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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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