程如图2 3 所示： l选择并设置相应端口 i r t l 进行l o 次信号采集并进行加转换 i对a d 转换的数据进行数据处理 j将处理后的数值显示在l c d 上 圈2 3 测温子程序流程图 f i g 2 - 3f l o wo f b o d yt e m p e r a t u r em e a s u r i n gs u b r o u t i n e 2 2 3 异常出汗监测方法的研究 出汗是一种依靠汗液蒸发增加人体散热量的体温调节方式。当我们觉得热 的时候或者在做运动的过程中，出汗可以通过汗液的蒸发帮助机体把体温降低 到正常水平。但是，汗出得异常不是件好事。从中医角度来看，汗是津液的代 谢产物，血汗同源，因此出汗过多会耗气，也会伤及津液而损于心血，如果汗 出得异常就是某些疾病在体表的表现。人体大量出汗则是表现疾病发作的重要 特征。医学上将在醒觉状态下出汗，称为“自汗”；将睡眠中出汗称之为“盗 汗”。自汗与盗汗都是常见的异常出汗。对于异常出汗的监测，可以对医生进 行疾病诊断及护理产生重要的参考价值。 目前，未见有人体出汗监测方法的研究，而在环境实验设备等高精度湿度 测量时，往往采用双温通风干湿球测量法，即用一只热电阻传感器检测空气的 温度，用同型号的另一只热电阻传感器检测被纯水完全浸湿的棉纱套内的温 度，根据两电阻测量温度差，利用它和空气相对湿度的关系，求出湿度值 2 扪。 堕釜鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏耋 此方法测量精度很高，但由于该传感器体积大，操作不方便，且消耗功率高 ( 一般需加模拟风) ，因此很难应用于此人体监测装置对于人体异常出汗状况 的监测。国内数字湿度仪测量湿度采用的主要方法有“湿阻”法，即采用 电阻型的湿度传感器，利用其阻值随湿度的变化测定被测环境的相对湿度。受 传感器灵敏度的限制，这类温湿度仪的精度不可能很高，但可以满足此监测装 置对于人体异常出汗状况的监测需要。 2 2 4 异常出汗监测的工作原理 人工测量异常出汗只需要肉眼观察即可，自动异常出汗测量目前国内外已 有的文献中相关记载极少。此人体监测装置对于异常出汗的测量是通过测量体 表局部湿度变化实现的。能够实现出汗测量的湿度传感器很多，常见的有电阻 式湿度传感器和电容式湿度传感器。通过把电阻或电容变化转换为电压或频率 即可实现异常出汗的测量。 湿敏元件按材料可分为高分子材料和多孔陶瓷两大类【2 6 1 。按检测原理可分 类成元件随吸湿而电导率和电容量变化两种 2 7 】。作为电阻型湿度传感器材料， 多孔陶瓷的湿度传感器种类最多，它具有响应迅速、无湿滞作用、耐温、耐 湿、电性能好等优点。其缺点是陶瓷吸水时，一部分水由于与陶瓷化学结合而 引起结构变化，但近来这方面已经有了很大的改进【2 引。 陶瓷型湿敏电阻的感湿原因就是水分子在陶瓷表面上的吸附【2 。水分子在 陶瓷表面上的吸附有两种形式：物理吸附和化学吸附。当湿度很低时，化学吸 附是主要的，水分子与材料表面作用形成h o 基团。随着湿度的增加，在h o 基团上又会吸附一层水分子，这一层的水分子与第一层的两个h o 基团形成两 个氢键，当有三、四层以至多层吸附时，每层的水分子与前一层的水分子有一 个氢键联系，这就形成了物理吸附p u j 。 物理吸附和化学吸附引起元件电阻改变的机理是不同的，必须用不同的方 法来处理，所以我们把湿度分成了高湿区和低湿区，用两种相应的方法来处 理。在低湿区，因为元件在空气中要与氧气分子接触，而在低于2 0 0 时，氧 气分子在离子型氧化物上进行的离子吸附的主要形式是o _ 。氧离子吸附在材 料表面上形成表面态，表面态束缚电子使得自由电子减少，从而使得其电阻值 增高。当有水分子吸附到这些表面态上时，水分子与o i 发生作用，它相当于 还原性气体，使得表面态放出束缚电子，自由电子增多，电阻降低。 由于氧离子的化学吸附，在半导体表面要形成空间电荷层，在耗尽层近似 下解一维p o s s i o n 方程可以得到空间电荷层的电势分布为： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 矿( 工) = 一罢鲨( d x 户( 2 4 ) 其中，s 为介电常数，p 为电子电荷，d 为施主浓度，d 为空间电荷层厚 度。设。为表面氧离子吸附面密度，则d = n o n o ，于是表面势写成： k = 尝如熹( 2 - 5 ) 假定每一个吸附氧离子构成一个对水分子的吸附表面态，当有水分子吸附 时，表面态要向体内释放电子，设吸附水分子的面密度为m ，则表面势变为 式( 2 - 6 ) ： 吃= 掣 ( 2 6 ) 设表面层电子浓度为阳体内电子浓度为雅o ，利用b o l t z m a n 统计，得： 一= ne x p ( 一e j z o _ ) ( 2 7 ) 于是，电导率可以从式( 2 8 ) 中得出： 盯= e a n ( 2 - 8 ) 在高湿区，随着湿度的增加，水分子的吸附量逐渐增加。先是单层水分子 的化学吸附的完成，接着，多层吸附完成，这时候吸附量比较大，材料吸附水 后的介电常数要发生很大的增加，因此水的电容电导是主要的。 应用l o o y e n g a 方程来解决水被吸入多孔陶瓷后作为混合物的介电常数问 题。l o o y e n g a 方程为： s = 【( g “一爿”) + 科o 3( 2 9 ) 其中，? 和分别是水和陶瓷材料的介电常数，巩是材料中吸水量与材 料的体积比，它是一个很小的数，它与相对湿度的关系，由d u b i n i n 半经验公 式给出如下： r t i i n x i = u 0 e x p 一( ! ；) ”一口( r 一瓦) 】( 2 - 1 0 ) l 其中。为温度是乃时材料中水所占的最大容积比，r 为气体的普适常 数，r 为绝对温度，a 为温度系数，e 为吸湿自由能，n 是由实验决定的经验 因子，x 为相对湿度，当丁一t o 时，n 和r t o e 都接近于1 ，这是有= b 也就是说6 与x 呈线性关系。 可以测量体表出汗程度的湿度传感器和相应测量电路很多。本监测装置采 堕堡堡三些查兰三兰堡圭兰堡望三 用h r 2 0 2 型陶瓷材料电阻湿敏传感器。此传感器测量范围：2 0 9 5 r h ；阻抗 变化：5 m q 一2 8 k n ；线性度：2 r h ；使用环境：o 6 0 ；最大电压：a c 1 5 v ；最大功率：0 2 m w ；工作频率：5 0 0 h z - 2 k h z 。通过基准电源转换成为 电压输出。湿敏传感器输出的电压通过运算放大器输入到控制单片机接口，单 片机将输入的电压通过a d 转换器读取电压值转换成数字量，通过模糊运算转 换为“无汗”、“出汗”、“大汗”等状态，输出到l c d 上显示，并可通过串口 将数据传输至计算机。湿敏传感器工作原理框图如图2 4 所示： 图2 4 湿敏传感器工作原理框图 f i g 2 - - 4w o r k i n g p r i n c i p l eo f h u m i ds e n s o r 利用陶瓷传感器来测量湿度的方法有以下特点。传感器在低湿度时电阻很 大，并与湿度是一种指数关系，在相对湿度从0 - 一1 0 0 的区间内，电阻可能 变化3 6 个数量级。由于大多数陶瓷湿敏传感器具有极化现象，所以还需要对 电源频率有一定的要求。直流电桥电路虽然可以保证高精度，并且可以补偿一 些干扰因素，但在这里并不适用。为消除极化效应，必须要用交流电源测量， 所以陶瓷湿敏传感器的测量只能选用交流电桥。因为h r 2 0 2 型陶瓷材料电阻 湿敏传感器的工作频率为5 0 0 h z - 2 k h z ，所以使用n e 5 5 5 时基电路产生频率为 l k h z 的方波作为交流信号源，通过h r 2 0 2 型湿敏传感器，输出信号通过交流 放大电路，产生电信号输入单片机，湿敏传感器测量电路如图2 5 所示： 圈2 5 湿敏传感器测量电路 f i g2 - 5m e a s u r i n g c i r c u i to f h u m i ds e n s o r 测量异常出汗情况子程序流程如图2 6 n 示： 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 2 3 测试实验： 进行信号采集并进行a d 转换 ； 对a d 转换的数据进行数据处理 f将处理后的数值显示在l c d a z 图2 6 测量异常出汗情况子程序流程 f 遮2 - 6f l o wo f s w e a tm e a s u r i n gs u b r o u t i n e 2 3