可穿戴式系统（共9篇）
可穿戴式系统 篇1
1 概述
近年来可穿戴式设备大量涌现,如谷歌眼镜、咕咚手环、i Watch等等。可穿戴式设备泛指嵌入在服装,或以饰品形态存在的电子通信智能设备,可以被用户舒适地穿戴,起到拓展感知、进行各类体征监测等作用。它本质上就是对日常设备如眼镜、手表、鞋等进行智能化设计[1],使其具有友好的人机交互功能。可穿戴式设备的市场需求在快速增长,用户对可穿戴式设备的功能要求也越来越多。但是,复杂功能的实现往往依赖多路传感器信号的实时采集。多路传感器系统是可穿戴式设备的重要组件,是可穿戴式设备获取信息的来源,有监测数据、传输数据等功能。对于一个可穿戴式设备,它一般主要包括传感器和数据计算芯片两部分,其中传感器的更新换代频率较低,可能几年内都不会有大的升级。而计算芯片部分的换代频率很高,应当更多将硬件设备本身仅仅作为一个超级传感器系统,将计算部分独立出来交给手机或云计算,因此对可穿戴式多通道传感器系统的研究很有必要。
可穿戴式设备用户要求佩戴舒适,柔性要好,PVDF(聚偏氟乙烯)压电传感器正好满足柔性好、质量轻等特点[2]。所以本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例,研究了这类系统的功能需求,并依此设计了一套评价选型系统,提出了一个实用、可靠的多通道传感器系统设计方案。
2 可穿戴式多通道PVDF传感器系统的功能需求分析
可穿戴式多通道传感器系统需要实现采集多路传感器数据并简单处理打包,实时可靠的传输到其他设备。由于这类设备的可穿戴式特点即设备需要轻薄化和低功耗性以及数据传输的实时性、可靠性等特点,该可穿戴式多通道传感器系统对其使用的MCU部分、数据的编码方式、数据的传输方式及系统的低功耗方面均有着其特殊的要求[4]。
2.1 系统MCU需求分析
该可穿戴式多通道传感器系统的数据要传输到其他设备,其他设备往往是Android系统或i OS系统。如果该系统没有此MCU,则该系统需要直接与Android系统的ARM芯片相连接或者其他系统的微处理器直接相连,会造成诸多不便。以该传感器系统为下位机,Android系统的ARM芯片为上位机为例,不便之处有:传感器系统主要采集的目标信号是人体生理信号如人体手腕或脚腕运动时肌肉产生运动信号等,该系统输出的传感信号信号弱、干扰强,若没有放大等预处理,则不能直接与Android系统ARM相连接。因此,需要前置信号预处理电路,所设计的前置放大电路包括放大、滤波等功能。即使Android系统的ARM芯片带有放大模块,但也并不能满足要求。放大这类传感器信号一般需要仪器仪表放大器,性能要求较高。传感器系统有8个传感器采集到8路传感信号,则至少有8根信号线需要输入MCU。基于系统可靠性和便捷性考虑,也不方便直接与Android系统的ARM芯片相连。出于模块化设计的考虑也需要在该多通道传感器系统中使用此MCU。综上,我们可以发现,选用的MCU需完成信号的收发,A/D转换,并入串出以及与前期传感器信号的预处理电路相连接等功能。
所以,对于所选用的MCU,功能上需要至少有8路A/D转换通道,并满足一定的精度要求。硬件结构上,考虑到可穿戴式设备的便携性,MCU的尺寸要小,厚度要薄。此外,低功耗是便携式电予设备必须具备的一个关键特性。为了实现这个目标,MCU工作时功耗要低。
2.2 系统数据编码方式及传输方式需求分析
可穿戴式多通道传感器系统的最主要也是最终的功能,就是提供一组包含各种信息的传感器数据,这些数据的格式能与现在主流的一些通信协议的数据格式所匹配。使得该系统能直接与Android系统或i OS系统适配,把采集到的数据实时、可靠、便捷地传输出去。
本文设计的可穿戴式8通道PVDF传感器系统,主要采集的目标信号是人体生理信号,这些信号主要集中在0-100Hz,即传感器系统的每通道信号的频率范围均为0-100Hz,8个通道最大即为800Hz。工程应用上进行A/D转换时,采样频率至少是10倍的输入的模拟信号的最大频率,所以我们采用的采样频率为10KHz,这个采样率满足了后期对信号在数字域处理的要求。因为考虑到实时传输数据的要求,数据帧设置为10ms一帧,即下位机每隔10ms发送一帧数据给上位机,实际上上位机每次接受的数据都是下位机前10ms采样得到的数据,采样频率为10KHz时,10ms采样得到的共100个数据。因为MCU的资源和处理能力不够,所以需要把采集到的数据实时发送给上位机来进行处理。但是,数据采集后若直接发送,会由于实时采集,数据量大,缓冲区太小,发送不完而丢包。所以需要合适的编码协议和通信协议来保证通讯的可靠性。这样的话,下位机主要负责采集、打包,满足简化、精度和实时的要求即可。而需要计算的数据则交由上位机处理。同时考虑到传感器的更新换代比较慢,而上位机处理芯片的更新速度很快,我们采用的这种方案在一定程度上也能降低成本。
对于系统数据编码方式,我们需要的是实时可靠的编码方式和通讯协议。并且,传输出去的数据格式需能与主流的通讯协议数据格式相匹配。同时,编码方式及传输方式同样需要考虑低功耗的要求。
2.3 系统的低功耗需求分析
对于可穿戴式设备,续航时间是必须要考虑的。续航能力主要由两个因素决定,分别是电池容量和功耗,电池容量越高越好,而功耗则需要降到最低。不幸的是,在新的电池技术或者材料出现之前,电池容量可提升的空间非常有限,而且可穿戴式设备在尺寸上的要求也比较严格,所以想通过更换大容量的电池来增加续航时间是不切实际的。所以压力几乎落在如何降低功耗上了,这就需要必须进行低功耗设计来满足用户需求。
系统的低功耗需求主要包括以下几个方面。首先,在传感器系统硬件开发时尽量采用低电压低功耗的产品[5]。比如,传感器系统的放大、滤波预处理电路部分,一般选择低功耗的芯片。同时,在主控芯片的选择上,我们一般选择具有省电模式的主控芯片。其次,在作为系统的主控制器MCU在工作时也需要进行低功耗设计,MCU的工作主要包括MCU对多路传感器信号进行A/D转换、数据的简单处理打包和数据的传输。最后,要求有灵活多变的低功耗管理模式,简单快速的休眠唤醒机制,使得MCU在空闲期可以快速切换至不同深度的休眠状态,并能及时被唤醒。我们可以进行主控芯片或者相关模块唤醒的方式选择。即在实现基本功能的同时根据系统低功耗的需求对软件算法进行优化。
3 可穿戴式多通道PVDF传感器系统的设计
根据上文对系统的需求分析研究发现,柔性超轻薄化、长续航时间是这类可穿戴式设备的最显著的特点。所以可穿戴式多通道PVDF传感器系统要围绕这两个显著特点来进行设计。
3.1 系统MCU选型
根据可穿戴式多通道传感器系统的功能需求分析,本文主要围绕可穿戴式多通道PVDF传感器系统的低功耗性和高集成度这两大特点,对比了市场一些主流的MCU产品,进行了分析,最终得出合适的MCU选型。
表1和表2选取目前市场上的主流的MCU产品,对比了它们的功耗参数与系统指标。首先,可穿戴式8通道PVDF传感器系统需要有至少8通道的A/D转换通道,表1中的MCU均满足。但由于采集的目标信号为人体生理信号,一般信号都很微弱,所以要求ADC的精度越高越好。ADC精度比较高的为STM32的两款MCU。相较于STM32F1系列,STM32L1系列的休眠功耗更低,工作电压范围更广,A/D转换通道数更多。其次,根据可穿戴式系统对尺寸的样严格要求,STM32L151R6具有的TFBGA 64型封装,尺寸仅为5mmx5mmx1.2mm,尺寸完全达到要求。最后STM32L151R6是Cortex-M系列32 bit内核的MCU,但在功耗水平上已与传统16 bit低功耗MCU相当,处理能力却优于16bit的MCU。而且STM32L151R6的价格也较适中[8]。选用STM32L151R6的还具有一个很大的优势在于STM公司具有完善的基于STM32的系统方案、软硬件成品模块,已形成较为完善的生态系统,开发门槛低、参考资源丰富和经验分享直接[6]。STM32L151R6的多种优势促使我们最终选择了STM32L151R6作为本文可穿戴式8通道PVDF传感器系统的MCU。
3.2 多路传感数据的编码设计
因为采集到的8通道PVDF传感器数据需要实时、准确的传输给上位机,所以需要对采集到的数据需要进行一些编码和简化。本文首先选择了ADPCM编码对数据进行压缩编码,然后使用了CRC16和卷积编码对数据进行了纠错编码。我们采集的目标信号和语音信号非常类似,数据之间的相关性比较强,存在大量冗余且最终利用传感信号主要是对信号的形态等进行分析,而不是得到精确数值。ADPCM算法综合运用了差分脉冲编码(DPCM)与自适应增量编码(ADM)的算法原理,在保证达到PCM语音质量的前提下,语音数据的速率只有PCM的一半,而且具有更优良的抗误码性能。ADPCM的核心想法是:1)利用自适应的思想改变量化阶的大小,即使用小的量化阶去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值。2)使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小[13]。本文采用ADPCM压缩算法,数据的压缩比可达到4:1。
为了提高数据的可靠性,对数据进行压缩编码完需要进行一些检错纠编码。循环码CRC虽然只能检错不能纠错,但计算复杂度低,检错能力强,增加的冗余位也少[14]。而卷积码纠错能力强,虽然计算复杂度高,但可通过查表法计算大大降低计算复杂度。本文选择了CRC16校验编码和(2,1,4)卷积编码对数据进行了检错纠错编码。循环冗余校验(CRC)算法是常用的误码检测方法之一,它是由分组线性码的分支演化而来,其主要应用是二元码组,编码简单且误判概率很低,接收端对数据使用CRC算法可有效剔除数据传输中的误码。算法实现上CRC16编码采用查表法。CRC16码由两个字节构成,在开始时CRC寄存器的每一位都预置为1,然后把CRC寄存器与8bit的数据进行异或,之后对CRC寄存器从高到低进行移位,在最高位(MSB)的位置补零,而最低位(LSB,移位后已经被移出CRC寄存器)如果为1,则把寄存器与预定义的多项式码进行异或,否则如果LSB为零,则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次,第一个8-bit数据处理完毕,用此时CRC寄存器的值与下一个8-bit数据异或并进行如前一个数据似的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC16编码每次移位除法运算都用查表法来代替,计算复杂度低。每次对一帧数据进行完CRC16编码即得到了一个16比特的校验码。采用16位的CRC算法,可以保证在1014bit码元中只含有一位未被检测出的错误。卷积码是一种纠错编码,它是将输入的k个信息比特编成n个比特输出,特别适合以串行形式进行传输,时延很小。它包括:一个由N段组成的输入移位寄存器,每段有k段,共Nk个寄存器;一组n个模2和相加器;一个由n级组成的输出移位寄存器,对应于每段k个比特的输入序列,输出n个比特[16]。(2,1,4)卷积码就是将每次输入的2bit信息都编码成4bit。卷积码的计算量较大且复杂度较高,而本文采用了查表法来进行数据的卷积编码。先在matlab里利用convenc(msg,t)函数生成了(2,1,4)卷积码的编码表,编码表大小为28*16比特,然后在下位机的MCU中直接查表进行编码,大大提高了编码速度,降低了算法复杂度,同时也降低了MCU的运行功耗。
8路传感数据的具体编码方式如图1:由上文可知,数据帧每隔10ms发送一次,每帧的原始传感数据共100个,由于使用的STM32L151单片机ADC精度为12位,所以采集到的数据实际为100*12bit,只占一个字的低12位,最高位即第16位设置为一位控制位,控制位为0时表示当前数据为数据信号,为1时表示当前数据为控制信号。8通道的通道号编码为000~111,占据第13~15位,100个数据共占用200个字节。首先,对这200个字节的数据进行ADPCM编码,编码完数据压缩到只有100*4bit,占用100个字节。然后将数据两两组合成一个8bit,数据帧已经压缩到50*8bit,只占用了50个字节。其次再对数据帧进行CRC16编码,即求一个16位的校验值。加上校验值此时数据帧共52个字节。最后对数据帧进行(2,1,4)卷积编码,卷积编码完数据帧共104个字节。
3.3 传感数据传输方式设计
实时可靠的数据传输,除了依赖一个实时可靠的数据编码方式,数据的传输方式也很重要。考虑到该可穿戴式多通道传感系统的兼容性和应用的多方面性,本文设计了两种传感数据传输的方式。一种为有线传输方式,一种为无线传输方式。
3.3.1 传感数据的有线传输方式设计
关于有线传输方案的选择,我们选取了I2C,USB,SPI,RS232等四种常见的传输方案进行了比较。通过分析对比这几种常见的有线传输方式,我们最终选择I2C作为系统的有线传输方式。I2C有以下几个显著优点:1)硬件简单,资源消耗少。只有两条总线线路:一条串行数据线(SDA),一条串行时钟线(SCL),节省了线路空间,增加了系统的稳定性。所以,在尺寸方面,由于USB以及SPI有4根连线,RS232有9个引脚。这些与I2C只有2条总线线路相比而言,不可避免地会带来连线及外围电路所占空间过大的问题。就尺寸而言,I2C应是我们在这些有线传输方式中的理想选择。2)它是一个真正的多主机总线,通过SDA上的地址信息来锁定从设备,如果两个或者更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。SPI总线只有一个主设备,主设备通过CS片选来确定从设备。3)I2C串行的8位双向数据传输速率在标准模式下可达100Kbit/s,快速模式下可达400kbit/s,高速模式下可达4.4Mbit/s。本方案每10ms至少传输104个字节,采用的传输方式速度至少为83.2Kbit/s。I2C的传输速度完全符合要求。4)使用I2C与RS232相比,还有一个突出的优点:I2C采样同步通信,RS232采用异步通信。而同步通信控制字符开销较小,传输效率高;而异步通信字符帧中,假设只有起始位、8个数据位和停止位,整个字符帧中的控制位的开销就达到了20%,传输效率较低。5)使用广泛,现在几乎所有的IC厂商都在芯片上集成了I2C[17]。
3.3.2 传感数据的无线传输方式设计
关于无线传输方案的选择,我们选取了Zig Bee,NFC,红外,蓝牙等四种常见的传输方案进行了比较。在使用距离上,红外传输是一种点对点的无线传输方式,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物,几乎无法控制信息传输的进度[23]。而蓝牙可传输10米左右,加强信号后最高可达100米,可以绕弯,可以不对准,可以不在同一间房间,链接最大数目可达7个,同时能够区分硬件。Zig Bee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。但由于在传输速度方面,Zig Bee很低,不适用于多通道PVDF传感器系统高数据量的应用场合。同时,由于使用Zig Bee时硬件资源开销大[24],短期内手机不支持,不利于产品的推广。NFC优点是配置简单。但由于使用距离过短,且我们使用的可穿戴式设备尺寸超薄,NFC会产生高频趋肤效应[25],可能会有一些潜在的健康安全问题。并且目前NFC的兼容性也不是很好,很多手机并不支持NFC。这些问题促使我们最终选择的无线传输方式为蓝牙,具体本方案选择的是i484e-s模组。此产品集成了两个芯片分别为:蓝牙芯片为CSR8811(基于蓝牙24GHz无线电和基带芯片系统)和STM32F401(基于高新能ARM Cortex-M4的32位RISC)。尺寸仅为15.7*12*2.3mm。它支持蓝牙标准4.0低功耗模式及可向下兼容。可以通过I2C有线方式转为蓝牙模式。速度可达32KByte/s即256Kbit/s。全速传输数据时功耗仅为2m A,使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年。
3.4 低功耗设计
一个传感器系统的功耗是出多方面因素决定的,整体的功耗取决于诸多因素,如产品性能、供电电压等。在实际应用中,往住频率越高功耗越大;电压越高功耗越大。对于低功耗检测系统的设计,应该主要从芯片和器件的选择、系统的技术指标以及系统的工作方式等方面加以考虑。
3.4.1 器件和芯片的选择
对于低功耗系统,电路中所采用的器件和芯片的选择至关重要,其直接从硬件电路上影响系统功耗的大小。因此,为降低功耗,必须合理选用器件和芯片。1)电源部分的选择。由于锂电池较高的能量转换效率等优点,现在可穿戴式设备上使用的电源一般均为锂电池。本方案选择电池为聚合物锂电池,具体型号为803040,容量为1000m Ah,尺寸仅为40*30*8mm。并选择了一款用于便携式设备的200m A、低IQ、低噪声、低压降稳压器芯片,型号为TLV707,尺寸仅为1*2mm[27]。2)选用低功耗微处理器。本文选用低功耗的STM32L151R6,具有精简而高效的CPU内核,从而可以维持性能、功耗与成本的三者平衡;CMOS电路工艺,低电压供电系统,供电电压在1.65-3.6V均可;灵活多变的低功耗管理模式,简单快速的休眠唤醒机制,使得MCU在空闲期可以快速切换至不同深度的休眠状态,并能及时被唤醒;独立的外设时钟控制开关,多种内外时钟源选择。运行功耗仅为185u A/MHz,休眠功耗仅为1.2 u A。3)传感信号的预处理电路部分,选择了美信公司的MAX9618运算放大器搭建每通道传感器的信号的预处理电路,包括放大部分及低通滤波部分。MAX9618是低功耗、零漂移运算放大器,提供节省空间的采用2mm x 2mm、8引脚SC70封装设计支持满摆幅CMOS输入和输出,整个时间和温度范围内电源电流仅为59µA,零温漂输入失调电压最大值仅为10µV,非常适用于可穿戴式设备[27]。
3.4.2 低功耗系统工作方式的选择
可穿戴式8通道传感器系统的MCU为低功耗的器件,而且具备降低功耗的各种工作方式,如休眠、掉电等工作方式等。在设计低功耗系统时,就应当充分利用这些特点,使系统尽量在这些工作方式下工作。1)MCU进行A/D转换及编码时都采用最低的时钟频率来工作以降低功耗,编码算法最简,CRC16及(2,1,4)卷积编码均采用查表法,缩短了程序每次的执行时间。2)当本文的可穿戴式多通道传感器系统作为下位机时,它采集数据与否由上位机控制,当上位机发出命令时,MCU才被唤醒,该系统再开始工作开始采集数据。
4 系统总体设计方案
本文设计的可穿戴式多通道PVDF传感器系统的系统总体方案如图2,首先多路传感器采集人体生理信号,采集到的数据经过放大、滤波,送入STM32L151单片机,进行A/D转换,将模拟信号转换为可方便处理的数字信号。STM32L151单片机对A/D转换后得到的8通道数据进行了编码和打包,再发送给上位机。由于传输方式的兼容性,上位机可以是Android平台或IOS平台。
5 结束语
自20世纪60年代麻省理工实验室的几位科学家提出可穿戴式设备的概念以来,人们就开始不断探索应用穿戴式技术,对日常穿戴用品进行设计开发以期开发出可以穿戴的智能设备。随着技术的进步及用户需求的变迁,可穿戴式智能设备的形态与应用热点也在不断变化。在这样的背景下,进行可穿戴式多通道传感系统的功能需求分析及设计有着非常的实用意义,本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例,研究了这类系统的功能需求,发现柔性超轻薄化、长续航时间是这类设备的特点,并依此设计了一套评价选型系统,完成了系统的MCU选型、传感数据的编码方式、传输方式及低功耗设计等关键技术问题,得到了一个实用、可靠的系统设计方案。本方案也为可穿戴式多通道传感器系统的设计与开发提供了一个可靠参考。
摘要：近年来可穿戴式设备大量涌现,用户对可穿戴式设备的功能要求也越来越高,但是,可穿戴式设备复杂功能的实现往往依赖多路传感信号的实时采集。本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例,研究了这类系统的功能需求,研究发现,柔性超轻薄化、长续航时间是这类设备的两个显著特点,并完成了系统的MCU选型、多路传感数据的编码设计、多路传感数据的传输方式设计及系统的低功耗设计等关键技术问题,设计了一个实用、可靠的可穿戴式多路传感器系统设计方案。本方案也为可穿戴式多通道传感器系统的设计与开发提供了一个可靠参考。
关键词：可穿戴式设备,系统设计,需求分析,多通道,PVDF传感器,编码方式,传输方式
可穿戴式产品时代已经到来 篇2
吕先生告诉记者，今年已经是第二年带领公司参加香港电子展了。对于今年香港电子展的特点，吕先生表示：“近年已经步入了智能手机时代，因此今年的展会也和去年有很大不同，最大的一个特点是很多厂家都一窝蜂地在做面对不同市场的可穿戴式产品，可穿戴式产品也成了本次展会的主角之一。可穿戴式产品的时代已经到来了。”
在采访中，记者还了解到吕先生已经在行动装置产品（现在称之为穿戴式设备）上专营了30年，在90年代就曾发表了有关行动装置产品的相关论文，对于行动装置产品相当熟悉。对于现在兴起的可穿戴式产品，吕先生表示：“目前电子产品逐渐实现了微型化，讯号数位技术也越发成熟，基于这两个基础，可穿戴设备才有机会发展起来。随着无线wifi和智能手机的普及，无线移动性的穿戴式设备产品将是很好的一个发展方向。”当记者问及可穿戴式产品未来的发展趋势时，吕先生称：“未来穿戴式产品会往个人化、隐私化的方向发展。”
可穿戴式系统 篇3
由于脑电信号非常微弱, 加之人体阻抗的特殊性外界和内部干扰等原因,传统脑电采集系统通过复杂的放大滤波电路设计, 以满足脑电信号采集的要求[3], 但是这样会导致电路板体积过大、 功耗高, 不利于设计采集系统的便携化。 为了实现脑电采集系统的小型化,人们常采用针对特殊应用和特殊设计来简化脑电信号调理电路, 如参考文献[4] 为实现6 通道脑电信号的便携式采集, 将调理电路分成主动电极端和后端两部分,通过这样特殊的设计使得整个系统的体积大为减小,但体积仍然偏大使用不便。 参考文献[5] 针对驾驶疲劳检测研制了6 通道的脑电信号采集系统,采集前端基于多层电路板模块, 该设计虽然大大地缩小了采集前端的体积,但对便携式应用体积仍然偏大。 通过抑制脑电信号源中共模干扰成分可以降低对滤波和陷波电路的要求,而右腿驱动电路是常用的有效手段[6],在提高系统对共模干扰抑制能力的同时可以减小系统的体积[3,7,8]。 参考文献[ 9 ] 将采集前端中各种元器件包括放大器、 滤波器、 控制器等都集成到一个片上系统(So C) 上, 以达到减小系统体积和功耗的目的,这种方案对开发工具和技术水平要求都非常高,成本高难度大。 参考文献[7]利用TI公司的ADS1298 芯片的高精度作为保证, 通过在数字侧实现滤波和陷波来简化采集前端模拟部分的设计,由于该芯片是针对心电信号采集设计的,其漂移和模数转换速率等性能仍然有一定的局限性,当用于脑电信号采集时该芯片内的一些性能无法得到充分利用。
近年来TI公司继ADS1298 之后又推出了专门用于脑电信号采集的模数转换芯片ADS1299,本文以高精度、便携式、 低功耗的脑电采集系统研制为背景, 尝试采用该款芯片作为核心器件设计出可穿戴式脑电信号采集系统前端。
1 可穿戴式脑电采集系统总体结构
本文研制的脑电信号采集系统由干电极、 采集前端、GS1011 控制模块(集成有Wi Fi和ARM)、电源模块和上位机接收控制组成,系统组成如图1 所示。
该系统是一个网络化的嵌入式系统平台,GS1011 通过其Wi Fi模块与上位机通信, 根据上位机指令控制ADS1299 进行脑电信号的模数转换, 并将转换后的脑电信号数据通过设置的无线Wi Fi发送到指定的IP地址上位机上。 该系统改善了传统脑电采集系统在时间和空间上的局限性,满足了脑电采集所需要的便携式、可移动、低功耗以及实时性等特点。
该系统中模拟前端部分是保障系统整体性能的关键,其中采用TI公司的ADS1299 为核心器件, 主要是考虑到该芯片是专门为脑电信号采集而设计的,其具有如下突出的特性:
( 1 ) 具有8 个低噪声可编程放大器( PGA , 放大倍数1 ~ 24 倍可调) 与8 个同步采样模/ 数转换器( ADC ) , 模/ 数转换速率介于250 S/s~16 k S/s之间,不超过8 k S/s时其精度为24 bit;
( 2 ) 每个通道的功耗仅有5 m W ,共模抑制比(CMRR) 高达-110 d B, 直流输入阻抗高达1 000 MΩ;
( 3 ) 内置偏置驱动放大器和持续断电检测(LEAD-OFFDetection)功能。
这些特性保证了加入很少的元器件即可搭建脑电信号模拟采集前端。
2 ADS1299 内部结构
ADS1299 芯片的内部结构框图如图2 所示。 ADS1299 输入端使用的是差分方式输入, 并且每个输入端都集成有EMI滤波器, 能有效地抑制外部射频干扰; 具有灵活的路由交换器(MUX), 可以将任何输入连接到放大器(PGA) 的输入端; 集成有持续断电检测(Lead Off) 电路,可以随时监测电极是否断开; 内部集成了8 路并行的PGA和ADC , 可以提供很高的采集转换精度; 内部还集成有偏置驱动放大器,可以有效抑制共模干扰噪声; 采用SPI串行通信方式设置内部控制用寄存器并输出数字信号, 当芯片完成一次采集时, 芯片会拉低引脚来通知外部GS1011 可以通过SP读取数据。
3 采集前端总体设计
针对脑电信号十分微弱(0.5 μV~100 μV) 的特点, 传统采集前端通常由模拟抗混滤波器、多级放大电路和陷波电路等来提高信号的信噪比,这也是导致其体积大不利于实现便携式设计的主要原因。 由于TI公司的ADS1299 在采样频率不超过8 k Hz时模/ 数转换精度达到24 位, 再结合其集成的具有高共模抑制比的差分输入可编程增益放大器(PGA), 因此本文在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路。 而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现,而且基于过采样技术采用二阶无源RC滤波电路实现抗混滤波, 大大简化前端电路设计,其设计结构框图如图3 所示。
ADS1299 为差分输入, 其共模抑制比( CMRR ) 高达110 d B , 且其直流输入阻抗高达1 000 MΩ , 再配合闭环偏置驱动电路设计, 能够很好地保证系统的抗干扰要求;ADS1299 内部含有8 个低噪声的可编程增益放大器( PGA ) 和8 个同步采样模/ 数转换器( ADC ) , A / D转换精度高达24 bit,当VREF= 4 . 5 V时其信号电压的分辨率为:
如果再将PGA可编程增益控制考虑进去则其信号电压分辨率可以达到0.053 6 μV。
4 预处理电路设计
由于脑电信号频率只有0.5~100 Hz, 实验分析的有效范围一般在0.5~30 Hz, 在模数转换前必须经过低通抗混滤波的预处理,为此本文针对每个通道设计了预处理电路,如图4 所示。
该电路由二阶无源RC低通滤波和限幅电路组成,其中二阶无源RC低通滤波电路的频率响应函数如式( 2 ) 所示:
当C1= C2= C , R1= R2= R时, 可得:
其-3d B截止频率为:
取R=59 kΩ,C=33 n F时,可得:fh= = 30 . 46 Hz 。 图5 为该二阶无源RC低通滤波器的对数幅频特性曲线。
从该幅频特性曲线可以看出, 当选取8 k Hz的采样频率时,可知频率在4 k Hz处衰减达到67 d B。 因此该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果, 通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。
限幅电路则是由两个二极管组成, 其单向导通特性可以将电压幅值钳制在±700 m V以内。
5 基准电压电路
对于ADC的基准电压选择,既可以选择内部基准电压,也可以选择外部基准电压。 为了减小电路规模, 选择ADS1299 内部基准电压VREF= 4 . 5 V 。 图6 是ADS129内部基准电压的简化框图。
图中基准电压是将VREFN与AVSS连接起来并加上限频电容由AVSS产生的, 限频电容的作用是使基准电压的输入噪声不会对系统产生干扰,使得频率带宽至少限制在10 Hz以内。
6 偏置驱动电路
通过右腿驱动电路设计可以进一步抑制脑电信号的共模噪声。 利用ADS1299 内置的偏置驱动放大器加上很少的元器件就可以设计出偏置驱动电路,该电路功能与右腿驱动电路一样,电路如图7 所示。
该电路是由ADS1299 内置偏置驱动放大器以及外围的RF、 CF、 R组成。 RF为反馈电阻, 电阻Res为限流电阻, 通过选取合适的保护电阻阻值, 可以将位移电流限制在安全的范围内(IEC规定流经人体的最大单级故障电流不得超过50 μA), 防止器件对人体造成电击的危险。 反馈电容CF的作用是进行相位补偿, 用来防止自激。 电极A、B、C分别是采集电极、参考电极、偏置驱动输出电极。 选择BIAS AMP运放的正参考端BIASREF为( AVDD+ AVSS) / 2 即系统地AGND , 能够形成一个闭环回路结构。 该闭环回路电路实际上就是一个对消驱动电路共模信号Vc通过该反馈电路可以在人体上产生一个极性相反的共模信号Vcf, 将共模干扰噪声限制在一个很窄的范围内,该范围大小取决于该环路的增益A:
其中ZF为:
通过选取合适的RF、 RCM、 CF值, 可以使得Vcf= - VC这样绝大部分共模干扰信号可以被抵消掉,从而在输入端实现对共模噪声信号的抑制,大大提高了整个电路的信噪比。
EEG信号采集是一种强噪声背景下的微弱信号的采集,这对于EEG信号的采集前端电路设计提出了很高的技术要求。本文提出一种使用高性能生理信号采集芯片ADS1299为核心的可穿戴式脑电采集系统前端。根据实验测试,该采集前端采集精度、采集速度、电气安全和抗干扰能力都能够满足要求。利用ADS1299内部集成的各种特有EEG功能可以大幅简化采集前端设计的电路规模。为设计出新一代的便携式、低功耗、高性能的实时穿戴式脑电采集系统提供了有力的技术支持。
摘要：设计了一款可穿戴式脑电采集前端,具有采集精度高、体积小、功耗低、抗干扰性强等特点。采用ADS1299内部集成的可编程放大器(PGA)实现微弱信号的放大;同时为了消除干扰,使用限幅滤波预处理电路和ADS1299内部集成的偏置驱动放大器。实验测试表明,该脑电采集前端设计能较好地把微弱的脑电信号提取出来,并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
关键词：脑电信号,可编程放大器,偏置驱动放大器,便携式,低功耗
参考文献
[1]韩丰谈,朱险峰.医学影像设备安装与维修学[M].北京:人民卫生出版社,2008:162-172.
[2]张雪燕,冯姚震,马敏飞,等.脑电信号的分析和监测[J].电子技术应用,2011,37(1):128-131.
[3]江洪.基于DSP的脑电信号采集系统的设计[D].合肥:安徽大学,2006.
[4]蔡百原.以数位信号处理单晶片实现可携式即时睡意辨识系统[D].中国台湾:台湾中原大学,2007.
[5]LIN C T,et al.Development of wireless brain computer interface with embedded multitask scheduling and its application on real-time driver’s drowsiness detection and warning[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2008,55(3):1582-1591.
[6]WINTER B B,WEBSTER J G.Driven-right-leg circuit design[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1983,30(1):62-66.
[7]谢宏,颜林,姚楠,等.基于ADS1298的新型脑电信号采集前端设计[J].电子技术应用,2013,39(4):75-78.
[8]孙宇舸,叶柠,于艳波.基于右腿驱动技术的脑电信号放大器的设计[J].东北大学报(自然科学版),2010,31(6):777-781.
可穿戴式系统 篇4
“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”是蓝牙4.0时代常见到的两个标志，前者针对的是蓝牙耳机、键盘灯拓展设备，而后者主要指笔记本、平板电脑、智能手机这样的连接设备，以往的蓝牙标准中，设备仅能进行一对一通信，一定程度限制了移动互联时代多设备间的互联互通。允许设备同时充当“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”两个角色，这就让多款设备能够同时连接到一台蓝牙设备上。对于可穿戴式智能设备而言，一方面可以满足其同蓝牙耳机等外界设备连接通信的需要，一方面其本身也可同PC等设备连接，用于用户信息的提交和分析，从而起到移动设备枢纽的作用。
值得一提的是，针对可穿戴式智能设备不方便使用WiFi直接上网的问题，蓝牙4.1标准加入了专用通道，允许设备通过 IPv6 联机使用，可穿戴式智能设备完全可以通过蓝牙连接到已上网设备上，然后利用IPv6接驳网络。
2 大大提升的易用性
NFC功能的快速普及与其出色的易用性分不开，以往用户在使用设备蓝牙功能时，配对过程总让人感到麻烦。蓝牙4.1规范在设备连接方面同样进行了优化，两款4.1规格蓝牙设备一旦曾经成功配对，再次连接时只需将两款设备靠近即可，该设计同NFC颇为接近。
3 不单单是智能穿戴设备
无论是一对多的通信功能，还是改进后的易用性，全新的蓝牙4.1规范无疑围绕可穿戴式智能设备提供了强大的支持。其实，拥有智能、低功耗、高连接速度等特性的蓝牙4.1模块，完全可充当物联网时代的纽扣。在无线设备爆发的今天，蓝牙4.1版本特别针对无线信号间的干扰做出优化，以确保用户使用蓝牙传输信息时的稳定性。
未来，测试土壤中的水分含量来控制洒水器运转的设备、汽车蓝牙钥匙等设备将大量出现在用户生活中，蓝牙将成为物联网时代发展的根基。
4 免费的4.1
可穿戴式系统 篇5
对心血管疾病的早期诊断和检测一直是医学界的研究的热点问题。1957年Holter动态心电图的发明, 给心脏病疾病患者带来了福音。在传统的心电监测设备中, 通常使用线缆来传输数据, 线缆连接到专用的处理设备进行处理, 患者需佩戴全套设备才可以接受监测治疗。这些设备, 在一定程度上提高了患者突发心脏病的检出率。但是其体积与复杂度, 限制了其在心脏病早期诊断的应用。随着现代电子技术的发展与成熟, 类似于心电信号的小信号的检测传感器集成度提高, 为便携式的心电监测带来了更多的可能。本文采用美国神念公司的BMD101芯片作为心电信号采集传感器, 并且通过n RF51822蓝牙芯片技术将数据上传到Android或Windows上位机进行数据处理和心电图显示。可穿戴技术的采用, 使得系统的体积大大减小, 同时拥有友好的人机界面, 符合现阶段关于可穿戴设备的要求。同时在设计时充分考虑低功耗需求, 在软件和硬件层面联合降低功率。
一、系统的组成与原理
可穿戴式心电监测终端的总体结构如图1所示。分为传感器模块, 蓝牙处理器模块, 和上位机部分。人体心电信号通过两片电极片采集后, 经过低通滤波器消去运动或皮肤震颤产生的高频干扰进入BMD101芯片。在芯片内部采集的模拟心电信号经过芯片内部的模拟前端, 滤波, 放大, 模数转换后进入数字处理阶段。在数字处理中, 将工频干扰消除, 并经过带通滤波器, 通过心率算法将心率算出后, 原始的心电数据和心率将通过串口输出。n RF51822芯片内部集成了MCU和蓝牙模块。采集的心电数据被串口读取后, 经过处理后在OLED上显示出来, 同时也会通过蓝牙发送出去。在电脑或安卓手机的接收端接收了蓝牙信号后, 可将蓝牙转为串口读出, 将数据再次滤波处理并显示出来。
二、硬件设计
2.1传感器部分
弱电传感器应包含, 前置滤波, 高增益放大, 陷波滤波等部分。本文采用的BMD101是美国神念公司专为心电生物信号采集开发的片上系统, 集成了模拟前端和数字后端, 功能强大。其模拟前端集成高增益的线性低噪声放大器和高精度模数转换器, 极低的系统噪声和可控的增益使其可以采集微伏到毫伏级的生物信号。内置50Hz或60Hz陷波滤波器可对心电监测的最大干扰源工频干扰进行过滤。而芯片的封装仅为3X3mm。且无需外围电路, 特别适用于可穿戴式的设计。但由于是小信号处理, 需对模拟地和数字低进行严格的区分以减小干扰。在电源部分加入PI型滤波以减小电源的纹波干扰。同时由于是穿戴式设计, 佩戴者运动产生的高频信号对信号的采集有较大的干扰, 可在电极到传感器间加入截至频率100Hz左右的低通滤波器。电源部分电路和前端低通滤波器如图2所示。
2.2蓝牙处理器模块
蓝牙透传具有低功耗, 传输速度快的特性。n RF51822是Nordic公司生产的一款功能强大、高灵活性的多协议的超低功耗的片上系统 (Soc) , 包含一个32位ARM Cortex-M0CPU。非常适用于Bluetooth低功耗和2.4GHz超
低功耗无线应用。BMD101芯片串口发出的心电信号进过n RF51822芯片读取后, 根据神念官方提供的数据包解包方式进行解包。提取出心率数据, 和512Hz的心电采样数据。处理后通过SPI接口在OLED显示器上显示出来。同时串口数据通过蓝牙转发出去。n RF51822内部集成的DC-DC转换器和ADC可以控制和检测锂电池电压。可以将电池的实时电压情况反馈出来。在上位机中只需要将检测设备作为蓝牙串口读取即可。
三、软件设计
3.1下位机程序设计
下位机程序主要完成心电数据包解包, 电源电压采样, OLED显示, 蓝牙转发。为了实现OLED显示和电源电压采样使用了两个定时器。定时器1按照刷新频率刷新显示心电波形, 定时器2按照采样频率对电池的电压采样。心电数据解包按照给出的操作手册, 一步一步进行解包提取。其程序流程图如图3所示。
3.2上位机程序设计
上位机程序在Microsoft Visual Studio集成开发环境下编程。其内部集成的丰富的函数库和开发例程提供了友好的开发环境。在官方操作手册帮助下, 根据其提供的API接口即可方便的访问USB串口。无需编写复杂的硬件驱动。使得开发难度大大降低。在IDE中调用Think Gear串口数据解析器API可对心电数据包进行解析。将解析出的原始数据通过Bresenham算法以描绘直线的方法绘制出来即为ECG波形。根据简洁易用的原则, 设计了一款友好的的人机交互界面。功能涵盖有串口选择, 实时心率显示, ECG波形绘制, ECG数据存储。
Andriod手机的上位机程序在android studio下开发完成。在Think Gear SDK的帮助下, 可以方便的对心电数据包进行读取和解析, 同时将串口得到的数据用Surface View绘制ECG波形图。Surface View可以直接从内存或者DMA等硬件接口取得图像数据, 因此大大减小了系统设计难度。上位机效果图如图4和图5所示。
本方案基于的BMD101和n RF51822均为低功耗高集成度soc。所需的外围芯片很少, 终端结合电池和电极片仅为10g。其采用80m AH锂电池以512Hz采样率可连续工作5天以上。硬件电路的周全考虑, 将可能的噪声降至最低, 佩戴者可以在大多数情况下得到实时的心电监测。系统结构简单实用, 抗干扰能力强, 可以适应于各种复杂情况监测。
参考文献
[1]杨凯, 丛林, 胡文东, 徐文涛, 惠铎铎, 宋博.基于BMD101的嵌入式无线心电监测系统[J].电子技术应用.2014 (01)
[2]余冠成, 赵晓东, 俞乾, 张云鹏, 陈骁, 王守岩.超低功耗智能移动心电监测设备[J].传感器与微系统.2015 (03)
[3]Neuro Sky.BMD101Product Brochure-1_1[DB/OL]. (2012-05-29][2013-07-4].www.neurosky.com.cn.
[4]Neuro Sky, BMD101 Integration Reference Design/Schematic[2012-06-14].www.neurosky.com.cn
[5]岳蜀华, 王美涵, 郭飞, 孟兆辉, 白净.可穿戴式无线心电监测仪的研究现状[J].生物医学工程与临床.2006 (04)
可穿戴式系统 篇6
可穿戴设备是直接穿在身上,或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备,其通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。早在2014年CES消费电子展会上,智能可穿戴设备便成了主角,其占了整个展会的半壁江山,几乎渗透入所有消费电子品中,这其中,不只是诸如三星等的国外企业,很多中国企业,包括中兴、华为、百度等都纷纷展出了自己的智能可穿戴产品。随着技术的进步以及用户需求的变迁,智能可穿戴设备从概念正在逐步转化为潮流, 其形态与应用热点也在不断的变化。
可穿戴式生物医疗仪器是可穿戴设备领域的一支生力军,因其可实现对人体非介入的检测和远程诊疗从而被寄予厚望。基于穿戴式生物医疗仪器在社会上引起的广泛关注,笔者认为有必要对这一领域的中国专利申请进行梳理和分析,从而帮助企业和个人对这一领域目前的技术发展水平、发展脉络以及研发热点等有更客观的了解。
笔者首先进行了较为概括的检索,发现穿戴式生物医疗仪器相关的专利申请已达千余项,这其中包括一部分外观专利申请,而在其他两种专利申请中,有相当数量是仅仅通过计步、测量体温或者是测量脉搏来体现其生物医疗功能的。考虑时间成本的因素,笔者将重点放在了涉及血压、 血糖以及血氧饱和度的测量的可穿戴设备上,因为有关这几个参数的测量涉及更为复杂的检测技术,对可穿戴式设备提出更高的要求,相应地, 其也能更切实地实现诊疗功能,从而更有可能满足社会的需求。
1.可穿戴式生物医疗仪器国内专利技术分析
1.1专利申请量趋势
从图1所示出的时间演进来看,该领域的专利申请大致经历了三个阶段。
2003年之前,十余年的时间里仅有几项专利申请,该阶段实际上并没有真正的产品在中国问世,申请人基本上都是国外来华企业(例如 :因尼德姆德 · 科姆公司,CN1309546A),从专利申请的内容来看,主要集中在概念的提出。
2003年到2011年期间,随着无线通讯技术的迅猛发展,可穿戴医疗技术逐渐进入人们视野, 陆续有申请人着眼于这一概念的可实施性,尝试着进行各个方面的技术实践和技术改进(例如 : 香港中文大学,CN1692874A ;四川东林科技有限公司,201675927U)。
2012年之后,由于可穿戴技术在全球刮起的风暴,有更多的申请人试水这一领域的医疗用途 (例如 :浙江大学,CN103315722A,南京专创知识产权服务有限公司,CN104510453A ;郭雨知, CN203914874U),专利申请量也呈直线上升趋势。
1.2申请人的构成
在医疗器械领域,国外来华的申请人往往会占申请人总量的一半或者更多。但是,由图2能够很直观地看出,在可穿戴生物医疗设备领域,中国的专利申请主要来自于国内申请人。实际上,国外来华申请人的专利申请也多集中在早期。扩展检索的结果显示,国外申请人的研发重点不再集中于这一领域的概念层面,而是更多放在了与这一领域相关的具体技术上,包括检测技术的新发现,通讯技术的壁垒攻关等(例如:三星, CN104052528A ,在智能穿戴设备中与多个终端进行通信的装置和方法)。
图3和图4显示出了国内申请人的性质构成和区 域分布。 可以看出, 国内申请 人在这一领域中的构成比较平均,企业占的比重略大(例如 :成都博约创信科技有限责任公司, CN203555728U ;苏州锟恩电子科技有限公司, CN104095623A),这也说明,由于这一领域存在巨大商机,企业更有动力也更有必要在这一领域获得专利权。就地区分布来看,申请人更多地集中在广东、北京、江苏、四川、上海、浙江这几个省份,这与这些省份在电子产品方面的研发水平是基本一致的。
图5显示了在可穿戴生物医疗设备领域专利申请的构成,其中发明专利申请占到了60%(例如 :广西科技大学,CN104042202A ;许建平, CN104434053A),这一方面说明这一领域的技术含量比较高,另一方面也说明了申请人对这一领域的重视程度。还有一个可能的原因在于,这一领域常常涉及数据处理的方法、通讯方法,其有关技术一般只能通过发明专利来寻求保护。
另外,据统计,这一领域的发明专利申请中, 已经授权的占18%(例如 :史密斯医疗ASD公司,CN101330865A,CN101330865B), 由于这一领域的专利申请主要集中在2013年和2014年, 所以,有40% 的专利申请正处于在审状态(例如: 普天信息技术研究院有限公司,CN103876715A), 如图6所示,因此可以判断在这一领域,发明专利申请的授权率应当高于这一数值。
图6中显示了可穿戴生物医疗设备领域的专利申请的历史状态。其中,除40% 的专利申请还处于在审状态之外,42% 的专利申请处于授权专利维持状态(例如 :世意法(北京)半导体研发有限责任公司,CN202168825U ;中国人民解放军第三军医大学野战外科研究所,CN102499694A), 占已经结案的专利申请的70%,这一方面与该领域的专利申请多集中于近几年,专利权维持的时间较短成本较低有关。另一方面也在一定程度上说明在这一领域,申请人对于专利保护的重视程度较高,也间接说明了专利产业化的可能性较高。
1.3技术构成
一个基本的可穿戴生物医疗设备至少要具备生理信号检测、信号特征提取以及数据传输等基本功能模块,其关键技术涉及多个交叉学科,这也决定了在这一领域,专利申请的技术点和发明点会更分散,更复杂。
图7显示了在这一领域专利申请的技术点分布。其中,有超过三分之一的专利申请涉及载体结构的改进,包括作为检测、通讯等模块的载体的手环、腕带等的结构、材料方面的改进,以及行使检测功能的传感器与载体的连接方式的改进等。通过浏览,发现有关这一方面的专利申请大多为实用新型(例如 :白英,CN202044257U)), 发明专利申请较少且鲜有获得授权的(例如 :中国人民解放军空军航空医学研究所,CN1507833A, 视撤)。笔者认为,这主要是由于目前较为公知的可穿戴设备的形式不外乎腕环、指套、衣物以及饰品,并且将这些形式的载体设计为舒适的以及将功能部件结合在这些载体上的手段也都相对公知,因此,在这方面做出改进相对容易,相关专利申请的技术含量相对较低。
除了载体结构,申请人关注的技术点还在于电路结构、通讯方式和数据处理方面(例如 :北京格瑞图科技有限公司,CN103876714A ;杨阳, CN103236030A),这可能是基于在电子产品高度发展的情况,电子元器件资源异常丰富,通讯方式和数据处理手段也比较多样,因此,申请人更容易发现这些方面的改进需求,也更容易获得对应的技术手段。但是,也正是由于这种需求和技术手段的显而易见性,使得这几个方面获得高质量专利的可能性不大。
可穿戴生物医疗设备真正与其医疗应用相关的技术点在于如何进行生理信息的采集和数据特征的提取。然而,关于这一点,相关的专利申请仅占到7%(例如 :江西科技师范学院, CN101301202A)。事实上,由于检测血压、血糖等生理参数的传统检测方式要么是需要较为复杂的操作,要么需要有创采集,所以无法直接应用于可穿戴医疗设备,这就对检测手段本身提出了新的要求。目前存在采用光电手段检测血压血糖的技术,但直接应用于可穿戴设备仍存在检测精度和稳定性方面的不足。在医疗领域,一个精度不高数据不稳定的检测设备是不可取的,甚至是危险的。检测方式的不足会直接影响可穿戴医疗设备的产业化进程。因此,笔者认为,检测手段的改进、检测精度的提高是可穿戴医疗设备研发的一个难点,但它同时又是制约这一领域发展的一个关键点。
还有一小部分专利申请致力于推动可穿戴设备的多功能化,例如,在一个小小的可穿戴设备上集成多项生理信息的检测功能(例如 :杨凯晶,CN202801577U)。这方面的专利申请大多属于个人申请,其在如何实现多功能集成的问题上往往语焉不详。实际上,血压、血糖和血氧饱和度等参数的检测需要利用到不同的检测手段,这种功能的集成不是只有一个简单的构想就能实现和完善的。在电子产品日趋多功能化的大形势下,如何真正做到生理检测在可穿戴设备上的集成化, 可以作为有志于此的申请人研究的一个重点。
笔者还对可穿戴医疗设备的其他技术构成进行了统计。如图8所示,在这一领域,血压的检测显然受到更多关注(例如 :西藏民族学院,CN202891909U ;河南科技大学第一附属医院,CN104013395A ),而有关血糖检测的专利申请较少,这可能与血糖无损检测技术的发展水平有关。 而图9显示出有关可穿戴医疗设备的载体形式的相关数据,包括手表、手环、腕带在内的腕部载体形式比重最大,其次是整合有检测模块的衣服。 另外,约有三分之一的专利申请由于其关注点与载体形式无关从而并未明确限定可穿戴医疗设备的具体形态。
2. 小结与讨论
通过上述统计和分析可以看出,在可穿戴医疗设备领域,专利申请数量在近两年大幅度增长。 其中国内申请占了绝大多数,申请人中企业所占比重大于院校和个人,发明专利申请的数量多于实用新型专利申请的数量。这在一定程度上说明了在近几年的可穿戴设备热潮中,国内企业对于这一领域的新功能和新应用的关注和重视。
另外,在这一领域的专利申请中,有关载体结构、电路结构以及通讯方式这几方面的改进占大多数,而真正致力于可穿戴医疗设备的准确度和稳定性的专利申请很少。这在某种程度上说明, 目前国内专利申请中有关可穿戴医疗设备的发明创造仍旧主要集中于非医疗功能的方面,而如何提高可穿戴医疗设备的医疗检测精度问题,必定成为今后这一领域进行研究和寻求专利保护的重点。
通过统计笔者发现,在可穿戴生物医疗设备领域,申请人较为分散,图10显示出了排名靠前的几位申请人及其专利申请情况。这其中主要是院校和个人,仅有的几家企业的专利申请量也均没有超过5项。图10显示出的情况似乎与目前可穿戴设备的井喷式发展不相吻合,首先,为大众所知的领头企业未见踪影 ;同时,专利申请如此分散令人费解。
笔者就此疑问进行了分析,认为原因可能在于以下两点 :其一,笔者的检索和统计围绕生物医疗目的的可穿戴设备展开,而在这方面,真正进入生产和销售的产品凤毛麟角,其专利申请的情况与已经高度产业化的普通可穿戴智能设备有差异是正常的 ;其二,可穿戴智能设备的知名企业无一例外都是从一般意义上的智能可穿戴设备进军该领域的,其最初的着眼点都集中在无线通讯技术上,即使有在后来将功用扩展到医疗领域的,一般也都是直接借用了现有的生理信息诊断技术,所以,这些企业在生物医疗目的的可穿戴设备方面专利申请较少是可以理解的。
基于以上的可能性分析,笔者针对各大领头企业进行了检索。
中兴公司,其相关专利申请的重点放在远程信息的传送方法上,对具有智能腕表略有涉及(例如 :CN204241857U),但未发现有涉及生物医疗功能的相关专利。华为公司,亦有数十件专利与穿戴式设备相关(例如 :103713740A),但主要关注其通信功能,对生物医疗方面的内容没有涉及。百度公司也有十数件涉及穿戴式设备的专利申请(例如 :CN103529468A),其主要关注的也是通信功能,只对远程生理参数处理略有涉及。 九安公司多年来致力于血压计的研发,但有关穿戴式医疗设备,只有几项相关的外观专利。盛大旗下的果壳公司,其专利主要涉及电子书和手机, 以及与之关联的具有控制和解锁功能的戒指(例如 :CN103326867A),深圳映趣公司则多为外观专利,其实用新型专利主要涉及通信功能的腕表 (例如 :CN203399159U)。
相比于可穿戴医疗设备目前一片大好的市场前景,以及各个突出企业在这一领域所造出的浩大声势,这样的检索结果似乎让人意外。然而, 即使是一个简单的手环,其作为高科技产品所涉及的技术也要囊括多个方面,而如果要应用于医疗,会对结构、检测、数据处理等方面提出更高的要求。因此,很难将整个可穿戴设备的相关技术作为一个整体限定在一项专利申请中。像华为、 中兴这样的善于专利布局的企业,其通过对各方面的相关技术分别进行专利保护从而构建出一个专利池的可能性很大。所以,上述检索结果也是可以理解的。但是,由于在生理信息检测和相关数据处理方面专利申请的缺失,这些企业在进军可穿戴医疗设备时的专利保护难免会受到牵制, 因此,国内企业的专利布局还应当在这一方面做出更多的努力。
笔者在检索中也发现,国外来华企业显然更为重视专利的保护,以三星公司为例,其在可穿戴设备方面的专利申请就有50余项(例如 : CN104484037A,CN103240728A),并且由于其早就开始在医疗诊断领域进行专利布局(例如 : CN101264011, CN101879059A), 因此, 构架专利池对穿戴式生物医疗设备形成有力支撑将易如 反掌。
可穿戴式系统 篇7
随着人类生活方式的改变和生活节奏的加快, 人们患与腰椎、脊椎有关疾病的发病率有所上升。腰背部肌肉训练结合药物治疗作为一种有效治疗腰椎、脊椎各类疾病的方法[1], 为多数人接受。然而现有的牵引治疗机械普遍存在锻炼部位单一、柔顺性差、治疗效果不佳等缺点。
基于上述考虑, 本研究以腰背部肌肉训练结合药物治疗为背景[2], 设计一种可穿戴式新型腰背部牵引治疗仪[3]。通过建立其空间几何模型, 对治疗仪的运动原理和工作特性展开系统研究与深入分析, 利用Matlab对该样机进行运动学仿真, 了解位移、速度、加速度等指标。最后通过验证实验, 证实该可穿戴式新型腰背部牵引治疗仪具有一定的治疗效果和舒适性、安全性。
1 治疗仪的双平面铰接结构设计
该治疗仪的结构示意图如图1所示。其中电动推杆1、2 (电动推杆3后文中记作“推杆GE”) 、承重摇杆3、4和横向杆5、6构成第一运动平面, 该平面内存在一个由承重摇杆3、4、底座及横向杆5、6组成的平面四连杆机构, 平面四连杆机构能够在该平面内完成向左或向右的摇摆动作, 机构所在平面定义为摇摆平面;纵向背部板9、横向背部板10构成第二运动平面, 因平面做俯仰运动, 称其为俯仰平面。两运动平面通过7、8处的转动副铰接, 形成双平面铰接结构;第一运动平面通过13、14两处的转动副与底座连接, 实现整个治疗仪的固定。
动力方面, 电动推杆1、2带动摇摆平面内四连杆的运动, 实现治疗仪的左右摇摆;电动推杆11、12 (电动推杆12后文中记作“推杆RP”) 带动纵向背部板的绕横向杆5、6的转动, 实现治疗仪的前后俯仰。
1, 2—电动推杆;3, 4—承重摇杆;5, 6—横向杆;7, 8—背部俯仰轴承座;9—纵向背部板;10—横向背部板;11, 12—电动推杆;13, 14—臀部轴承座
2 治疗仪运动学的几何分析
本研究通过对机械结构的抽象简化, 绘制出的机构简图如图2所示。
在机构上建立3个坐标系, 其中坐标系{A}与大地ground固连, 为研究方便, 将零点设在AB中点。坐标系{B}固连于摇摆平面, 其零点设在DC中点。坐标系C固连于俯仰平面, 其零点与{B}重合。各坐标系方向如图2所示。
由图2可以看出, {B}坐标系在{A}中的运动可以分解为平动和绕Z轴的转动, 根据坐标系映射原理[4]可得出{B}到{A}映射。
用相同的方法很容易地得出{C}到{B}的映射:
由于治疗仪通过位于平面PQQ'P'内的J点与人体连接, 该点为研究者感兴趣的点。
由上述映射关系以及J点在坐标系{C}中的坐标 , 坐标系{A}下J点的坐标可以得出:
现结合图2中摇摆平面内的四连杆机构, 说明如何确定映射关系中的位置参数θ和θ5, 根据边角关系:
由于实际机械中的零件并非理想的无粗细的线, 经测定修正后的θ1为:
由此得D点坐标:
得到C点坐标:
由此可得DC中点的坐标O:
向量 与X正方向的夹角为:
垂直于DC视角观察所得到的俯仰平面示意图如图3所示。
易求得:
经过对实体样机测量, 得出如下关键尺寸参数:
至此本研究已建立了可穿戴式腰背部治疗仪的运动学模型, 该模型输入量为GE、RP两个推杆的长度参数, 输出量为末端执行机构任意点的位置坐标。反之, 研究者输入末端执行机构要求达到的点的坐标, 即可解出GE、RP气缸的长度。
3 治疗仪运动学仿真分析
3.1 工作空间分析
工作空间是衡量腰背部诊疗仪性能好坏的一项重要参数[5,6], 以治疗仪与人体肩部的连接点为例, 该点的运动轨迹只能落在其工作空间中。
该连接点的运动空间应该与人体肩部实际运动的空间相对应。肩部连接点的左右、前后方向运动如图4所示。根据常识, 人取坐姿时, 其肩部的运动可近似为:在左右方向上, 为一以脊部某点为中心的圆弧, ;在前后方向上, 为一以脊部同一点为中心的圆弧。
根据该治疗仪所选电动推杆的型号, GE在[150, 195]范围内取值, RP在[190, 220]范围取值, 本研究在Matlab中计算出了肩部连接点的所有可能出现的位置[7,8], 即工作空间[9] (肩部连接点的工作空间如图5所示) 。
由图5可见, 肩部连接点J在空间中的运动范围是一个曲面, 其左右运动 (摇摆) 的范围是[152.32 mm, 359.09 mm], 前后运动 (俯仰) 的范围是[-18.94 mm, 63.55 mm], 上下运动的范围是[257.56 mm, 414.28mm]。如果以垂直于Y轴的平面去截工作空间曲面, 可得到与图4吻合的肩部在左右方向上的运动轨迹。同理, 如果以垂直于X轴的平面去截工作空间曲面, 可得到与图4吻合的肩部在前后方向上的运动轨迹。由以上工作空间分析可见, 腰背部治疗仪的运动与人体的运动吻合, 完全符合模拟人体运动的要求。另外, 运动空间各方向的极限位置均位于人体可承受范围之内, 即使治疗仪发生故障也不至对人体造成损伤, 从而保证了治疗仪的安全性。
3.2 运动学仿真
通过分析动力原件 (电动推杆) 的运动规律, 列写出如下两个推杆运动方程:
笔者进而绘制出肩部连接点J在坐标系系中的位置变化以及坐标系3个投影方向的运动参数曲线如图6所示。
通过分析图6所示肩部连接点的具体运动路径和坐标系各投影方向的运动学参数, 即速度、加速度的参数值变化情况可知, 可穿戴式腰背部治疗仪可以很好地带动肩部运动, 完成腰背部的俯仰、摇摆运动, 且治疗仪在运动过程中的位移、速度、加速度曲线整体平滑, 没有数值发生突变的现象。从而得出, 可穿戴式腰背部治疗仪的机械结构设计合理, 有良好的运动性能[10]。
4 实验及结果分析
笔者所在项目组在如图7所示可穿戴式腰背部治疗仪样机实验台上对肩部连接点的运动极限位置进行了测量, 并开展了志愿者穿戴实验。
实际测得的肩部连接点的极限位置如表1所示。通过分析可见连接点的极限位置与运动空间的模拟结果相符。模型工作空间几何学分析的可靠性得到证实。
在样机测试中, 25名志愿者对样机进行了穿戴试验。由志愿者反馈的体验情况可以获知, 志愿者在试验过程中没有感到明显的顿挫感, 腰背部运动柔和、舒适, 经过一段时间的治疗能体会到明显的腰背部肌肉的锻炼效果。可穿戴式腰背部治疗仪牵引治疗效果良好。
5 结束语
本研究根据人体腰背部运动特点及治疗要求, 设计了一种可穿戴式腰背部治疗仪, 并对其结构设计和运动分析进行了研究和探讨, 尤其对结构的几何学分析进行了详细的推导, 并通过实验验证了模型的准确性。笔者通过运动学分析, 了解了机构运动的核心指标。实验和仿真数据表明, 可穿戴式腰背部治疗仪能很好地实现对人体腰背部的治疗, 且具有良好的舒适性和安全性。本研究的设计思路与分析方法可为其他产品的研发提供参考。
参考文献
[1]沈雷.腰背部肌力训练结合牵引治疗腰椎间盘突出症[J].中国康复, 2013 (1) :33-34.
[2]SUNDBERG T, HAGBERG L, ZETHRAEUS N, et al.Inte-grative medicine for back and neck pain:Exploring cost-ef-fectiveness alongside a randomized clinical pilot trial[J].European Journal of Integrative Medicine, 2014, 6 (1) :29-38.
[3]MARTIN P, EMAMI M R.A neuro-fuzzy approach to real-time trajectory generation for robotic rehabilitation[J].Robotics and Autonomous Systems, 2014, 62 (4) :568-578.
[4]CRAIG J J.机器人学导论[M].Beijing:China MachinePress, 2005.
[5]姚猛, 韩宝玲, 罗庆生, 等.工业码垛机器人机构设计与运动学分析[J].组合机床与自动化加工技术, 2011 (5) :31-33.
[6]于蓬, 张为春, 裴宝洁.抢险机器人手臂机液耦合仿真分析[J].液压气动与密封, 2011 (6) :29-33.
[7]侯越, 熊晓燕, 王绚, 等.基于ADAMS和ANSYS的联合动力学仿真及应用[J].矿山机械, 2014, 42 (1) :111-115.
[8]库才高, 傅惠南.基于ADAMS弹性浮动研磨机的动力学仿真[J].机电工程技术, 2012 (11) :7-10.
[9]NESPOR J.Knowledge in motion:Space time and curricu-lum in undergraduate physics and management[M].Newy-ork:Routledge, 2014.
可穿戴心电监测产品系统的设计 篇8
如今我国社会老龄化加剧, 慢性疾病患者的基数也在不断扩大。据卫计委统计, 慢性疾病导致的死亡人数已占到全国总死亡的86.6%, 导致的疾病负担占总疾病负担的近70%[1]。心血管疾病是慢性疾病的一种, 病发具有突然性和随机性, 以现有的心血管疾病临床检测手段, 医生对于院外患者的病情往往是不能及时掌握的, 而患者则不得不多次往返医院, 因此心血管疾病的日常监测和预防是改善现有心电监测服务流程的重要方式。
本文以可穿戴设备为切入口, 以移动医疗为实现途径, 利用智能手机的普及以及可穿戴设备方便携带、成本低、体积小、可靠性高和操作简单等优点, 在现有的医疗体系和技术条件下设计出一套硬件加软件的可穿戴心电监测产品系统, 以解决目前心电监测医疗服务流程中存在的问题。
1 产品系统构成
产品系统需要通过硬件和软件的结合, 从而将不同的用户联系起来以形成完整的服务流程, 不同的用户与之连接的硬件以及软件也不一样 (如图1) 。
1.1 系统用户定义
(1) 心血管疾病患者
患者是医疗生态系统的核心[2], 是我国医疗体系主要的被服务对象, 也是目前可穿戴医疗设备的主要用户群体和消费群体。本文研究的心电监测产品系统用户群体为血管疾病患者, 其中病情较轻的院外心血管疾病患者是主要服务的对象, 分为以下三类:一是症状不明显、短时间内检测不出病因且病情较轻没有达到住院标准需要复诊检查的患者;二是处在治疗阶段且病情较轻不需要住院的患者;三是处在康复阶段且已经出院的患者。
(2) 心血管疾病医生
心血管疾病是一种复杂的疾病, 患者对于自身病情的了解及相关医疗知识是非常匮乏的, 而医生是第一时间接触到患者且直接与患者进行对接和交流的, 所以医生往往比患者更了解患者自身的情况及需求。虽然目前有部分厂商可以为用户提供云端心电数据分析服务以及专业医疗团队咨询服务, 但受限于监测数据的精度以及数据库的容量, 云端只能对数据做出大概的分析, 加上我国的医疗政策的限制, 医生必须依附于专业的医疗机构[3], 第三方的医疗团队不具备开出医疗诊断的资格。而目前市面上的大部分厂商并没有将专业医疗机构的医生纳入到他们的服务流程当中[2], 他们的产品无法为用户提供专业的医疗诊断服务, 因此医生也是本文研究的心电监测产品系统的主要用户。
(3) 可穿戴设备厂商
在本文所讨论的心电监测产品系统中, 可穿戴设备厂商也是用户之一。其除了提供基本的产品线上线下服务, 同时要通过与专业医疗机构的合作吸纳优质的医生资源, 还需要负责数据库的建设和维护以保证整个产品系统的数据流通。
1.2 系统构成
(1) 硬件
本套产品系统的硬件包括可穿戴心电监测装置、智能手机以及云端服务器, 其中可穿戴心电监测装置是本文重点讨论的内容。可穿戴心电监测装置用于采集患者的心电信号及呼吸频率, 并将监测到的数据传输至智能手机, 智能手机通过安装相关的应用 (Application, 以下简称APP) 来显示可穿戴心电监测装置发出的数据并将数据上传至云端服务器以完成数据的储存和分析。
(2) 软件
要构建以可穿戴设备为核心的健康医疗服务系统, 离不开大数据云储存技术的保障[4], 因此可穿戴设备厂商需要建立和维护自己的云端服务器, 用于为其用户提供数据储存及分析服务。同时, 伴随着移动医疗的发展, 医疗APP近几年呈现井喷式的增长, 极大地方便了患者的诊疗、治疗、护理[5]。本套产品系统的软件包括云端服务器的数据库管理系统和手机端APP。数据库管理系统用于收集储存上传的患者监测数据以形成数据积累, 并结合中国心血管疾病数据库 (CCDD) 等公共数据库, 利用大数据的算法识别和基于云计算的数据挖掘分析, 为患者提供更加精准的分析报告及建议。APP是本文重点讨论的内容, 根据患者和医生这两个用户群体的需求不同分为患者版APP和医生版APP。患者版APP用于显示由硬件收集到的监测数据以及由云端根据监测数据分析得出的相关报告, 同时也能使患者在线向医生咨询及挂号。医生可以通过医生版APP调取云端服务器数据查询到院外患者和院内患者的病情状况, 方便医生及时掌握患者病情并在线给患者相关的诊断指导及建议, 提高突发情况下医生处理的效率。
2 系统服务模式
由于目前我国只有部分大型医院有患者随访制度[6], 因此以现有的院外心电监测手段是难以方便、准确地捕捉记录到患者突发病变的心电数据, 频繁地往返医院不仅增加了患者的就医成本, 也对医生的工作及医院医疗资源的分配带来了很大的压力。文章设计的产品系统在心血管疾病这一细分医疗领域内, 通过硬件采集数据、软件分析显示数据的基本模式, 为患者和医生增加一个线上沟通的渠道, 将一些无需线下解决的医疗需求搬至线上从而降低患者的就医成本以及医生的工作压力。
2.1 硬件获取渠道
硬件获取渠道如图2所示有两种, 对于病情较重需要长期佩戴的心血管疾病患者, 可以通过传统的销售渠道购买硬件, 获得永久使用权;对于病情较轻只需要短期佩戴的心血管疾病患者, 则可以通过医疗渠道向医院申请租借使用。
2.2 数据传输
数据传输如图3所示, 患者佩戴硬件并由硬件将监测到的数据传输至患者版APP供患者查看, 并在后台将监测到的数据上传至云端服务器进行储存和分析。医生可以通过医生版APP查看到院外患者的监测数据以及由医院上传的住院患者监测数据。同时患者可以通过患者版APP向医生咨询, 医生则通过医生版APP进行回复。可穿戴设备厂商建设维护的云端服务器作为数据中转站, 将负责接收由软件端上传的数据并根据软件端请求发送相应的数据。
2.3 医患沟通方式
医患沟通方式如图4所示, 医生与院外患者间的传统沟通方式无法准确地传递患者的心电数据, 医生无法给出准确的医疗判断, 造成患者需要经常往返医院做检查。而在由软件端以及云端服务器组成的线上沟通模式中, 患者可以选择目前就诊的医生或认识的医生并向其发出咨询, 医生可以通过医生版APP查看患者数据和咨询信息并做出回复, 除了关注住院患者以及向其就诊的患者, 也可以回复其他患者的咨询以增加病患数量和提高知名度。
3 系统硬件设计
本文将从穿戴角度和技术角度来讨论可穿戴心电监测装置的设计。
3.1 硬件穿戴方式设计
目前市面上相关同类产品采用的穿戴方式主要有以下几类:
(1) 手持类传统医院大型心电仪的便携化, 监测时设备主体需要手持或挂在脖子上, 通过导联线连接贴在体表的电极贴片进行测量;
(2) 贴片类手持类设备的小型化, 设备主体可以直接安装电极贴片并贴在体表进行监测;
(3) 胸带类佩戴方式为环绕胸部一圈卡住, 主要为运动人士监测运动时的心率而设计;
(4) 腕表类该类设备多为具备心率监测功能的智能手表或智能手环, 直接佩戴在腕部;
(5) 衣物类将相关监测模块集成到普通的衣服当中, 直接穿着就可以进行测量。
手持类和贴片类的佩戴方式需要通过电极贴片固定, 电极贴片使用时不能运动、沾水, 且会对部分人群造成过敏, 由于贴片粘度的限制造成设备体积不宜过大, 不适合进行长时间监测。因为人体构造的原因, 腕部的心电信号比较微弱, 因此腕部佩戴方式不适合进行精确的心电监测。衣物类由于传感器集成在内部因此清理起来比较麻烦, 在穿着时衣物与身体摩擦会造成传感器监测部位无法固定。而胸带类的佩戴方式可以保证在人体运动时不会脱落, 且胸部是人体心电信号最强烈的部位, 因此心电监测装置非常适合采用胸带类的佩戴方式。
本文设计的可穿戴心电监测装置以胸带环绕的方式佩戴在患者胸前正中位置 (图5) , 主体采
用弧形设计 (图6) , 佩戴时能贴合胸部躯体轮廓, 主体两侧有用于固定背带扣的凹槽 (图7) , 背带扣与主体采用嵌入的方式连接 (图8) , 方便患者佩戴及取下。
3.2 信号采集结构设计
目前市面上的大部分产品主要是通过电极测量法或者光电容积脉搏波描记法来测量佩戴者的心率, 然而心率仅仅是心脏跳动的速度, 其并不是判断心血管疾病病情的依据, 医生只有通过心电图才能看出患者是否心律不齐或心律失常, 并依此来判断患者的病情。传统的多导联线测量法是目前最常用的获取患者心电图的测量方法, 但该方法要求测量时在患者体表相应位置贴上电极贴片, 由于电极贴片属于消耗品, 贴上后需要避免运动出汗以造成贴片脱落, 而且部分人群的皮肤会对电极贴片的材料过敏。
本文设计的可穿戴心电监测装置将采用非接触式心电监测技术[7], 该技术无需通过导电材料与皮肤接触, 可以避免在使用电极贴片过程中引起的皮肤不适和准备时间过长的问题。硬件主体内侧露出三个非接触式的感应电极及一个压力传感器 (图9) , 其中感应电极负责采集患者体表的心电信号, 压力传感器则根据皮肤压力变化记录患者的呼吸频率并以此来判断患者的运动状态。通过佩戴, 该设备可以实时获取患者的相关数据, 通过低功耗蓝牙4.0技术可以将监测到的数据传输至软件, 同时其内置的储存介质可以在无软件连接的情况下本地存储最近几小时的监测数据。
4 系统软件设计
患者在医疗服务流程中是被服务的一方, 而医生是提供服务的一方, 两个用户群体的需求不一样, 因此系统软件中APP分为患者版APP和医生版APP。
4.1 患者版APP设计
患者版APP主要分为数据查看和咨询两个模块 (图10) 。数据查看模块用于展示硬件采集到的心电数据以及经云端分析过的数据报告, 患者既可以查看当前的数据, 也可以查看到记录在云端的历史数据, 当患者对数据或报告生产疑问时可以通过咨询模块向医生咨询。在咨询模块内患者可以根据医生的职称学历信息以及在线状况选择想要咨询的医生并发送文字或者语音信息, 同时患者也可以直接对该医生进行预约挂号。
4.2 医生版APP设计
医生版APP将患者按住院患者、关注患者、临时患者分三类呈列表排列, 每个列表包含患者的基本信息以及当天监测数据状态预览。点击列表可以查看到对应患者当天的监测数据、历史监测数据以及该患者的电子病历。当患者有留言时, 可以对照着监测数据与患者进行在线交流 (图11) 。实时的监测数据以及历史监测数据能帮助医生找到患者病发时的异常心电数据以便对患者做出准确的病情判断以及相关建议, 提高了医生和患者之间的沟通效率。
5 结语
与传统的心电监测手段相比, 可穿戴心电监测设备可使患者远离医院, 实现远程心电监测。本文设计的可穿戴心电监测产品系统将患者、医生和医疗机构纳入到整个产品系统的服务流程中。从心血管疾病患者的角度, 利用工业设计方法解决了现有心电监测设备在使用过程中的舒适性和便携性上的问题;从医生和医疗机构的角度, 利用互联网等技术结合移动医疗APP解决在现有心电监测流程中对院外患者监测盲区这一问题。可穿戴医疗设备与移动医疗APP作为移动医疗在医疗行业的应用, 将从深层次改变患者的就医体验和医生的行医行为, 二者结合形成的全新医疗服务模式以及衍生出的新商业模式, 将有着广阔的市场及应用前景。
参考文献
[1]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.中国疾病预防控制工作进展 (2015年) [J].首都公共卫生, 2015 (03) :97-101.
[2]曹常义.移动医疗商业介入路径研究[J].数字通信, 2014 (04) :75-79.
[3]姚泽麟.近代以来中国医生职业与国家关系的演变——一种职业社会学的解释[J].社会学研究, 2015 (03) :46-68.
[4]姜梦静.关于智能穿戴设备发展前景的思考与建议[J].移动通信, 2014 (17) :64-68.
[5]王玲, 彭波.“互联网+”时代的移动医疗APP应用前景与风险防范[J].牡丹江大学学报, 2016 (01) :157-160.
[6]牛启润.移动医疗APP建设方向[J].中国数字医学, 2014 (04) :26-28.
穿戴式多媒体系统 篇9
多媒体通信系统在人们的生活中正在扮演着越来越重要的角色,而笔记本式计算机、智能手机等多媒体终端产品的功能也随人们应用需求的提高而日趋强大。现在很多新型的智能手机集影音播放、语音通信、网络浏览等诸多功能于一身,还可用于拍照、摄像或视频监控等,应用前景十分广泛。
但是传统的手持式电脑或手机等多媒体系统也有其自身的局限性,那就是这些多媒体系统都假定产品的使用均是用双手操作的常规工作和生活环境。对于一些特殊的环境,如太空舱中的失重环境,战场侦查、交通指挥或高空攀爬等特定环境,无法腾出手来进行繁琐的多媒体设备操作。另外,在载人飞船或空间站环境,或地面高速运动的火车、地铁、汽车上,受震动或晃动的影响,人长期观看一个较小的屏,其视觉会产生不适。虽然有人提出并设计了穿戴式计算机系统[1,2,3],但要么未能提供有效的音视频采集处理等多媒体通信功能,要么应用于医疗领域,都难以满足多媒体通信领域的应用要求。
基于以上原因,笔者等人设计并开发了一款穿戴式多媒体信息系统。该系统通过将多媒体信息采集、显示、处理、操控、通信等设备或部件进行穿戴式的设计和集成,针对性地解决失重、移动等环境下多媒体终端设备的固定、携带、人机交互等问题,为此类环境下多媒体通信和娱乐提供了有效的解决方案。具体来说,穿戴式多媒体系统以头戴式帽子(多媒体头盔)和夹克式服装为基本载体,将多媒体信息终端设备及其外设分别集成到服装和头盔上,并通过隐藏在服装内部的线缆进行连接和信息传输。使用者在穿戴该套服装后,就可利用该服装携带的设备进行可视电话、视频会议、影视播放、网络浏览、远程监控、游戏、电子图书阅览等操作。
与传统的笔记本式计算机或智能手机多媒体终端相比,穿戴式多媒体系统至少具有以下优势:
1)系统采用可穿戴式服装多媒体结构,突破传统多媒体终端结构形式(笔记本式计算机或手机),有利于解放用户双手,并充分利用人体工效学原理,克服震动对视觉以及失重对握力等的影响,改善人机交互环境。
2)系统采用WiFi或3G无线接入,克服了用户使用多媒体设备时线缆对活动空间的限制。同时,整个系统也不受设备空闲/繁忙的限制,不受使用地点和场所的限制,随时随地可用于通信、上网和多媒体娱乐。
3)开发了高度集成的嵌入式多媒体平台和软件。系统使用基于SoC的单芯片加上Android开源软件的嵌入式平台方案,提高了系统的集成度和稳定性,降低了功耗,减少了硬件成本。
2 穿戴式多媒体系统组成
穿戴式多媒体系统由穿戴式多媒体外设、多媒体服务器主机(或多媒体网关)和电源模块,以及连接它们的服装式线缆网络(简称为服装通信网络)组成(如图1所示)。
多媒体外设包括眼镜式微投影液晶显示器、头戴式摄像头、耳机/传声器(麦克)、腕式遥控器等,实现音视频信号的采集、显示,以及控制信号的输入。
多媒体服务器采用嵌入式设计,利用高性能的多媒体SoC芯片,集成存储器、WiFi或3G无线网络接口、SD卡接口、音视频等多媒体采集模块,以及时钟、电源等模块,封装于专门设计的可固定于服装口袋内的结构内。多媒体主机作为穿戴式多媒体系统的大脑,主要负责音视频信号的编解码等处理,以及V2IP等多媒体通信功能,因此也可称为服装多媒体网关。
遥控器集成触摸板/屏和键盘、2.4 GHz无线收发器等,直接与多媒体服务器通信,为用户提供易于操作和携带的人机接口设备。电源系统由一个专用电池盒供电,集成可充电的锂电池模块,提供直流5 V,12 V等双电源输出,负责整个系统的电源供给。
服装通信网络通过埋设在服装内的通信、电源等线缆及连接器等,将多媒体外设(如眼镜式显示器等)与多媒体服务器、电源等连接起来;通信线缆网络的设计,以确保设备放置便捷牢靠、线缆连接集约简洁为原则。穿戴式多媒体与局域网、骨干网等外部网络的接入,则可通过多媒体服务器的WiFi模块,实现高速接入。
穿戴式多媒体系统主机采用嵌入式SoC和Android SDK开发平台[4],实现的功能包括可视通信(带有语音电话、可视电话)和视频会议、视频拍照和摄像、网络浏览和流媒体点播、本地存储卡音乐或影视播放、游戏等。
系统支持G711a/u,H.264等音视频编解码标准,最大支持VGA(640×480@30帧/s)分辨率的全双工实时音视频通信,以及SIP,RTSP,UDP/IP,TCP/IP等通信与网络协议,具备IEEE802.11a/g WiFi网络接口。
3 穿戴式多媒体系统软硬件平台
穿戴式多媒体系统核心处理平台包括硬件平台和软件平台两部分。硬件平台采用了目前市场上Freescale的一款性能先进、集成度高、接口丰富的多媒体SoC芯片i.MX27,该芯片包含一个主频400 MHz的ARM926EJ-S嵌入式处理器[5]、一个视频处理单元VPU,以及丰富的接口资源,如存储接口、数据传输和控制接口、系统调试和安全接口等。基于该处理器的软硬件系统协同工作,用以实现音视频的采集、编码、解码、显示等多媒体信息处理,以及网络收发传输、协议实现、外设管理等主控功能,该芯片配备外围的音视频数据采集模块、音视频编解码模块、无线WiFi传输模块、以太网接口模块、SD存储模块、电源模块、时钟模块等,可进行音视频数据的输入、编解码、存储、输出,终端系统的命令融合、操作控制以及网络数据的传输。系统硬件原理框图如图2所示。
如图2所示,该系统硬件平台主要包括中央处理模块、媒体处理模块、存储模块、外围接口模块、电源管理模块等。
中央处理模块是整个硬件系统的核心,基于Freescale的i.MX27多媒体处理器开发设计;媒体处理模块主要完成音视频的采集和播放,以及视频的前置和后置的处理;存储模块用于存放运行的程序和数据,以及系统的Bootloader、内核镜像和文件系统等;外围接口模块包括以太网接口、串口、USB键盘等,用于网络传输、与PC机通信等;电源管理模块则负责为系统稳定的供电。
媒体处理模块完成音视频的采集解码与编码输出。来自头戴式摄像头的视频通过AV IN接口送入视频采集解码芯片TVP5150,解码后的视频信号送入中央处理模块i.MX27进行压缩编码传输等处理;CH7024芯片负责将i.MX27解码输出的视频数据进行编码,通过AV OUT接口输出到眼镜式显示器等外设,进行视频的呈现。来自传声器的音频则通过WM8974进行编解码处理。
用户人机操作采用无线键盘鼠标或触摸屏。系统主机还支持SD卡数据存储。与网络通信的接口为无线WiFi或10 M/100 M以太网。此外电源模块提供整个终端系统中各模块需要的直流电平。
系统软件平台在SoC提供的DDK基础上,开发基于Linux和Android的嵌入式多媒体应用软件(如图3所示),以满足该多媒体终端可视电话、会议、上网和媒体播放等功能。软件的开发在Eclipse IDE中用Java语言开发,Android平台提供了大量的应用接口以及丰富的SDK开发包,具有开发速度快、便于理解和移植的特点。
基于Linux+Android操作系统,在图3所示的软件平台上,采用多线程等技术,设计开发和集成了可视电话[4]、可视会议、视频播放器、音乐播放器、网络浏览器等丰富的功能软件,为用户提供多媒体通信与娱乐等服务。具体包括:
1)可视电话:基于SIP协议,实现两人端到端的IP可视电话,在VGA(640×480)@25帧/s下实现全双工的音视频通信,具备电话薄等主要功能,其软件架构与主程序流程图如图4、图5所示[4]。
2)视频会议:支持基于MCU(通信服务器)的多点会议,可实现多人的IP可视会议。
3)媒体播放:实现提供本地音乐、电影、电视等多媒体节目的播放功能。
4)流媒体点播:提供流媒体点播服务,支持HTTP,RTSP等流媒体传输协议,支持mp4等格式的视频和mp3等格式音频的在线点播。
5)Internet浏览:提供网络浏览器,支持Internet等网络浏览及下载等服务。
6)其他功能软件。
4 服装多媒体网络及其外设选择
如前文所述,穿戴式多媒体系统是以头盔式帽子和夹克式服装为基本载体,将多媒体信息终端设备及其外设分别集成到服装和头盔上,并通过隐藏在服装内部的线缆进行连接和信息传输。具体来说,穿戴式多媒体服装系统可划分为头戴部分、服装部分以及它们之间的缆线连接(如图6所示)。头戴部分在头盔上集成了摄像头、耳麦和眼镜式液晶显示器,是整个系统的输入输出设备。服装部分在夹克上集成了多媒体终端盒、电源盒和遥控器,负责视音频信号的处理,控制指令的发送、处理以及网络数据的传输。整个系统通过内部缆线连接,进行数据通信。
头戴式摄像头是穿戴式多媒体服装系统的视频输入设备,用来采集用户视频信息。采集的视频信号通过缆线传输到多媒体终端盒,进行进一步的信号处理和显示。系统根据结构设计需求对头戴式摄像头选型,使其满足看前方、看自己等空间上灵活设置的要求。头戴式耳麦是穿戴式多媒体服装系统的音频输入输出设备,负责采集用户语音信息以及播放音频信号。头戴式耳麦在选型上轻便、小巧,易于经常佩戴和摘取。眼镜式液晶显示器是系统的音视频输出端,显示由多媒体终端盒输出的视频信号,包括影片、控制交互菜单以及视频等信息。该显示器是美国VUZIX公司推出的一款眼镜式微投影液晶显示器,具有高清的LCD显示效果(45 in(1 in=2.54 cm)以上),并集成耳机。其显示效果相当于距用户3 m处1.7 m宽的屏幕的显示质量。
系统服装网络将优质、柔韧的电缆缝制在衣服上,方便设备的通信连接和穿戴式集成。通过在线缆的节点设置小巧可靠的连接器(放置在口袋内),一方面将头戴式摄像头、眼镜式显示器等集成在头部的外设线缆,集成为连接器的公头;另一方面,将多媒体主机、电源盒之间的连接线,集成连接到连接器母头上。连接器母头放置在上衣口袋内,用于衔接头部外设与连接线缆的插拔连接,便于设备拆卸。在服装口袋内、设备外套上采用了特定的粘接和固定措施。遥控器属于无线设备,不需要线缆连接,因此只需要设计一个口袋,在不用时穿戴。多媒体盒和电源盒属于常用设备,固定安装在手容易接触到的位置,方便用户的操作,并留有线缆连接插口。
5 应用及结束语
穿戴式多媒体系统在载人航天等方面具有广阔的应用前景。系统自主开发实现的可视电话、视频会议、多媒体娱乐和网络浏览点播功能可以在不同层面解决宇航员的工作和休闲需求。在解放宇航员双手的基础上,可视电话实现宇航员终端之间或宇航员终端与地面终端之间的通信,包括单纯语音通信以及视频通信;视频会议使多宇航员之间或多个宇航员和地面终端之间的联络成为可能,而流媒体点播、网络浏览和影音播放等功能可以让宇航员在工作之余适时地娱乐,放松神经,缓解压力。
同样,系统可转为警用,为交通警察、安防队员和侦查兵等特种行业提供穿戴式多媒体信息设备和服务。这类特殊职业人群可在装备穿戴式多媒体系统前提下,无需双手作业完成通信、侦查、信息交互等任务,并可针对各自工作特点提供对应的个性化服务。
摘要：介绍了一种可穿戴式多媒体系统。和常用的手持式电脑或手机相比,穿戴式多媒体利用人体工效学原理设计的头戴式耳麦、眼镜式显示器和摄像头部件、腕表式触控屏、服装网络及多媒体通信网关,可有效克服由于失重或手持不便等应用场合的限制,适合在失重环境、野战环境或手工作业条件下应用。
关键词：穿戴式,多媒体系统,SoC,Android平台,可视电话
参考文献
[1]刘宏伟,杨孝宗,曲峰,等.可穿戴计算机多媒体任务处理技术研究[J].计算机工程与应用,2003,39(2):34-36.
[2]刘骊.基于可穿戴计算平台的医疗监护系统研究与开发[D].西安:西北大学,2008.
[3]彼得森三世.可穿戴的计算机和服装系统:中国,CN01142503.2[P].2001-11-27.
[4]邵长彬.嵌入式V2IP设计及监控视频多流传输研究[D].上海:上海交通大学,2011.