基于柔性传感器的青少年健康实时监控系统设计

张 霆， 刘彩霞， 何亮亮， 黄 楷

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院， 安徽 合肥 230009)

基于柔性传感器的青少年健康实时监控系统设计

张 霆， 刘彩霞， 何亮亮， 黄 楷

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院， 安徽 合肥 230009)

采用碳黑/硅橡胶复合柔性传感器研制低成本、低能耗、微体积的可穿戴式设备,实现多种青少年基础生理指标的集成检测。通过对运动时生理体征参数变化量的动态感知、传输和管理分析，解析个体的体征状况的变化趋势，研究干预方案执行过程的动态跟踪与监测技术难题，构建闭环的健康服务系统，通过对健康服务短期、中期、长期效果的量化测评以保证青少年保持健康的生活方式。

健康监控系统; 柔性传感器; 集成检测

基于柔性传感器的青少年健康实时监控系统是由可穿戴柔性传感器采集端、传输设备端和后台专家系统3大部分组成。可穿戴柔性传感器采集端是集生理参数检测、能耗检测、体位检测、运动状态监测[1]等功能于一体的可穿戴类设备,这些设备采集的数据通过传输平台将其传输给传输端设备,传输端设备将接收的采集数据通过云端专家数据库进行分析,并将分析结果和建议传回,反馈给用户。根据实际青少年目前的生活现状,可穿戴类设备拟采用智能腕表端负责接收感知层的信号；传输端设备拟采用智能手机端通过采集的信号与远程服务器通信,并反馈诊断结果,用于提醒个体运动时身体各方面的指标，指导个体健康正确的运动方式；云端分析处理平台负责接受到智能手机端传输的信号,通过分析处理模块和只有的数据库、专家资源库进行实时的对比监测、事后运动分析、评估,将警示信息、分析报告、评估意见和运动指导建议反馈回手机端。

1 基于柔性传感器的青少年健康实时监控系统

根据实际需求,研制运动健康体征信息感知技术及设备(智能腕表),在一台低成本、低能耗、微体积的穿戴式仪器上实现多种人体基础生理指标的集成检测和分析，并转化为信号进行传输；通过对运动状态时人体生理体征参数变化量(如心率、血压等指标)的动态感知、传输和管理分析,解析个体的体征状况的变化趋势,分析相关的运动能耗,为个性化干预方法提供科学依据。健康实时监控系统示意图见图1。

2 柔性传感器制备

针对可穿戴设备用阵列柔性传感器的需求,从敏感材料制备、传感单元结构优化等角度出发,探索传感器敏感材料的力学、温度性能以及传感器结构和制备工艺的优化和改进,解决柔性传感器的柔弹性、压力温度感知灵敏度与大面积受力之间的关联性等关键问题[2],最终研制出性能优良的可用于可穿戴设备的阵列传感器,样品制备采用溶液共混法[3]。将定量炭黑加入适量蒸馏石脑油中超声分散20 min,然后加入液体硅橡胶进行机械搅拌,搅拌时间30 min,将搅拌后的混合物倒入模具,室温条件下自然固化成型,成型后实验样品直径为25.0 mm,厚度为2.0 mm。制作工艺流程见图2。压阻(F-R)特性测试曲线见图3。

图2 制作工艺流程

图3 碳黑/硅橡胶复合压力传感器压阻特性曲线

3 基于体域网的无线传输网络

基于人体的各项体征参数的多样性和实时性,可以利用大量的可穿戴的传感器构建体域网(body sensor networks,BSN)[4]。体域网是以人的身体为中心,以精确采集人体的相关的体征参数为目的,由分布于人体体表、贴身衣物上,或身体内部的检测人体生命体征的多个传感器节点以及个人智能终端组成的无线通信网络。BSN的模型对于在人身体上构建数据采集和处理的传感器网络具有很好的指导意义。

无线的传感器网络主要包括体征传感器、传感器网络节点及传感器上配备的ZigBee无线数据传输模块、数据存储模块、数据处理模块等[5]。总体结构架构见图4。

图4 无线传输网络总体架构

4 基于云计算的个人健康信息管理与服务支撑平台

集成化身体机能测试分析系统(示意图见图5)是由有关的科研团队研发完成的一种快速获取人体机能与健康信息的系统[6]。将这项技术加载到智能腕表端,通过这项技术收集信息,并通过其他各项系统进行信息检测诸如生理参数检测、能耗检测、体位检测、运动状态检测等,然后通过智能手机端与远程服务器的专家数据库资料进行比对,提供科学的建议,同时建立用户个人的健康档案,由此就可以建立一个以使用者为主体的系统[7]。

图5 集成化身体机能测试分析系统示意图

在构建云基础设施服务的基础上,研究云搜索服务与云挖掘技术,实现基于云计算的个人健康信息搜索服务[8]；研究基于云模型对健康数据进行数据挖掘的有效方法,如基于云模型的聚类分析、关联规则提取算法研究[9]等。针对个人健康信息安全保护的特别需求,研究建立以数据安全与隐私保护为主要目标的云安全技术框架[10]。从感知到数据可以测算出某个直接的体征指标值。通过几个体征指标值的联合分析,可以进一步对人体的健康程度进行分析和指导。健康分析技术就是建立多指标值的分析模型,加上健康指标变化趋势分析模型,对个体或家庭提供具有个性化的健康建议[11]。面向青少年的健康分析模型包括相同人种、相近地区、相似环境下青少年群体成员的单一指标值、关联指标值和多指标值的分析。单一指标值的周期性分析和长期分析；关联指标值的即时分析、周期性分析和长期分析；多指标值的即时分析、周期性分析和长期分析；以及指标值的交叉分析[12]。健康分析进一步可以拓展到除青少年群体外的其他年龄段的人体健康健康分析。

5 结语

本项目在试点实验过程中,始终跟踪监测青少年运动身体指标变化,对身体各方面数据变化做出合理分析。力求通过本项目的研究,使得青少年拥有健康的运动方式和健康的身体素质,为进一步提高国民身体素质和健康水平作贡献。

References)

[1] 李娜. 基于人体运动状态识别的可穿戴健康监测系统研究[D].北京：北京工业大学,2013:81-82.

[2] 缪伟. 碳系敏感材料的拉伸特性及柔—弹性传感器研究[D].合肥：合肥工业大学,2013:13-18.

[3] 补强,何方方,夏和生. 石墨烯/橡胶纳米复合材料研究进展[J]. 高分子学报,2014(6):715-723.

[4] Yang G Z, Yacoub M. Body Sensoc Networks[M]. London: Springer-Vedag London, Ltd,2006.

[5] 张瑞. 基于ZigBee的人体健康监测系统设计[D].曲阜：曲阜师范大学,2014:5-44.

[6] 康如婷. 体征信息的高效能感知技术研究[D].上海：东华大学,2013:13-45.

[7] 张军亮. 云环境下的个人健康档案服务系统研究[J]. 重庆医学,2015(10):1421-1423.

[8] 刘博. 基于云计算的区域健康服务平台的设计与实现[D].上海：复旦大学,2012:12-35.

[9] 刘桂花. 基于云模型的关联规则的研究[D].济南：山东师范大学, 2007:20-34.

[10] 冯登国,张敏,张妍,等. 云计算安全研究[J]. 软件学报,2011(1):71-83.

[11] 高天雷. 基于云计算的智能健康感知系统关键技术研究[D].济南：山东师范大学,2015:23-56.

[12] 王学松,郭强. 医疗数据分析及数据挖掘方法的应用[J]. 电子技术与软件工程,2014(2):218-219.

·字义辨析·

粘与黏

国家语言文字工作委员会和中华人民共和国新闻出版署于1988年3月25日《关于发布<现代汉语通用字表>的联合通知》中恢复使用“黏(nin)”字，在表达“黏”的概念时，恢复使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系数、黏性等；在表达“粘(zhn)”的概念时，使用“粘”字，如：粘贴等。

《实验技术与管理》编辑部 编录

Design of real-time monitoring and control system for adolescent health based on flexible sensor

Zang Ting，Liu Caixia, He Liangliang, Huang Kai

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

By using the carbon black and silicone rubber composite flexible sensor, the wearable device is developed, which has low cost, low energy consumption and small size, and the integrated detection of various basic physiological indexes of adolescents is realized. Through the analysis of motion perception, transmission and management of dynamic changes of physiological parameters, the changing tendency of individual physical condition is analyzed, the technical problems of the dynamic tracking and monitoring in the implementation process of the intervention program are studied, and the closed loop health service system is established. Through the quantitative evaluation of short-term, medium-term and long-term effect of the health service, the adolescents are ensured to maintain a healthy lifestyle.

health monitoring and control system; flexible sensor; integrated detection

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.021

2016-10-08 修改日期：2016-10-26

合肥工业大学大学生创新性实验计划项目基金资助(201510359036)

张霆(1972—)，男，安徽阜阳，硕士，副教授,研究方向为先进敏感材料、传感技术、先进光电子技术及器件.

E-mail：zhangting@hfut.edu.cn

R194.2

A

1002-4956(2017)2-0077-03