自动洗浴机器人生命体征监护装置的研制

自动洗浴机器人生命体征监护装置的研制

何琳胡志刚张晓兰

何琳胡志刚张晓兰

（河南科技大学河南洛阳471000）

【摘要】自动洗浴机器人是适合家用与医用环境、面向老年或残疾人群、具有智能洗澡、洗发、干身、按摩和康复等功能的一种个人卫生护理机器人。由于老年人或残疾人的身体机能一般较弱，对环境的适应调节能力有所降低，洗浴时容易发生意外，因此，在自动洗浴机器人对人体进行洗浴的过程中，监测入浴者的生命体征十分必要。据报道，人体血压是最容易受到洗浴环境影响而发生波动的生命体征之一，故本文基于脉搏波的连续血压测量理论，研制了一套生命体征监护装置，可实现人体血压的连续实时监测，相对于传统的血压测量方式，更适用于人体在洗浴时的血压监护。

【中图分类号】R197.39【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2014）32-0349-02

1生命体征监护概述

生命体征是维持机体基本生命活动的支柱，主要包括体温、脉搏、呼吸和血压等。人体在洗浴时，其生命体征将随着体能和外界环境的变化而变化，如洗浴时人体热量的消耗加速，可能导致呼吸节奏加快；又如水温较低时，人体可能会因为感到寒冷而产生一系列应激反应，导致肌肉收缩、心率加快、血压升高；而水温较高时，人体皮肤血管因热水刺激发生扩张，较多的血液流向体表，也可能导致心率减慢、血压下降。

老年人的身体机能一般较弱，对环境的适应调节能力有所降低，在洗浴时尤其容易发生意外。日本厚生劳动省2001年的一份统计报告显示，入浴时由于失去意识而溺亡的高龄者人数逐年攀升，而造成事故的最主要原因是入浴者洗浴过程中的血压骤变，其次是心肌梗塞、脑出血等心脑血管疾病。

可见，血压是最容易受到洗浴环境的影响而发生波动的生命体征之一，它反应了血液对动脉血管的压力大小，若血压过低，便无法将血液正常输送至全身，相反，血压过大，有可能令血管受损，亦反映心血管功能可能出现异常。因此，在洗浴过程中监测入浴者的血压是相当有必要的。

目前，医院与家庭中所使用的血压测量装置主要是水银血压计和电子血压计，它们一般基于柯氏音法或示波法，通过对袖带的充放气，能够较为准确地测量出人体某个时刻的血压值，但无法对血压实现连续的监测，此外，在测量时袖带对被测对象的手臂或手腕等测量部位施加压力，也使被测者感到不适。根据脉搏波传导时间与血压之间的线性关系，利用光电容积脉搏波描记法（PPG）进行血压的实时连续监测，能够克服传统血压测量的上述缺点，适用于洗浴时的血压监护。

基于此，本课题中所研究的生命体征监护技术就是基于光电容积脉搏波的血压监测技术，即在洗浴过程中实时连续测量人体的血压体征，并在血压数值发生异常时发出报警，以便护理人员及时进行处理。

2基于脉搏波的连续血压测量理论基础

其中PTT为脉搏波传导时间，a、b为待定系数。a、b的数值因个体而异。但对于同一个体，在短时间内这一数值可看作是确定不变的。

目前，对PTT的测量常采用ECG与脉搏波结合的方式实现，即利用同一动脉脉搏波从心电R波传输至脉搏波特征点之间的时间间隔为脉搏波传导时间（PTT）来估计血压。心电R波、PPG波峰等均较容易被检测，实验表明此种测量技术估计得到的收缩压和舒张压准确率都超过90%（对比电子血压计）。

3生命体征监护装置硬件设计

3.1生命体征监护装置原理框图

生命体征监护装置的硬件电路由光电脉搏波传感器、心电放大器、单片机及其外围电路、电源电路等部分构成。图1出示了装置原理框图及信号传递流程。其中，脉搏波传感器将人体桡动脉脉搏波信号转换为模拟电压波形；心电放大器将心电电极采集到的人体I导联心电信号放大调整到合适的伏值；上述两路信号同时送入单片机内部模数转换器件（ADC）的输入端，经采样转换为数字信号、再由单片机运算、处理后，将结果通过串行通信的方式发送到上位机。上位机在屏幕上显示接收到的数据。

图1生命体征监护装置原理框图

3.2脉搏波传感器

综合考虑，本课题选用了北京颐松科技发展有限公司生产的MB-5A型光敏脉搏波传感器。该传感器为反射式光电传感器，已集成了前端放大、滤波等电路，在3～9V直流电压供电时输出伏级信号，输出阻抗小于500Ω，工作电流4～6mA。前端光源和光敏探头呈扁平盘式，适合于佩戴于手腕桡动脉处。

3.3心电放大器

心电放大器选用合肥华科电子技术研究所生产的HKD-10A+心电集成放大器。HKD-10A+是单导联心电信号放大模块，体积小，功耗低。

3.4单片机选型

本系统选用MSP430F169作为核心处理器。MSP430F169是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，最高工作频率8MHz，有60KB字节FLASH，2KBRAM，内部集成12位AD转换模块，2个USART接口，开发语言为C语言，编译软件为IARembeddedworkbench，功能强大，且能够直接与JTAG配合调试仿真。

4生命体征监护装置软件设计

生命体征监护装置系统软件由下位机软件和上位机软件构成；其中，下位机软件在IAREmbeddedWorkbench集成开发环境下编程调试完成，利用MSP430单片机及其内部外设资源实现ECG和脉搏波信号的A/D转换、数字滤波、波形特征点的识别、脉搏波传导时间的计算及与上位机的串口通信；上位机软件在虚拟仪器平台LabVIEW下利用G语言编程完成，以实现生命体征监测的图形用户界面。

利用脉搏波传导时间PTT估算血压的原理公式为：BP=a+b*PTT，由于a和b的数值因人而异，因此需要在监测血压之前先进行个体参数的定标。该功能可通过上位机软件中的“个性化参数测定”板块实现。个体化参数定标完成后，即可利用生命体征监护板块进行血压的连续监测了。生命体征监护界面如图2所示，界面中有四个波形显示窗口，分别实时动态显示心电波形、脉搏波波形以及每拍收缩压和舒张压。从监护界面中可以直观地看到血压的波动情况以及当前收缩压、舒张压数值和心率值。心电信号和脉搏波信号由下位机采集后通过串口上传至上位机，采样频率均为200Hz，即PTT测量精度为0.005s。同时，下位机还向上位机上传PTT和心率，PPT的平均值用于计算血压值（通过前述线性拟合公式），显示于窗口中。当心率值大于平均心率值20%、血压超过平均血压值±30mmHg时系统发出报警。

图2生命体征监护界面

5装置调试及结果

系统装置现场测试场景如图3所示。测试结果证明了基于心电信号与脉搏波信号的连续血压监护方案的可行性；该生命体征监护装置基本达到了最初的设计要求，在个体标定参数的基础上，能够实现对人体血压的连续监测。

图3现场测试场景

6总结与展望

本课题开展了基于脉搏波的连续血压测量的理论与实验研究，并在此基础上完成了一套生命体征监护实验装置的设计与开发，实现了人体血压的连续实时监测，相对于传统的血压测量方式，更适用于人体在洗浴时的血压监护。

目前研制的软硬件装置基本能够满足血压连续监测的要求，但由于研究经验有限，该装置还存在诸多不足之处，系统的软件功能还有待进一步提高，尤其是在脉搏波传导时间的算法研究方面，需要尝试更多PTT测量算法，如不是利用脉搏波波峰而是上升期斜率最大处作为特征点来估算PTT等，以期进一步提高测量精度。

国家国际科技合作计划（2011DFA10440）