多功能一體化的健康理療褥墊

張赫彤，何可瑞，趙熔，代冰雪，趙可心

（東北林業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人口老齡化加劇，受疾病、年齡、意外等各方面因素影響，常年臥床患者與日俱增，由此衍生出褥瘡問題和護(hù)理壓力。患者及其家屬希望有一種健康褥墊，既可以提高臥床患者的舒適度，又可以減輕護(hù)理者的身心壓力。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上現(xiàn)有的防褥瘡氣墊、智能床墊設(shè)計(jì)不合理，功能不全面，難以滿足用戶對(duì)此類產(chǎn)品的要求。本文以人們生活中必備的褥墊為出發(fā)點(diǎn)，將智能化控制和醫(yī)學(xué)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種可全方位交換震動(dòng)、分部位分療效進(jìn)行按摩的理療褥墊，可舒筋活血防止滋生褥瘡，可進(jìn)行抬高傾斜運(yùn)動(dòng)防止肌肉萎縮。同時(shí)本設(shè)計(jì)具有智能監(jiān)測(cè)功能，時(shí)刻關(guān)注使用者的身體情況，具有功能多樣、操作便利、設(shè)計(jì)全面、實(shí)用安全等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

床墊整體由氣囊層、海綿墊、電極點(diǎn)陣層、海綿墊組合而成，共4層，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。氣囊層位于最下方，氣囊層的上方設(shè)有海綿墊，海綿墊的上方設(shè)有電極點(diǎn)陣層，電極點(diǎn)陣層的上方設(shè)有海綿墊，氣囊層主要包括左右氣囊、背起氣囊、屈腿氣囊，外接連有氣泵等。電極以絕緣橡膠為外部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分為導(dǎo)電橡膠層和保溫層，以保證安全可靠。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)外接有功能鍵盤，分為理療模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、強(qiáng)度調(diào)節(jié)模塊、部位選擇模塊、療效顯示模塊、定時(shí)模塊和啟動(dòng)停止模塊。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C52為核心，單片機(jī)連接D/A轉(zhuǎn)換芯片、運(yùn)算放大器TL062、數(shù)字電位器X9C103P、功率放大器TDA2003、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887、氣壓傳感器、串行接口共陰顯示驅(qū)動(dòng)器MAX721、7段數(shù)碼管和指示燈以及行列式鍵盤等。單片機(jī)通過電壓傳感器反饋信號(hào)控制氣泵從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊充氣量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)左右翻身、背起和屈腿等運(yùn)動(dòng)。

DAC0832通過雙運(yùn)放調(diào)整電路輸出雙極性電壓（±5V）。輸出的調(diào)制信號(hào)有正弦波、三角波、方波，載波為正弦波。這三種調(diào)制信號(hào)及載波均由單片機(jī)程序產(chǎn)生，主要電路圖如圖2所示。

圖2 主要電路圖

3 智能監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在床墊床頭位置設(shè)有監(jiān)測(cè)人體主要健康指數(shù)的監(jiān)測(cè)手環(huán)，通過不同傳感器可測(cè)量體溫、心率、血壓以及血氧飽和度四項(xiàng)項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過此手環(huán)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，同時(shí)生成健康報(bào)告上傳至手機(jī)APP，根據(jù)數(shù)據(jù)提出相關(guān)建議。

3.1 體溫監(jiān)測(cè)

人體體溫恒定且能自我調(diào)節(jié)是維持人體各方面機(jī)能正常運(yùn)作的重要前提，任何物體在高于絕對(duì)零度(-273℃)以上時(shí)都會(huì)向外發(fā)出紅外線。根據(jù)這一原理，通過在固定的腕表中集成紅外傳感器，傳感器感應(yīng)來自手腕處的溫度，便能準(zhǔn)確測(cè)量出體表的溫度。時(shí)刻測(cè)量可形成體溫值，時(shí)段測(cè)量可繪制形成體溫變化曲線圖。

3.2 心率監(jiān)測(cè)

正常成年人安靜時(shí)的心率平均在75次/分左右（60～100次/分之間）。本設(shè)計(jì)采用振動(dòng)式測(cè)量法，每次心跳都會(huì)引起身體的震動(dòng)，通過高精度的傳感器捕捉這種震動(dòng)，經(jīng)過濾波處理后得到更加準(zhǔn)確清晰的心電圖。IIR 濾波器是（無限脈沖濾波器）一種具有反饋的線性時(shí)不變系統(tǒng)，具有計(jì)算量小，適合單片機(jī)移植等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用其進(jìn)行50Hz工頻濾除，其差分方程式為：

進(jìn)行z變換后，IIR的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)為：

借助MATLAB的 Fdatool工具進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，濾波器類型設(shè)置為50Hz陷波器，計(jì)算濾波系數(shù)后，可得到響應(yīng)函數(shù)為：

通過模擬電路采集心電信號(hào)，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，借助MATLAB工具 ，結(jié)合50 Hz 數(shù)字陷波器算法，可對(duì)其進(jìn)行濾波算法仿真實(shí)驗(yàn)。

3.3 血壓監(jiān)測(cè)

人體連續(xù)血壓值的測(cè)量可以利用脈搏波傳輸速度來進(jìn)行計(jì)算，即模擬數(shù)學(xué)模型和光電容積脈搏信號(hào)（PPG）中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)之間的時(shí)間差獲得脈搏傳輸時(shí)間（PTT）或脈搏傳輸速度（PWV），進(jìn)而計(jì)算出血壓。本設(shè)計(jì)植入光電傳感器，與心電信號(hào)結(jié)合分析脈搏波和心電波峰的時(shí)間差。這個(gè)時(shí)間差代表著從心臟搏動(dòng)開始，血流流到測(cè)試處（如手腕）的時(shí)間差。這種采集方式減小了外部環(huán)境的影響，具有準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)假設(shè)血液在血管內(nèi)靜止，脈搏波以c的波速向前傳導(dǎo)，到t時(shí)刻時(shí)，脈搏波的波陣面?zhèn)鲗?dǎo)至1所指示的截面，經(jīng)過dt的時(shí)間段后，波陣面?zhèn)鲗?dǎo)至2所指示的截面。管內(nèi)血液未受到脈搏波擾動(dòng)前，即波陣面未到時(shí)，管的截面積為S，壓力為P，血流速度為v=0；管內(nèi)血液受擾動(dòng)后的管截面積變?yōu)镾+d S ，壓力變?yōu)镻+d P，血流速度變?yōu)閐v，示意圖如圖3所示。

圖3 模型示意圖

由質(zhì)量守恒定律，可列出如下等式：

由動(dòng)量守恒定理，可列出如下等式：

聯(lián)立上述兩式，消去其中的 dv 項(xiàng)，可得脈搏波波速的一般表達(dá)式：

可通過脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的變化求得血壓的變化，表達(dá)式如下：

其中Pe為待估計(jì)血壓值，Pb為基礎(chǔ)血壓值，Pe等于基礎(chǔ)血壓值與血壓變化值之和，Tb為基礎(chǔ)血壓值相對(duì)應(yīng)的脈搏傳導(dǎo)時(shí)間

3.4 血氧飽和度監(jiān)測(cè)

血氧飽和度低的人會(huì)出現(xiàn)呼吸急促、能量供應(yīng)不足、疲勞等癥狀。很多疾病可能導(dǎo)致血氧飽和度的低值，如肺炎、阻塞性肺病，因此血氧飽和度的監(jiān)測(cè)可以起到很好的預(yù)防作用。本設(shè)計(jì)利用植入光電傳感器，使用波長(zhǎng)660nm的紅光和940nm的近紅外光作為射入光源，測(cè)定通過組織床的光傳導(dǎo)強(qiáng)度，來計(jì)算血紅蛋白濃度及血氧飽和度，即可顯示人體血氧飽和度，時(shí)刻關(guān)注健康狀況。

本設(shè)計(jì)依據(jù)光電容積描記法，采集通過人體組織后透射的光電容積脈搏波信號(hào)，再根據(jù) Lambert-Beer定律推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出SpO2值，其公式如下：

綜上所述，本設(shè)計(jì)通過植入不同傳感器，實(shí)現(xiàn)體溫、心率、血壓以及血氧飽和度四項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機(jī)APP；繪制數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表，生成健康周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)，并給出適當(dāng)?shù)娘嬍辰ㄗh、理療建議、運(yùn)動(dòng)建議；當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)報(bào)警功能，起到預(yù)防和減少危險(xiǎn)發(fā)生的作用。

4 檢測(cè)效果分析

通過智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，生成健康報(bào)告并提出合理建議。具體效果如表1所示。

表1 健康報(bào)告

通過模擬電路采集心電信號(hào)，借助MATLAB進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)所得仿真心電圖如圖4所示。

圖4 仿真心電圖

5 理療效果分析

本設(shè)計(jì)采用的是低頻為1Hz～8Hz ,中頻為固定頻率，分別為1000Hz、2000Hz、4000Hz。調(diào)制波形為三種，分別為三角波，方波和正弦波，載波為正弦波。基于以上三種基波，可進(jìn)行多種交替和組合，實(shí)現(xiàn)多種理療效果。

三角波，波形變化坡度較小，對(duì)感覺神經(jīng)的刺激較小，易為人體接受，加上波形和頻率的組合變化，可以促進(jìn)血液循環(huán)，使用過程中舒適度較高；正弦波的作用區(qū)比三角波的作用區(qū)大，因此正弦波刺激引起的機(jī)體反應(yīng)較大，強(qiáng)度較高，對(duì)細(xì)胞具有電壓平衡作用；方波變化斜率在無窮大和零之間交替，可使肌肉形成固定周期的伸縮、曲張，有效避免肌肉萎縮。由于人體組織中非脂肪組織含水較多，具有比脂肪組織更小的阻抗，通過將三種波形進(jìn)行不同形式的組合，形成不同的調(diào)制信號(hào)，伴隨參數(shù)的變化，可實(shí)現(xiàn)較好的鎮(zhèn)痛作用，起主要作用的頻率以及波形參數(shù)能夠保持一定的作用時(shí)間，可以取得更好的理療效果。基于三種基波實(shí)現(xiàn)多種交替、組合搭配，實(shí)現(xiàn)頭頸部、臂部健、背部、腿部等保健功能。

基于以上功能仿真可得相應(yīng)包絡(luò)波形圖，由于仿真所得圖形較多，本文只列出部分理療包絡(luò)波形圖，其中（a）、（b）、（c）為三種基波，（d）對(duì)應(yīng)頸部-防萎縮功能，（e）對(duì)應(yīng)腿部-消腫功能，（f）對(duì)應(yīng)臂部-保健功能，具體理療包絡(luò)圖如圖5所示。

圖5 理療儀包絡(luò)波形

6 結(jié)論

多功能一體化的健康理療褥墊，它涉及醫(yī)學(xué)及智能控制領(lǐng)域，其可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、分強(qiáng)度、分部位交互式理療按摩以及側(cè)身、抬頭、抬腿分部位運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)不僅可以通過按鍵選擇進(jìn)行理療，同時(shí)也可以進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)提供適當(dāng)?shù)淖o(hù)理建議。本設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)，可以提高護(hù)理水平，減輕護(hù)理者的壓力，具有實(shí)際意義，可以滿足廣大用戶的要求，適合推廣使用。