生理参数（共7篇）
生理参数 篇1
0 引言
目前, 用于航空生理训练、科研试验的生理参数监测、记录、分析装置主要分为3类:一是航空生理训练装备配备的生理监测系统;二是由于训练装备本身没有配备生理监测装置, 而购买成品生理监护系统;三是使用由我所研制的飞行员生理参数记录检测仪 (以下简称“生参仪”) 。然而, 这3类监测系统在飞行员航空生理训练的应用上存在诸多问题。
(1) 航空生理训练装备配备的生理监测系统在应用上主要有3个方面的问题:一是配备的生理监测装置大多从国外进口, 本土化程度不够, 使用不方便;二是当初引进该设备时功能、指标等方面的要求与现在航空生理训练的要求不相适应, 导致设备不能充分发挥作用或者弃之不用;三是引进的生理参数监测系统一般存在技术壁垒, 无法获取更底层的技术细节, 导致训练要求、需求发生变化的情况下无法对该设备进行升级改造, 无法满足实际需求。
(2) 购买的成品生理监护系统在应用上也存在诸多问题:一是购买的大多数生理参数监测设备的应用对象为医院监护和家庭保健, 从功能指标需求或环境适应性上不能满足航空生理训练的要求;二是这些设备对数据分析缺乏针对性, 不具备航空生理训练辅助评价的功能。
(3) 生参仪的使用存在的主要问题包括:一是检测生理指标与航空训练的需要不完全适应;二是生参仪以记录卡式的非实时分析应用为主[1,2,3]。
所以, 根据上述存在的问题还需要研制一种为航空生理训练专用的飞行员生理监测装置。
1 系统设计与实现
1.1 系统总体设计
系统主要由多生理参数信号提取装置、多人实时生理参数监测计算机终端以及搭载在该终端计算机上的中心监测管理软件构成。系统结构如图1所示。
多参数生理信号提取装置的研制首先应尽量涵盖所有航空生理训练所要求监测的生理参数, 该装置所监测的生理参数包括5导联心电、血氧、血压、温度。除了监测常规的生理参数外, 还为航空生理训练加入专有的氧气呼吸面罩压力及呼吸率参数监测。
其次, 需考虑航空生理训练环境的特殊要求, 比如在低压舱环境下进行航空生理训练需要考虑低气压、高低温的因素。特殊条件下使用常规的生理参数采集传感器、电子元器件不仅影响采集装置的传感器精度、测量范围, 进而降低整个设备的性能, 而且影响元器件的寿命, 造成该设备的故障率高, 维修不方便。所以, 在多生理参数采集板的开发过程中尽量选取满足一定航空适应性要求的传感器、元器件作集成开发。该生理采集装置还遵循小型化的设计原则, 在满足航空生理训练环境适应性的条件下选取尺寸小、质量轻的元器件、传感器。
最后, 应考虑航空生理训练往往存在多人同时展开训练, 而且有些训练项目有一定风险, 所以, 要求该监测装置具备同时多人生理参数的准确实时监测功能。各个生理数据的采集、算法设计全部在硬件芯片上实现, 数据传输包括原始数据以及生理参数的相关指标结果, 不用中心监测终端计算后再显示, 提高监测的实时性。
1.2 硬件设计与实现
系统硬件设备主要包括生理参数检测装置和中心监测终端计算机2个部分。
生理参数检测装置集成了一块多生理参数采集电路板, 包括心电、血氧、血压和温度 (2通道) 的常规生理参数传感器以及氧气呼吸面罩压力及呼吸参数传感器电路、袖带血压充气泵、电源模块、网络传输模块, 其硬件接口关系如图2所示。各个采集模块通过硬件算法计算得到相关波形参数 (ECG、Sp O2等) 、数字参数 (心率、血氧浓度、血压等) , 使用预先定义的数据协议包封装成IP数据包, 通过IP网络传输到中心监测计算机终端。该数据协议也包括对采集装置的各种参数设置命令, 利用中心监测计算机终端软件来控制生理参数采集装置[4,5,6]。
多参数测量电路板中对于血压的测量所需的部件最多, 也最为复杂, 它由压力传感器、气泵、气阀 (快阀和慢阀) 、设备接口血压插座以及连接这些部件的三通转接头、四通转接头组成。其连接方式如图3所示。拔下气阀的橡胶管路, 查看气阀的出气孔, 孔径小的是慢阀, 孔径大的是快阀;慢阀的供电电线插头连接电路板J17插座, 快阀连接J18插座, 充气泵的供电线插头连接J15插座。安装管路时不可皱折, 以确保压力传感器与器官尽量保持良好通气。
另外, 氧气呼吸面罩压力及呼吸参数传感器是本设备实现的另一个难点问题。它选用的霍尼韦尔Tru Stability高精度硅压力传感器可提供在制定满量程压力范围和温度范围内读取压力的比率模拟输出, 可通过使用板载专用集成电路针对传感器零点、灵敏度、温度影响和非线性进行充分校准和温度补偿。该传感器的工作电压较低、功耗极小, 可在-20~85℃范围内工作, 测量范围在60 mbar~10 bar (1 bar=1×105Pa) , 完全符合航空训练环境适应性的要求, 呼吸面罩压力测量精确稳定, 传感器封装形式如图4所示。
多人实时多生理参数中心监测终端载体可选用商用服务器或便携式计算机等, 通过网络设备将中心监测计算机终端与各个生理监测设备互联, 实时获取监测数据。中心监测设备完成生理参数数据的显示、存储以及数据管理等。
1.3 软件设计与实现
多人实时多生理参数监测软件采用模块化设计, 将软件根据不同的功能需求分为4个功能模块, 如图5所示。
(1) 数据管理功能模块:主要用来创建航空生理训练项目、创建人员基本信息、训练人员信息与实验项目绑定, 还包括已完成实验项目人员信息和训练数据的管理。
(2) 实时监测分析功能:将实时采集的生理参数信息进行分析显示, 主要显示的波形有心电波形、呼吸波形、血氧波形, 主要显示的参数有心率、呼吸率、血压、体表温度、脉率和呼吸面罩压力参数, 其他还包括硬件故障或检测装置佩戴不正确等参数显示。
(3) 数据回顾功能:实时回顾训练监测数据;形成统计分析报告, 报告内容包括心搏总数, 正常、异常心搏数, 最快、最慢心率, 呼吸率, 体表温度, 血压及时点, 异常心电事件及其关联参数统计等。
(4) 参数设置功能:参数主要分为2部分内容。第一部分主要是对生理采集装置进行硬件设置, 如网络IP、端口设置、时钟校准等;第二部分主要是对生理参数报警阈值进行设置, 如设置正常心率上下限、正常呼吸率上下限、心电异常事件报警等。参数报警设置与训练项目绑定主要是满足不同训练内容, 侧重不同的生理参数, 并且对异常生理参数要求的阈值也不一样, 所以, 需要训练项目进行绑定。
多人实时生理参数监测软件在Virtual Studio2005开发平台下, 使用C++语言编写, 运用面向对象的技术思想分别实现各功能模块[7,8,9,10,11];数据协议进行了模块化封装, 方便今后协议修改和升级。该软件界面如图6所示。
2 应用效果
基于航空生理训练的多人实时生理监测系统的研制任务来源于我所的低压舱实验室建设, 目前的设计和实现主要是针对我所低压舱高空缺氧训练、高空加压呼吸训练等航空生理训练设计实现的。该设备可同时支持4人次以上的训练监测, 已经进行了20多人次 (含飞行员、锻炼员) 验证试验及环境试验测试 (主要包括高空缺氧体验训练、高空缺氧耐力检查和评定训练、加压呼吸训练) , 累计达200多条试验数据。经试验证明, 该系统软、硬件工作稳定, 数据传输完整, 可靠性良好且软件处理实时性、数据分析准确性、监测异常报警情况良好。
3 结论
基于航空生理训练的多人生理监测系统具备小型化、信息化、智能化和模块化的特点。 (1) 小型化:设计实现的生理参数监测设备体积小、质量轻, 在航空生理训练试验时方便佩戴、安装, 不受场地空间、试验条件等因素的影响。 (2) 信息化:数据传输采用IP网络传输的方式同时对多人进行实时监测, 使用方式灵活多变。 (3) 智能化:在实时监测过程中按设定的不同训练科目自动调整报警条件和判据。 (4) 模块化:各个生理参数采集的开发采用模块化设计, 方便调试维护。
目前, 该系统的数据传输采用有线传输的方式。这种方式的优点是网络传输稳定, 受环境因素影响小;缺点是采用有线的方式对于设备安装部署有一定的困难, 拟在现有设备的基础上扩充无线连接模块, 使设备在空间安装部署更为苛刻的情况下使用无线数据传输的模式。
该系统的设计实现目前主要立足于航空生理训练生理参数的监测报警, 而对于生理参数数据有针对性的分析以及对训练效果的自动判定还未涉及。下一个阶段的工作是根据不同训练项目的要求和标准扩展相应的数据分析、训练绩效自动判定和评价, 将该系统的应用纳入到航空生理训练的所有科目, 使其成为航空生理训练的专有装备。
摘要：目的:设计实现一种多人生理参数实时监测系统, 满足航空生理训练环境的特殊要求。方法:使用自主研制的多生理参数检测板作为生理信号提取装置, 运用TCP/IP网络传输技术以及多线程编程技术实现多人生理参数实时监测系统。结果:该系统工作稳定, 可以实时准确地分析得到航空生理训练相关的生理检测参数结果。结论:该监测系统可以满足航空生理训练特殊环境的要求, 且具有小型化、信息化、智能化和模块化的特点, 有一定的推广应用价值。
关键词：航空生理训练,航空生理环境,生理参数监测
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智能医院生理参数无线监护系统 篇2
随着信息技术的发展以及数据通信科技的进步,无论是人们日常生活还是商业应用等方面对于智能化的需求日益增强。当代生活中智能家居的概念越来越深入人心,而现在智能家居的应用概念不再狭窄,在许多领域可以利用相同的技术实现既定的功能。医院、养老院等医保场所是居民生活中的重要公共场所,这些场所遍布各个城市的角落,数量巨大并且用户对于其服务质量要求较高,因此对于此类医保场所服务性的改进也是当前研究的热点。
目前生理参数监测系统广泛应用于医院中,但是普遍存在一些问题。首先,传统的生理参数监测系统采用的都是较大型的拖线设备,这样就使得使用者必须考虑布线问题以及维修问题。虽然监测效果稳定,但是成本较高,监测点固定不方便移动,并且维修处理操作也不方便。其次,医保工作人员每天需要定时对每一个被监测者分别进行例行检查并统计,这样不仅工作量大费时费力,而且效率低,同时又给病患或用户的日常生活带来不便。最后,大量拖线监测设备通过拖线电缆附在患者身上获取信号,这也大幅度地限制了使用者的活动空间造成了不便。
在此背景下,本文结合无线传感网技术以及Zig Bee设计了一套智能医院生理参数无线监护系统。该系统运用无线传感网的形式建立网络结构, 由节点采集体温、血压、脉搏等生理参数。将采集到的数据信息通过Zig Bee无线传输技术汇总,通过上位机显示所有节点信息并可以利用上位机进行数据分析处理。同时,作为检测系统还具备参数异常报警功能,方便医护人员发现异常及时采取措施。节点采用可穿戴设备设计,不会阻碍限制用户日常生活动作空间。设备轻便、灵活,提升了用户舒适度; 系统扩展性强,覆盖范围广,数据采集方便快捷且实时性强,具有很强的现实实用意义。
1 系统总体设计
本系统利用基于Zig Bee的无线传感网技术,借鉴了国内外的智能家居研究经验,设计了如图1所示的智能医院生理参数无线监护系统。其中A, B,…,X是作为基站的路由器节点,直接或间接通过协调器节点与上位机通信。A1、A2、B1、B2等代表生理信息采集节点,他们发出的信息必须通过带路由功能的基站节点转发才能到达协调器。每一位用户佩戴可穿戴式设备,如背心、腕带等作为终端信息采集节点即传感器节点[1]。信息采集节点上的各种生理指标传感器如呼吸传感器、脉搏传感器、体温传感器等对所需要测量的生理指标数据进行测量并在简单地处理之后通过Zig Bee网络将数据传输给作为路由器节点的基站。路由器节点将接收到的所有数据信息中转给协调器节点。最后协调器节点通过串口上传给上位机,方便上位机统一显示、处理以及分析相关生理参数数据。
Zig Bee网络拓扑结构可以为星形、树形、网状结构,每个网络都有一个协调器,其具有对整个网络的管理能力[2]。根据智能医院生理参数无线监护系统的实际要求特性,采用树形拓扑结构足以满足设计功能要求且复杂度不高。医院需要实时监护的大部分是重病患者或者传染科患者,数量并没有很多, 且医院楼层房间布局固定,覆盖面有限,在大型医院内则只需增加路由器节点就能够利用Zig Bee的多跳技术增加路由器节点从而扩大覆盖面。如图2所示,系统包含一个协调器节点作为整个监控网络的中心,这个节点可以设在每层楼的护士站,方便医护人员监测数据并及时将信息发送给医生。在协调器统一管理下可以连接多个路由器节点以及信息采集节点。其中路由器节点负责某一区域的通信以及信 息收集,可以连接多个其他的路由器以及信息采集节点,因此可以分段放置于医院走廊过道中,从而扩大覆盖面。
智能生理参数无线监护系统硬件主要由信息采集节点即传感器节点、路由器节点、协调器节点、电源模块四部分组成[3]。
1. 1 信息采集节点
信息采集节点具有多种传感器收集多种生理参数如脉搏、呼吸、体温等从而实现对多种生理参数的监测。信息采集节点模块化框图如图3所示,无线模块采用 的是德州 仪器公司 生产的CC2530, CC2530采用了新一代的2. 4GHz So C片上系统,支持IEEE802. 15. 4标准,其内部集成了一个抗干扰和灵敏度都较高的RF收发器和一个标准增强型8051微处理器[4]。因此在负责无线收发功能的基础上,同时实现对传感器的控制以及对传感器所采集数据的初步 处理。无线部分 还包括功放 芯片CC2591、天线以及必要的外围电路。使用CC2591的目的是为了加强无线信号的避障能力,扩大无线信号的覆盖面积。
传感器节点利用阻抗法对人体呼吸参数进行采集,人体胸腔相当于一个容积可变的导体,对于高频电流,胸腔的阻抗变化会形象电阻的变化。因此,随着呼吸引起胸腔体积变化,胸部的阻抗也会随之变化。利用这一点就能够通过检测胸部电压变化来监测人体呼吸的情况。本系统选用的是GXF - 4型胸腹部呼吸传感器,其具有灵敏度高、功耗低、方便佩戴等特点。
脉搏传感器选用HK - 2000A脉搏传感器,其采用高集成化工艺,具有抗干扰能力强、性能稳定、过载能力大、一致性好的特点并且使用寿命长。因为内部集成了调理电路,所以不需要加滤波电路,可以完成脉搏数据的实时采集,模拟信号输出同步于脉搏信号并且设有门限值[5]。当脉搏数大于120或者小于40时,上位机会发出报警信号。
用于体温检测的传感器选用的是DS18B20, 将其改装成探头式并利用佩戴式设备将其置于病人的腋下。体温监测同样设有门限报警值,当低温高于37. 8摄氏或者低于34. 0摄氏度的时都会向上位机报警提醒病人体温状态或者设备佩戴问题。
1. 2 电源模块
系统中作为生理参数信息采集节点的穿戴设备以及路由器节点由4节5号电池提供供电并由CC2530协调完成电源管理功能,从而减少拖线,方便维护、布局以及病人走动。协调器节点与上位机之间直接 通信,因此协调 器节点由 上位机直 接供电[6]。
CC2530所用的是3. 3V逻辑电平,系统设计利用TPS79533将5V转化为3. 3V,设计电路如图4所示。
2 软件设计
系统软件设计利用IAR Embedded Workbench for MSP430 V4开发平台,采用C语言编写软件系统程序。
患者的生理参数信息数据由患者身上的穿戴设备将传感器上的数据集成,通过Zig Bee技术通过路由器中转传输给终端协调器,并由协调器上传给上位机进一步处理。信息采集节点拥有一个64bit的IEEE地址,或者利用16bit短地址缩小数据包大小。系统由全功能设备( FFD) 协调器建立网络,所有网络内部节点首先需要初始化并且通过扫描才能被允许与协调器传输通信。所有带路由功能的路由器节点全是FFD,可以将信息采集节点传送来的数据中转给协调器或者通过其他路由器节点转发给协调器。而所有的信息采集节点全部都是精减功能设备 ( RFD) ,只能利用路由器节点即FFD将采集到的生理参数信息传输出去,RFD之间不能相互通信[7]。
系统节点软件流程如图5所示。
3 系统性能测试与结果
系统中两个节点之间有最大通信距离,经测试两个节点间在室内80米内无门、无墙障碍时通信正常。因此针对医院实际情况可以适当扩大或者缩小路由器节点的数量以满足系统通信的需求。医院环境中无门、无墙的情况不可能出现,因此可以通过增设路由器节点保证系统通信的质量。
为了验证系统通信的可行性、稳定性以及数据传输的准确性,对系统的通信质量进行了模拟测试。由上位机系统发送信号,通过协调器发送出去,经过路由器节点转发至终端节点。终端节点在收到数据之后再回发数据,最终原路返回又通过串口回传到上位机。将发送的数据与接收到的数据进行比较, 变动测试时间、节点距离以及变动路由器数量,经过多次测试得到结果如表1 - 3所示。
由表1所显示的结果可知,正常情况下节点通信正常且稳定,随着测试时间增加,误码率有所提升,但是通信质量仍然维持在较高的水平。由表2结果可知节点距离对于通信质量也会产生影响,通信距离越长数据传输准确率越低。由表3所示结果得知中转节点数越多通信质量越高。综上所述,正常情况下节点间的通信稳定且质量高。在医院的多墙壁阻隔应用环境下,只需降低通信距离,增加节点数就能够很好地维持通信的质量。因此所设计的系统完全能够满足医院生理参数无线监护系统的实际需求,并且性能稳定,通信准确。
根据需求适量配置系统节点规模,合理布局节点间距离模拟了生理参数无线监护系统。在系统正常运行且通信稳定时,对信息采集节点以及系统功能进行测试。系统测试模式可以是按键手动检测, 也可以定时采集节点数据。将串口通信采集到的生理参数信息在上位机上显示出来。协调器接收到的数据情况如图6所示。
4 结束语
生理参数 篇3
关键词：互联网+,人体生理参数,非接触,视频
0 引言
我国医疗体系不完善, 医疗水平及资源分布不均匀。随着科学技术的不断发展, 传统医疗设备的弊端逐渐显现。在心率测量方面, 目前临床主要使用Ag/Agcl电极进行体表心电信息的提取。然而, 电极中的导电胶含有的盐成分可能会渗透到皮肤中, 造成过敏性皮炎。一些体质特殊的患者也可能对这种成分过敏。在患者接受治疗的过程中, 传统的测量仪器也会对患者造成很大的心理负担, 不利于疾病的治疗。众所周知, 中国是老龄化最快的国家之一, 很大一部分老年人死于慢性疾病。并不是所有的老年人都能够保证对生理参数的实时测量, 不能很好的对慢性疾病进行监控。为了改善这些弊端, 完善国内的医疗系统, 一种新的测量系统的出现成为了一种必然。
进入21世纪, 我国远程医疗建设应用发展迅速, 使非接触式的医疗测量的普及成为可能。所以本系统符合当今社会的发展趋势, 让大众身处更为舒适和方便的医疗环境, 这种在互联网基础上的测量方式也会广泛受到大家的欢迎。该系统将实现医生可以随时了解患者的生理参数, 患者也可以没有任何影响的测量出自己的心跳等生理数据。该方法有可能会成为各个医院临床上广泛使用的测量方法。
1 系统设计
本设计的关键在于寻找生理参数与RGB彩色图像之间的关系, 建立数学模型。通过JADE算法分析RGB人脸信息获得人体生理参数。系统框图如图1所示。
本系统选用高清摄像头对脸部图像数据进行采集, 然后通过JADE算法分析和处理RGB人脸信息获得人体生理参数, 实现通过视频来采集人体参数数据的目的。之后以互联网为依托将相关参数向医疗机构进行传输, 起到实时监控被测对象健康状况的目的。
2 心跳频率测量原理
2.1 PPG原理
动脉血液对光吸收量的变化会随着动脉博而变化。当心脏收缩时, 外周血管血容量最多, 光吸收量也最大, 检测到的光强度最小;而当心脏舒张时, 外周血管血容量最少, 检测到的光强度最大, 光电接收器检测到的光强度随之呈脉动性变化, 再将该光强度变化信号转换为电信号, 将该电信号经放大滤波电路后便可获得容积脉搏血流的变化。
2.2 i PPG原理
皮肤的反射光谱携带了皮肤组织内部结构的信息, 特别是血液的信息。当波长在400nm-700nm范围内, 反射光谱与皮肤组织内血液含量的变化关系为:当血液含量增加时, 皮肤反射光谱强度下降;当血液含量减少时, 皮肤反射光谱强度上升。
3 测量结果仿真
彩色视频图像实际上是多张彩色图片的组合。每张彩色图片可以分离为红、绿、蓝 (R、G、B) 三个分量, R、G、B三色的波长在400nm-700nm之间。当皮肤血液含量减少和增加5%时, R、G、B三色光的反射强度对应着变强和减弱。B变化最大, G次之, R变化最小, 对应的变化值约为:0.3个单位, 0.2个单位, 0.1个单位。因此, 心脏收缩致使皮肤血液含量的变化, 可以在自然光中通过皮肤表面反射回来的R、G、B三色光的变化反映出来。
将视频图像中获得人脸图像, 分离成RGB彩色图像。分析R, G, B, 三色波的波长。数据仿真如图2所示。
4 系统的性能分析
该系统具有以下几种性能:
4.1 实时性
该设计通过网络摄像头采集人脸信息, 分离出RGB三色头像, 从而进行下一步的分析。在当下, 互联网高速发展, 网络摄像头随处可见, 包括自己的手机摄像头都可以完成这种采集人脸信息的功能。所以不仅仅在病房中, 在家里、在大街上, 随时录一段视频都可以传送到分析心率的终端生成自己此时的心率情况。对于持续性的测量可以在病房中或者家中安装摄像头对患者的人脸信息进行实时监控。保证医生或者患者可以24小时知道自己的生理信息。
4.2 舒适性
动态心率监护仪在测量时会用夹子, 夹在患者的指尖, 会给患者造成不舒适感。也有一部分患者会对电极中的盐成分过敏。我们的设计采用摄像头采集信息, 简单, 方便, 与患者没有身体上的接触, 所以在身体上不会产生任何的不舒适感。随着人们物质生活水平的不断提高, 对于生活环境以及舒适度的要求也不断提高, 医疗环境也是其中的一种, 所以我们的系统将会得到大众的认可。
4.3 隐私的保密性
本系统要实现实时测量的功能, 所以在一些情况下, 可能要对患者进行24小时的视频采集。在这种情况下, 很多人都会担心自己的隐私问题。首先, 对于24小时采集视频信息的患者很多都会是在医院住院的患者, 在病房内就不涉及到隐私的问题。第二, 患者在家中24小时采集视频的情况。患者可以自己在一间基本没有什么隐私的卧室内进行采集。我们正在考虑在成像终端只保留患者的脸部信息, 其余部分打上马赛克, 这样可以很好的保护患者的隐私。
5结语
为了达到设计需求, 该系统涉及到JADE原理, PPG原理, IPPG原理。利用上述原理分析所采集的视频中分离出来的RGB三色图像。动脉血液对光的吸收量随脉搏的变化而变化, 从而得出心跳频率。通过该过程得到的人体生理参数与实际的误差小于0.3%, 在误差允许的范围内, 所以我们得到的数据几乎就是真实的数据。
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生理参数 篇4
生命健康监护及生理参数采集向来是重要课题,以往的生命健康监护仪,体积通常比较大,而且价格昂贵,这类仪器主要应用于医院的病房,尤其是对重症病人的监护。近年来蓝牙技术得到极大的发展,这项技术已经相对成熟[1、2],各种类型的产品也开始大规模应用,安全的问题也有了相应的研究和解决方法。许多医院部署的便携式查房系统也带有蓝牙的功能,即查房时医生和护士可使用PDA(Personal Digital Assistant,掌上电脑)直接无线获取患者的信息。基于目前基础,我们设计了一个基于蓝牙技术的多生理参数采集系统。本系统具有体积小、使用方便、功能强大等优点,可随身携带,检测人体的某些重要生理参数,并具有实时显示以及保存数据的功能。
1 技术背景
蓝牙技术是一种用于替代移动设备或固定电子设备之间连接电缆的近距离无线链路。它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立了一个特别连接,并工作在全球通用的2.4GHz ISM(Industrial、Scientific、Medical,即工业、科学、医学)频段上。CLASS2.0版本蓝牙协议数据速率为2Mb/s,完全可以满足医疗监护、生理数据采集的数据传输。
蓝牙有比较完善的方法来解决数据传输的稳定性和安全性。蓝牙工作的ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带,使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如普通病房中的一些设备,如某些空调、呼叫器、无线电话、微波炉等,都可能是干扰源。但是蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道(hop channel),在一次连接中,无线电收发器按一定的码序列(即规律的“伪随机码”),不断地从一个信道“跳”到另一个信道,只有收发双方是按这个规律进行通信,而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰;跳频的瞬时带宽是很窄的,但通过扩展频谱技术可以使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带,使干扰影响变得很小。与其它工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更短,这使蓝牙比其它系统更稳定。FEC(Forward Error Correction,前向纠错)的使用抑制了长距离链路的随机噪音。用二进制调频(FM)技术的跳频收发器抑制干扰和防止衰落,保证数据传输的准确度。
另外,蓝牙的生态安全问题是指当蓝牙设备靠近人体时是否会带来危害,对此人们非常关心。随着无线技术的深入研究,辐射也成了消费者非常关心的问题。由世界卫生组织、IEEE(电器和电子工程师协会)等专家组成的小组表示,检测中并未发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。由于蓝牙使用和微波炉一样的频率范围,这个频率是否会带来不良的后果,目前也尚无定论。一些组织认为蓝牙输出功率很小(只有1m W),是微波炉使用功率的百万分之一,是移动电话的一小部分,而在这些输出中,也仅仅有一小部分被物体吸收,基本检测不到温度的增加。蓝牙理想的连接范围为10厘米~10米,但是通过增大发送电平可以将距离延长至100米。我们设计的系统是在病房中使用,10米的通信范围完全满足应用的需求,不需要增大发送电平。
2 系统构建
目前大部分比较有实力的医院已经给医生和护士配备了基于PDA设计的移动工作站,我们设计本系统的目的就是基于PDA系统平台的支持下,在院内普通病房实现无线生理数据的采集,同时该系统也可以方便地移植到家庭和社区的监护应用中去。我们采用蓝牙网络覆盖病房方法来实现数据的无线传输。系统的框架如图1所示。每一个测量生理参数的设备都带上一个蓝牙的接口,使用有蓝牙功能的PDA读取各个模块的测量数据;同时PDA也具有WLAN(无线局域网)的功能,可以通过WLAN把数据传输至HIS(医院信息系统)服务器;也可以通过护士站的HIS工作站的电脑,使用Active Sync的接口方式,把数据传输至HIS服务器。
2.1 硬件系统
基于蓝牙技术的便携式监护系统的硬件系统设计必须符合医用和便携的需要。每个模块上具备开/关机按钮、实时显示的液晶屏幕、电源和充电管理模块,以及标准的锂电充电电池。系统主要分为两大类,即蓝牙接口模块与生理参数采集模块。
蓝牙接口模块由Delta公司的CS120蓝牙模组和陶瓷天线构成。CS120模块采用的蓝牙芯片是英国SCR公司rom版本的Blue Core3蓝牙内核,该内核的Firmware(固件)版本为Handphone V2.07,使用AT指令进行控制。制作完成的蓝牙接口模块是一个功能独立的模块,具有较高的通用性。封装好的电路对外部留出5条接线:电源线,地线,重启线和串口发送接收线等。任何MCU只要通过串口,在115.2kbps波特率下给蓝牙模块发送配置的指令后,蓝牙模块就可以当作一个通用透明串口使用。
生理参数采集模块的功能主要采用基于低功耗嵌入式MSP430系列单片机、一些高精度的放大器和功能传感器来实现。采集模块按照功能需要选择不同的单片机。如体温测量模块,采用MSP430f1232单片机和体温测量芯片来实现,MSP430f1232单片机在体温数据采集上只需从体温测量芯片上读取脉冲数据即可,MSP430f1232单片机功能完全满足测温场合的需求。脉搏和血氧饱和度测量模块采用的是MSP430FG439单片机,该芯片上带有内置的ADC(模数转换器)、DAC(数模转换器)、运算放大器,一个MSP430FG439芯片加上Nellcor公司的双光源探头NELLCOR520就可以实现血氧饱和度和脉搏的测量。
温度测量模块和脉搏、血氧饱和度测量模块已经开发完成,在这些模块稳定运行的基础上,为其添加蓝牙的功能,使其能实现无线的传输。为了减少开发的成本与难度,可以购买一些功能比较成熟的生理参数测量模块,如台湾Tai Doc公司的血压和血糖测量模块,这些模块使用串口的方式进行数据传输,只需要把这些模块的串口读到的数据通过串口中断的方式发给通信的MCU(单片机,微型控制器),由通信MCU负责蓝牙的配对及数据的传输和控制。
2.2 软件系统
软件系统由两个部分组成,一个部分是PDA上运行的软件,该部分软件是基于Windows Mobile 6.0操作系统采用C#语言开发的应用管理程序,主要有通信控制、数据显示、数据保存、用户管理等功能。PDA上的软件的蓝牙控制部分的程序能自动扫描周围的蓝牙设备,自动建立连接,并读取蓝牙串口数据,进行显示,验证确认,并最终保存。蓝牙控制及数据读取部分流程如图2所示。为了保证录入HIS的数据的安全性,数据提交到HIS服务器之前,需要有护士的确认才能提交。该部分软件已经嵌入到北京天健公司的移动护士工作站中。
另一部分软件是基于TI公司的低功耗的单片机MSP430设计的[5,6,7],该部分软件的主要部分采用C语言开发的嵌入式软件,在功能上实现了:(1)生理数据采集,对数据进行处理和显示;(2)对蓝牙进行初始化,对被动配对的应答或是主动配对的发起,然后通过串口服务进行数据的传输。MSP430系列单片机自身带有丰富的中断资源、五种低功耗的模式、内置放大器、内置模数转换器,这些功能对系统的开发带来极大的方便,减低了硬件系统的复杂性,也减低了功耗,基本符合便携要求,满足在普通病房生理参数测量方面的要求。
3 测温模块的实现
以体温采集部分为例来说明系统的实现,体温测量模块设计是所有采集模块中最容易实现的。设计体温测量模块重点考虑的几点是:(1)必须达到了医用体温测量的要求;(2)体积较小,方便病人使用,即使在未培训情况下也能使用本体温计;(3)要求在没有人工参与情况下就能实现数据的传输;(4)充电一次至少能使用一个星期。本体温测量模块完全实现了上述的要求,体温测量模块的设计最大的问题在采用何种电源方案。体温测量模块的最大的功耗是蓝牙模块,蓝牙提供串口服务的时候电流一般都在30m A左右,体温测量模块采用的电源是锂电充电电池。在硬件设计的时候,选择带有软件编程控制的电源管理芯片,我们采用了美信公司的芯片MAX8883。该芯片是带有双路输出的低压差线性稳压器,一路为3.0V提供给单片机和蓝牙模块供电,一路为1.5V提供给温度芯片供电;同时该芯片还带有关断输出的功能,设计者只需通过单片机编程对这个关断功能进行控制就可以实现软件方式的关机,关机以后该芯片的漏电流只有1μA,基本上可以忽略不计。
体温测量模块的电路设计,体温测量模块有3种关机的方式:
(1)温度测量模块在测得温度后,若不对其进行操作,8分钟后就会自动关闭;
(2)在被PDA读取数据后,温度测量模块能自动关闭;
(3)用户可以自己关闭温度模块。
体温测量模块电路的软件流程图如图3所示。单片机通过中断计数的方式计算当前的体温,并判断体温是否最高。当得到稳定的最高温度后开始配置蓝牙模组,避免一启动就初始化蓝牙模组,合理软件的设计可以降低系统的功耗、延长电池的寿命。接着等待PDA读取数据,如果8分钟内数据没有被读取,体温数据被保存至单片机内flash后自动测量模块关机。如果数据被PDA读取,检测无误后PDA发送指令给体温测量模块,模块收到指令就能马上自动关闭。三种关机的方式联合使用确保电池的合理使用,极大地延长电池寿命。
4 总结
基于蓝牙技术的生理参数采集系统设计中,蓝牙传输技术已经实现,温度测量模块模具制作已完成。目前正在临床实验,检测体温测量模块和PDA软件运行的稳定性。普通病房每天测量的生理参数主要是体温、血压和脉搏。我们设计的这个系统,配合目前正在开展的无纸化病例系统,可很大程度上代替常规的病房生理参数测量、记录,具有较高的应用价值。
摘要：采用低功耗的单片机和蓝牙模块研制出一种便携式的住院病人生理参数采集系统,实现了医院内普通病房的无线生理数据采集功能。本文从硬件和软件两方面讨论了系统的设计和实现过程,并选择了体温测量模块的实现方法做重点介绍,阐明了蓝牙技术在医疗监护、生理参数采集中的应用方法。
关键词：蓝牙技术,生理参数,PDA,MSP430
参考文献
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[6]钱志鸿,杨帆,周求湛.蓝牙技术原理、开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
生理参数 篇5
由于平均寿命的增长和人口出生率的下降,使世界人口老龄化问题凸显。老年人慢性病和退化性疾病需要长期追踪与治疗,但多数病人不可能长期留在医院治疗,而是采取了定期回院复诊的治疗方式,缺乏长期有效的病情监控与护理,既浪费了病人往返医院的时间和金钱,也增加了病人的精神压力。特别是有些慢性病需要监测发病时的生理参数,此外多数病人具有自由活动的能力,但现有的监护方式使得病人被束缚于医院和病床上[1]。远程监护是指利用信息技术实现对病人生理参数的远距离监护[2]。多生理参数远程监护系统可使患者在社区或家里得到医院同样的服务,对提高我国基层医疗单位的医疗保健水平有重要意义。生理参数的远程监护目前已成为生物医学工程领域的研究热点[3,4,5,6]。
随着现代通信技术的高速发展及其在医疗领域的广泛应用,给远程监护的研究带来了新的发展[7]。除心电以外,临床上其他重要的生理参数:血压、体温、血氧饱和度、呼吸波等也成为远程监护的内容,使远程监护系统逐渐趋于完善。
1 多生理参数远程监护系统发展现状
随着网络通信技术高速发展,这种先进技术被越来越多的应用于远程监护领域。目前的研究主要集中在基于Internet和无线通信网的远程监护系统的开发。
1.1 基于Internet的远程监护
目前有些远程监护系统通过电话线连接到监护中心服务器上[8,9,10],由于电话网的普及,这种方法被广泛的应用。
重庆大学刘细亮等人利用VC++搭建一个软件平台[8],能够在平台内实现心电信号的实时图像传输,医疗监护人员能够在系统监护终端实时看到客户端检测到的心电图并进行分析,以便及时给对方提出建议,达到远程医疗监护的目的。通过VC++编程,建立了一个客户/服务器模型,把家庭和医疗中心相连接,在远程诊断的基础上,程序的家庭端可与监护仪器相连,并从串口实时读入采集的数据,医疗中心端对接收到的数据可以实时地进行初步预处理,并存入数据库。另外,将医疗中心端软件和中心数据库链接,方便查找患者的历史信息,以能做出更准确的诊断。监护软件分为家庭端和医疗中心端,家庭端通过电话线连接到Internet上,可以选择不同的医疗中心,而医疗中心则通过自己的局域网与Internet相连接,也可以连接多个家庭。
家庭端通过电话线连接到Internet上,监护数据的传输速度较慢。近年来,随着计算机网络的日益普及,各种新的、更高带宽的接入方式不断进入日常生活,所需费用也逐渐低廉,为远程医疗、远程监护等提供了良好的基础支持[11]。
1.2 基于无线通信网的远程监护
基于Internet的远程监护系统由于其设备的局限,只能应用于固定环境,使得受监护人群的活动范围仍然受到限制。此外,系统必须是可以接入Internet的工作站或PC机,从而造成较高的功耗和成本[7]。像心电这样重要的生理参数,需要随时监护,仅仅依靠该系统进行监护仍然不能体现出系统的优势。因此,基于无线通信网的心电远程监护系统日益成为研究的重点。
基于无线通信网的远程监护系统主要由监护终端、无线远程传输网络和医院或社区监护中心组成[12]。近年来,随着生物医学传感器的小型化[13],用于采集和传输生理数据的监护终端趋于小型化,产生了便携式生理信号采集器。与无线远程传输网络结合起来,使患者可以在一定范围内自由移动,而不必受监护装置的限制[13,14]。当前较为常见的无线通信技术有CDMA[10]、GPRS[12,14]以及蓝牙技术[15,16]等。
1.2.1 基于GPRS的无线远程监护。
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,它是在GSM系统基础上发展出来的一种新的承载业务。与原有的GSM系统相比较,GPRS在数据传输上进行了彻底的革新。GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换数据承载和传输方式,因此,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。
基于GPRS移动通信网的心电监护是一种新型长时间心电监护系统,由于GPRS网络可以支持点对点连接,因此两个GPRS监护终端可以经由移动网连接进行通信,使患者与医生或家属之间可以直接进行沟通。患者还可以通过GPRS网接入Internet网来与监护中心进行通信[17]。
高凤梅等人提出了一种基于GPRS的嵌入式多生理参数远程监护系统设计方案[12]。该监护系统分为三部分:监护终端,无线远程传输网络和医院或社区的监护中心。监护终端完成心电、心音、血压、体温、呼吸等多生理参数数据的采集、分析和显示,有异常时报警并向监控中心发送数据。无线远程传输网络采用已存在的GPRS和Internet网络。医院或社区监护中心采用装有监护软件并接入Internet的PC机接收数据和分析显示,并给出诊断意见、治疗方案或采取救助措施。系统整体框图如图1。监护终端采用嵌入式系统来实现,选用基于ARM 9内核的S3C2410作主处理器,它低功耗,高性能,小尺寸,外围接口丰富,内含MMU Memory Manage Unit,适合高端的嵌入式系统的应用。S3C2410上运行ARM-Linux嵌入式操作系统。GPRS通信模块选SIM300,是目前性价比较高的GPRS模块,与S3C2410通过串口相连。
1.2.2 基于蓝牙技术的无线远程监护。
蓝牙技术是目前应用比较广泛的一种近距离无线传输技术,随着其市场化进程的推进,标准化程度越来越高[18]。蓝牙技术是一种开放性的短距离无线数据和语音通信的全球规范,可用于取代各种医疗仪器之间繁杂的电缆连接。蓝牙工作于2.4GHz国际通用ISM(industry scientific and medical)频段,为避免其他无线通信系统以及蓝牙设备之间的相互干扰,采用了跳频技术frequency hopping进行数据传输。蓝牙的跳频速度为1600hops/s,即每隔625μs改变一次通信频道。相比其它工作在相同频段的系统,蓝牙跳频更快。蓝牙技术可以主动检测到通讯范围内的其他蓝牙设备并由用户决定是否连接,支持点对点或点对多点的连接,设备自身具有组建临时网络的能力,不需要任何服务器[19]。目前,基于蓝牙通信的远程监护系统研究逐渐成为热点。蓝牙技术具有跳频快、数据包短、功率低、稳定、抗干扰能力强、辐射小等特点,适用于从医疗设备直接自动收集患者信息并通过网络传输到数据库,远程实时监护患者情况[20],为远程监护提供了另一技术条件。
陈轶炜等人设计了一种基于蓝牙通讯的便携式心电监护系统[15],系统由心电采集盒与家庭端的掌上电脑组成(如图2所示)。心电采集盒以MSP430单片机为核心来控制心电数据的采集与放大,通过BCM-03蓝牙模块将心电数据发送到掌上电脑。掌上电脑作为家庭端的设备,在对心电波形进行显示、分析和存储的同时,还可通过modem拨号上网或者通过WIFI连接到无线局域网与远程医疗中心站通讯,实现心电图远程监护的功能。
Fahim Sufi等人设计了一种基于移动通信网的远程监护系统[19],此系统还处于实验阶段。这种远程监护系统主要包括病人中心端(PCP)和医生中心端(DCP)以及移动通信网络(MGWS)。病人端采用PDA和移动电话。病人端数据采集处理程序采用C#语言编写,在.NET平台上进行开发。还可通过上网或者Wi Fi等连接到无线局域网与远程监护中心站通讯,实现生理参数的远程监护。
1.2.3 基于CDMA的无线远程监护。
CDMA是在扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA比其他通信系统有非常重要的优势:(1)覆盖范围广CDMA系统理论上覆盖半径是GSM系统的2倍;(2)系统容量大在相同的频谱利用率条件下,CDMA系统的容量是GSM系统容量的4~5倍;(3)绿色环保为了克服“远近效应”,CDMA系统采用了功率控制(Power Control)技术,移动台的发射功率尽可能小;(4)频率利用率高由于CDMA系统采用不同的伪随机码对用户信号进行调制,从频域的角度看,所有信号的频谱是重叠在一起的,其频谱的利用率非常高;(5)隐蔽性和保密性好扩频调制后信号频谱近似为白噪声,具有良好的保密性能;同时,扩频增益越大,扩频信号占用的带宽越宽,相应的功率谱密度越低,因此具有良好的隐蔽性;(6)建网成本低CDMA网络覆盖范围大,系统容量高,所需基站少,降低了建网成本[21]。由于其独到之处,即使在蓝牙、GPRS等无线通讯技术风靡的今天,CDMA仍然在全球占有一席之地,并且被确立为3G家族标准的基本技术。
目前,CDMA已应用于远程监护系统的研究。基于CDMA网络的远程心电监护系统充分利用了CDMA网络覆盖的广泛性和Internet网在医院的普及性,能够使病人在CDMA网络覆盖范围内,实时地从前端移动监护仪获取远程心电数据,并通过CDMA网络将数据上传到医院的中央监护系统[22]。
周玉彬等人设计了基于CDMA的无线远程监护系统[23]。本系统由若干便携机和中央工作站接收系统组成。每个便携机利用CDMA 1X无线通讯网络,将采集到的人体生理监测信号通过广域的Internet网络传送到的特定的中央工作站,中央工作站接收并记录、分析、保存每一个便携机的数据。无线监护便携机采用Philips 2138 ARM7系列CPU、用于存储显示来自采集模块的波形和参数,数据发射模块采用DT-GS800 CDMA。中央工作站接收系统软件主要包括数据采集存储、数据显示和数据管理以及分析等功能,系统结构功能图如图3所示。
2 小结与展望
生理参数 篇6
关键词：安卓系统,蓝牙,心率,血压,无线传输,生理参数
0引言
近年来,人们生活水平的提高导致脂肪摄入量增多,同时由于生活节奏加快、精神压力大或者缺乏运动等原因,高血压等“ 富贵病”日益成为危害人们健康和生命的重大杀手[1]。 根据全国第五次高血压普查( 暨黑龙江省第六次高血压普查) 显示,目前,全国高血压患病率为27%[2],高血压患者中2/3的人不知道自己患有高血压, 只有当血压和心率出现异常而引起严重的头痛、头晕、心闷、心慌等症状后去医院检查时才知道自己患有高血压、心率异常等病症。 而且,一些人体生理参数的检测,如血压、心率、血糖、血氧饱和度等都只能到医院进行。 如此一来,不仅花费了昂贵的检查费用,也会因挂号、排队、咨询等耗费太多时间。 因此, 医疗检测仪器为了适应人们的需求将逐步向便携化、操作简单化和测量准确化方向发展。
据赛迪数据统计,2014年中国市场手机总销量中智能手机占比超过92%,其中安卓( Android) 系统的份额遥遥领先。 由图1可知,截至目前,安卓手机仍保持智能手机市场强劲的主导地位,在中国市场, 安卓手机份额接近84%[3]。
随着互联 网向移动互联网的跨越式发展,智能手机等移动终端的广泛普及和传感器技术的进步, 预计在5 a左右,传统医疗模式可能将“ 面目全非”。 而且目前医学领域越来越关注“ 4P”医学模式,即预防性( preventive) 、预测性( predictive) 、个体化( personalized) 和参与性( participatory)[4]。 在移动医疗监护的发展趋势下, 手机因为其与人们的密不可分和强大的通信功能, 也越来越多地运用在医疗领域中。 因此,本文研究的基于智能手机的人体参数的无线监测系统将为大众所期待。
1系统结构
系统结构框架图如图2所示。 主要有2个部分: ( 1) 能采集到人体血管壁压力信号的数据采集模块作为检测参数端。 采集到信号后输入前置放大电路进行信号的放大以便提取。 提取放大后的信号将其输入滤波电路进行滤波,滤掉其他干扰信号,并提取脉搏波信号。 然后将信号经A/D转换后传入单片机处理系统进行一系列的计算、处理,处理完的数据传送到蓝牙模块。( 2)Android智能手机端:通过手机蓝牙的搜索、 配对与人体生理参数检测端的蓝牙模块进行连接,连接成功后一直监听。 人体生理参数检测端将所测得的参数数据传输到蓝牙模块后经蓝牙模块把数据发送至智能手机端, 经智能手机端的处理实现数据的显示。 智能手机端还可以把接收到的数据自动与软件设定好的正常参数范围进行对比,如果接收到的数据比正常参数范围偏高或偏低就会触发报警提示;接收到的参数数据也可以以.txt的文件格式保存在手机里, 方便使用者查看记录或把测量到的数据通过互联网发送至另外的Android智能手机端。
2血压、心率的测量
2.1血压测量
人体血压的测量可以分为两大类, 即直接法测量和间接法测量。 直接法测量是有创测量方法,是通过将导管插入血管内由压力传感器获得血压值,测量结果精确且可连续监测; 间接法测量是无创测量方法,根据测量方法的不同大致可分为五大类:基于心音、压力、血流量、时间、频移的测量方法[5]。 基于心音的测量方法称为柯氏音法, 临床上用的水银式血压计就是基于心音的测量方法。 它的主要缺点是会在测量过程中受医生主观因素或噪声干扰而产生误差。 基于压力测量的方法称为示波法,又叫测振法, 它是通过检测血液由受阻状态缓慢变为流通状态时袖带内产生的脉搏震荡波来计算出血压的。 它的缺点是必须让被测试者处于安静平稳的状态测量。 基于血流量的测量方法称为光电容积法。 基于时间的测量方法称为脉搏波速传导法。 基于血流量和时间的测量方法是脉搏波技术的延伸。 这2种方法的缺点都是理论研究不如基于压力的示波法成熟。
因此, 本设计采用的是示波法原理测量人体血压。 其原理为: 首先把袖带捆在左手手臂上的肱动脉处, 然后启动仪器, 对袖带充气至200 mm Hg ( 1 mm Hg=133.322 Pa) 的袖带压, 此时肱动脉被阻断,没有血流通过此处的血管。 达到这种状态后仪器自动开始放气,当气压降到一定程度时,就开始有血流通过血管,且有小范围的振荡波。 振荡波引起袖带的压力变化即可被压力传感器识别。 测量过程中一直缓慢地放气, 振荡波随着袖带内压力的降低变得越来越大。 再过一段时间,由于袖带内的压力越来越小,与手臂的接触越来越松,因此压力传感器所检测到的压力和脉搏波动就越来越小。
综上所述的特征变化, 根据固定比率法即可算出血压值。 其方法是:通过单片机控制系统找出脉搏波钟形包络的顶点AM, 其对应的袖带压PM即为平均压;另外,在包络线上升沿存在一点AS,其对应的袖带压即为收缩压PS,下降沿存在一点AD,其对应的袖带压即为舒张压PD。 AS和AD的大小可根据如下经验公式求得:
临床实测中, 上述经验公式中的取值变化范围较大,式( 1) 为0.3~0.75,式( 2) 为0.45~0.9[6]。 示波法的血压测量原理如图3所示。
2.2心率测量
心率测量的方法有压力法、红外法、电阻法、心电位法,其中最为精确的是压力法,该方法往往和测血压连用[7]。 在2.1节中量血压的前提下建立测量心率的数学模型, 即当系统选定波动最大的时刻作为参考点后,启动单片机中的定时/计数器( 设定1 ms中断1次) , 直到检测到下一个峰值的波动点为止, 利用工作寄存器对2个峰值间的中断次数进行计数,然后读取计数值T。 根据该计数值即可算出这2个峰值间的时间t,即
由式( 3)可知每次脉搏跳动所需时间为t,则1 min内脉搏跳动的次数n可同理用比率法算出,即
结合式( 3)、( 4),即可算得心率值为n = 60000/T。
3数据的无线传输
3.1蓝牙模块
本系统的无线传输功能是使用HC-06蓝牙从机模块作为传输的媒介,HC-06引出接口包括VCC、 GND、TXD、RXD, 分别与单片机VCC、GND、RXD、 TXD相连接。 工作电压为3.6~6 V,未配对时电流约30 m A,配对后约10 m A,接口电平3.3 V,可以直接连接各种单片机,空旷地有效距离10 m[8]。
配对以后当全双工串口使用, 只需给单片机设计好串口程序, 无需了解任何蓝牙协议即可透传数据。 支持8 bit数据位、1 bit停止位、无奇偶校验的通信格式,在未建立蓝牙连接时可以通过AT指令设置波特率、名称、配对密码,设置的参数掉电保存,蓝牙连接以后自动切换到透传模式,这样就能实现把检测端测量到的数据无线透传至Android智能手机端。
3.2数据传输的实现
蓝牙模块作为本系统数据无线传输的发送端, 要实现数据的无线传输至Android智能手机端还需要数据接收端。 本系统的数据接收端是通过运用Eclipse软件作为开发环境设计的一个蓝牙串口通信助手的应用程序( application,APP) ,使得Android手机以客户端的角色主动连接精简并行过程( sim- plified parrallel process,SPP) 协议设备。
具体方法是,首先使用Register Receiver注册Br- oadcast Receiver来获取蓝牙状态、搜索设备等,然后使用Blue Adatper的搜索在Broadcast Receiver的on Receive() 里取得搜索所得的蓝牙设备信息, 通过设备的媒体介入控制层( media access control,MAC) 地址来建立一个Bluetooth Device对象。最后由Bluetoo- th Device衍生出Bluetooth Socket,准备套接字( sock- et) 来取得设备,取得蓝牙设备的流程图如图4所示。
通过线程使用listen Using Rfcomm With Service Record()方法来注册一个具有名称和唯一识别的U- UID号Bluetooth Server Socket, 然后利用Bluetooth Server Socket.accept()方法一直监听生理参数检测模块的请求,得到请求后,利用Input Stream.read( byte[])方法即可实现蓝牙串口和蓝牙模块的连接,实现人体生理参数从检测端无线发送至Android智能手机端[9]。 最终调用Blue-tooth Server Socket.close() 关闭蓝牙服务器。 建立蓝牙连接的流程图如图5所示。
在本文中,用户模式运用文件传输模式,文件传输模式提供两终端间的数据通信功能[10]。
4实验结果
根据上文所述的基本理论和实现思路,本文通过检测模块对血压、 心率这2项生理参数进行采集, 然后经蓝牙模块将监测到的血压和心率数据发送至智能手机端, 在智能手机端实现人体生理参数的显示并且能以.txt的文件格式保存数据。 手机蓝牙操作界面如图6、7所示,包括蓝牙设备的搜索、配对和连接。 搜索到蓝牙设备后,选择蓝牙设备,输入配对密码即可成功连接, 连接成功后一直监听生理参数检测端的蓝牙模块,等待接收参数数据。
同一位志愿者睡前安静状态下按照标准血压测量姿势连续测量5次的数据如图8所示。 接收到的生理参数数据以.txt的格式保存至手机储存中的界面如图9所示。
在本学校采取随机抽样方法抽取10位志愿者进行试验,结果见表1。 首先使用本文设计的生理参数监测系统对10位随机抽取的志愿者进行测量,并记录他们的性别、年龄、收缩压( systolic blood pres- sure,SBP) 、 舒张压( diastolic blood pressure,DBP) 以及心率( heart rate,HR) 值。然后对应地用深圳迈瑞公司生产的PM-8000 Express多参数监护仪对10位随机抽取的志愿者再次进行测量, 并记录结果,2次测量结果见表1。 从表1可以看出,2组数据相差不大。进一步使用SPSS软件对本系统所测得的数据与PM-8000 Express多参数监护仪所测得的数据进行独立样本t检验,检验分析结果见表2。 由表2可知,本系统测得的数据与PM-8000 Express多参数监护仪测得的数据无显著性差异( 各对比组检验分析得出的P值均大于0.05),从而说明本系统测量数据准确。
注:1 mm Hg=133.322 Pa
5结语
本文是在Android智能系统的基础上设计的人体生理参数无线监测系统,该系统符合“ 4P”型医学模式,并且把健康监护运用在智能手机上,顺应了社会发展的潮流。
注:1 mm Hg=133.322 Pa
生理参数 篇7
在生命科学中, 对人类健康的研究离不开实验动物。在对人类各种生理现象、病理机制和疾病防治的研究中, 实验动物是人的替代者, 例如在战伤外科的研究中、在生化武器和强声武器损伤的研究中, 实验动物均被用来代替人类作为受难者来研究对各种战伤的有效防治措施。灵长目动物在亲缘关系上和人类最接近, 20世纪开始广泛应用于生物医学研究, 如猕猴在生理学上可以用来进行脑功能、血液循环、呼吸生理、内分泌等各项研究[1,2]。因此, 猕猴在军事医学研究上具有特殊的应用价值。而如何实时有效地获得自由活动状态下猕猴的生理参数成为一个至关重要的课题。
目前, 针对猕猴的生理参数测量通常有2种方式:以盐酸氯胺酮注射麻醉后测定, 或是在无麻醉情况下固定于木板或椅子上测定。但这2种方法均无法长时间获得自由活动猕猴的生命体征, 而且由于设备需要人为操作来辅助实现, 因而无法获得极端环境下的动物生理指标[3,4]。本文针对心电、心率、呼吸长期监测的需要, 研制了一种可穿戴式动物生理参数采集背心系统, 可实现活动状态下对心电、呼吸信号的无创监测。该技术不仅可以广泛应用于动物医学与军事医学中, 而且在睡眠医学、环境学以及民用领域都有广阔的应用前景和不可估量的社会效益。
1 系统总体设计
整个穿戴式动物生理参数采集装置系统由动物背心、信号采集记录电路以及传感器等构成。结构如图1所示。
系统工作时, 可以选择将数据存储至安全数码卡 (secure digital memory card, SD) 文件系统中, 待采集结束后再通过USB将数据上传至个人计算机 (personal computer, PC) , 使用MATLAB分析处理, 亦可在实验过程中通过蓝牙实时地将数据传至上位机, 通过上位机编写的Lab VIEW分析软件实时显示信号波形。
2 系统构成设计
2.1 模拟电路设计
模拟电路要实现心电、胸呼吸、腹呼吸、体位/体动 (三轴加速度传感器的3路输出信号) 6路信号的提取:对心电信号采用传统的体表电位提取技术, 针对动物皮毛厚的特点, 增加了仪表放大器的输入阻抗和共模抑制比;呼吸信号采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动, 针对动物的特点设计了专用的传感器;体位/体动信号通过三维加速度传感器的3个轴输出量来获得, 本系统使用了MMA7260Q来实现X、Y、Z 3个轴的加速度测量。模拟电路设计框图如图2所示。
2.2 数字电路设计
数字电路要实现6路信号采集、SD卡存储以及系统工作状态指示, 本设计使用了ARM7架构的LPC2131芯片, 64脚封装, 片内有32 KB Flash、8 KB RAM, 内置8通道10 bit ADC。系统设计框图如图3所示。
系统采用基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARM7微处理器LPC2131作为系统的主控芯片, 负责数据采集、SD卡读写、系统状态指示、系统通信等功能。为提高系统的可靠性、实时性, 使用实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ, 该操作系统具有一个完整的、可移植的、可固化的、可裁剪的抢占式实时多任务内核, 可以使各个任务独立工作, 互不干涉, 很容易实现准时而且无误执行。为提高系统使用的方便性, 使用插拔方便的SD卡存储数据, 采用了面向嵌入式系统开发的文件系统, 它可以直接与个人计算机交换文件, 是与FAT12、FAT16、FAT32高度兼容的文件系统[5,6,7]。
2.3 动物背心设计
系统将呼吸运动传感器嵌入到背心中。现有的呼吸感应体积描记技术的实现方法是:将附着在弹性缚带上的传感线圈作为电容三点式谐振电路的电感元件, 呼吸运动引起线圈电感量的改变, 导致电路谐振条件改变, 从而引起谐振幅度和谐振频率随呼吸运动而变化, 通过调幅检波或者调频检频的方法, 就可以完成对呼吸运动的检测[8,9,10]。鉴于猕猴的身体形态相比人类要小很多, 现有测量技术中用到的传感线圈的电感量将随之显著减小, 本系统采用三线编绳的方法以增大线圈的电感量。通过计算得出相应LC振荡回路的电容值, 在电路上予以匹配。设计的胸腹传感线圈如图4所示。
本穿戴式背心系统将呼吸感应体积描记的胸带、腹带分别移植到衣服的胸、腹位置上。以胸带走线为例:线圈绕胸部一圈后, 在前胸处贴近衣襟上行, 绕颈部一圈后, 贴近衣襟下行, 在另一侧与线圈另一端汇合, 接入信号采集记录电路。采用这种走线方式, 传感器可以嵌入在弹性背心中, 使用时如一件普通拉链背心, 穿脱方便, 不易损坏。此外, 在实际应用测试后, 将拉链设计改于背心侧面, 放置采集电路的口袋设置于背后, 以减少实验动物的活动干扰。改制后的背心如图5所示。
3 性能测试
3.1 测试目的
针对实验对象猕猴的特殊性, 研究生理参数采集技术, 通过现场实验的方法来确定生理参数采集电路的相关参数, 并验证各类生理参数采集技术的有效性和可靠性。针对自由活动状态下的猕猴, 使用自主研发的动物生理参数采集装置来采集心电、胸腹呼吸运动和体位/体动6路生理信号, 以检验实验装置能否完成数据采集、存储等各项预期功能, 检验实验装置是否达到设计要求, 验证以此装置为平台开展动物实验的可行性。
3.2 测试方法及过程
将猕猴胸部去毛, 用酒精擦拭脱脂后粘贴Ag/Ag Cl电极。电极连接方式与人类相同, 采用双极肢体导联。将背心系统穿于动物身上, 接上各类生理信号传感器, 连接整个实验系统, 使用SD卡存储动态生理参数。
3.3 测试结果
采用MATLAB编写了SD卡数据文件的提取及显示程序, 得到了实验动物心电、胸腹呼吸运动以及体位/体动信号。SD卡数据读取操作如图6所示, 信号显示分析画面如图7所示。
心电信号的数据表明通过体表电位提取的方法可以获得高质量的动物心电图, 如图8所示。胸腹呼吸数据表明呼吸感应体积描记技术能够有效地提取呼吸运动信息, 信号中的噪声来源于工频干扰以及动物毛皮与实验背心之间摩擦所产生的噪声。实验动物的活动会对呼吸信号产生较大的影响, 可以通过三轴加速度计的三维输出量来消除运动伪影, 滤波处理前后的胸呼吸运动信号如图9所示。
4 结语
本穿戴式动物生理参数采集装置可实现自由活动状态下的动物基本生命体征 (心电、胸腹呼吸、体位/体动) 的可靠提取。该装置的突出特点是使用方便, 可进行无创性动物生理指标监测;不需要进行外科手术, 符合动物福利要求;不依赖任何人为和环境的因素, 可随时根据需要方便开展实地测量;符合生理指标监测的发展趋势。本技术可发展为极端环境下的动物生理参数提取技术, 可对相关武器作战效能进行评估研究, 有着重要的军事医学价值以及基础研究科学价值。
摘要：目的:设计一种可用于实验动物猕猴的生理参数采集装置, 可采集心电、呼吸、体位/体动信号。方法:采用体表电位提取技术采集动物的心电信号, 采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动, 通过三维加速度传感器的三轴输出量来获得体位/体动信号。结果:在动物实验中成功采集到了自由活动猕猴的生理参数, 并将其存储于安全数码卡 (secure digital memory card, SD) 文件系统中, 保证了实验数据的完整准确。结论:该装置能够采集自由活动状态下动物的生命体征, 经过改制后亦可用于人类, 在动物医学及低负荷监测技术领域有着广阔的应用前景。
关键词：穿戴式,生理参数,低负荷
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