CN213551845U

CN213551845U - 一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备

Info

Publication number: CN213551845U
Application number: CN202021015028.XU
Authority: CN
Inventors: 李逸旋; 杨熙鑫; 罗沐奇; 高新天; 官源林
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2030-06-04

Abstract

本实用新型公开了一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，包括覆盖于人体左、右手臂及腹部的心电体征传感器，位于腹部的体温传感器；包括生命体征信号采集模块、信号处理模块、信号处理模块、无线传输模块和终端模块四部分，可以进行体温信号、心电信号的采集与分析。其中心电信号采集模块采用三电极配置的工作方式，心电、体温信号采集通过中断方式运行，无线传输模块采用蓝牙、WIFI传输数据。终端模块采用C#开发的上位机和JAVA开发的手持端APP。本实用新型克服了生命体征信号采集工作耗时巨大以及可移动性差而带来的不便；并能实现数据在服务器与终端的实时存储、显示与分析；同时能够兼容并入多种系统为其他机构提供服务。

Description

一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备

技术领域

本实用新型涉及可穿戴设备领域，具体涉及一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备。

背景技术

随着经济水平的提升和科学技术的逐步发展，国家逐渐加大了对居民保障方面的投入，如建立城镇居民医疗保险制度，而人民群众的健康、医疗意识形态也在逐渐地发展、完善；与此同时，传统医疗器械不便于携带的局限性也渐渐地满足不了人们对家庭生命体征监护的需求。

然而飞速发展的计算机技术、微电子技术以及标准化的生命体征指标给人民群众在家庭中使用可穿戴健康监测设备(Wearable Health Monitoring Systems)提供了可能。可穿戴健康监测设备是一种新兴技术，可在日常生活中(工作期间，家中，体育活动期间等)以及临床环境中对人体生命体征进行连续动态监测，其优点是可大幅地减少体征检测对正常的人类活动的干扰，不受时间、地点限制的、便捷的存储个人健康信息。

现有可穿戴设备多以具备部分交互功能、可连接手机及各类终端的便携式配件形式存在，主流的产品形态包括以手表类、鞋类等产品形态，且主要聚焦运动领域；功能不全，应用范围有限，只能实现部分简单数据采集、记录，并不能为消费者提供最大价值。而传统医疗监测设备更是难于携带，可采集数据单一，资源紧张。

近些年来，国内外涌现了一些优秀的可穿戴健康监测设备方面研究结果：联想Smart Vest的智能心电衣，杜邦Intexar智能服饰。联想Smart Vest 智能心电衣通过衣服内置的干性电极，实现实时监控预警的目的，实现了心电监测与可穿戴设备的融合，但仅仅实现了心电生命体征参数的测量，使其实用性大打折扣；杜邦Intexar智能服饰采用拉伸电子油墨与薄膜技术，可采集生物特征测量数据，包括心率、呼吸速率、运动体态协调性和肌肉张力，但与此同时还带来了高昂的成本与较为受限的使用场景。

同时，传统生命体征监测仍然存在着种种缺陷，其中医疗设备大型化，难于适用于家庭环境；测量生命体征参数的单一化更是减小了传统生命体征监测的实用性。除此之外，传统生命体征监测设备的专用化、特殊化也为普通居民在家庭环境中的使用带来了极大的不便。

实用新型内容

针对传统生命体征测量设备与现有可穿戴设备领域存在的问题，本实用新型提供一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，可实现人体心电信号、体温信号的实时采集与处理，可通过智能终端实时显示、存储心电信号与体温信号。同时本实用新型以可穿戴设备形式呈现，可满足用户在多样化场景不受时间、地点限制的使用。

为实现上述技术目的，达到上述效果，本实用新型采取以下技术方案：一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，包括覆盖于人体腹部和手臂的生命体征信号采集模块、与所述生命体征信号采集模块连接的信号处理模块、无线传输模块以及终端模块；所述生命体征信号采集模块包括心电采集模块和体温采集模块，所述心电采集模块和体温采集模块分别与信号处理模块、无线传输模块连接；还包括存储单元和蜂鸣器；可实现对生命体征信号的监测与处理，进一步分析生命体征信号的变化趋势，在发现异常生命体征时发出警报。

优选的，所述心电采集模块采用AD8232心电传感器，用于采集心电信号 (ECG信号)，并将心电信号通过并行口送入信号处理模块。

优选的，所述体温采集模块采用MAX30205MTA人体温度传感器，用于采集温度信号并将温度信号通过并行口送入信号处理模块。

优选的，所述存储单元采用MicroSD卡进行数据保持；所述信号处理模块采用STM32F4嵌入式芯片；STM32F4嵌入式芯片分别与生命体征信号采集模块和无线传输模块相连接，用于控制心电采集模块采集心电信号，控制体温采集模块采集温度信号，控制无线传输模块向终端模块发送数据；处理、分析由生命体征信号采集模块发送的生命体征信号；将经过处理的数据存储于存储单元MicroSD卡中；控制蜂鸣器发出异常警报。

优选的，所述无线传输模块包括SPP-C蓝牙模块和ESP8266 WIFI模块； SPP-C蓝牙模块和ESP8266 WIFI模块分别与信号处理模块连接，将经过处理的生命体征数据通发送至终端模块。

优选的，所述终端模块由C#编写上位机和JAVA开发手持终端APP实现；终端模块通过无线局域网和蓝牙串口获取来自无线传输模块的生命体征信号，并将生命体征信号实时显示并记录在终端设备中；通过与已有生命体征数据模型的对比，对异常生命体征信号发出警告。

优选的，将基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备集成于服装，通过对小型化电子设备的分散排列，将其分布于腹部和手臂处；三电极分别放置于左手臂、右手臂与左下肢，通过导线与信号处理模块相连接；左右对称地排列两个体温传感器，所述体温传感器通过导线与信号处理模块相连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、便携性好，突破了传统生命体征监测装置对时间、地点的局限性。

2、可实时采集多种生命体征数据(心率、体温)，实现了多种数据的实时采集，实用性较强。

3、成本低，解决了现有可穿戴生命体征监测设备价格昂贵、使用场景有限等弊端。

4、为普通用户使用生命体征监测设备提供了可能。

5、拓展性强，可接入其他平台提供数据。

附图说明

图1为基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的系统结构图。

图2为基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的模块功能图。

图3为基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备工作流程图。

图4为基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备外观结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示为基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的系统结构图，该基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备包括4个模块，分别为信号采集模块、信号处理模块、无线传输模块与终端模块。

如图1所示，基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备信号采集模块包括心电采集模块与体温采集模块；信号处理模块包括嵌入式开发板；无线传输模块包括SPP-C模块、蓝牙模块；终端模块包括PC上位机与手机客户端。

如图2所示，基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的信号采集模块与信号处理模块相连接。其中体温信号采集模块由信号处理模块控制完成体温采集工作，同时体温信号通过IIC通道输入信号处理模块并储存；心电信号采集模块由信号处理模块控制完成心电采集工作，同时心电信号通过通用同步、异步通道输入信号处理模块并储存。信号处理模块采用 STM32F407VET6作为处理器。无线传输模块与信号处理模块直接连接。终端模块通过无线传输获取生命体征数据。

如图2所示，所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的体温采集模块采用MAX30205MTA芯片构成，其中MAX30205MTA为临床级温度传感器，可为设备提供±0.1℃精度。MAX30205MTA温度传感器可高精度测量温度，提供过热报警/中断/关断输出。器件利用高分辨率、Σ-Δ、模/数转换器(ADC)将温度测量值转换为数字形式。MAX30205MTA通过I2C串行接口进行通信。I2C串行接口支持标准写字节、读字节、发送字节和接收字节命令，以读取温度数据以及配置开漏过热关断输出模式。MAX30205MTA具有三条地址选择线，提供总共32个可用地址。传感器采用2.7V至3.3V供电电压范围、600μA低供电电流、锁定保护I2C兼容接口，使其可理想用于可穿戴健身和医疗应用。将其通过I2C串行接口与控制芯片连接，即可输出数字体温信号进入信号处理模块。

如图2所示，所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的心电采集模块采用AD8232芯片构成。AD8232是一款集成前端，适用于对心脏生物电信号进行信号调理来进行心率监护。它内置一个专用仪表放大器(IA)、一个运算放大器(A1)、一个右腿驱动放大器(A2)和一个中间电源电压基准电压缓冲器(A3)。此外，AD8232内置导联脱落检测电路和一个自动快速恢复电路，该电路可在导联重新连接后迅速恢复信号。该器件设计用于在具有运动或远程电极放置产生的噪声的情况下提取、放大及过滤微弱的生物电信号。AD823采用双极点高通滤波器来消除运动伪像和电极半电池电位。该滤波器与仪表放大器结构紧密耦合，可实现单级高增益及高通滤波，从而节约了空间和成本。AD8232采用一个无使用约束运算放大器来创建一个三极点低通滤波器，消除了额外的噪声。AD8232内置一个放大器，用于右腿驱动(RLD)等受驱导联应用。AD8232包含一项快速恢复功能，可以减少高通滤波器原本较长的建立长尾现象。如果放大器轨电压发生信号突变(如导联脱离情况)，AD8232将自动调节为更高的滤波器截止状态。该功能让AD8232可以实现快速恢复，因而在导联连接至测量对象的电极之后能够尽快取得有效的测量值。将信号处理模块通过通用异步、同步串口与AD8232芯片建立通信即可获取心电信号。

如图2所示，所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的信息处理模块为嵌入式智能控制芯片，具体为STM32F407嵌入式芯片。

该处理器功耗低，占用空间小，非常适合于小型嵌入式系统的开发和应用，其工作频率最高可达168MHz，内置高达512kB的闪存和192kB的SR AM，丰富的增强型I/O端口。该处理器包含6个UART，8通道12位A/D 接口、16个通用定时器、82个外部中断接口、多达114个GPIO管脚，部分 GPIO管脚可以产生中断。本系统使用标准JTAG接口进行程序调试和下载。处理器通过A/D接口对心电信号进行转换，通过通用输入输出管脚(GPIO)模拟SMBus总线与红外温度传感器进行通信。蓝牙模块通过串口(UART)与处理器进行交互，实时发送测量数据。利用处理器的外部中断响应来启动测量。

如图2所示，所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的无线传输模块由SPP-C与ESP8266模块组成，其中SPP-C模块遵循V2.1+EDR 蓝牙规范，支持UART接口、SPP蓝牙串口协议，具有体积小、功耗低、收发灵敏度高的特点。ESP8266模块支持无线802.11b/g/n标准，支持 STA/AP/STA+AP三种工作模式，内置CTP/IP协议线，支持多路TCPClient 连接，支持UART/GPIO数据通信接口。

如图2所示，所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的终端模块是基于C#制作的计算机应用程序与基于制作的手机APP，通过无线传输模块获取并显示心电、体温信息。

本实用新型基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备的控制系统的软件部分主要包括主程序、定时器终端子程序与信号处理子程序。系统为心电数据与体温数据建立缓冲区，主程序循环查询缓冲区内数据是否更新，若有新数据则送往信号处理子程序进行处理，经过处理后的体征信号通过无线传输模块发往终端模块，发送完成后重置数据缓冲区。

本实用新型基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备采取定时器中断方式采集心电、体温数据，采集频率为400Hz，即将定时器频率设为400Hz, 每隔2.5ms进入定时器中断服务程序读取数据，并将其送入数据缓冲区。

对于信号处理模块，采用数字陷波滤波器来消除工频干扰，采用数字高通滤波器抑制呼吸作用导致的基线漂移，采用SaVitzky-Golay平滑滤波算法对心电信号进行平滑处理。

其中，数字陷波滤波器关键算法如下：

x0＝ADC_ConvertedValueLocal；//输入ADC采集到的信号

w0[0]＝IIR_50Notch_A[0]*x0-IIR_50Notch_A[1]*w0[1]-IIR_50Notch_A[ 2]*w0[2]；

y0＝IIR_50Notch_B[0]*w0[0]+IIR_50Notch_B[1]*w0[1]+IIR_50Notch_B [2]*w0[2]；

w0[2]＝w0[1]；

w0[1]＝w0[0]；

数字高通滤波器关键算法如下：

w1[0]＝0.991153*(IIR_High_A[0]*x1-IIR_High_A[1]*w1[1]-IIR_High_A[2] *w1[2])；

y1＝IIR_High_B[0]*w1[0]+IIR_High_B[1]*w1[1]+IIR_High_B[2]*w1[2]；

w1[2]＝w1[1]；

w1[1]＝w1[0]；

Savitzky-Gday滤波器是一种在时域内基于多项式，通过移动窗口利用最小二乘法进行最佳拟合的方法。这是一种直接处理来自时间域内数据平滑问题的方法。在这个过程中，系统只需运行相对小型的程序，减少了对内存和数据处理能力的要求，因此这种方法相对来说更加简单、快速，而且相对于其他类似的平均方法而言，这种方法更能保留相对极大值、极小值和宽度等分布特性，便于对体征信号特征点提取与分析。

如图3所示，基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备具体工作流程如下：

用户将基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备穿戴在身上；

接通电源，系统初始化系统时钟配置、终端配置、外设总线配置以及GPIO 引脚配置后开始运行，并连接终端模块；

系统周期性采集生命体征信号送入信号处理模块进行体征信号处理并将经过处理的体征信号送入终端模块；

系统提取经过处理的生命体征信号的特征点，一方面将其与预设生命体征信号模型进行比对，若出现异常则进行异常警告并报送终端模块；另一方面将其与历史数据相比较，若出现不良趋势则进行警告且报送终端模块。

其中，设备终端模块主要功能如下：

通过终端设备实时查看生命特征信号，其中心电信号将以图形化形式呈现，体温将以实时参数形式呈现；

根据目前体征数据以及近来体征信号变化趋势对用户身体状况进行评估，将身体状态情况告知用户，若出现异常，则告知用户寻求专业医师帮助；

保存历史生命体征数据，可供用户查询。

本实用新型采用锂电池电源供电，系统通过降压、整流、滤波、稳压后给系统各部分供电。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：包括覆盖于人体腹部和手臂的生命体征信号采集模块、与所述生命体征信号采集模块连接的信号处理模块、无线传输模块以及终端模块；所述生命体征信号采集模块包括心电采集模块和体温采集模块，所述心电采集模块和体温采集模块分别与信号处理模块、无线传输模块连接；还包括存储单元和蜂鸣器。

2.如权利要求1所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：所述心电采集模块采用AD8232心电传感器，用于采集心电信号并将心电信号通过并行口送入信号处理模块。

3.如权利要求2所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：所述体温采集模块采用MAX30205MTA人体温度传感器，用于采集温度信号并将温度信号通过并行口送入信号处理模块。

4.如权利要求1所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：所述存储单元采用MicroSD卡进行数据保持；所述信号处理模块采用STM32F4嵌入式芯片；STM32F4嵌入式芯片分别与生命体征信号采集模块和无线传输模块相连接，用于控制心电采集模块采集心电信号，控制体温采集模块采集温度信号，控制无线传输模块向终端模块发送数据；处理、分析由生命体征信号采集模块发送的生命体征信号；将经过处理的数据存储于存储单元MicroSD卡中；控制蜂鸣器发出异常警报。

5.如权利要求1所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：所述无线传输模块包括SPP-C蓝牙模块和ESP8266 WIFI模块；SPP-C蓝牙模块和ESP8266 WIFI模块分别与信号处理模块连接，将经过处理的生命体征数据通发送至终端模块。

6.如权利要求1所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：所述终端模块包括C#编写上位机和JAVA开发手持终端APP；所述终端模块通过无线局域网和蓝牙串口获取来自无线传输模块的生命体征信号，并将生命体征信号实时显示并记录在终端设备中；通过与已有生命体征数据模型的对比，对异常生命体征信号发出警告。

7.如权利要求3所述基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备，其特征在于：将基于生命体征监测与分析的健康预警可穿戴设备集成于服装，所述心电采集模块采用三电极工作的方式，三电极分别放置于左手臂、右手臂与左下肢，通过导线与信号处理模块相连接；所述体温采集模块放置于人体腹部，左右对称地排列两个体温传感器，所述体温传感器通过导线与信号处理模块相连接。