多功能一体化的健康理疗褥垫

张赫彤，何可瑞，赵熔，代冰雪，赵可心

（东北林业大学 信息与计算机工程学院，黑龙江哈尔滨，150040）

0 引言

随着社会的发展，人口老龄化加剧，受疾病、年龄、意外等各方面因素影响，常年卧床患者与日俱增，由此衍生出褥疮问题和护理压力。患者及其家属希望有一种健康褥垫，既可以提高卧床患者的舒适度，又可以减轻护理者的身心压力。经调查发现，市场上现有的防褥疮气垫、智能床垫设计不合理，功能不全面，难以满足用户对此类产品的要求。本文以人们生活中必备的褥垫为出发点，将智能化控制和医学相结合，设计出一种可全方位交换震动、分部位分疗效进行按摩的理疗褥垫，可舒筋活血防止滋生褥疮，可进行抬高倾斜运动防止肌肉萎缩。同时本设计具有智能监测功能，时刻关注使用者的身体情况，具有功能多样、操作便利、设计全面、实用安全等优点。

1 整体结构设计

床垫整体由气囊层、海绵垫、电极点阵层、海绵垫组合而成，共4层，其结构图如图1所示。气囊层位于最下方，气囊层的上方设有海绵垫，海绵垫的上方设有电极点阵层，电极点阵层的上方设有海绵垫，气囊层主要包括左右气囊、背起气囊、屈腿气囊，外接连有气泵等。电极以绝缘橡胶为外部结构，内部分为导电橡胶层和保温层，以保证安全可靠。

图1 整体结构图

本设计外接有功能键盘，分为理疗模块、运动模块、强度调节模块、部位选择模块、疗效显示模块、定时模块和启动停止模块。

2 硬件电路设计

本设计以单片机AT89C52为核心，单片机连接D/A转换芯片、运算放大器TL062、数字电位器X9C103P、功率放大器TDA2003、实时时钟芯片DS12887、气压传感器、串行接口共阴显示驱动器MAX721、7段数码管和指示灯以及行列式键盘等。单片机通过电压传感器反馈信号控制气泵从而实现对气囊充气量的控制，进而实现左右翻身、背起和屈腿等运动。

DAC0832通过双运放调整电路输出双极性电压（±5V）。输出的调制信号有正弦波、三角波、方波，载波为正弦波。这三种调制信号及载波均由单片机程序产生，主要电路图如图2所示。

图2 主要电路图

3 智能监测设计

本设计在床垫床头位置设有监测人体主要健康指数的监测手环，通过不同传感器可测量体温、心率、血压以及血氧饱和度四项项数据。通过此手环可以进行数据测量，同时生成健康报告上传至手机APP，根据数据提出相关建议。

3.1 体温监测

人体体温恒定且能自我调节是维持人体各方面机能正常运作的重要前提，任何物体在高于绝对零度(-273℃)以上时都会向外发出红外线。根据这一原理，通过在固定的腕表中集成红外传感器，传感器感应来自手腕处的温度，便能准确测量出体表的温度。时刻测量可形成体温值，时段测量可绘制形成体温变化曲线图。

3.2 心率监测

正常成年人安静时的心率平均在75次/分左右（60～100次/分之间）。本设计采用振动式测量法，每次心跳都会引起身体的震动，通过高精度的传感器捕捉这种震动，经过滤波处理后得到更加准确清晰的心电图。IIR 滤波器是（无限脉冲滤波器）一种具有反馈的线性时不变系统，具有计算量小，适合单片机移植等优点，本设计采用其进行50Hz工频滤除，其差分方程式为：

进行z变换后，IIR的系统响应函数为：

借助MATLAB的 Fdatool工具进行数字滤波器的设计，滤波器类型设置为50Hz陷波器，计算滤波系数后，可得到响应函数为：

通过模拟电路采集心电信号，进行数模转换，借助MATLAB工具 ，结合50 Hz 数字陷波器算法，可对其进行滤波算法仿真实验。

3.3 血压监测

人体连续血压值的测量可以利用脉搏波传输速度来进行计算，即模拟数学模型和光电容积脉搏信号（PPG）中对应特征点之间的时间差获得脉搏传输时间（PTT）或脉搏传输速度（PWV），进而计算出血压。本设计植入光电传感器，与心电信号结合分析脉搏波和心电波峰的时间差。这个时间差代表着从心脏搏动开始，血流流到测试处（如手腕）的时间差。这种采集方式减小了外部环境的影响，具有准确性高等优点。

本设计假设血液在血管内静止，脉搏波以c的波速向前传导，到t时刻时，脉搏波的波阵面传导至1所指示的截面，经过dt的时间段后，波阵面传导至2所指示的截面。管内血液未受到脉搏波扰动前，即波阵面未到时，管的截面积为S，压力为P，血流速度为v=0；管内血液受扰动后的管截面积变为S+d S ，压力变为P+d P，血流速度变为dv，示意图如图3所示。

图3 模型示意图

由质量守恒定律，可列出如下等式：

由动量守恒定理，可列出如下等式：

联立上述两式，消去其中的 dv 项，可得脉搏波波速的一般表达式：

可通过脉搏波传导时间的变化求得血压的变化，表达式如下：

其中Pe为待估计血压值，Pb为基础血压值，Pe等于基础血压值与血压变化值之和，Tb为基础血压值相对应的脉搏传导时间

3.4 血氧饱和度监测

血氧饱和度低的人会出现呼吸急促、能量供应不足、疲劳等症状。很多疾病可能导致血氧饱和度的低值，如肺炎、阻塞性肺病，因此血氧饱和度的监测可以起到很好的预防作用。本设计利用植入光电传感器，使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为射入光源，测定通过组织床的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度，即可显示人体血氧饱和度，时刻关注健康状况。

本设计依据光电容积描记法，采集通过人体组织后透射的光电容积脉搏波信号，再根据 Lambert-Beer定律推导的公式进行计算，计算出SpO2值，其公式如下：

综上所述，本设计通过植入不同传感器，实现体温、心率、血压以及血氧饱和度四项指标监测，数据通过无线网络传输至手机APP；绘制数据统计图表，生成健康周报、月报、年报，并给出适当的饮食建议、理疗建议、运动建议；当某项指标出现异常时启动报警功能，起到预防和减少危险发生的作用。

4 检测效果分析

通过智能监测系统可以进行数据测量，生成健康报告并提出合理建议。具体效果如表1所示。

表1 健康报告

通过模拟电路采集心电信号，借助MATLAB进行仿真，实验所得仿真心电图如图4所示。

图4 仿真心电图

5 理疗效果分析

本设计采用的是低频为1Hz～8Hz ,中频为固定频率，分别为1000Hz、2000Hz、4000Hz。调制波形为三种，分别为三角波，方波和正弦波，载波为正弦波。基于以上三种基波，可进行多种交替和组合，实现多种理疗效果。

三角波，波形变化坡度较小，对感觉神经的刺激较小，易为人体接受，加上波形和频率的组合变化，可以促进血液循环，使用过程中舒适度较高；正弦波的作用区比三角波的作用区大，因此正弦波刺激引起的机体反应较大，强度较高，对细胞具有电压平衡作用；方波变化斜率在无穷大和零之间交替，可使肌肉形成固定周期的伸缩、曲张，有效避免肌肉萎缩。由于人体组织中非脂肪组织含水较多，具有比脂肪组织更小的阻抗，通过将三种波形进行不同形式的组合，形成不同的调制信号，伴随参数的变化，可实现较好的镇痛作用，起主要作用的频率以及波形参数能够保持一定的作用时间，可以取得更好的理疗效果。基于三种基波实现多种交替、组合搭配，实现头颈部、臂部健、背部、腿部等保健功能。

基于以上功能仿真可得相应包络波形图，由于仿真所得图形较多，本文只列出部分理疗包络波形图，其中（a）、（b）、（c）为三种基波，（d）对应颈部-防萎缩功能，（e）对应腿部-消肿功能，（f）对应臂部-保健功能，具体理疗包络图如图5所示。

图5 理疗仪包络波形

6 结论

多功能一体化的健康理疗褥垫，它涉及医学及智能控制领域，其可实现定时、分强度、分部位交互式理疗按摩以及侧身、抬头、抬腿分部位运动。本设计不仅可以通过按键选择进行理疗，同时也可以进行智能监测提供适当的护理建议。本设计实用性强，可以提高护理水平，减轻护理者的压力，具有实际意义，可以满足广大用户的要求，适合推广使用。