多參數(shù)監(jiān)測(cè)智能服飾系統(tǒng)

 隨著傳感器技術(shù)、材料技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，采用將醫(yī)用監(jiān)測(cè)設(shè)備與服裝相結(jié)合的方法可以較好地滿足人們這一需求。

文中提出一種穿戴式多參數(shù)監(jiān)測(cè)智能服飾系統(tǒng)，它將傳感器、織物電纜和柔性電路板有機(jī)結(jié)合到服裝中，實(shí)現(xiàn)了在日常生活以及作業(yè)環(huán)境下對(duì)多生理參數(shù)的動(dòng)態(tài)、協(xié)同監(jiān)測(cè)，具有生理信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)特征提取功能，并利用藍(lán)牙技術(shù)完成數(shù)據(jù)的備份，以便于進(jìn)一步分析，也可以利用具有藍(lán)牙功能的通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)等功能。

1 系統(tǒng)硬件組成

藍(lán)牙智能服裝系統(tǒng)原理，如圖1所示。該系統(tǒng)由電池模塊、傳感器、柔性電路板、電子織物、中央處理器和藍(lán)牙模塊組成。CPU采用ADI公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的ADμC7024處理器，ADμC7024卓越的處理能力、集成眾多片上外圍器件和芯片低功耗的特點(diǎn)，完全勝任目前本系統(tǒng)的應(yīng)用。本系統(tǒng)利用傳感器無創(chuàng)采集人體的各項(xiàng)生命體征參數(shù)，處理器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行軟處理，可以計(jì)算出體溫、心率、血壓等信息。并通過藍(lán)牙模塊將信息備份到內(nèi)置藍(lán)牙的手機(jī)、電腦等設(shè)備上。在身體狀況異常時(shí)本系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào)信號(hào)。本系統(tǒng)還可以通過轉(zhuǎn)發(fā)來支持遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)。

1.1 監(jiān)測(cè)傳感器

傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量心率、體溫等生命體征參數(shù)的采集?？紤]到本系統(tǒng)可穿戴式的特點(diǎn)，在傳感器的選型方面，盡量選用集成化，靈敏度和精度高的產(chǎn)品，這樣既能減少系統(tǒng)電路的面積，便于穿戴，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

血壓采集模塊采用Freescal公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓電傳感器，將其置于衣袖中部肘關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，這樣可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)，具體電路如圖2所示。該傳感器采用離子注入工藝，內(nèi)部集成了放大器，濾波器等信號(hào)處理單元電路，外部只需要很少的元件即可工作。在輸出端輸出經(jīng)過放大和整形的電信號(hào)，這樣就直接將傳感器的輸出端接入ADμC7024內(nèi)部集成的12位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過軟件處理得到血壓值。

PVDF壓電薄膜具有質(zhì)量輕，質(zhì)地柔軟，耐用性好，壓電響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，采用多層接觸式壓電薄膜傳感器測(cè)量心率，可以減少干擾信號(hào)。心率采集模塊采用HK-2000H型集成數(shù)字脈搏傳感器，將其置于服飾的左胸口部，即可用于測(cè)量心率。HK-2000H集成了PVDF壓電薄膜、高靈敏溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、程控放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。集成化避免了采用分立元件設(shè)計(jì)電路占用較大面積的缺點(diǎn)。原理圖如圖3所示。HK-2000H型集成數(shù)字脈搏傳感器采用USB端口輸出，可以方便地對(duì)其輸出進(jìn)行軟件上的處理。

體溫采集模塊采用Maxim公司的模擬溫度傳感器MAX6612檢測(cè)體表溫度。MAX6612采用5 pin的SC70封裝，最大工作電流僅為35μA，具有功耗低、精度高、體積小的特點(diǎn)，并對(duì)ADC做了電路上的優(yōu)化，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。具體的體溫采集電路如圖4所示。

MAX6612輸出幅值與所測(cè)溫度的關(guān)系滿足表達(dá)式

測(cè)量到的輸出電信號(hào)經(jīng)過ADμC7024處理器上的1 2位逐次逼近型ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果將存儲(chǔ)在寄存器ADCDAT0中，通過ADC狀態(tài)寄存器ADCSTA的最低位可以查看ADC轉(zhuǎn)換是否完成，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，最低位被置位。通過讀取寄存器ADCDAT0中的值，再利用軟件，根據(jù)上述算法得到測(cè)量的體表溫度。

1.2 柔性電路板

考慮到服裝穿著的舒適度，同時(shí)又不能影響對(duì)生命體征數(shù)據(jù)的處理。主板的設(shè)計(jì)采用柔性電路板。該電路板采用聚酰亞胺或聚脂薄膜為基材，可以承受多次彎曲、折疊和卷繞，散熱性能好，將其與電子織物結(jié)合便可方便地將傳感器網(wǎng)絡(luò)分布于全身各處，既對(duì)服裝的舒適度影響較小，又利于各項(xiàng)生命體征數(shù)據(jù)的采集。

1.3 電子織物

為了在盡量不影響穿著舒適度的條件下便于獲取傳感器數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用將金屬導(dǎo)線編織到傳統(tǒng)織物中制造電子織物的方法實(shí)現(xiàn)衣物中各模塊之間的電連接。這樣既可以保護(hù)金屬導(dǎo)線，減少穿著者的不適，又便于將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到處理器進(jìn)行處理。1.4 藍(lán)牙模塊

本系統(tǒng)采用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與內(nèi)嵌藍(lán)牙功能的外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。為減小系統(tǒng)體積、減輕系統(tǒng)質(zhì)量和降低功耗，本藍(lán)牙模塊采用Class-2設(shè)計(jì)方案，USB輸出，傳輸距離為10 m，支持藍(lán)牙2.0版本協(xié)議能夠滿足系統(tǒng)的需求。藍(lán)牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片內(nèi)部集成了8 MB閃存，主要存放的是基帶、鏈路管理層和主機(jī)控制接口的軟件，還包括一些API，用于對(duì)芯片進(jìn)行配置。前端射頻帶通濾波器選用MDR771F-CSR-T，巴倫采用TDK公司的HHM-1517完成系統(tǒng)的差分射頻信號(hào)和天線輸入輸出信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計(jì)方案原理圖如圖5所示。

1.5 外擴(kuò)功能

本系統(tǒng)支持系統(tǒng)功能外擴(kuò)。針對(duì)糖尿病、高血壓患者的實(shí)際需求可以加裝測(cè)量血糖、血氧等模塊，進(jìn)行對(duì)血糖、血氧等的無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測(cè)。使穿戴者隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量，方便易操作。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括穿戴式監(jiān)測(cè)儀部分和外聯(lián)設(shè)備部分。

2.1 穿戴式監(jiān)測(cè)儀軟件

穿戴式監(jiān)測(cè)儀可以工作在兩種模式下：一是心率采集模式，二是全項(xiàng)采集模式，程序方框圖如圖6所示。當(dāng)工作于心率采集模式時(shí)，穿戴式監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穿戴者心率，并在心率小于某一臨界點(diǎn)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒穿戴者注意，同時(shí)經(jīng)藍(lán)牙將心率數(shù)據(jù)發(fā)送至外聯(lián)設(shè)備。這一模式可以降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。在接受到外聯(lián)設(shè)備發(fā)送的命令后，穿戴式監(jiān)測(cè)儀工作于全項(xiàng)采集模式，這時(shí)采集穿戴式檢測(cè)儀所支持的所有生命體征參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)酵饴?lián)設(shè)備。

2.2 外聯(lián)設(shè)備軟件

外聯(lián)設(shè)備軟件流程圖如圖7所示。

外聯(lián)設(shè)備能夠遙控控制穿戴式監(jiān)測(cè)儀工作于全項(xiàng)采集模式，將穿戴式監(jiān)測(cè)儀采集到的各項(xiàng)生理指標(biāo)實(shí)時(shí)在終端顯示屏幕上并保存，方便以后查看。需要的話，能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)和Intemet網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端的醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。當(dāng)使用者的關(guān)鍵生理指標(biāo)小于或大于某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，外聯(lián)設(shè)備能將采集到的數(shù)據(jù)和GPS信息以短信的方式發(fā)送給預(yù)先設(shè)置的緊急聯(lián)系人并撥打此號(hào)碼，確保緊急聯(lián)系人能第一時(shí)間知道使用者的身體狀況，及時(shí)采取救助措施，保護(hù)穿著者的生命安全，適合于患有突發(fā)性心臟病者使用。

3 總結(jié)與展望

提出并設(shè)計(jì)了一種用于生命監(jiān)測(cè)的智能服裝系統(tǒng)，可以根據(jù)使用者的需求選擇合適的工作模式。同時(shí)該系統(tǒng)通過藍(lán)牙技術(shù)將人體、智能手機(jī)和電腦等外聯(lián)設(shè)備組網(wǎng)，可以將采集到的生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，也便于遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)的開展。