CN104224142A - 可穿戴颈动脉搏动信号监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明建立了一种可穿戴颈动脉搏动信号监测系统及方法，以解决传统方法在舒适性、轻薄性、灵活性等方面所存在的不足。本方法利用柔软的纳米压力传感器以非侵入的方式接触皮肤来检测颈动脉搏动在皮肤表面产生的轻微波动，针对检测信号存在的微弱性和时变特征，通过构建数据采集单元对信号进行处理、分析和存储。数字带通滤波器的使用，确保了所得数据的准确性。同时，本发明还采用了多任务协调工作方式，保证了系统的有序运行。本发明设计精巧，使用方便，完全适用于可穿戴颈动脉信号实时监测。

Description

可穿戴颈动脉搏动信号监测系统及方法

技术领域

本发明涉及可穿戴技术，柔性纳米材料，生物医学领域。具体涉及一种基于柔性纳米材料压力传感器的可穿戴监测系统，尤其是一种基于柔性纳米材料压力传感器的可穿戴实时颈动脉搏动信号监测系统。

背景技术

近年来，随着人口老龄化水平的不断提高，慢性疾病在老年人中的发病率也越来越高。由于慢性病具有病情复杂，患病时间长，医疗成本高等特点，越来越多的患者期望在摆脱时间和地点限制的情况下实现健康监护，以此来降低医疗经济负担。基于可穿戴技术的生理监护系统适应了上述要求，其不仅能够满足生理监护的需求，也可以大大降低家庭和社会在医疗上的投入成本。由于动脉搏动信号的监测是生理监护的重要部分。但是，当使用者有体寒、虚弱等问题时，目前的设备是不能通过测量手指、手腕等位置得到准确的搏动信号的。但通过测量颈动脉搏动信号则可以避免这个问题的。但通过测量颈动脉搏动信号则可以避免这个问题的。

解决上述问题可通过测量颈动脉搏动信号。对于动脉脉搏波检测，公开号为101703394A的就详细介绍了桡动脉脉搏波检测装置的设计。公开号为103070678A的发明，详细描述了一种无创中心动脉压检测仪及其检测方法。而公开号为101484068的专利，也提出了一种基于可穿戴的血压监测系统。

上述专利均不适用于可穿戴健康监护系统。随着人口老龄化的不断深入，实时穿戴医疗监护系统的需求必将越来越大。因此，需要研究和实现可穿戴颈动脉监测系统。

为此，需要提出了一种具备柔软、舒适、时尚、无扰的特性，并可以帮助医生更精确地判断用户的身体状况的可穿戴监测系统。

发明内容

为解决上述技术问题，提出了一种可穿戴实时颈动脉搏动信号监测系统。该健康监护系统具有柔软、舒适、时尚、无扰的特性，并可以帮助医生更精确地判断用户的身体状况。

由于颈动脉周围有气管，食道等敏感部位，这就对监测方法提出了更高的要求。为了避免传统方法造成的不舒适，束缚感以及外观不雅而导致用户不爱穿戴的各种问题。本发明提供了一种基于纳米压力传感器的颈动脉监测系统，使其具有柔软、舒适、时尚等特点。有效地解决了当前技术带来的不适用可穿戴技术的问题。

并验证和提出了一种新的时尚的可穿戴设计方案。本方案利用FatFS将数据以字符串的形式写入“.txt”文档中，并将文档存储在MicroSD。从而提供一种更开放的数据分析和获取接口。利用基于ARM架构的STM32微处理器进行数据的采集，分析，发送，存储。在手机终端提供了实时查看界面。

具体而言，本发明提供了一种可穿戴颈动脉搏动信号监测系统：

系统包括柔性传感器，信号预处理模块，核心处理分析模块，数据发送模块；所述传感器与信号预处理模块相连，所述信号预处理模块、数据发送模块分别与核心处理分析模块相连，所述柔性传感器编制在可穿戴织物中并贴近感测区域，用以采集颈动脉搏动信号。同时将所述信号预处理模块、核心处理分析模块、数据发送模块及电路连线编制在可穿戴织物中远离感测区域的位置，这样既不影响对使用者的颈动脉搏动信号的监测，也能够将较沉重的模块远离颈部设置，有效减轻了设备对颈部的束缚感，改善了用户体验。优选地，这一织物可以是例如围巾、带衣领的毛衫、衬衣等等，而数据发送模块可以采用蓝牙模块等方便与数字处理设备进行通信的传输模块。

同时，所述柔性传感器采用纳米材料压力传感器，该传感器结构为两层SENTs/PDMS薄膜面对面放置，并Ag胶粘在两个薄膜上，作为源漏电极。这一设计可以更加方便地将传感器编制进织物中，并且这一传感器材料柔软无刺激，更适合贴近皮肤使用，是一种具有丰富微观表面结构的精致织物。

优选地，为确保采集的信号高保真储存并方便信号的查询，所述核心处理分析模块包括电池及其管理模块，微处理器，存储模块；所述微处理器将经过数字滤波处理后的信号数据存储进存储模块，并同时通过数据发送模块进行传输发送。

进一步优选地，所述经过数字滤波处理后的信号数据可以通过FAT文件系统以字符串的形式写入“.txt”文档中进行存储。

进一步优选地，所述信号预处理模块为交流耦合电路，其被设计为带宽0.5～200Hz的带通滤波器以及0～25dB可调放大电路。

同时，本发明还提供了一种适用于可穿戴颈动脉搏动信号监测方法，所述信号监测方法采用多任务协调工作方式，其特征在于：将任务按照优先级从高到低依次设置为定时器任务、ADC信号采集任务、USART任务、存储器任务。优选地，该存储器可以采用Micro SD等存储卡或其他可用于存储的设备。

为便于各任务间的有序运行，可以通过设置相互间的触发条件来达到这一目的，优选地，定时器任务以定时结束标志触发，ADC任务被定时器任务触发启动，USART任务被ADC任务及串口发送完成标志触发启动，存储器任务在主函数中不断循环运行，该主函数在系统上电时初始化并启动定时器任务。

进一步优选地，所述多任务协调工作可以采用以下步骤进行：

步骤一、系统上电，主函数初始化并启动定时器任务，硬件定时2ms，启动ADC转换，定时任务结束，进入ADC任务，对数据进行采样，并将数据填入存储器任务所用队列；

步骤二、判断USART任务发送是否完成；如果完成，则将最新数据填入USART任务所用队列并重新启动USART任务并结束ADC任务；如果没有，则直接结束ADC任务；

步骤三、进入USART任务，判断其队列中是否填有数据；如果有，则发送；如果没有，则终止任务。

本发明的有益效果如下：

1.由于本系统传感器超高的灵敏度，不需要附加任何压力就可以检测到颈动脉搏动信号。这意味着，系统没有对气管、食道等敏感部位产生束缚感。又由于其传感器柔软无刺激的特性，不会使用户感到不舒适，更不会伤害到他们。

2.各部分分模块设计，并将体积大，重量重的模块放在围巾里，只将轻薄的传感部分放置在脖子上进行采集，消除了脖子的束缚感。

3.系统不仅适用于重症患者，其时尚的设计也使其可以成为吸引大众的健康监护产品。

4.提出了一种更开放的第三方支持方式。由于其数据以字符串的形式保存在“.txt”文档中，保证了用户和第三方开发人员能够方便地使用数据内容。

5.传感器部分大小的设计，保证了使用的方便性，使普通用户能够完全自主使用本系统。

附图说明

下面结合附图和实例图对本发明进行进一步说明：

图1为本发明的原理结构框图，其中(a)为硬件框图，(b)为软件运行流程图；

图2实物演示图，其中a为硬件实物图，b为系统佩戴在身上的效果图，c为系统手机app；

图3电子皮肤结构简图；

图4为本系统的传感器监测原理说明图；

图5为系统滤波处理结果图，a：通过带通滤波器前的波形b：经带通滤波器处理后的波形；

图6多任务协同工作原理图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1展示了本发明的原理结构框图。其中图1(a)为本系统的硬件框图。本颈动脉搏动信号监测系统的设计符合可穿戴移动监护的一般约束。系统由传感器信号预处理模块，核心处理分析模块，蓝牙模块，传感器部分组成。系统核心模块由锂电池及其管理单元，STM32微处理器，T-Flash Card插座以及Mini-USB接口组成。使用低功耗的蓝牙模块将数据发送至手机终端显示。传感器采集到的信号会通过交流耦合电路，从而得到高信噪比信号。并且经过图1(b)中所示的数字信号处理，得到相对纯净的信号。

正常人的动脉搏动信号一般在0.5～50Hz的频域范围，而患有心脏相关疾病的人可能在0.5～200Hz的范围内都有能量分布。为了得到更准确的颈动脉搏动信号AC耦合电路被设计为带宽0.5～200Hz的带通滤波器以及0～25dB可调放大电路。

经AC耦合电路对信号在频域上的处理，输出的模拟信号被集成在STM32里的12位ADC以500Hz的频率进行采集。根据香农定理，该采集频率完全适用于本应用。采集到的数据经过0.5～200Hz的数字滤波器后，一方面被发送至手机来实时显示，如图2c；另一方面通过STM32的SPI接口写入Micro SD卡进行存储。将数据存储进MicroSD卡保证了数据的完整性和可靠性。这是由于在无线传输的时候由于通信信道的好坏，通信带宽和实时性会受到影响，而以有线方式存储进Micro SD卡则避免了这个问题。在加上FAT文件系统的使用，将数据以字符串的形式写入“.txt”文档中。这种存储方式使数据可以轻易地被上层软件提取，这意味着可能的第三方开发人员或者用户能够轻易地得到数据。并将数据提供给其他分析算法进行处理和分析。这种开放的数据交流方式不仅能顺应大数据时代对大量数据的采集，也可能更好地判断用户的身体状况。

系统由650mAH的Li电池供电，并选用型号为LTC4054的Li电池管理芯片对电源进行管理。当连接Mini USB时，系统充电，充电指示灯亮。直到充电指示灯熄灭时，系统充电完成。并且，系统使用LDS3985M33R电源管理芯片将电源输出稳压至3.3V。

蓝牙选用集成的HC-05模块。STM32将数据通过USART接口以9600波特率的速度发送至蓝牙。蓝牙内部集成协议蓝牙2.0通信协议，并将信号自动发送至手机。

如图3为本压力传感器的结构简图。本系统使用的纳米材料压力传感器主要是由Polydimethylsiloxane(聚二甲硅氧烷PDMS)制成，这使其具有良好的机械强度和延展性。并且，这是一种对皮肤无刺激性的柔性材料，制成的传感器小巧而轻薄。这意味着，即使长时间地穿戴本传感器也不会影响使用者的日常生活。本传感器是一种具有丰富微观表面结构的精致织物。其结构由两层SENTs/PDMS薄膜面对面放置，并Ag胶粘在两个薄膜上，作为源漏电极。当压力小于300Pa的时候，高密度结构的PDMS器件是1.80kPa-1。最低的可检测压力等级甚至为0.6Pa。经过测试，这个灵敏度完全可以检测出颈动脉搏动信号。

图4展示了利用该传感器对颈动脉搏动检测的原理。颈动脉搏动会产生振动波。当振动波透过肌肉和组织传输至皮肤表面并被传感器接收时，传感器的电阻值会随波动大小而改变，再经转换电路将其转换为微弱电压信号。通过对该微弱信号的放大和在频域上的处理，最终输出高信噪比的电信号。为了得到更好的波形，系统使用了0.5～200Hz的数字带通滤波器。如图5展示了系统滤波处理结果。

为有效实现本发明技术内容中指出的技术问题，系统软件部分由多个任务协同工作。如图6，任务优先级从高到低依次为定时器任务，ADC信号采集任务，USART任务，Micro SD卡任务。其中Timer任务以2ms定时结束标志触发；ADC任务被定时器任务触发启动；USART任务被ADC任务及串口发送完成标志触发启动；Micro SD卡任务在主函数中不断循环运行。当系统上电，主函数初始化并启动Timer任务。进入Timer任务，硬件定时2ms，启动ADC转换，定时任务结束(2ms后重新启动)。进入ADC任务，采样相应端口数据，并将数据填入Micro SD卡任务所用队列。然后判断USART任务发送是否完成。如果完成，则将最新数据填入USART任务所用队列并重新启动USART任务并结束ADC任务。如果没有，则直接结束ADC任务。进入USART任务，判断其队列中是否填有数据。如果有，则硬件发送。如果没有，则终止任务。Micro SD卡任务不断检测其队列中数据有没有达到512字节。如果有，则将数据填入Micro SD卡中，否则重新查找。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可穿戴颈动脉搏动信号监测系统，其特征在于：

系统包括柔性传感器，信号预处理模块，核心处理分析模块，数据发送模块；

所述传感器与信号预处理模块相连，所述信号预处理模块、数据发送模块分别与核心处理分析模块相连，所述柔性传感器编制在可穿戴织物中并贴近感测区域，用以采集颈动脉搏动信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述信号预处理模块、核心处理分析模块、数据发送模块及电路连线编制在可穿戴织物中远离感测区域的位置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述柔性传感器采用纳米材料压力传感器，该传感器结构为两层SENTs/PDMS薄膜面对面放置，并Ag胶粘在两个薄膜上，作为源漏电极。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述核心处理分析模块包括电池及其管理模块，微处理器，存储模块；

所述微处理器将经过数字滤波处理后的信号数据存储进存储模块，并同时通过数据发送模块进行传输发送。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述经过数字滤波处理后的信号数据通过FAT文件系统以字符串的形式写入“.txt”文档中进行存储。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述信号预处理模块为交流耦合电路，其被设计为带宽0.5～200Hz的带通滤波器以及0～25dB可调放大电路。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述数据发送模块为蓝牙模块，所述可穿戴织物为围巾。

8.一种可穿戴颈动脉搏动信号监测方法，所述信号监测方法采用多任务协调工作方式，其特征在于：

将任务按照优先级从高到低依次设置为定时器任务、ADC信号采集任务、USART任务、存储器任务。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

定时器任务以定时结束标志触发，ADC任务被定时器任务触发启动，USART任务被ADC任务及串口发送完成标志触发启动，存储器任务在主函数中不断循环运行，该主函数在系统上电时初始化并启动定时器任务。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述多任务协调工作步骤为：

步骤一、系统上电，主函数初始化并启动定时器任务，硬件定时2ms，启动ADC转换，定时任务结束，进入ADC任务，对数据进行采样，并将数据填入存储器任务所用队列；

步骤二、判断USART任务发送是否完成；如果完成，则将最新数据填入USART任务所用队列并重新启动USART任务并结束ADC任务；如果没有，则直接结束ADC任务；

步骤三、进入USART任务，判断其队列中是否填有数据；如果有，则发送；如果没有，则终止任务。