可穿戴人体多生理参数监护系统

摘要

随着老龄化的加剧，慢性疾病在老年人群中的发病率逐年增加。慢性疾病具有潜伏期长，发病症状不明显，危害缓慢加重的特点。对于慢性疾病的预防和监护，要用便携式健康监护设备逐渐替代传统医疗机构及社区的大型医疗护理设备。在这样的背景下，本文设计了一套可穿戴人体多生理参数监护系统，能在不影响使用者日常活动的前提下，实现对人体的心电、呼吸、脉搏、体温信号及运动状态的实时监测。 首先，本文针对常见慢性疾病，选择心电、呼吸、脉搏、体温以及运动状态信号作为反映身体健康状况以及病情判定的重要依据。确定了各生理参数的穿戴式采集方法，本文使用织物电极实现单导联的心电监测，通过阻抗描记法测量人体的胸部阻抗以实现呼吸监测，通过光电容积法测量脉搏信号，使用相应传感器实现体温和运动状态监测。 然后，本文针对各生理信号的监测方法，实现了系统的硬件电路设计。在信号节点的电路设计中集成了多个模块，包括各类生理参数采集模块，NRF51822主控模块及电源模块等。在脉搏采集节点中设计了反射式的光电传感器及相应的信号调理电路。 其次，本文设计了监护穿戴衣作为信号节点和脉搏节点的搭载平台。为了保证使用者的舒适和方便，结合导电织物设计了干性织物电极和织物导线，为实现节点间的信号传输，设计了相应的节点接口和节点外壳，通过分离式设计增强了系统的复用性及灵活性。 再次，本文实现了系统的嵌入式软件设计和移动端软件设计。基于NRF51822蓝牙芯片实现了各生理参数硬件采集模块的软件控制，结合蓝牙协议栈设计了相应的数据采集及发送软件流程。基于Android平台设计了手机端的监护程序，实现了各生理信号的分类显示及本地存储。 最后，基于系统的软硬件平台，对整个系统进行了联调测试，针对系统的无线发送稳定性和功耗进行了测试，对各生理参数及运动信号进行了采集测试，测试了Android手机端软件的功能，验证了本系统的有效性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及结构安排

第二章 多生理参数监护系统的总体设计

2.1 系统功能分析

2.2 生理参数的产生机理及信号检测方案

2.2.1 心电信号产生机理及检测方案

2.2.2 呼吸信号产生机理及检测方案

2.2.3 脉搏信号产生机理及检测方案

2.2.4 体温信号产生机理及检测方案

2.2.5 人体运动状态检测方案

2.3 系统整体方案设计

2.4 本章小结

第三章 多生理参数监护系统的硬件设计

3.1 心电及呼吸信号采集模块设计

3.1.1 ADS1292R芯片简介

3.1.2 心电信号采集电路设计

3.1.3 呼吸信号采集电路设计

3.2 脉搏信号采集模块设计

3.2.1 反射式光电传感器

3.2.2 电流-电压转换电路

3.2.3 滤波放大电路

3.3 体温信号采集模块设计

3.4 运动状态采集模块设计

3.5 信号节点硬件设计

3.5.1 蓝牙主控模块设计

3.5.2 电源模块设计

3.5.3 信号节点PCB设计

3.6 生理参数穿戴衣设计

3.6.1 织物电极及织物导线设计

3.6.2 穿戴衣接口设计

3.6.3 信号节点与脉搏节点外壳设计

3.7 本章小结

第四章 多生理参数监护系统的软件设计

4.1 信号节点软件总体方案设计

4.2 生理信号采集模块软件设计

4.2.1 心电呼吸采集模块软件设计

4.2.2 体温采集模块软件设计

4.2.3 脉搏采集模块软件设计

4.2.4 运动状态采集模块软件

4.3 蓝牙数据发送软件设计

4.3.1 低功耗蓝牙协议栈

4.3.2 信号发送蓝牙软件设计

4.4 Android手机端监护程序设计

4.4.1 客户端软件总体设计

4.4.2 蓝牙连接与通信

4.4.3 子线程和数据解析

4.4.4 视图显示

4.4.5 数据存储

4.5 本章小结

第五章 系统测试与验证

5.1 系统实物展示

5.2 信号节点测试

5.2.1 无线传输稳定性测试

5.2.2 系统功耗测试

5.2.3 信号节点对比测试

5.3 生理信号采集测试

5.3.1 心电及呼吸信号采集测试

5.3.2 脉搏信号采集测试

5.3.3 体温信号采集测试

5.3.4 三轴加速度信号采集测试

5.3.5 Android手机端程序测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间研究成果