穿戴式多生理参数监测系统的研究.doc

穿戴式多生理参数监测系统的研究襄萋霪纛磐融雾麓氧秘拳0囊鬟蠢毒叠2豢蕊譬毫【青岛医工会第十次年会论文精选】穿戴式多生理参数监测系统的研究肖开敏,张颜颜,于维海(1.青岛市海慈医疗集团器械科,山东青岛266000;2.海信电器股份有限公司,山东青岛266000)摘要本文研究了一种穿戴式多生理参数监测系统,作为家庭助理机器人生理监护终端,能够实现对心电,血糖,血压,体温等生理参数的无创监测.本系统以家庭应用为中心,体积小,使用方便,灵活,对提高家庭健康保健水平及突发性疾病的急救起着积极促进作用.关键词】穿戴式;无创监测;心电;血糖;血压;体温【中图分类号TH772.2【文献标志码A文章编号1674-1633(2008)11-0131-03StudyofaWearableMultiplePhysiologicalParameterMonitoringSystemXIA0Kai-min,ZHANGYanyan,YUWeihai(1.QingdaoHiserveMedicalGroup,QingdaoShandong266000,China;一2.QingdaoHisenseR&Dcenter,QingdaoShandong266000,China)Abstract:AwearablemuNplephysiologicalparametermonitoringsystemisstudiedinthispaper.ItisaphysiologicalmonitoringterminalofHomeAssistantRobot.Noninvasivemonitoringtechnologyisusedinthissystem.ThedetailsofECGmonitoring,bloodpressuremonitoring,bloodglucosemonitoringandtemperaturemonitoring&rediscussedinthispaper.Thissystemisforhomeapplication.Itissmallinsize,easytouse.Itplaysapositiveroleinpromotingthelevelofhomehealthcareandthefirstaidofemergencyillness.Keywords:wearable;non-invasivemonitoring;ECG;bloodglucose;bloodpressure;temperature0引言随着物质生活水平的迅速提高,许多新的危害人类健康的因素也接踵而来,如心血管疾病,冠心病,糖尿病等,这些已被列为危害人类健康的最主要的疾病.因此,家庭健康监护已成为一个重要课题.目前的生命健康监护仪,体积通常比较大,价格昂贵,且主要应用于医院.为适合普通人群在家庭对身体健康状况的监护要求,我们研究了一种穿戴式多参数健康监护系统.本系统除了具有体积小,使用方便,功能强大等特点,也可作为家庭助理机器人生理监护终端,监测人体的重要生理参数.1系统设计本文采用可穿戴技术,以家庭应用为中心,针对人体生理信号的特点,研究多生理参数无创监测系统.可穿戴技术是将生理信息检测技术和人们日常穿戴的衣物相融合,使其在自然状态下实现生理信息的获取.由于可穿戴技术的衣物和人们穿戴的衣物一样,因而具有很好的人机界面,是一种安全的低生理负荷,低心理负担的检测技术.本系统实现的主要包括:穿戴式多生理参数监测系统对心电,血糖,血压,体温等生理信号进行连续监测和实时显示,并通过蓝牙模块将采集处理后的数据传输给上位机(可以是中心检测接收器或者家庭助理机器人).上位机对收到的数据进行分析和存储,并对异常数据进行报警.2心电监测心电监测模块采用穿戴式心电监护技术.把一个便携ECG系统集成在一件上衣上,电极采用新式”纺织式”电极,穿戴舒适,隐蔽性强,电缆线和电路板隐藏在衣服中,对人们的生理和心理带来的负担较小.硬件部分的每一片板都用两个按扣固定在上衣上,以便拆洗.“纺织式”电极采集到的心电信号经放大滤波后送入微处理器的A/D转换通道,然后由微处理器统进行分析处理并将提取的心率信号实时显示在液晶屏上.”纺织式”电极底部安装气囊,采集心电信号时由微控制器控制气囊充气,从而使”纺织式”电极与人体接触,实现心电信号的采集.系统将处理后的心电信号传输给上位机,由嵌入在上位机中的微系统进行分析存储,并对异常心电信号进行报131舞翟晴岛医工会第十次年会论文精选1s誊誊0麓翳毒篙囊j秘魏0巷襞冁eI,1190麓簪誊警,协助进行相应的紧急处理.3血糖监测目前检测血糖常用的方法是从体内抽取血液进行生化分析,这属于有创伤检测,给病人带来痛苦,容易造成各种体液传染性疾病的传播,不可能进行在体连续检验.用无创性探测技术进行血糖监测不仅可以免除患者的痛苦,还可以提高检测的频率,对血糖浓度进行更紧密控制,因而具有很大潜力.近红外无创血糖浓度检测方法的本质是在近红外光谱区葡萄糖的CH,NH,0一H振动合频和倍频信号提供丰富的信息,根据已知样品的光谱信息和葡萄糖浓度,建立一个数学模型,并利用该模型,根据样品的光谱来预测葡萄糖浓度.近红外光谱测量血糖以朗伯一比耳(LambertBeer)定律为基础,利用葡萄糖光吸收特异性来测量,朗伯一比耳定律如公式1.D:scd(1)0J,分别为入射光强,出射光强;c为物质浓度;d为光穿过物质的路径;s为某物质的光吸收系数;D为光密度.如果d路径为常数,则物质浓度c与光密度D成正比.如果忽略散射因素,发射光经过测试样本后的吸收表示为公式2.)=exp(-d37)=exp一S(A)(2)d为光吸收路径;打为波长为人时的吸收系数,s=d.由朗伯一比耳定律知,样品的吸光度与其成分的浓度具有线性相关性,本文采用线性偏最小二乘法(PLS)进行线性校正.血糖监测选择手腕作为检测部位,传感器阵列间隔几次采集不同波长的血糖吸收信息到各自的通道,产生电信号,实现光电转换,完成阵列采样.各通道光电传感器阵列产生的电信号,送往多通道前置放大器进行放大,滤波,积分处理,使信号达到检测识别的幅度和信噪比,然后送入微处理器的A/D转化器实现模拟信号到数字信号的转变,转换后的数字信号由微处理器进行阵列信号的处理,最后输出血糖值.原理框图如图1.光敏图1血糖监测原理图132单一光谱的传感器检测范围有限,不能准确检测到葡萄糖含量的光谱信息,因为根据以往的研究,葡萄糖几乎在整个近红外光谱内都有不同的吸收峰值出现.组织中lmmolPL葡萄糖的变化所对应的光谱信息的变化非常微弱,单传感器很难达到要求.因此我们用了多波长传感器阵列,在多个不同波长的传感器几次探测不同波长范围的葡萄糖吸收光谱,信息互补,然后经阵列信号处理,得出比单一传感器更精确,稳定的血糖值.每个传感器测量的波长范围,在总波段范围内根据葡萄糖的敏感性分段分配.由于阵列技术使各自波长通道的信息分布到各自的传感器,因此由动态范围和光噪声引起的误差问题不会很严重.红外血糖检测的特点之一是连续实时监测,因此传感器阵列设计还要考虑工作期间的响应和温度变化的漂移等因素造成的测量精度的变化,在采用反馈恒流电路稳定红外光源的基础上,在阵列上设有工作状态检测传感器,对温度,样本变异等造成的工作状态漂移进行控制,对工作状态进行校准,监控补偿,使传感器稳定地工作.4血压监测在众多无创血压测量技术中,最有代表性的方法有柯氏音听诊法,示波法和恒定容积法.本系统中的血压监测模块采用的示波测量技术是目前大多数无创自动血压测量装置采用的方法.本文采用置于上臂的袖带式血压计进行血压监护,其测量模块原理如图2.图2血压监测原理图由于示波测量技术是目前大多数无创自动血压测量装置采用的方法,技术亦比较成熟,因此本文不作详细介绍.5体温监测体温监测模块中采用红外测温技术.近几十年来,红外技术的研究与应用有了新的飞跃.虽然红外测温技术问世的时问并不很长,但是它安全,可靠,非接触,快速,准确,方便,寿命长等不可替代的优势,已使其得到越来越广泛的应楚0鼍囊瓤鹣薯嚣蠢誊毒曩IHGIAO囊霉【青岛医工会第十次年会论文精选1用.MLX90601系列模块是一组通用的红外测温模块.该模块精度高,体积小,被测物体温度和环境温度能分双通道输出,并且有多种输出接口,在多种精密设备装置中都有广泛应用.MLX90601EKACAA温度信号PWM(PulseWidthModulation)输出的典型周期是102.4ms,每个周期始于一段前向缓冲时间t1,该时间段内输出信号始终为1;t2和t3为有效信号部分;t4为报错信号部分;t5为后向缓冲时间,输出信号始终为0.兰二二兰厂_,5.图3PWM输出T图4体温监测硬件电路温度值计算公式如下.Dutycycle,-12.5%(T)+(3)0Uu/n其中:f为测得温度,DutyCyle为t2在时序图中所占的百分比,为设置的温度下限,为设置的温度上限.体温监测模块硬件连接电路如图4.本文中采用定时器0记录一个PWM脉冲的占空数:当H(IROUT引脚输出值)由0变为1时定时器开始计数,当微处理器判断H值由1变为0时,提取TFO,TH0,TL0,计算一个PWM脉冲高电平的时长,然后当H值由0变为1时,再提取TF0,THO,TLO,计算一个PWM脉冲低电平的时长,则tyCyle代人温度值计算公式中则可以算出测得的温度值.本文中体温监测模块集成在佩戴在手腕上的手表式仪器中,红外感应部件MLX9024对准使用者手腕,测量使用者手腕部的温度,然后由微处理器进行校准,输出体温值并显示在液晶屏上.6系统集成多生理参数监测系统采用可穿戴技术.本系统把传感器融入上衣中,测量血压的袖带设置在上衣左袖的上半部分,测量心电的”纺织式”电极根据需要粘贴在上衣的相应位置上,血糖测量模块,体温监测模块与微控制器集成为一个手表式的仪器,血压袖带和体温检测模块及心电测量与微控制器的连接线缝制在上衣里.微控制器采用S3C44BOX.S3C44BOX微处理器是Samsuug公司专为便携式设备提供的高性能和高性价比的微控制器解决方案,使用32位的低功耗RISC内核ARM7TDMI,在ARM7TDMI核的基础上,扩展了一系列完整的通用外围器件,使系统成本及外围器件数目降至最低.穿戴式多生理参数监测系统结构框图如图5.心电模块血糖模块血压模块体温模块7结论LCD控制器A/Dl1.基于ARM核的32位SamsungS3C44BOX图5系统集成框图蓝牙模块LCD显示键盘电源管理本系统作为家庭敏捷助理机器人综合平台的生理监护终端,实现了对包括心电,血压,血糖和体温等生理参数的监护.当监测到异常生理信号时,上位机能根据异常的信号提醒使用者吃药或采取其它医疗措施.该系统具有使用方便,灵活,成本低,体积小,功能强大等特点.随着该系统的不断完善和机器人技术的不断发展,该系统将为家庭助理机器人提供更多更准确的生理信息.随着科技和医疗的发展,当医疗网络和社区医疗完善时,机器人的功能可以进一步扩展,定时将使用者生理信息上传给社区医疗中心,使医生及时掌握使用者的健康状况;在使用者生命危急时,将信息上传给医院服务器,方便医生定位病人的位置,及时给病人进行急救.(下转第136页)133帮【青岛医工会第十次年会论文精选1誊譬0善鬈曩鹣鬈毒麓0熬蠢誊_0一叠0strictRun,点击导出reg文件,编辑导出的文件,如下:fHKEYCURRENT-USERSoftwarekMicrosoflWindowsCurrentVersionWoliciesExplorerkRestrictRun“l”=hex(7):72,O0,65,00,67,00,65,00,64,00,69,O0,74,O0,2e,00,65,O0,78,00,65,00,00,0O,o0,00然后可以用上面的方法依次创建其他可执行文件并导出.经编辑后,可以用在其他工作站上面.2.8桌面背景:拷贝图片到指定文件夹,并设成桌面背景.批处理命令如下:copy/y:,.bmpc:regadd”hkcucontrolpaneldesktop”/vwallpaper/d”c:,半.bmp”/fRunDl132.exeUSER32.DLL,UpdatePerUserSystemParameters优化开始菜单:删除多余的开始菜单内的快捷方式.批处理命令如下:del”%userprofile%开始j菜单程序远程协助.1nk”3结论网络工作站的安全运行是医院信息系统运行的重要保障,Hislock工具软件加强了网络工作站的管理,避免用户访问系统盘,防止用户误删有用的系统文件.这些措施有效地限制了一些工作站的非法操作,杜绝了病毒的入侵,同时也避免了夜班人员上班时间玩游戏的现象.该软件在我院工作站上运行一段时间后,工作站的软件故障明显减少,极大的保障了网络业务正常运行.管理后的工作站统一桌面图案,看起来整齐有序.该软件也成为网管员的得力工具,远离那些繁琐的命令行,只需点击鼠标,就可以轻松完成工作站的维护,快捷而高效.参考文献】1】明日科技.DelpN程序开发范例宝典M,北京:人民邮电出版社.2006.2】张晓娟,李哲成.医院信息系统信息安全的管理U.中国医疗设备,2008,23(3):83-84.【3尚邦治.医院信息系统安全问题.医疗设备信息,2004,19(09):1517.【4冉建忠.医院信息系统安全技术分析研究J.软件导刊,2006,19:64-66.(上接第133页)f参考文献1YuanshengLiu,NewBloodPressureMeasureMethodBasedonCharacteristicPoint,ElectronicMeasurementandInstrnmentsC,In:2007.ICEMI078thInternationalConference.2007:4-327-4-330.【2Puurtinen,M.M.,Komulainen,s.M.,Kauppinen,P.K.,etal;Measurementofnoiseandimpedanceofdwandwettextileelectrodes,andtextileelectrodeswithhydrogelC】.EnneeringinMedicineandBiologySociety,2006.EMBS06.28thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEAug.2006Page(s):60126015.3】QiEi;JingqiYuan,DevelopmentofthePortableBloodGlucoseMeterforSelf-monitoringofBloodGlucoseC】,EngineeringinMedicineandBiologySocilogySociety,2005.IEEEEMB$2005.27thAnnualInternationalConferenceofthe2005Page(s):67356734.LedS,FemandezJ,SerramoL.DesignofawearabledeviceforECGContinuousMonitoringUsingWirelessTechnologyC】.Proceedingsofthe26thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEMBS.September15.2004.3318.5】OttenbacherJ,RomerS,KunzeC,eta1.Integrationofa136bluetoothbasedECGsystemintoclothingC1.Proceedingsofthe8thInternationalSymposiumonWearableComputers.2004.6】BlankT