CN113180616A - 一种柔性智能传感器生命体征检测*** - Google Patents
一种柔性智能传感器生命体征检测*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种柔性智能传感器生命体征检测***，柔性智能采集模块分为四部分：数据转换单元、微控制单元、无线传输单元和电源管理单元，柔性智能采集模块通过蓝牙作为无线传输方式与数据收发设备连接，数据收发设备接收采集到的生理数据；数据收发装置通过WiFi或有线网接入养老机构局域网，与工作站设备实现数据通信，将接收到的生理数据以及用户信息发送至工作站用于管理和健康状况诊断；工作站与云端服务器通过有线网连接，两者间进行数据交互；本发明使用安全舒适、稳定可靠、是一种便利的生命体征检测***。
Description
技术领域
本发明属于适用于养老社区的智慧健康监护***，特别涉及一种柔性智能传感器生命体征检测***。
背景技术
以下从国内研究现状和国外研究现状两部分来说明与本发明相关的现有技术。
国内在这一方向的起步跟国外相比起步较晚，但也不乏许多优秀的设计出现：其中比较典型的有中国科学院化学研究所、清华、浙大、天津大学、武汉大学、复旦等科研所及高等院校。近年来，我国研究人员在有机光电(高)分子材料和器件、柔性电子表征以及相关制备技术、相关的平板显示技术、半导体器件制备技术等方面进行了颇有成效的研究。从中诞生了不少成熟的制备技术，有些甚至能够与国际先进水平相媲美。
一些欧美等发达国家很早就开始对于可穿戴设备的研究，如苏黎世工业大学专为有心脏疾病和呼吸疾病的患者研制了一款可穿戴的监测设备，该设备集中了多种生理参数的监测如人体的血氧，心率，血压和体温等，其次该监测设备可将所采集到的所有生理信息通过无线数据传输的方式发送到医疗健康中心，将这些所采集的生理信息经由专业的医生分析并进行初步诊断。美国Textronics公司推出一款智能服装NuMetre,该内衣具有心率监测功能，整个衣服采用尼龙合成的弹性纤维制作并将心率监测器集成在该内衣上，使得用户不用佩戴单独的心率监测设备。该内衣内置心跳检测传感器，可以在用户运动时候监测出用户的心率，体温，呼吸等生命体征。使得使用者在运动过程中了解自己身体的变化。科罗拉多大学分校和西北大学联合开发一种可以通过机械波测量人体心电图，脑电图，肌电图的柔性传感器。该表皮电子利用人体发出的声学特性对人体的健康状况进行监测，例如通过识别心脏瓣膜关闭和打开的声音来反应人体心脏的健康状况。
总之，目前的国内的研究主要倾向于柔性材料与柔性传感器的研究，大多数成果仍然处于实验室研究阶段；国外的相关研究起步较早，但适用于特定使用环境的完整配套***尚且不足，特别是在养老社区的健康监护等方面较少。
发明内容
本发明是基于申请者提出的“三层四级”生命体征检测管理***与柔性可穿戴监护模块，设计的一种可测量多种生命体征、适用于健康养老社区的监护***。其中这套***的架构、以及柔性智能采集模块的设计是核心技术。
本发明提出的***主要涉及硬件与配套运行的软件。***硬件由柔性智能采集模块、数据收发装置、养老机构工作站设备以及云端服务器构成。
柔性智能采集模块通过蓝牙作为无线传输方式与数据收发设备连接，数据收发设备接收采集到的生理数据；数据收发装置通过WiFi或有线网接入养老机构局域网，与工作站设备实现数据通信，将接收到的生理数据以及用户信息发送至工作站用于管理和健康状况诊断；工作站与云端服务器通过有线网连接，两者间进行数据交互。具体结构与连接如图1所示。
硬件设备具体介绍：
对于柔性智能采集模块，主要根据不同生理参数和实际需求来设计不同的采集前端。这些采集前端均采用共同的架构，即低功耗蓝牙与微控制单元，配合生理数据传感器。利用柔性电子打印技术，使采集模块更贴合人体并减小模块尺寸，进而使佩戴更为舒适、稳定。该设备的相关研究内容主要有：基于特定生命体征参数的采集部位设计模块外观结构、硬件电路的设计与调整、驱动软件的设计等。
对于数据收发器，主要根据使用场景设计了客户端应用软件以及相关的使用方式，软件的功能可根据使用需求进行拓展。相关的研究内容主要有：通过低功耗蓝牙接收柔性采集模块的数据、利用socket套接字实现与社区工作站的远程通信与数据同步。此外，设备还配有高清摄像头，有助于采集人脸图像实现视频血压检测，还能增加场景安全识别与意外报警。
工作站设备主要为普通PC，特点为配备较大存储空间的硬盘，以满足数据存取的需求；服务器要求高运算和高存储响应，以提供专家智能诊断算法的运行和数据同步。
(3)有益效果
可以研究出一种使用安全舒适、稳定可靠、使用便利的生命体征检测***。
在养老社区使用时，对于老年人的日常生命体征检测能够达到以下效果：
(1)使用者无需离开居住环境，只需在陪护人员的帮助下佩戴柔性智能穿戴设备，并打开数据收发器客户端软件登陆个人账号，此时即可开启穿戴设备进行生命体征采集。
改进：穿戴设备由柔性基底制备，使佩戴体验较之普通穿戴设备更舒适，并适用于长时间连续检测；穿戴设备设计为多生命体征的小尺寸柔性贴，能够减少佩戴设备的数量，对于行动不便的使用者，其佩戴过程更为友好。
效果：提升使用者智能穿戴设备的佩戴舒适性、精确检测生命体征数据、减少长时间连续测量的不适感。
(2)使用者能够使用数据收发器的摄像头记录每日采集状况，同时使用配备的视频算法测量血压、脉搏波、以及体温，并通过客户端软件对个人生命体征数据进行管理，查看医师或自诊断***提供的报告。
改进：利用摄像头实现非接触式血压和体温测量，利用机器学习算法实现对生命体征数据的健康状况评估和特定慢性病的预测。
效果：减少使用者在接触式血压检测过程中的不适、实现血压的连续检测而非单次检测、对于特定慢性病能够通过日常生命体征数据实现早期预测和预防。
(3)使用远程看诊方式，结合5G网络实现远程医师看诊。
效果：对于特定传染性疾病能够起到隔绝传染的效果，同时满足使用者的看诊需求。
附图说明
图1是柔性智能传感器生命体征检测与管理***示意图。
图2是***工作流程。
图3是柔性智能采集模块架构示意图。
图4是柔性智能采集模块(以心电采集为例)工作流程图。
图5是数据收发器功能模块示意图。
图6是社区工作站功能模块示意图。
图7是云端服务器软件功能模块示意图。
具体实施方式
该***主要由柔性智能采集前端、数据收发器、养老社区工作站和服务器组成，其功能可以划分为三个层面：应用层、数据传输层和服务层，上述三层彼此之间也有一定程度的重合。具体表现为：应用层是由多种生命体征柔性采集前端和供用户保存、查看、管理自身数据的数据收发器组成，这一层直接与用户交互，需要能够保证采集前端的佩戴舒适性、数据采集精度、收发器易用性、功能性等；数据传输层主要包括数据收发器和养老社区工作站，这一层主要负责生命体征数据的传输、保证数据能够完整正确地被接收、存储，其中发挥主要作用就是传输协议；最后，社区工作站和服务器共同组成服务层，这一层主要承担对各个用户的生理数据提供最终的入库、当前身体状况的评估、专家***的智能诊断等。上述的三个层面以及四个***角色最终组成三层四级的监测管理***。
它的***示意图为图1，首先柔性智能采集前端，通过传感器芯片采集生命体征信号，并在单片机控制下进行简单的处理或存储，之后由蓝牙发送给上位机；数据收发器作为采集前端与社区工作站之间的桥梁，同时兼具用户的人机交互接口，对数据进行接收与转发；社区工作站作为本地的社区服务端，是社区医护人员的操作接口，主要工作是接收各个数据收发器同步上传的数据，在完成数据备份后，对各个用户的数据进行管理查看；另外数据收发器还可以向远程计算机获取社区医生的诊断结果或健康建议；云端服务器主要运行云端服务器上的专家***可以根据相应的健康算法对同步的生理数据进行分类、初步预诊断，并根据诊断结果提醒养老社区护士，或直接预约社区医院。
各个硬件设备之间的信息交互通过配备的软件控制，软件主要涉及：数据收发器上的客户端软件、社区工作站的服务端软件以及后台服务器软件。对于数据收发器的客户端软件，主要研究内容是：通过人机交互界面连接并接收柔性采集前端采集的数据、实现个人账号以及数据管理、运行相关视频血压或脉搏波提取算法、与社区工作站实现网络通信、结合5G技术实现远程专家看诊。对于社区工作站服务端软件，主要研究内容是：全天候监听数据收发器的数据同步请求、维护数据库、用户数据查看与管理、运用5G技术提供平台实现多媒体远程专家会诊；后台服务器软件是本***的存储核心和自诊断算法的运行主体。工作站软件在将本地数据库中的数据进行备份后，将其传输至后台服务器。后台服务器接收备份数据，并将备份数据还原至本地数据库实现数据的长久性存储。
整个***的工作流程图如图二。首先，用户佩戴柔性智能采集前端，通过蓝牙连接数据收发器，采集生命体征数据，同时采到的数据经过简单的打包后由蓝牙发送给数据收发器；然后，数据收发器实时接收来自采集前端的蓝牙数据，在经过数据提取、处理后，在数据收发器的显示屏上实时显示采集的生命体征数据(对于连续数据则显示其连续波形，对于单一数据则显示其测量值并实时刷新)，这样就可以给与用户直观的健康检测体验。数据的类型，即是否为连续数据、是否需要画出波形由收发器的软件判断。此后在数据收发器上可以管理并查看已采集的历史数据，并通过网络同步历史数据；最后数据收发器通过socket套接字，按照约定的通信协议将数据同步到工作站，工作站在接收到数据后，会向服务器发送以获取专家***的诊断报告。
具体的使用方式：
1.用户在数据收发器客户端上注册个人账户，佩戴柔性智能穿戴设备，登录个人账号，之后开启智能穿戴开关，并通过按键切换数据采集模式；
2.此时在收发器客户端上开启数据接收，并在采集完成后点击保存数据，在客户端上查看采集的数据细节；
3.用户通过收发器客户端将个人信息同步到社区工作站，之后将采集到的生命体征数据发送给工作站；
4.工作站接收用户的账户信息，在数据库新增用户索引，并将生命体征数据保存在用户对应的目录下；
5.用户向工作站请求诊断报告，此时医师在工作站端的软件查看用户数据，并填写诊断结果，发送诊断报告；
6.工作站在接到诊断报告请求时，向云端服务器请求自诊断结果，获得结果后将自诊断结果发送给数据收发器；
7.用户在数据收发器客户端界面查看诊断结果。
图3是柔性智能采集前端的架构示意图：分别由生命体征传感器芯片、微控制芯片、蓝牙芯片以及升降压芯片构成。图A为仅由生命体征传感器芯片、蓝牙芯片构成和升降压芯片构成的情况。在该情况下，柔性采集前端仅具备连续采集功能，无法存储采集到的生命体征数据。图B为生命体征传感器、微控制芯片、蓝牙芯片和升降压芯片构成的情况，具有连续采集和数据存储功能。微控制芯片采用MSP430FR2355，通过它对生命体征传感器芯片写入控制字，控制采用SPI串口总线实现。为减小采集前端的尺寸，电路尽可能减少***器件的数量，微控制器使用内部晶振，除去两路SPI通信端口外，仅使用其他4个端口用于按键控制和LED人机交互。蓝牙芯片使用CC2640R2F低功耗BLE，并选择小封装，***仅有晶振、稳电压单元以及一对用作人机交互的LED灯。由于蓝牙芯片和传感器芯片需要提供模拟电源与数字电源，需要使用升降压芯片将电源降低。
图4是柔性智能采集前端的工作流程图。首先，模块在完成传感器初始化后进入空转等待中，并通过双闪LED灯提示使用者，在此状态下设备仅维持LED闪烁和蓝牙广播，以减少耗电；然后通过按键可以切换工作状态：
1.按下按键1后进入连续采集状态，微控制器开启传感器的模数转换开关，生命体征数据会根据设定的采样率开始采样数据，通过SPI串口通信将数据传输给微控制器。微控制器对每一帧采样数据进行处理：修改数据帧头的信息并增加帧尾标识。此后将处理完的数据通过SPI串口传输给蓝牙，蓝牙以每200字节为一包打包后发送给上位机。再次按下按键1可切换回空转状态。
2.按下按键2后进入存储采集状态，即将传感器采集的每一组数据在处理完后存储于微控制器的FRAM中，直至存储空间满后通过交替LED灯闪提示使用者选择重测或发送。此时按下按键1将进行发送，再次按下按键2将进行重测。此外，在测量中途按下按键1将提前终止测量。
图5是收发器客户端软件的功能模块示意图。客户端软件主要由数据采集、视频采集、数据管理、数据同步和诊断管理五个模块组成：
5)数据采集模块会扫描蓝牙设备(柔性智能前端)、查看设备类型(生命体征类型)、连接设备、实时显示数据以及数据接收、处理、存储。对于蓝牙连接，仅考虑一对一连接，即同一时间一个收发器仅连接一个采集前端。
6)视频采集模块会开启摄像头拍摄使用者面部视频作为后续算法处理的原始数据，此外加入人脸面部识别算法作为人脸面部定位辅助。
7)数据管理模块连接收发器数据库，用以保存使用者的生命体征数据、个人信息、面部视频。
8)数据同步模块用以同步用户账号信息、在内网中向工作站主机请求校时、同步用户生命体征数据和面部视频、请求诊断报告。
9)诊断管理模块用以管理和查看历史诊断报告。
图6为社区工作站功能模块示意图。工作站软件分为视图模块、网络模块和绘图模块三部分：
1.视图模块构造工作站软件的人机交互界面，包括数据库管理操作显示、***设置显示以及授权医师或管理员等执行操作指令后的提示信息显示等；
2.网络模块创建网络监听线程，实现与后台服务器、客户端之间的通讯服务。网络服务监听线程主要完成两项工作：根据客户端的数据请求，接收并转入处理相应数据的线程或函数，以及根据需求定时备份本地数据库并向后台服务器发送本地数据；
3.绘图模块创建波形绘制线程，以显示连续波形。显示主要支持动态显示与静态显示两种模式。当工作站软件接收到连续信号类型显示指令后，由主线程创建绘图子线程进行连续信号波形的动态绘图，同时，静态显示界面将完全显示连续信号波形数据。
图7是云端服务器软件功能模块示意图。因此，本文在设计后台服务器时主要以实现数据库管理以及接收文件为目将后台服务器划分为以下几个功能模块：数据库管理模块、视图功能模块以及网络服务模块。
1.数据库管理模块：实现对数据库的管理，如备份、还原、附加、导入、导出以及分离等。操作的主要对象是后台服务器***中的所有数据库。
2.视图功能模块：设计了登录界面、主界面、管理员账户管理界面、***日志界面以及管理界面。通过方便快捷的视图界面，协助管理员完成日常数据维护工作。
3.网络服务功能模块：后台服务器面向多台工作站设备，实现响应多工作站的请求，并且一对一接收备份文件功能。
数据在存储时遵循医学信息***中所提出的标准化信息格式存储数据，使得本***能够更大程度上与现有医学信息标准兼容。
本发明是基于未来养老社区医疗保健***的专利申请，利用柔性电子打印技术、薄膜材料技术得到一种可以长时间、高稳定、舒适可靠的柔性生命体征采集贴，并围绕该采集模块，利用现有的计算机技术，结合5G通信，在大量的联机调试实验的基础上，实现了稳定可靠的多生命体征检测与管理***。该***具有开源、可移植性强的特点，并能与现有医学信息标准***对接。本项目的研究成果将为未来的养老社区的健康医疗、健康监护提供一套可行的新方案。
Claims (5)
1.一种柔性智能传感器生命体征检测***，其特征在于，柔性智能采集模块分为四部分：数据转换单元、微控制单元、无线传输单元和电源管理单元，柔性智能采集模块通过蓝牙作为无线传输方式与数据收发设备连接，数据收发设备接收采集到的生理数据；数据收发装置通过WiFi或有线网接入养老机构局域网，与工作站设备实现数据通信，将接收到的生理数据以及用户信息发送至工作站用于管理和健康状况诊断；工作站与云端服务器通过有线网连接，两者间进行数据交互；
根据不同生理参数和实际需求来设计不同的采集前端。这些采集前端均采用共同的架构，即低功耗蓝牙与微控制单元，配合生理数据传感器，利用柔性电子打印技术，使采集模块更贴合人体并减小模块尺寸，进而使佩戴更为舒适、稳定。该设备的相关研究内容主要有：基于特定生命体征参数的采集部位设计模块外观结构、硬件电路的设计与调整、驱动软件的设计；
主要根据使用场景设计了客户端应用软件以及相关的使用方式，软件的功能可根据使用需求进行拓展。相关的研究内容主要有：通过低功耗蓝牙接收柔性采集模块的数据、利用socket套接字实现与社区工作站的远程通信与数据同步，设备还配有高清摄像头；
工作站设备主要为普通PC，特点为配备较大存储空间的硬盘，以满足数据存取的需求；服务器要求高运算和高存储响应，以提供专家智能诊断算法的运行和数据同步。
2.根据权利要求1所述的一种柔性智能传感器生命体征检测***，其特征在于，柔性智能采集模块，包括以下：
(1)数据转换单元根据不同的生理数据类型，有不同的芯片和***电路组成，通过SPI连接微控制单元，交付数据；
(2)微控制单元主要使用TI公司的MSP430FR2355单片机，通过SPI接口分别连接数据转换单元和无线传输单元，并完成数据存储、数据滤波、工作模式切换以及异常警示灯功能；
(3)无线传输单元使用TI公司的CC2640R2F低功耗蓝牙芯片，主要接收微控制单元交付的数据，并按照特定字节长度打包数据，通过蓝牙将数据包转发给数据收发器；
(4)电源管理单元使用TI公司的TPS63030 DC-DC芯片降低电源电压，为其他三个单元提供稳定电源，保证其他单元工作在正常状态。
3.根据权利要求1所述的一种柔性智能传感器生命体征检测***，其特征在于，数据收发器客户端软件主要由数据采集、视频采集、数据管理、数据同步和诊断管理五个模块组成：
1)数据采集模块会扫描蓝牙设备(柔性智能前端)、查看设备类型(生命体征类型)、连接设备、实时显示数据以及数据接收、处理、存储。对于蓝牙连接，仅考虑一对一连接，即同一时间一个收发器仅连接一个采集前端；
2)视频采集模块会开启摄像头拍摄使用者面部视频作为后续算法处理的原始数据，此外加入人脸面部识别算法作为人脸面部定位辅助；
3)数据管理模块连接收发器数据库，用以保存使用者的生命体征数据、个人信息、面部视频；
4)数据同步模块用以同步用户账号信息、在内网中向工作站主机请求校时、同步用户生命体征数据和面部视频、请求诊断报告；
诊断管理模块用以管理和查看历史诊断报告。
4.根据权利要求1所述的一种柔性智能传感器生命体征检测***，其特征在于，数据收发器客户端软件(1)视频脉搏波与血压检测算法：通过视频采集模块完成人脸视频录制，利用视频信号处理方法完成人体脉搏波的提取，基于所得脉搏波，提取信号特征点，使用机器学习算法和所得特征训练分类模型，得到血压预测模型，用于视频血压的预测。
5.根据权利要求4所述的一种柔性智能传感器生命体征检测***，其特征在于，心电与呼吸信号特征检测算法：通过柔性生命体征采集模块测量心电与呼吸信号，并利用信号处理算法提取特征点：QRS波、R-R间期、QRS时限、T波、呼吸波峰、呼吸波谷，计算心率与呼吸频率，通过运行于云端服务器的专家***，对所得特征点进行分类，诊断健康状况，并生成日常生活建议，其中，专家***使用机器学习算法与上述特征点进行分类模型训练，最终用于健康状况的分类以及健康建议的自动生成。
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