结合生物医学传感器 可穿戴系统开发.docx

结合生物医学传感器无处不在的医疗保健可穿戴系统开发Kevin Hung, C.C. Lee, W.M. Chan, Sheung-On Choy, and Paul Kwok事实上世界人口老龄化导致迫切需要长期和以病人为中心的医疗解决方案。因此,越来越多的可穿戴系统生理监测是必要的。在各种生物监测与传统方法,值得研究替代传感技术,为了提高可访问性和理解病人的条件。介绍了我们实验室的发展这样一个可穿戴系统,这使得使用非传统的生理监测的技术。与其综合纺织的心电图电极,智能戒指photoplethysmogram(PPG)传感器,微型光学,光纤温度传感器眼睛动态监控、全球定位系统(GPS)模块,无线功能,它演示了一个可行的无处不在的医疗解决方案。一 导言预期寿命增加和生育率减少,现在世界人口老龄化深刻而无处不在。到2050年,六十岁以上的人的数量预计到二十亿年,在较发达地区,近三分之一的人口将会在这个年龄段1。因为老年人慢性病患病率高于在年轻人群中,迫切需要分配更多的资源在长期医疗保健。慢性病是成为世界的主要死亡原因之一,这种情况导致社会问题和医疗成本升级。为了应对这些影响,增加兴趣移动健康(移动医疗)步和个性化的监测系统。提高流动性和无处不在的这些应用程序,各方已经开发出可穿戴传感器和系统监测不同生物(2 - 4),旨在提供易于使用的和负担得起的解决方案服务于慢性和老年人口。虽然各种生理特性与传统的监测方法,值得研究其他指标和收购方法为了提高用户的可访问性的健康状况。介绍了开发的可穿戴系统在我们的实验室。它是结合纺织的心电图电极,一个戒指photoplethysmogram(PPG)传感器,光学,光纤温度传感器动态监控、全球定位系统(GPS)模块和蓝牙连接。这个工作的新颖性在于几个领域:1)自动寻找最优分传感智能戒指传感器位置,2)小型化光纤布喇格光栅(FBG)传感器的嵌入式应用程序,和3)。使用瞳孔动态补充监测心血管变异性。系统,建在一件衬衫的形式,展示了如何实现无处不在的医疗使用上述非常规技术。二方法A 系统概述图1是一种可穿戴系统的总体框图。它由相应子系统的GPS、蓝牙、心电图和监测,分,体温,和眼睛的动力学。他们的操作是由电池的8位单片机(MCU)控制(Atmel AVR)。单片机也作为patient-worn站捕获的信号子系统,将它们打包到一个单独的数据格式,并将它们发送到附近的电脑通过蓝牙无线连接。图2是前景的系统集成在一个“智能衬衫”原型。戒指分传感器和眼睛的传感器是扩展的衬衫。下面描述了子系统。图1。可穿戴式系统的框图无处不在的监控。B 心电监测子系统如图3所示,补丁纺织心电图电极,这是由导电织物(Shieldex MedTexTM p - 130),和他们的藏品灵活的连接(物品。丝带,0.3 w / m箔线)的内表面被编织进衬衫原型。的另一端带送入一个仪表放大器(德州仪器INA128)获得约1000,紧随其后的是一个一阶带通滤波器0.2赫兹到70赫兹的通频带。调节后,心电图在过我配置输入单片机的10位ADC,这抽样200样本/秒。心电图的图4显示了一个跟踪捕获从一个站主题衬衫原型。图2。前景的可穿戴系统形式的衬衫。左:电极和内部电路针织衬衫。右:灵活的戒指传感器作为衬衫的一个扩展。图3。纺织心电图电极图4。跟踪过我的心电图获得纺织电极的可穿戴系统C PPG-Monitoring子系统戒指分传感器最初是由浅田和另外的小组5。分测量近节指骨是容易运动的工件,但是它的质量可以提高机械设计6和自适应滤波器7。然而剩下的手指上的挑战是最优的传感器位置,如图5所示。在流动的应用程序中,从动脉数字传感器很容易转移,从而导致较低的分PI(灌注指数)。为了解决这个问题,一个智能环组成的传感器阵列的发光二极管和光敏二极管研制8。PID(proportional-integral-derivative)控制算法在单片机协调同时200样本/秒10位ADC的分,以及控制发光二极管和光敏二极管。如图6所示,可以连续,自动得出平均PI算法,和打开个人led手指表面顺序模式,直到最优位置最好的被发现。在实验12个科目,子系统可以定位数字动脉在五秒。PPG感觉到在这个位置至少有20%的改善PI相比更糟糕的情况下在同一主题。图7是一个示例的跟踪测量分“智能衬衫”。图5。左:PPG传感近节指骨。右:在近节指骨数字动脉的位置图6。PPG-monitoring子系统的框图图7。跟踪智能戒指分测量的传感器D 体温监测子系统与半导体传感器相比,光学光纤传感器不太容易受到电磁干扰(EMI);其中,光纤光栅传感器的优点是容易实现的规模和稳定性910。尽管光纤光栅传感器已在一些医疗应用程序中,使用传统的设置不是可穿戴由于大尺寸的光源和光电探测器11。由于这个原因,一个可穿戴的光纤光栅温度传感器的设置,如图8所示。单片机控制激光二极管的开关和传感器的温度/应变的变化,由光电二极管将光强度感觉到相应地改变。输出电压是由单片机采样样本10点/秒。实验结果表明,该传感器的灵敏度0.0100.001 nm /C在体内的温度范围内。 图8。上图:光纤光栅温度传感器的可穿戴系统。底部:光纤光栅温度传感器的原理图。E Eye-Monitoring子系统瞳孔大小变化(PSV)指的是没有视觉调节瞳孔大小的连续波动或光线刺激。最近的发现等16表明,PSV实际上包含呼吸节奏和心率变异性(HRV)的频率成分,因此这意味着潜在的应用在健康监测。eye-monitoring子系统是一个扩展的“智能衬衫”。它由一个CMOS摄像头安装在一副眼镜,红外LED照明,2.4赫兹无线视频发射机模块。如图9所示,PSV可以穿戴的摄像机记录了一个25 fps。图9。埃因霍温了可穿戴式相机。图10。生物测量从一个主题。从上到下的痕迹:HRV、SBP(100毫米汞柱),菲律宾(100毫米汞柱),RespA,PSV(mm)。x轴是在几秒钟内埃因霍温,呼吸活动,来自22个人类受试者的HRV研究。图10显示了信号测量从一个主题在坐姿。吸气呼气减数分裂和瞳孔放大观察。埃因霍温振幅被发现为中档瞳孔大小、最大和最小的瞳孔大小在它的四肢。这表明,PSV展品range-nonlinearity(嗅)关系,原本以为只描述噪声测量瞳孔大小。发现我们的工作表明,PSV低频/高频比不是一个可靠的自主平衡指标,由于频率成分的影响嗅的特点。瞳孔工厂作为一个低通滤波器,截止频率随瞳孔大小方法要么极端。埃因霍温可以被认为是健康监视应用程序只有体现执行校准F 全球定位系统提供跟踪服务、GPS模块(Linx技术RXM-GPS-SR-B)的更新率1赫兹是包含在可穿戴系统。研制了一个基于pc的软件检查系统的准确性。错误被发现的范围从10到20米。图11显示了一个电脑软件,用于显示位置,同时心电图和人力资源。G无线网络子系统小型模块、低功耗蓝牙跳频扩频,广泛使用使一个有吸引力的选择为短程通信在移动医疗。类1蓝牙模块(射频解决方案LinkMatik2)被纳入上述监测的可穿戴系统无线传输信号和GPS数据到附近的电脑。该模块被配置为在串口配置文件(SPP),自动发送到PC的数据从单片机接收到通过UART端口(9600波特)。然后电脑存储在云的信息三、结论替代生理监测技术在无处不在的医疗证明我们实验室开发的一种可穿戴系统。系统能够监测分,心电图,眼睛动力学、位置和体温。正在进行的工作包括系统的比较与认证的传感器的传感性能,进一步测试更多的科目,减少能源消耗,在PC机实时预处理,眼生物识别技术为用户身份验证、呼吸活动监视与光纤光栅传感器,基于云计算和biosignal分析。图11。软件实时显示心电图、心率和病人的位置参考文献1联合国经济和社会事务部,人口司,世界人口老龄化:1950 - 2050。纽约:联合国出版物,2007。2R.S.H.Istepanian,大肠Jovanov Y.T.张,“客人在移动医疗编辑介绍专题:无缝流动和全球无线医疗的连接之外,“IEEE反式。Inf。”。生物医学。,8卷,不。4、405 - 414年,405页。3美国公园和s . Jayaraman“智能Textile-Based可穿戴式生物医学系统:一个过渡计划研究现实,“IEEE反式。Inf。”。生物医学。,14卷,没有。1、86 - 92年,86页。4郭宏源。Kang C.R.梅里特,大肠格兰特,b . Pourdeyhimi和热处理Nagle,“无纺织物活跃生物电势测量电极5。浅田和另外,p . Shaltis a . Reisner s李和钢筋哈钦森,“移动和可穿戴Photoplethysmographic生物传感器监测,IEEE磨床杂志,22卷,没有。3、28-40,2003页。6。李,B.-H。杨,得出浅田和另外Artifact-Resistant功耗小的戒指Plethysmographic传感器、“IEEE反式。生物医学。Eng。,48卷,不。7日,2001年。7。汉族,蔡明俊。金姆,j金、开发的实时运动工件可穿戴phototplethysmogrphy还原算法,“Proc。第29届实习生。Conf。IEEE磨床,里昂,2007年,第1538 - 1541页。8K。挂,W.M. Chan王瑞民李,Sheung-On小白菜和保罗郭”初步设计的智能戒指生理监测传感器的移动健康,”在AMA-IEEE医疗技术会议,波士顿,2011年10月16日至18日。9。游o希尔,藤井裕久特区约翰逊,和b . s .川崎”光纤波导的光敏性:应用反射滤波器制造,”等。期刊。列托人。32卷,647 - 649年,647页。10K。O。希尔和G。光纤光栅技术Meltz。基本面和概述,”j .光波技术。15卷,1263 - 1276年,1263页。11L.T.德安杰洛,et al .,“呼吸运动检测系统使用光纤嵌入到纺织品、“Proc。30日年度国际IEEE-EMBS会议,温哥华,页。3694 - 3697年,至2008年8月,。12。Ohtsuka,k .仓叶h川崎和m . Sawa呼吸道波动人类的瞳孔,“Exp。大脑Res,卷. .71年,没有。1、215 - 217年,215页。13P。Borgdorff,“呼吸瞳孔大小变化,”。j .肾上腺髓。228卷,没有。4、1094 - 1102年,1094页。14G。Calcagnini,p . Giovannelli f .岑思Bartolini p,v . Barbaro”Baroreceptor-sensitive心率和瞳孔直径波动,“在