面向健康智能家居的生理参数监测系统研制

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I 摘 要 世界尤其是中国人口老龄化现象日益加剧， 同时心血管疾病已成为中老年人健康的头号杀手，此外医疗资源严重匮乏。针对以上问题，国内外学者进行了健康智能家居的基础研究，并结合社区医疗服务缓解上述危机。但是，目前国内社区医疗缺乏来自于家庭端实时监测的健康数据，因此，本文提出研制面向健康智能家居的生理参数监测系统。 本文的主要研究工作如下： （1）阐述了课题的研究背景和重要意义。介绍了健康智能家居的发展历程，针对目前国内社区医疗技术中存在的主要问题，提出了本课题的研究内容、设计思路。 （2）介绍了课题研究中的相关算法理论，包含生理信号的特征、生理信号时频域分析法等，并介绍了系统设计中要求的相关国家标准。 （3） 深入研究了生理信号处理技术， 主要包括信号去噪技术、 基线漂移校正方法。文中主要以心电和脉搏信号为研究对象，基于通用自动测试平台采集信号，采用模拟和数字滤波方法综合降低信号噪声。文中采用高阶巴特沃斯模拟滤波方法，并进行了仿真实验和电路实测分析。文中主要对均值法、基于汉明窗的采取 率谱法对滤波效果进行了分析。文中还采用最小二乘法对基线漂移进行校正，为脉搏信号的分析打下了基础。 （4）在信号处理研究基础上重点研究了脉率测量方法。对静态、运动方式下的脉搏波形特征进行了分析。采用固定阈值法测量人体静态和基线漂移校正下的脉率，利用斜率和阈值法测量人体动态脉率。文中对斜率和阈值法作了详细阐述，实验结果证明该方法适用于人体静态及动态下的脉率测量。 （5）研制了基于点阐述了系统的软硬件设计方案。硬件设计内容主要包含：生理传感器选择，信号预处理电路设计，控制器的外围电路设计。软件设计内容主要包含框架程序、人机界面、信号采集、数据存储、无线通信模块等。 文中所研制的生理参数监测系统可为实现远程医疗和就诊提供基础数据服务， 本文的研究工作对面向健康智能家居和社区医疗技术研究的同行具有一定的参考价值。鉴于中国的老龄化和医疗资源现状，该课题值得长期、深入研究。 图57 表3 参73 关键词： 健康智能家居、生理参数、脉率测量、信号去噪、类号： 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 安徽建筑大学硕士学位论文 录 摘 要.目 录.插图和附表.第一章 绪论.题研究背景和意义.内外研究现状.康智能家居研究现状.区医疗发展现状.究内容.究思路.第二章 相关理论及标准介绍.理信号特征简介.理信号时域分析法.理信号频域分析法.关标准介绍.结.三章 生理信号采集及处理研究.于通用测试平台的数据采集.字低通滤波. 基线漂移校正.率测量.搏波形特征分析. 静态脉率测量方法. 动态脉率测量方法.验结果.结.第四章 生理参数监测系统设计.统框架设计.件设计.量传感器选择.搏信号处理电路设计. 安徽建筑大学硕士学位论文 控制板和外围扩展模块设计.统软件结构.机界面设计.号采集模块. 无线通信模块.第五章 总结与展望.结.望.参考文献.致谢.作者简介及攻读学位期间主要科研成果. 安徽建筑大学硕士学位论文 . I . . . . . . . . of . . . . . . .安徽建筑大学硕士学位论文 . . . . . . .安徽建筑大学硕士学位论文 1究思路框图.2搏波波形.2常心电图波形.2.2搏波特征点分析示意图.2理信号功率谱分析流程图.2种不同功率谱方法的比较.3用测试系统前台.3用测试系统后台.3基线漂移的脉搏波形.3高频噪声的心电波形.3搏和心电信号均值滤波.3电信号均值滤波.3矩形窗归一化后的单位冲击响应.3=10，20，30时的幅频响应曲线.3汉明窗归一化后的单位冲击响应.3=10时加矩形窗、汉宁窗和汉明窗的幅频响应曲线.3搏和心电信号.3理信号 谱估计 .3搏和心电信号基线漂移校正.3状态脉搏信号波形.3态脉率阈值测量.3幅度脉率阈值测量.3中年人脉搏阈值测量.3率计算方法示意图.3峰点前.3时静态脉率准确性分析.3时动态脉率准确性分析.3时动态脉率有效性分析.4统框架结构.4.4.4电电极夹.安徽建筑大学硕士学位论文 搏预处理电路框图.4荷放大电路.4置电压放大电路.4大前正弦波信号.4大后正弦波信号.4阶巴特沃斯低通滤波电路.4通滤波电路幅频响应曲线.4弦波低通滤波效果.40.40.4波电路滤波效果.4搏预处理电路集成调试框图.4搏信号处理电路各级调试波形.4.4统软件总流程图.4统初始化界面.4理参数实时监测界面.4放数据选择界面规划.4理信号数据回放界面规划.4摸屏显示控制流程图.4号采集流程图.4于.4.4.4收）子程序流程图.3时脉率测量误差准确性分析表.3时动态脉率误差有效性分析表.3徽建筑工业学院2011届电子信息工程专业部分学生和01 2年4月28 日测试）.安徽建筑大学硕士学位论文 1第一章 绪论 题研究背景和意义 人口问题是当代中国最基本的国情之一，特别是人口老龄化问题正在凸显。中国老年人口规模的扩大已成为了一个人们普遍关注的社会现象。据预测，到2014年，我国的老年人口将超过2个亿，占总人口比重的15%，呈加速增长趋势，到2050年，我国老年人口总量将会超过4亿，占总人口比重达1/3左右1。随着独生子女的父母步入老年，空巢老人家庭将会成为我国家庭的主要趋势2，老年人的生活起居面临在家无人照看，造成了家庭和社会的严重负担3。 同时，随着人们生活水平的提高，健康问题一直被视为社会的主要问题。作为人类健康第一号杀手的中老年人高发病心血管疾病在我国的患病率、 发病率及死亡率呈不断上升趋势4。中国心血管疾病报告2011中指出，10个成年人中就有2人患心血管疾病。在40岁以上的人群中，心血管疾病的患者人数在未来20年内将增长2倍甚至3倍5。另外，亚健康状态作为健康与疾病之间的过渡状态，在我国人群中的分布率不断增加。亚健康状态的形成是自然、心理、社会等多方面的结果，如果不给予重视，不及时进行调节，就有可能出现各种疾病6。相关研究表明，长期追踪与治疗可以大大的降低这类慢性病和退化性疾病的增加。日常社区、家庭医疗服务和紧急情况下的医疗援助显得尤为重要。 然而，家庭、社区及医院的医疗服务现阶段存在医疗资源匮乏的严重问题。2012年，第六届中国医院院长年会指出了我国医疗体制存在的问题，公立医院的优质医疗资源不足、分布不合理，是当前比较突出的问题7。人口剧增和医疗资源的相对匮乏，使得医院和患者的医疗负担日益加重，限制了医疗服务的质量和水平。同时，医疗资源的匮乏使得“看病难，看病贵”的现象在全国范围内普遍存在8。医疗资源大多数都集中在城市，而城市的医疗资源又集中在大医院，给人们的医疗服务带来了严重阻碍。 为缓解以上的社会问题， 目前已有很多研究组织开始研究家庭和社区的医疗监护技术。在第十二届高新技术成果交易会上，中科院拿出了最新研制的智能家庭机器人新品。其中，老人服务机器人可以在老人突然跌倒时，将信息发送给其家人；老人助行机器人能为老人行走助力，提供休息条件等，智能家庭机器人是提高老年人日常生活活动能力的有效手段之一9。另外，远程家庭人体健康信息 安徽建筑大学硕士学位论文 2监测技术作为国内医疗领域发展的新方向不断兴起，采用远程通信，交互式传递信息，提供远距离的医疗服务，为提高医疗服务水平，降低医疗费用，缓解医疗资源匮乏引起的“看病难、看病贵”问题提供了可靠的研究方向10。因此，智能家庭中人体健康信息的研究为未来的特殊人群监护、 远程社区医疗等医疗服务提供了更加方便的技术方案。 内外研究现状 为解决家庭及社会中存在的健康问题， 健康智能家居中家庭健康信息监测获得了广阔的发展应用空间。社区医疗作为研究健康智能家居的重点方向之一，越来越受到国内研究者的关注。 康智能家居研究现状 智能家居的概念最早是出现在20世纪80年代早期，到80年代末开始研究智能家居中的家庭健康护理技术11。健康智能家居( 是智能家居的一种专业化概念，意为智能家居和家庭健康监护技术的相结合，指的是能够为那些老年人，慢性病人以及住院需要康复的人提供一种舒适、健康、方便的家庭生活方式12。智能家居技术的发展引领着健康智能家居的兴起，家庭网络化智能系统研究也推动了家庭健康信息监测。 早在1984年美国出现了第一栋智能建筑， 为智能家居的发展提供了方向13。随后东南亚及西方发达国家开始研究智能住宅， 指的是通过统一的标准通信接口协议连接家庭中的自动化设备，形成家庭化智能网络，提供一种节能、舒适的安全保障14随着健康问题的关注，智能家居出现了新的发展，1988年 将监测数据发送至个人监护中心，为家庭健康护理技术奠定了基础16进入20世纪90年代，网络及通信技术的研究带动着家庭健康监测的发展，在1992年， 始使用新型通信系统和信息传输技术与家庭建立网络连接， 并可以同时采集家庭监护者的各种生理信息18。与此同时，随着家庭健康监测领域的扩大，了生理参数和活动信息外，系统还可以记录更多的主观信息19。随后， 出了适应性智能家居（ 概念， 采用主控节点控制家庭室内和室外的监护设备， 可以监测家庭环境参数，监护者生理信息等20。到2000年 立了一个可以收集监护者活动参数和生理参数的住宅，并命名为“健康智能家居信息系统”（ 21近年来，更多的大型研究实验室关注健康智能家居领域，乔治亚洲技术研究所提出了“有 安徽建筑大学硕士学位论文 3意识的家庭”（ 23，美国麻省理工学院（ 出的“ 来之家”24等。目前健康智能家居的研究方法已经将传感器与控制器集成于家庭内，并可以随身携带25。这些集成节点可以互相通信，并且不影响监测者的日常活动。可见，国外智能家庭中健康信息监测研究较早，发展迅速，且目前的健康信息监测技术已经代表了该领域的最新研究方向。 国内的健康智能家居技术研究相对较晚。20世纪90年代后期，国内智能家居逐渐兴起，家庭自动化、家庭网络系统作为智能家居的核心技术开始发展。在此基础上， 国内部分高校及研究单位开始研究面向家庭的人体生理参数监测及系统集成技术。清华大学白净教授领导的小组研究了家庭监护、远程健康监护等关键技术并实现了系统设计。 该系统监控中心可以同时接收和显示多个家庭的人体生理信息，并且可以将诊断信息反馈给家庭使用者26另外，香港中文大学生物医学工程联合研究中心在最近研发出具有生理参数测量功能保健衫， 该保健衫具有无袖带式血压测量功能，可以利用液体静力学完成无袖带式血压的校准28。从国内健康智能家居的发展和研究的相关资料来看， 在智能家庭健康信息监测领域，存在着很多的不足，主要体现为国内健康智能家居技术处于研究阶段，没有形成具体的产品，并且成本较高，缺乏实际推广应用。 随着智能家庭中健康信息监测技术的不断发展， 社区医疗一直被视为主要的研究内容。社区医疗作为一种健康智能家居应用领域，迅速发展起来。社区医疗是健康智能家居的一种模式，是家庭健康监护技术的扩充。这种监护方式可以改善医疗资源的不足，减少医疗花费，是社会老龄化问题的一种很好的解决方案。 区医疗发展现状 社区医疗是社区建设的重要组成部分，指的是合理使用社区资源和适宜技术，以人的健康为中心、家庭为单位、社区为范围，以老年人、慢性病人等为重点，解决社区主要卫生、保健、医疗、健康技术服务问题，提供一种有效、便捷、安全的医疗服务方式29。目前的医院医疗服务方式已经不能适应全方位、整体化的医疗卫生服务需求。 由此产生的社区医疗服务机构将会成为医疗卫生服务的发展方向30。 社区医疗在国外已经研究多年，并形成了完整的、科学的医疗服务模式。世界卫生组织(20世纪70年代就提出了社区医疗服务体系，且在近30年内迅速发展31。我国的社区医疗服务机构的发展现处于初级阶段，与发达国家相比，主要存在着社区医疗资源不足， 医疗技术不成熟， 健康信息收集率低等问题32随着人们生活质量的提高，老龄化现象的日趋加深，慢性疾病的增多，现阶段的 安徽建筑大学硕士学位论文 4医院医疗机构服务涉及至社区医疗服务，受到种种劣势条件的限制，医疗服务需求矛盾日益加强。主要体现在： （1）医疗设备简易:一套完善的社区医疗设备应该具备基本的医疗器械、标准的通信接口以及严格的消毒管理。 我国大多数社区医院和卫生站现在只有些常用的温度计和听诊器等一些简易的医疗设备，很难为病人提供常规化的医疗服务，这样对于那些关注自己身体健康的人来说，宁可舍近求远，去大医院检查。使其没有充分体现出“大病去医院，小病到社区”34的预想效果。 （2）社区医疗设备缺乏统一的标准：现有很多医疗设备，如医院用的监控设备、社区用的医疗设备、家庭用的监测仪器，都存在着一个严重的问题：设备的互操作性差和连接度不足。如果这些设备都能整合在一起，就能够很好地改进社区医疗服务，减轻医疗资源供需。提供设备的标准化格式35,降低医疗费用，加强阶梯化配置和区域统筹，设备共用，抑制医疗资源浪费，把“设备为所有”转变为“设备为所用”，社区医疗设备标准统一化将是社区对医疗设备配置的重要方向。 （3）社区家庭医疗系统应用不足：社区家庭医疗是通过网络或者无线通信物联网技术将社区监护中心与多个家庭相连接的医疗服务模式。 实现对多个家庭的远程监护和疾病诊断36。目前，我国应用于家庭的医疗监护设备短缺，将多个家庭的客户端与社区监护中心服务器连接的应用更是不足。 家庭客户端与社区服务器，社区服务器与大医院缺乏网络连接，信息不能共享，不能建立起随时访问和被访问的关系。 综上所述， 为解决社区医疗体系中的种种问题， 针对社会老龄化现象的加剧，减少医疗资源的不足，加强社区医疗系统的应用，研究面向健康智能家居的生理参数监护系统可以为家庭人体健康提供实时监测服务， 为社区远程医疗提供数据基础和监测平台。以融入社区、家庭以及个人为研究方向,解决传统医学仪器面临的严峻挑战，为满足人们对社区医疗保健的市场需求。 设计一种基于家庭、社区诊所和医院，以家庭监护为基础的远程社区人体生理参数监测系统，实现医院医疗功能的对外延伸。这种监测技术已经证明能够大幅度提高健康护理的质量, 它的方法是通过各种生理参数监测传感器, 将健康等信息收集到家庭健康监护系统中, 然后进行信息融合处理， 将监测信息发给远程医疗中心。研究的成果有利于预防各种慢性疾病，减少医疗资源负担，对老龄人和院外病人进行实时有效的监测37。 安徽建筑大学硕士学位论文 究内容 面向健康智能家居的生理参数监测系统是以中央控制器为核心， 利用高精度的模数转换模块连接信号处理电路接收生理信号， 通过触摸液晶模块显示实时波形参数，并采用用证家庭人员生

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