整个系统按功能可分为3个部分:穿戴式生理参数传感系统, 信号采集和传输系统, 远程信息交互系统。从系统构成角度看, 可分为2个部分:可穿戴系统和远程交互系统, 其中生理信号传感、采集与无线传输为一体化设计, 集成在可穿戴系统内, 可穿戴系统与远程交互系统之间通过zigbee建立无线连接。 (如图1)
本系统所用的可穿戴式生理参数传感系统如图2所示。通过该系统可实现心电、胸呼吸、腹呼吸、体温以及体位/体动等多个参数的负荷获取。胸腹呼吸运动经过标定后, 可实现通气量的无创连续测量。
体温测量是最基本的生命参数测量, 由于贴近人体, 可采用热电偶极子进行测量。三轴加速度传感器, 用于感知使用者的身体平衡和状态, 出现摔倒或者剧烈移动是产生预警。三导心电可以满足基本的心电图测量, RIP胸腹呼吸监测有助于监测呼吸的稳定, 肺部是否有痰等。
除此之外, 还有最常用的上臂血压测量, 以及指头血氧、脉搏的测量, 这些设备就其便携性而言, 也可以设计为穿戴式与改系统成为一个整体对使用者做全面的监护。由于血压测量时需要重气和放弃, 重充气泵和漏气阀这些部件消耗的电量比较大, 因此在穿戴式设计中, 一般要使用超声波电机来带动充气泵, 而气阀只要与充气泵联动就可以了。 (如图3、图4)
信息传递分两个层次:一是测量传感器之间的信息交互;二是穿戴系统与远程交互设备之间的通讯。各个测量设备之间首先要通过体表的信号传输将信息汇集到一个主机上, 该主机可以是测量血氧或测量血压的设备, 这才是具备与外界通讯能力的门户, 所以它使用的电量会比较大, 所以也只有它的电池才需要容量大一些, 体积也会相应大一些。而其余的设备不需要很耗电的通讯能力。所以电池可以用很轻很薄的纽扣电池, 也可以工作很长时间。这就是后面提到持续供电的重要性。
血压测量或者血氧测量、心率等, 这些测量的结果数据量很小, 因此可以用一种速率很低成本也很低的体表通讯方式实现信息互联。索尼曾经提过这种通讯方式, 对外公布了一种全新的声音信号传输方式——声音通过人体传输。索尼展示的这种声音传输方式的总体工作原理是:音乐播放器发出的声音通过人体来传播, 之后由戴在头部的耳机来接受信号并还原成声音。 (如图5)
索尼展示的这种全新的声音接听方式把人体作为可以负载微静电电荷的电容载体。音乐或者视频播放器发出的脉动信号首先会来到一块可以传导的布垫上, 这块布垫可戴在手腕上, 该特殊传导布垫可把脉动信号传播到佩戴者的身体上, 接着, 头戴耳机上的传导耳垫便可以接收到信号并还原成声音, 这样, 也就作到了音乐通过人体进行无线传播到达耳朵。
要传递速率甚高的声音信号难度当然很大, 但只是传输几bite每分钟的数据量就很简单了。通常这要经过一次调制和解调, 由于人体的电阻较大, 传递过程中的衰减需要一个高阻抗的放大器来放大信号之后才能解调。 (如图6~图8)
测量设备的主要功能就是采集信号和通过体表传输信息, 两者消耗的电能都非常少, 一节3V的纽扣电池通常就能用几个星期, 所以主要解决的供电问题是耗电较大的血压计, 因为它上面使用的气泵和对外通讯设备都需要消耗很多电能。上文提到, 为节约电能已经使用了超声波电机, 并且使用可充电的锂电池供电, 使用几天之后就必须充一次电。
鉴于穿戴式监护的设计原则就是尽可能的较少长导线的使用, 我们不提倡插根电线来给锂电池充电, 当然拆除电池下来充电是很麻烦的事情。于是, 我们设计了无线充电。就目前的技术, 我们尚不能从很远的距离之外给设备无线供电, 除非那是多么大功率的一台发射机。只能将发射器设计安装在使用者经常挨着的椅子扶手在或者床边一侧, 这样使用者休息的时候就能够自动充上电了。
由图9可看出, 无线传电的基本方式是要有磁耦合, 类似于变压器的原理。而为了提高传输效率, 还需用到强耦合磁谐振, 如图10。在耦合谐振系统 (如声音、电磁、磁、核等) 里, 经常会产生“强耦合”运行状态。如果处于给定系统中的这种状态, 谐振体之间的能量交换则可期望达到很高的效率。
穿戴式的监护将是未来最为普及最容易操作的健康监护方式, 本文主要就其续航能力和通讯便捷方面做了设计和阐述, 对穿戴式监护的关键难题有一定的帮助。穿戴式监护涉及到生物传感、电磁理论、能源供给等诸多方面, 综合平衡各种利弊, 才能早日实现这种监护方式的民用化。
摘要：随着生理信号检测技术的进步, 以及人们保健需求的日益提高, 用户对生理参数监测系统的舒适性和移动性的要求越来越高。医疗模式变革“, 战略前移, 重心下移”, 社区医疗和家庭医疗将在国民健康保障方面发挥重要作用。人体基本生理信号 (如心跳、呼吸、体温、脉搏等) 的低负荷、长时间、连续动态监测技术是家庭和社区医疗中的一类关键技术, 通过这些信号的分析, 可获取丰富有关人体健康状态的信息。在保证信号传感质量的情况下, 舒适性和移动性决定了这类健康监测技术能否真正应用到百姓的日常生活中。低生理、心理负荷甚至无负荷 (unobtrusively) 状态下的生理参数获取是当今生物医学工程的前沿, 可穿戴技术被认为是实现低负荷甚至无负荷生理参数检测/监测的有效途径之一。可穿戴技术 (生物医学工程领域) 是近年来兴起的一种低负荷生命信息检测技术, 该技术将生理信息获取与人的日常穿戴相结合, 以腰带、衬衣、短裤、臂章等形式来获取人的呼吸、心跳、血压、体温、体动等生命参数。
关键词：穿戴,监护仪,信息传递,无线传电
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