CN101352335A - 基于光纤智能结构的新型人体健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明所述的是一种新型人体健康监测系统，它涉及到光纤智能结构的设计和工艺等问题；同时涉及信号处理方法；主要是对光纤智能结构的受力信息变化进行信息处理，其特点是采用神经元作为传感元件，患者双脚对光纤智能结构施加压力，光纤神经网络感知压力变化并导致光纤中光强的变化，系统将光信号转变为电信号；通过控制电路将信号进行放大分析处理，传输到主控制计算机中，利用软件分析信号的变化，得出患者双脚力量的大小和分布情况，可直接通过PC机观察并显示检测与分析结果。本发明所述监测系统能够快速准确实现人体健康或康复检测，监测系统采用了自动化和智能化的高科技检测技术，具有可靠性好、成本低、易操作等特点。

Description

基于光纤智能结构的新型人体健康监测系统

1技术领域

本发明所述的是一种新型人体健康监测系统，它是基于光纤智能结构的，涉及到光纤智能结构的设计和工艺等问题；同时涉及信号处理方法，主要是对光纤智能结构的受力信息进行信息处理，因为光纤智能结构的信息是承载有外部信息的，通过分析智能结构的光纤神经网络信息变化实现人体健康或康复快速检测。

2背景技术

随着社会经济的发展，人们对健康的重视程度也越来越高。尤其是对冠心病患者的早期预测与康复期的康复效果检测已引起了广泛重视。目前，已出现了一些康复检测或治疗仪，有的是专门针对某一疾病的，有的是全面进行检查诊断的。纵观这些仪器，大部分是通过血液或者穴位进行健康诊断的，从而做到康复检测或治疗。但是这些仪器多属于有损检测，往往对被检测者带来心理负担，技术实现上也受到限制。本发明提出了一种新型人体健康监测系统，不仅在实现上不受什么限制，而且检测方法也是与传统的完全不同，采用的是无损快速检测新技术。只需通过对被检测者自然站立双脚施力的检测诊断，可以快速判断给出被检测者的健康或康复状况

3发明内容

本发明要解决的第一个问题是设计光纤智能结构，该光纤智能结构的主要功能是传感外部信息，主要是患者的脚部施力大小与力空间分布信息；第二个问题是提供配套硬件电路用来进行信号处理；第三个问题是提供信号处理监控专用软件，通过该软件能够准确得出被诊断者得脚部施力大小与力空间分布信息，由此可快速判断给出被检测者的健康与康复状况。

为了达到上述的发明目的，本发明第一个技术方案为一种新型人体健康监测系统，该系统包括下列模块：

检测面，其中被检测患者双脚自然站立在监测系统的所述检测面上，通过检测被测者双脚施力的大小及其力空间位置分布情况，快速判断得出人体健康状况或康复的效果与程度；

脚部施力信号捕获单元，其中，所述脚部施力信号捕获单元基于光纤智能结构，当被检测者脚部对光纤智能结构产生作用时，光纤智能结构的输出信号能够反映两只脚施力平衡情况；具体包括8路光纤和集成化LCD光源阵列；

8路光纤，所述8路光纤正交排列埋入复合材料中，使其与复合材料完全耦合，所述8路光纤一方面进行传光，另一方面，当脚部对光纤智能结构状态有作用时，光强信号发生变化，此时所述8路光纤具有传感功能；如图1所示。

集成化LCD光源阵列，用于均匀照射所述8路光纤中的每单根光纤，使得能够根据光纤智能结构中多根光纤的输出信号来捕获人体双脚脚部的施力信号；

信号分析与处理单元，所述信号分析与处理单元包括无基极引线的光电三极管、信号放大处理模块、A/D转换模块、SCI串口通信模块和监控计算机，其中：

无基极引线的光电三极管，用于对信号进行光电处理；图2为所设计的光电转换电路。在外加电压VCC＝12V下，当光照射光电三极管时就有光电流i产生，光电流i的大小与光照强度有关，在微弱光照辐射下，光电流大小约为几十微安。此时选择电阻R1和R2的阻值大小要合适。若阻值太大，则电阻消耗太多电压，此时光电三极管集电极与发射极间电压太低，光电三极管不能正常工作；若R1和R2阻值太小，输出电压v不够大，这样不便测量数据。R1为可调电阻，调节其阻值可以使电路工作在最佳状态。

信号放大处理模块，其利用放大电路对光电探测器的输出信号进行放大；由于直接采用前面的光电转换电路输出的电压不够理想，需要进一步作放大处理；根据集成运放的特点及本放大系统参数要求，设计出如图3所示放大电路。

LM324：双列直插式封装四输入集成运算放大器，其工作电压±5V。

R5和R6为反馈支路，反馈类型为电压串联负反馈，加入负反馈，是为了使运放工作在线性区域，减小非线性失真，从而使系统的性能大大改善，达到设计目的。

R3为平衡电阻，取R3＝R4//(R5+R6)，用以减小输入失调电流。

C为滤波电容，取C＝2.2μF，根据运放的虚短和虚断的性质，得出放大电路的放大倍数 $A=\frac{\mathrm{Vout}}{\mathrm{Vin}}=1+\frac{R5+R6}{R4},$ 调节R6的阻值改变电路的放大倍数，根据实际的需要选择电阻阻值：R4＝10kΩ，R5＝51kΩ，R6max＝100kΩ，调节R6＝60kΩ，得出放大倍数为A＝12.1，取R3＝＝R4//(R5+R6)＝10kΩ。将所设计的电路图进行电路连接及电路调试后，实现了放大电路在零输入(Vin＝0)时输出信号也为零(Vout＝0)，开启监测光源，通过实验测量得到放大电路的输出范围变化为0-2.92V，而理论上计算得到的输出电压最大值为.23*12.1＝2.78V，其误差为5％，足以满足设计要求。

A/D转换模块，用于对放大后的信号进行A/D转换，将模拟信号转化为监控计算机能够识别的数字信号；因为信号调理电路传送来的信号是模拟量，所以就必须对这些模拟信号进行A/D转换，将模拟信号转化为监控计算机能够识别的数字信号。

本系统中的A/D转换与SCI串口通信都是通过定点DSP(Digital Signal Process)芯片开发的。通过对ADC模块进行初始化，设置ADC模块的工作模式，即可实现AD转换功能。

图4为本系统对ADC模块进行初始化流程图。配置ADCTRL1寄存器设置A/D采样时间、对转换时间进行预定标、设置转换模式和排序器的工作方式；配置转换通道寄存器CHSELSEQn的值，设置A/D转换顺序；配置ADCTRL2寄存器，设置A/D转换启动方式。

对ADC模块进行初始化后，ADC模块便在系统所需要的工作模式下工作。以下为本系统对ADC模块初始化过程。

模数转换模块ADC的排序包括两个独立的可选择8个模拟转换通道的排序器(SEQ1和SEQ2)，这两个排序器可被级联成一个可选择16个转换通道的排序器(SEQ)。在这两种工作方式下，ADC模块都能够进行序列转换并进行自动排序，通过模拟输入通道的多路选择器(CHESELQn)来选择要转换的通道。

本系统的光纤传感神经网络设计为4*4网络，一共需使用8路A/D转换，一个8路的模拟转换通道排序器即可满足转换需求，因此，设置ADC模块工作在SEQ1和SEQ2方式下，排序中的转换个数寄存器MAX CONVn设置为7。在系统监测过程中，要求连续实时的记录状态信息，在一轮的A/D转换结束后就开始下一次的A/D转换，A/D转换模块设置为连续转换模式，触发源为软件触发。

SCI串口通信模块，利用串口通信技术所述A/D转换模块输出的信号及时传输到监控计算机中；利用串口通信技术将第三步骤中输出的信号及时地传输到监控计算机中，并利用专用软件来收集并进行数据处理与分析，监控光纤智能结构的状态，从而实现分析被测者双脚力量的大小及其空间位置分布的目的；

采用的DSP微控制器内嵌的异步串行口(SCI)支持CPU与其它使用标准格式的异步外设之间的数字通信，通过RS-232接口可以方便地进行DSP之间或与PC机之间的异步通信。

DSP的SCI通信发送接收引脚为复用引脚，其中发送引脚SCITXD与IOPA0复用，接收引脚与IOPA1复用，该引脚功能受I/O口复用控制寄存器MCRA的第0位和第1位控制，系统复位时作一般IO口使用，设置MCRA寄存器的低两位为1后，该引脚便工作在SCI通信模式下。

SCI模块可以工作在多处理器模式，也可以工作在SCI通信模式，在SCI通信模式下，数据帧包括一个起始位、1-8个数据位、1个可选的奇偶校验位和1个或两个停止位，每个数据位占8个SCICLK周期。本系统与PC串行通信，发送的数据为16位，设置数据长度为8位，一个有效数据分为两次发送，无奇偶校验，1位停止位。

内部生成的串行时钟由系统时钟SYSCLK频率和波特率选择寄存器决定。串行通信接口用16位波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为64K多种不同的方式。SCI波特率选择寄存器为SCIHBUAD和SCILBUAD，前者为高位字节，后者为低位字节，两者连接在一起形成一个16位的波特率值用BRR表示。

内部产生的串行时钟由CLKOUT信号和两个波特率选择寄存器决定，SCI波特率可以使用如下方程计算：

其适用于1≤BRR≤65535的情况，如果BRR＝0，则波特率计算公式如下：

本系统与PC通信协议中波特率设置为9600b/s，代入公式(1)计算得出BRR＝208H，所以将SCIHBUAD赋值02H，SCILBUAD赋值08H。

DSP与PC硬件连接电路如图5所示。

由于DSP采用+3.3V供电，PC机的串口电压为5V，必须对其通信进行电平转换，图3.7是系统设计的DSP与PC的串行通信硬件接口电路。电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片进行串行通信芯片。该芯片功耗低，集成度高，+5V供电，具有两个接收和发送通道，接收端R1IN与PC串口的2相接，发送端T1OUT与PC串口的5相接，PC串口的5为地接线，其与驱动芯片的地引脚VDD相连公共接地。系统采用了一个二极管和三个电阻进行电平转换，保证了电平匹配，整个接口电路简单，可靠性高。

监控计算机，采用配套软件采集SCI串口通信模块传送的信号并进行数据处理与分析，监控光纤智能结构的受力信息变化状态，从而由分析被检测患者双脚施力的大小与分布，快速判断得出人体健康状况或康复的效果；主要是绘制出被测者双脚的施力大小及空间分布图形，便于分析脚部的施力情况。通过对信号进行编程设计，即可直接通过PC机观察并显示检测与分析结果。

利用VC++开发软件，主要实现串口设置、串口数据接受/发送、信号处理、数据存储等功能，流程图如图6所示。

综上所述的监测系统的原理图如图7所示。

4附图说明

附图1光纤智能结构(虚线区域表示双脚站立测试区域)

附图2光电转换电路图

附图3放大电路图

附图4ADC初始化流程图

附图5PC-SCI通信硬件连接示意图

附图6软件工作流程图

附图7系统原理示意图

5具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明：

实施例一：本实施例涉及一种人体健康监测系统，具体包括如下步骤：

第一步骤：被诊断者双脚自然站立在监测系统的检测面上，通过检测被诊断者双脚施力的大小及其空间位置分布，快速判断直接给出被测者的健康或康复状况；

第二步骤：进行信号分析与处理；包括下列步骤：

步骤一：信号进行光电处理；依据各类光电探测器特性参数的比较以及光电探测器的选择原则，结合本系统实际要求，选择的光电探测器为无基极引线的光电三极管；

由于光电三极管是输出电流，为了满足后续的电子电路中对信号进行放大处理，需将电流输出转化为电压输出，图2为所设计的光电转换电路。

步骤二：信号放大处理，当光电转换电路输出的电压不够理想时，需要进一步作放大处理；

根据集成运放的特点及本放大系统参数要求，设计出如图3所示放大电路。

LM324：双列直插式封装四输入集成运算放大器，其工作电压±5V。

R5和R6为反馈支路，反馈类型为电压串联负反馈，加入负反馈，是为了使运放工作在线性区域，减小非线性失真，从而使系统的性能大大改善，达到设计目的。

R3为平衡电阻，取R3＝R4//(R5+R6)，用以减小输入失调电流。

C为滤波电容，取C＝2.2μF。

根据运放的虚短和虚断的性质，得出放大电路的放大倍数 $A=\frac{\mathrm{Vout}}{\mathrm{Vin}}=1+\frac{R5+R6}{R4},$ 调节R6的阻值改变电路的放大倍数，根据实际的需要选择电阻阻值：R4＝10kΩ，R5＝51kΩ，R6max＝100kΩ，调节R6＝60kΩ，得出放大倍数为A＝12.1，取R3＝＝R4//(R5+R6)＝10kΩ。根据所设计的电路图进行电路连接及电路调试后，实现了放大电路在零输入(Vin＝0)时输出信号也为零(Vout＝0)，开启监测光源，通过实验测量得到放大电路的输出范围变化为0-2.92V，而理论上计算得到的输出电压最大值为0.23*12.1＝2.78V，其误差为5％，能够满足设计要求。

步骤三：A/D转换；因为信号调理电路输出的信号是模拟量，所以就必须对这些模拟信号进行A/D转换，将模拟信号转化为监控计算机能够识别的数字信号。

本仪器系统中的A/D转换与SCI串口通信都是通过定点DSP芯片开发的。通过对ADC模块进行初始化，设置ADC模块的工作模式，即可实现AD转换功能。

图4为本系统对ADC模块进行初始化流程图。配置ADCTRL1寄存器设置A/D采样时间、对转换时间进行预定标、设置转换模式和排序器的工作方式；配置转换通道寄存器CHSELSEQn的值，设置A/D转换顺序；配置ADCTRL2寄存器，设置A/D转换启动方式。

第三步骤：串口通信；利用串口通信技术将第三步骤中输出的信号及时地传输到监控计算机中，并利用自行编制的软件来收集并进行数据处理与分析，监控光纤智能结构的状态，从而达到分析双脚力量的大小及其空间位置分布的目的；

步骤一：采用DSP微控制器内嵌的异步串行口(SCI)支持CPU与其它使用标准格式的异步外设之间的数字通信，通过RS-232接口可以方便地进行DSP之间或与PC机之间的异步通信。

步骤二：软件进行信号分析与处理。

该步骤主要是绘制出被测者双脚的力的大小及空间分布图形，根据信号的分布与大小，快速给出被测者健康或康复状况。通过对信号进行编程设计，即可直接通过PC机实时观察并显示监测与分析结果，监测系统具有智能化。

Claims (4)

1、基于光纤智能结构的新型人体健康监测系统，其特征在于，包括：

检测面，其中被检测患者双脚自然站立在监测系统的所述检测面上，通过检测被测者双脚施力的大小及其力空间位置分布情况，快速判断得出人体健康状况或康复的效果与程度；

脚部施力信号捕获单元，其中，所述脚部施力信号捕获单元基于光纤智能结构，当被检测者脚部对光纤智能结构产生作用时，光纤智能结构的输出信号能够反映两只脚施力平衡情况；具体包括8路光纤和集成化LCD光源阵列；

8路光纤，所述8路光纤正交排列埋入复合材料中，使其与复合材料完全耦合，所述8路光纤一方面进行传光，另一方面，当脚部对光纤智能结构状态有作用时，光强信号发生变化，此时所述8路光纤具有传感功能；

集成化LCD光源阵列，用于均匀照射所述8路光纤中的每单根光纤，使得能够根据光纤智能结构中多根光纤的输出信号来捕获人体双脚脚部的施力信号；

信号分析与处理单元，所述信号分析与处理单元包括无基极引线的光电三极管、信号放大处理模块、A/D转换模块、SCI串口通信模块和监控计算机，其中：

无基极引线的光电三极管，用于对信号进行光电处理；

信号放大处理模块，其利用放大电路对光电探测器的输出信号进行放大；

A/D转换模块，用于对放大后的信号进行A/D转换，将模拟信号转化为监控计算机能够识别的数字信号；

SCI串口通信模块，利用串口通信技术所述A/D转换模块输出的信号及时传输到监控计算机中；

监控计算机，采用配套软件采集SCI串口通信模块传送的信号并进行数据处理与分析，监控光纤智能结构的受力信息变化状态，从而由分析被检测患者双脚施力的大小与分布，快速判断得出人体健康状况或康复的效果；

2、根据权利要求1所述的基于光纤智能结构的新型人体健康监测系统，其特征在于，所述8路光纤灵敏度高，抗干扰性强，具有较强的适应性；

3、根据权利要求1所述的基于光纤智能结构的新型人体健康监测系统，其特征在于，所述监测系统能够对于被测者的人体健康状况或康复期患者康复效果进行快速监测与分析；

4、根据权利要求1所述的基于光纤智能结构的新型人体健康监测系统，其特征在于，监测系统采用配套的软件实现人体健康与康复监测。

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