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基于传感器的人体生命体征监控技术

1、简介

生命体征监测已经超出医疗实践的范围,进入我们日常生活的多个领域。

最初,生命体征监测是在严格的医疗监督下,在医院和诊所进行。微电子技术的进步降低了监控系统的成本,使这些技术在远程医疗、运动、健身和健康、工作场所安全等领域更加普及和普遍,在越来越关注自动驾驶的汽车市场也是如此。虽然实现了这些扩展,但是因为这些应用都与健康高度相关,所以仍然保持很高的质量标准。

目前,生命体征监测包括测量一系列能显示个人健康状况的生理参数。心率是最常见的参数之一,可以通过心电图来检测,心电图可以测量心跳的频率,最重要的是,可以测量心跳的变化。

心率变化往往由活动引起。在睡眠或休息时,节奏较慢,但往往会随着身体活动、情绪反应、压力或焦虑等因素而加快。心率超出正常范围可能表明存在诸如心动过缓(心率过低时)或心动过速(心率过高时)等疾病。

呼吸是另一个关键生命体征。血液的氧合程度可以使用一种名为光电容积脉搏波(PPG)的技术进行测量。缺氧可能与影响呼吸系统的疾病发作或紊乱有关。

其他能够反映个人身体状况的生命体征测量因素包括血压、体温和皮肤电导反应等。

皮肤电导反应,又称皮肤电反应,与交感神经系统密切相关,反过来又会直接参与调解情绪性行为。测量皮肤电导率可以反映病人的压力、疲劳、精神状态和情绪化响应等状况。

此外,通过测量身体成分、瘦体质量和脂肪体质量的百分比,以及水合作用和营养程度,可以清楚展现个人的临床状态。

最后,测量运动和姿势可以提供有关受试者活动的有用信息。

2、测量生命体征的技术

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征,需要采用各种传感器,且解决方案必须紧凑、节能和可靠。生命体征监测包括:

  • 光学测量
  • 生物电势测量
  • 阻抗测量
  • 使用MEMS传感器进行测量

2.1、光学测量

光学测量超越了标准的半导体技术。为了进行这种类型的测量,需要一个光学测量工具箱。下图所示为光学测量的典型信号链。需要使用光源(通常是LED)来生成光信号,它可能由不同的波长组成。几种波长组合在一起,可以实现更高的测量精度。还需要使用一系列硅或锗传感器(光电二极管)将光信号转化为电信号,也称为光电流。光电二极管在响应光源的波长时,必须具备足够的灵敏度和线性度。之后,光电流必须被放大和转换,因此需要高性能、节能、多通道模拟前端,以控制LED、放大和过滤模拟信号,并按照所需的分辨率和精度进行模数转换。

光学系统封装也具有重要作用。封装不仅是一个容器,还是包含一个或多个光学窗口的系统,可以过滤射出和射入的光,但不会产生过度的衰减或反射,从而损害信号的完整性。为了创建紧凑的多芯片系统,光学系统封装还必须包含多个器件,包括LED、光电二极管、模拟和数字处理芯片。最后,通常还需要一种能够创建光学滤波器的涂层技术,用于选择应用所需的光谱部分并消除不需要的信号。即使在阳光下,该应用也必须能正常运行。如果没有光学滤波器,信号的大小会使模拟链饱和,使得电子器件不能正常工作。

2.2、生物电势测量

生物电势是一种电信号,由我们体内的电化学活动的效应引起。生物电势测量示例包括心电图(ECG)和脑电图。它们在存在多项干扰的频段中,检查极低幅度的信号。因此,在对信号进行处理之前,必须对其进行放大和滤波。

2.3、阻抗测量

生物阻抗是另一种测量方法,可以提供有关身体状态的有用信息。阻抗测量提供有关电化学活动、身体成分和水合状态的信息。测量每个参数需要使用不同的测量技术。每种测量技术所需的电极数量,以及应用该技术的时间点都因使用的频率范围而异。

2.4、MEMS传感器测量

MEMS传感器可以检测重力加速度,可用于检测活动和异常,如不稳定的步态、跌倒或脑震荡,甚至是在受试者休息时监测其姿势。此外,MEMS传感器还可作为光学传感器的补充,因为后者易受移动伪影影响;当这种情况发生时,可以使用加速度计提供的信息来进行校正。

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