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面向健康智能家居的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研制

來源：泰然健康網時間：2024年11月28日 03:09

文檔簡介

I 摘要世界尤其是中國人口老齡化現(xiàn)象日益加劇，同時心血管疾病已成為中老年人健康的頭號殺手，此外醫(yī)療資源嚴重匱乏。針對以上問題，國內外學者進行了健康智能家居的基礎研究，并結合社區(qū)醫(yī)療服務緩解上述危機。但是，目前國內社區(qū)醫(yī)療缺乏來自于家庭端實時監(jiān)測的健康數(shù)據(jù)，因此，本文提出研制面向健康智能家居的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。本文的主要研究工作如下：（1）闡述了課題的研究背景和重要意義。介紹了健康智能家居的發(fā)展歷程，針對目前國內社區(qū)醫(yī)療技術中存在的主要問題，提出了本課題的研究內容、設計思路。（2）介紹了課題研究中的相關算法理論，包含生理信號的特征、生理信號時頻域分析法等，并介紹了系統(tǒng)設計中要求的相關國家標準。（3）深入研究了生理信號處理技術，主要包括信號去噪技術、基線漂移校正方法。文中主要以心電和脈搏信號為研究對象，基于通用自動測試平臺采集信號，采用模擬和數(shù)字濾波方法綜合降低信號噪聲。文中采用高階巴特沃斯模擬濾波方法，并進行了仿真實驗和電路實測分析。文中主要對均值法、基于漢明窗的采取率譜法對濾波效果進行了分析。文中還采用最小二乘法對基線漂移進行校正，為脈搏信號的分析打下了基礎。（4）在信號處理研究基礎上重點研究了脈率測量方法。對靜態(tài)、運動方式下的脈搏波形特征進行了分析。采用固定閾值法測量人體靜態(tài)和基線漂移校正下的脈率，利用斜率和閾值法測量人體動態(tài)脈率。文中對斜率和閾值法作了詳細闡述，實驗結果證明該方法適用于人體靜態(tài)及動態(tài)下的脈率測量。（5）研制了基于點闡述了系統(tǒng)的軟硬件設計方案。硬件設計內容主要包含：生理傳感器選擇，信號預處理電路設計，控制器的外圍電路設計。軟件設計內容主要包含框架程序、人機界面、信號采集、數(shù)據(jù)存儲、無線通信模塊等。文中所研制的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可為實現(xiàn)遠程醫(yī)療和就診提供基礎數(shù)據(jù)服務，本文的研究工作對面向健康智能家居和社區(qū)醫(yī)療技術研究的同行具有一定的參考價值。鑒于中國的老齡化和醫(yī)療資源現(xiàn)狀，該課題值得長期、深入研究。圖57 表3 參73 關鍵詞：健康智能家居、生理參數(shù)、脈率測量、信號去噪、類號： he is in of of In To on of to of of is in as (1)of of in at of of (2)of of as (3)CG by to to of IR is to to of (4)of on is of to to In in is to )RM of of on in of a of on of is 57 3 73 安徽建筑大學碩士學位論文錄摘要.目錄.插圖和附表.第一章緒論.題研究背景和意義.內外研究現(xiàn)狀.康智能家居研究現(xiàn)狀.區(qū)醫(yī)療發(fā)展現(xiàn)狀.究內容.究思路.第二章相關理論及標準介紹.理信號特征簡介.理信號時域分析法.理信號頻域分析法.關標準介紹.結.三章生理信號采集及處理研究.于通用測試平臺的數(shù)據(jù)采集.字低通濾波. 基線漂移校正.率測量.搏波形特征分析. 靜態(tài)脈率測量方法. 動態(tài)脈率測量方法.驗結果.結.第四章生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計.統(tǒng)框架設計.件設計.量傳感器選擇.搏信號處理電路設計. 安徽建筑大學碩士學位論文控制板和外圍擴展模塊設計.統(tǒng)軟件結構.機界面設計.號采集模塊. 無線通信模塊.第五章總結與展望.結.望.參考文獻.致謝.作者簡介及攻讀學位期間主要科研成果. 安徽建筑大學碩士學位論文 . I . . . . . . . . of . . . . . . .安徽建筑大學碩士學位論文 . . . . . . .安徽建筑大學碩士學位論文 1究思路框圖.2搏波波形.2常心電圖波形.2.2搏波特征點分析示意圖.2理信號功率譜分析流程圖.2種不同功率譜方法的比較.3用測試系統(tǒng)前臺.3用測試系統(tǒng)后臺.3基線漂移的脈搏波形.3高頻噪聲的心電波形.3搏和心電信號均值濾波.3電信號均值濾波.3矩形窗歸一化后的單位沖擊響應.3=10，20，30時的幅頻響應曲線.3漢明窗歸一化后的單位沖擊響應.3=10時加矩形窗、漢寧窗和漢明窗的幅頻響應曲線.3搏和心電信號.3理信號譜估計 .3搏和心電信號基線漂移校正.3狀態(tài)脈搏信號波形.3態(tài)脈率閾值測量.3幅度脈率閾值測量.3中年人脈搏閾值測量.3率計算方法示意圖.3峰點前.3時靜態(tài)脈率準確性分析.3時動態(tài)脈率準確性分析.3時動態(tài)脈率有效性分析.4統(tǒng)框架結構.4.4.4電電極夾.安徽建筑大學碩士學位論文搏預處理電路框圖.4荷放大電路.4置電壓放大電路.4大前正弦波信號.4大后正弦波信號.4階巴特沃斯低通濾波電路.4通濾波電路幅頻響應曲線.4弦波低通濾波效果.40.40.4波電路濾波效果.4搏預處理電路集成調試框圖.4搏信號處理電路各級調試波形.4.4統(tǒng)軟件總流程圖.4統(tǒng)初始化界面.4理參數(shù)實時監(jiān)測界面.4放數(shù)據(jù)選擇界面規(guī)劃.4理信號數(shù)據(jù)回放界面規(guī)劃.4摸屏顯示控制流程圖.4號采集流程圖.4于.4.4.4收）子程序流程圖.3時脈率測量誤差準確性分析表.3時動態(tài)脈率誤差有效性分析表.3徽建筑工業(yè)學院2011屆電子信息工程專業(yè)部分學生和01 2年4月28 日測試）.安徽建筑大學碩士學位論文 1第一章緒論題研究背景和意義人口問題是當代中國最基本的國情之一，特別是人口老齡化問題正在凸顯。中國老年人口規(guī)模的擴大已成為了一個人們普遍關注的社會現(xiàn)象。據(jù)預測，到2014年，我國的老年人口將超過2個億，占總人口比重的15%，呈加速增長趨勢，到2050年，我國老年人口總量將會超過4億，占總人口比重達1/3左右1。隨著獨生子女的父母步入老年，空巢老人家庭將會成為我國家庭的主要趨勢2，老年人的生活起居面臨在家無人照看，造成了家庭和社會的嚴重負擔3。同時，隨著人們生活水平的提高，健康問題一直被視為社會的主要問題。作為人類健康第一號殺手的中老年人高發(fā)病心血管疾病在我國的患病率、發(fā)病率及死亡率呈不斷上升趨勢4。中國心血管疾病報告2011中指出，10個成年人中就有2人患心血管疾病。在40歲以上的人群中，心血管疾病的患者人數(shù)在未來20年內將增長2倍甚至3倍5。另外，亞健康狀態(tài)作為健康與疾病之間的過渡狀態(tài)，在我國人群中的分布率不斷增加。亞健康狀態(tài)的形成是自然、心理、社會等多方面的結果，如果不給予重視，不及時進行調節(jié)，就有可能出現(xiàn)各種疾病6。相關研究表明，長期追蹤與治療可以大大的降低這類慢性病和退化性疾病的增加。日常社區(qū)、家庭醫(yī)療服務和緊急情況下的醫(yī)療援助顯得尤為重要。然而，家庭、社區(qū)及醫(yī)院的醫(yī)療服務現(xiàn)階段存在醫(yī)療資源匱乏的嚴重問題。2012年，第六屆中國醫(yī)院院長年會指出了我國醫(yī)療體制存在的問題，公立醫(yī)院的優(yōu)質醫(yī)療資源不足、分布不合理，是當前比較突出的問題7。人口劇增和醫(yī)療資源的相對匱乏，使得醫(yī)院和患者的醫(yī)療負擔日益加重，限制了醫(yī)療服務的質量和水平。同時，醫(yī)療資源的匱乏使得“看病難，看病貴”的現(xiàn)象在全國范圍內普遍存在8。醫(yī)療資源大多數(shù)都集中在城市，而城市的醫(yī)療資源又集中在大醫(yī)院，給人們的醫(yī)療服務帶來了嚴重阻礙。為緩解以上的社會問題，目前已有很多研究組織開始研究家庭和社區(qū)的醫(yī)療監(jiān)護技術。在第十二屆高新技術成果交易會上，中科院拿出了最新研制的智能家庭機器人新品。其中，老人服務機器人可以在老人突然跌倒時，將信息發(fā)送給其家人；老人助行機器人能為老人行走助力，提供休息條件等，智能家庭機器人是提高老年人日常生活活動能力的有效手段之一9。另外，遠程家庭人體健康信息安徽建筑大學碩士學位論文 2監(jiān)測技術作為國內醫(yī)療領域發(fā)展的新方向不斷興起，采用遠程通信，交互式傳遞信息，提供遠距離的醫(yī)療服務，為提高醫(yī)療服務水平，降低醫(yī)療費用，緩解醫(yī)療資源匱乏引起的“看病難、看病貴”問題提供了可靠的研究方向10。因此，智能家庭中人體健康信息的研究為未來的特殊人群監(jiān)護、遠程社區(qū)醫(yī)療等醫(yī)療服務提供了更加方便的技術方案。內外研究現(xiàn)狀為解決家庭及社會中存在的健康問題，健康智能家居中家庭健康信息監(jiān)測獲得了廣闊的發(fā)展應用空間。社區(qū)醫(yī)療作為研究健康智能家居的重點方向之一，越來越受到國內研究者的關注。康智能家居研究現(xiàn)狀智能家居的概念最早是出現(xiàn)在20世紀80年代早期，到80年代末開始研究智能家居中的家庭健康護理技術11。健康智能家居( 是智能家居的一種專業(yè)化概念，意為智能家居和家庭健康監(jiān)護技術的相結合，指的是能夠為那些老年人，慢性病人以及住院需要康復的人提供一種舒適、健康、方便的家庭生活方式12。智能家居技術的發(fā)展引領著健康智能家居的興起，家庭網絡化智能系統(tǒng)研究也推動了家庭健康信息監(jiān)測。早在1984年美國出現(xiàn)了第一棟智能建筑，為智能家居的發(fā)展提供了方向13。隨后東南亞及西方發(fā)達國家開始研究智能住宅，指的是通過統(tǒng)一的標準通信接口協(xié)議連接家庭中的自動化設備，形成家庭化智能網絡，提供一種節(jié)能、舒適的安全保障14隨著健康問題的關注，智能家居出現(xiàn)了新的發(fā)展，1988年將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至個人監(jiān)護中心，為家庭健康護理技術奠定了基礎16進入20世紀90年代，網絡及通信技術的研究帶動著家庭健康監(jiān)測的發(fā)展，在1992年，始使用新型通信系統(tǒng)和信息傳輸技術與家庭建立網絡連接，并可以同時采集家庭監(jiān)護者的各種生理信息18。與此同時，隨著家庭健康監(jiān)測領域的擴大，了生理參數(shù)和活動信息外，系統(tǒng)還可以記錄更多的主觀信息19。隨后，出了適應性智能家居（概念，采用主控節(jié)點控制家庭室內和室外的監(jiān)護設備，可以監(jiān)測家庭環(huán)境參數(shù)，監(jiān)護者生理信息等20。到2000年立了一個可以收集監(jiān)護者活動參數(shù)和生理參數(shù)的住宅，并命名為“健康智能家居信息系統(tǒng)”（ 21近年來，更多的大型研究實驗室關注健康智能家居領域，喬治亞洲技術研究所提出了“有安徽建筑大學碩士學位論文 3意識的家庭”（ 23，美國麻省理工學院（出的“ 來之家”24等。目前健康智能家居的研究方法已經將傳感器與控制器集成于家庭內，并可以隨身攜帶25。這些集成節(jié)點可以互相通信，并且不影響監(jiān)測者的日?；顒??？梢姡瑖庵悄芗彝ブ薪】敌畔⒈O(jiān)測研究較早，發(fā)展迅速，且目前的健康信息監(jiān)測技術已經代表了該領域的最新研究方向。國內的健康智能家居技術研究相對較晚。20世紀90年代后期，國內智能家居逐漸興起，家庭自動化、家庭網絡系統(tǒng)作為智能家居的核心技術開始發(fā)展。在此基礎上，國內部分高校及研究單位開始研究面向家庭的人體生理參數(shù)監(jiān)測及系統(tǒng)集成技術。清華大學白凈教授領導的小組研究了家庭監(jiān)護、遠程健康監(jiān)護等關鍵技術并實現(xiàn)了系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)監(jiān)控中心可以同時接收和顯示多個家庭的人體生理信息，并且可以將診斷信息反饋給家庭使用者26另外，香港中文大學生物醫(yī)學工程聯(lián)合研究中心在最近研發(fā)出具有生理參數(shù)測量功能保健衫，該保健衫具有無袖帶式血壓測量功能，可以利用液體靜力學完成無袖帶式血壓的校準28。從國內健康智能家居的發(fā)展和研究的相關資料來看，在智能家庭健康信息監(jiān)測領域，存在著很多的不足，主要體現(xiàn)為國內健康智能家居技術處于研究階段，沒有形成具體的產品，并且成本較高，缺乏實際推廣應用。隨著智能家庭中健康信息監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，社區(qū)醫(yī)療一直被視為主要的研究內容。社區(qū)醫(yī)療作為一種健康智能家居應用領域，迅速發(fā)展起來。社區(qū)醫(yī)療是健康智能家居的一種模式，是家庭健康監(jiān)護技術的擴充。這種監(jiān)護方式可以改善醫(yī)療資源的不足，減少醫(yī)療花費，是社會老齡化問題的一種很好的解決方案。區(qū)醫(yī)療發(fā)展現(xiàn)狀社區(qū)醫(yī)療是社區(qū)建設的重要組成部分，指的是合理使用社區(qū)資源和適宜技術，以人的健康為中心、家庭為單位、社區(qū)為范圍，以老年人、慢性病人等為重點，解決社區(qū)主要衛(wèi)生、保健、醫(yī)療、健康技術服務問題，提供一種有效、便捷、安全的醫(yī)療服務方式29。目前的醫(yī)院醫(yī)療服務方式已經不能適應全方位、整體化的醫(yī)療衛(wèi)生服務需求。由此產生的社區(qū)醫(yī)療服務機構將會成為醫(yī)療衛(wèi)生服務的發(fā)展方向30。社區(qū)醫(yī)療在國外已經研究多年，并形成了完整的、科學的醫(yī)療服務模式。世界衛(wèi)生組織(20世紀70年代就提出了社區(qū)醫(yī)療服務體系，且在近30年內迅速發(fā)展31。我國的社區(qū)醫(yī)療服務機構的發(fā)展現(xiàn)處于初級階段，與發(fā)達國家相比，主要存在著社區(qū)醫(yī)療資源不足，醫(yī)療技術不成熟，健康信息收集率低等問題32隨著人們生活質量的提高，老齡化現(xiàn)象的日趨加深，慢性疾病的增多，現(xiàn)階段的安徽建筑大學碩士學位論文 4醫(yī)院醫(yī)療機構服務涉及至社區(qū)醫(yī)療服務，受到種種劣勢條件的限制，醫(yī)療服務需求矛盾日益加強。主要體現(xiàn)在：（1）醫(yī)療設備簡易:一套完善的社區(qū)醫(yī)療設備應該具備基本的醫(yī)療器械、標準的通信接口以及嚴格的消毒管理。我國大多數(shù)社區(qū)醫(yī)院和衛(wèi)生站現(xiàn)在只有些常用的溫度計和聽診器等一些簡易的醫(yī)療設備，很難為病人提供常規(guī)化的醫(yī)療服務，這樣對于那些關注自己身體健康的人來說，寧可舍近求遠，去大醫(yī)院檢查。使其沒有充分體現(xiàn)出“大病去醫(yī)院，小病到社區(qū)”34的預想效果。（2）社區(qū)醫(yī)療設備缺乏統(tǒng)一的標準：現(xiàn)有很多醫(yī)療設備，如醫(yī)院用的監(jiān)控設備、社區(qū)用的醫(yī)療設備、家庭用的監(jiān)測儀器，都存在著一個嚴重的問題：設備的互操作性差和連接度不足。如果這些設備都能整合在一起，就能夠很好地改進社區(qū)醫(yī)療服務，減輕醫(yī)療資源供需。提供設備的標準化格式35,降低醫(yī)療費用，加強階梯化配置和區(qū)域統(tǒng)籌，設備共用，抑制醫(yī)療資源浪費，把“設備為所有”轉變?yōu)椤霸O備為所用”，社區(qū)醫(yī)療設備標準統(tǒng)一化將是社區(qū)對醫(yī)療設備配置的重要方向。（3）社區(qū)家庭醫(yī)療系統(tǒng)應用不足：社區(qū)家庭醫(yī)療是通過網絡或者無線通信物聯(lián)網技術將社區(qū)監(jiān)護中心與多個家庭相連接的醫(yī)療服務模式。實現(xiàn)對多個家庭的遠程監(jiān)護和疾病診斷36。目前，我國應用于家庭的醫(yī)療監(jiān)護設備短缺，將多個家庭的客戶端與社區(qū)監(jiān)護中心服務器連接的應用更是不足。家庭客戶端與社區(qū)服務器，社區(qū)服務器與大醫(yī)院缺乏網絡連接，信息不能共享，不能建立起隨時訪問和被訪問的關系。綜上所述，為解決社區(qū)醫(yī)療體系中的種種問題，針對社會老齡化現(xiàn)象的加劇，減少醫(yī)療資源的不足，加強社區(qū)醫(yī)療系統(tǒng)的應用，研究面向健康智能家居的生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)可以為家庭人體健康提供實時監(jiān)測服務，為社區(qū)遠程醫(yī)療提供數(shù)據(jù)基礎和監(jiān)測平臺。以融入社區(qū)、家庭以及個人為研究方向,解決傳統(tǒng)醫(yī)學儀器面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，為滿足人們對社區(qū)醫(yī)療保健的市場需求。設計一種基于家庭、社區(qū)診所和醫(yī)院，以家庭監(jiān)護為基礎的遠程社區(qū)人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)醫(yī)院醫(yī)療功能的對外延伸。這種監(jiān)測技術已經證明能夠大幅度提高健康護理的質量, 它的方法是通過各種生理參數(shù)監(jiān)測傳感器, 將健康等信息收集到家庭健康監(jiān)護系統(tǒng)中, 然后進行信息融合處理，將監(jiān)測信息發(fā)給遠程醫(yī)療中心。研究的成果有利于預防各種慢性疾病，減少醫(yī)療資源負擔，對老齡人和院外病人進行實時有效的監(jiān)測37。安徽建筑大學碩士學位論文究內容面向健康智能家居的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是以中央控制器為核心，利用高精度的模數(shù)轉換模塊連接信號處理電路接收生理信號，通過觸摸液晶模塊顯示實時波形參數(shù)，并采用用證家庭人員生

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