一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，所述系统包括无线传感器网络单元、数据传输和预处理单元以及生理信号综合分析预警单元；所述无线传感器网络单元实时采集生理信号，并将所述生理信号传输给所述数据传输和预处理单元进行预处理，所述数据传输和预处理单元将得到的生理信息传输给所述生理信号综合分析预警单元进行综合分析。本发明提供一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，将极大地便利生理指标监测过程并提供个性化的健康监护服务，进一步促进“家庭医疗”的发展。
【专利说明】一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于医疗器械系统，具体涉及一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统。
【背景技术】
[0002]无线传感器技术的人体生理信号监测系统发展较快，但一般只能监测固定的生理信号(如:心率、脉搏等单一参数)，而且没有形成对生理信号进行监控的网络，无法对人体是否处在正常生理状态做出综合判断、给出准确结论；而且一旦改变监测方案，则需要重新设计或者购买，从而造成设备的闲置以及资源的浪费。因此无法满足家庭、医院、社区等不同环境下对被试进行个性化生理状况监控的需求。
[0003]《电气电子教学学报》2009年第5期中公开了用于情绪识别的无线生理信号采集传输系统，其中采用了在节点嵌入了蓝牙技术以适应高采样速率和高带宽的传输要求，增加了系统的复杂度，不利于系统的通用化。《科技信息》2010年09期中公开的医用电子体温监测系统研究和《信息化研究》2009年05期中公开的一种基于无线传感器网络技术的医疗监测终端设计，均采用了较为普 遍的无线传输技术，但系统灵活性差，只能进行对特定生理信号的采集和处理，不利于系统的通用化。《技术与市场》2009年04期中公开的家用无创伤心血管健康综合监测仪可检测出包括人体心脏、血管、血液、微循环在内的30多项血流动力学和流变学参数，没有采用无线传感技术，不能进行连续的、长期的生理信号的监测，給使用带来了很大的不便。
[0004]现有的监护数据分析方法均采用基于预置阈值方法，该法主要适用于重症监护病房(ICUs);当测量值超出预设的门限值后，发出报警信息。这种方法存在有一定的局限性，如:易造成大量的误报警信息。而该法对于监护系统，在线定性地识别出监护信息中的各种特征模式如:异常值、状态变化以及趋势变化，对于评估监护对象的状况非常重要。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，极大地便利生理指标监测过程并提供个性化的健康监护服务，进一步促进“家庭医疗”的发展。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0007]本发明提供一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，所述系统包括无线传感器网络单元、数据传输和预处理单元以及生理信号综合分析预警单元；所述无线传感器网络单元实时采集生理信号，并将所述生理信号传输给所述数据传输和预处理单元进行预处理，所述数据传输和预处理单元将得到的生理信息传输给所述生理信号综合分析预警单元进行综合分析。
[0008]所述无线传感器网络单元包括无线传感器采集单元和无线数据接收单元；所述无线传感器单元将采集的生理信号通过ZigBee协议发送给所述无线数据接收单元，所述无线数据接收单元将接收的生理数据传输给所述数据传输和预处理单元。
[0009]所述无线传感器采集单元包括脑电波传感器、温度传感器、血压传感器、上肢传感器、下肢传感器和预留传感器；所述预留传感器包括血糖传感器、血氧血糖传感器、肌电血糖传感器、眼电血糖传感器、关节运动血糖传感器、呼气通量传感器和呼吸二氧化碳检测血糖传感器。
[0010]所述数据传输和预处理单元包括生理状态判定单元、数据预处理单元、伪信息分析单元和无线数据发送单元；所述生理状态判定单元对无线传感器网络单元传送的生理数据进行判定，根据监护对象不同的生理状态设置无线传感器采集单元中各传感器单元的优先权；所述数据预处理单元接收生理状态判定单元的生理数据，并对生理数据进行预处理；所述伪信号分析单元对预处理得到的生理信息进行分析，并将经过分析的生理数据通过所述无线数据发送单元发送给所述生理信号综合分析预警单元。
[0011]所述伪信号分析单元通过建立智能报警算法时序模型对生理信息进行分析，识别由于传感器误差和监护对象移动产生的不应报警的异常值，进而减少误报警，同时判断出是由于监护对象生理异常而产生的异常信息；所述智能报警算法时序模型包括基于伯格算法的参数辨识模型和预报误差准则定阶模型。
[0012]所述生理状态包括睡眠状态、行走状态、运动状态和自定义状态；所述自定义状态包括癫痫病状态、高血压状态、感冒状态和其他疾病状态；在癫痫病状态下，设置优先采集脑电波传感器的数据；在高血压状态下，设置优先采集血压传感器的数据；在感冒状态下，设置优先采集温度传感器的数据，其他疾病状态下，根据生理信号综合分析预警单元中的知识库优先设置各个传感器。
[0013]所述生理信号综合分析预警单元包括存储单元、分析单元和生理信号综合分析单元；所述存储单元设有知识库，将各个传感器采集的生理信号名称、数据以及时间信息分块存储到知识库中；所述分析单元基于知识库中的经验模型对单个生理信息进行分析，当生理信息超过健康正常值范围时， 所述分析单元发出报警信号。
[0014]所述生理信号综合分析单元包括信息整合查询单元和多个通道，所述信息整合查询单元与知识库连接，对知识库中的生理信息进行整合、查询和判断；各个通道分别所述信息整合查询单元连接，同时分别接收各个传感器的数据；通道的个数与传感器个数相等。
[0015]所述脑电波传感器包括并列设置的前脑传感器、中脑传感器和后脑传感器；所述温度无线传感器包括并列设置的口腔传感器、腋窝传感器和体表传感器；所述血压传感器包括并列设置的脉搏传感器和颈动脉传感器；所述上肢传感器包括并列设置的手部传感器、肘部传感器和肩部传感器；所述下肢无线传感器包括并列设置的踝关节传感器、膝关节传感器和胯关节传感器。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0017]1.由于采用基于ZigBee协议栈的无线传感器网络，因此解决了现有人体生理信号检测仪器只能检测单一生理信号、无法长时间实时监测的缺陷，实现对多种生理信号长时间、连续的监测。
[0018]2.按照模块化的设计思想，首先将监测系统划分为无线传感器网络单元、数据传输和预处理单元以及生理信号综合分析预警单元，很大的提高了监测系统的灵活性。
[0019]3.由于无线传感器网络单元中的各种传感器标准化程度较高，使用时可以根据需要选用各种传感器，自动识别传感器的类型并对数据进行归类、整理，如果监测方案改变，数据传输和预处理单元以及生理信号综合分析预警单元可以继续使用，只需更换无线传感器即可；这将极大地便利生理指标监测过程并大幅降低相应监测设备的成本，进一步促进“家庭医疗”的发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统的结构示意图；
[0021]图2无线传感器网络单元与数据传输和预处理单元结构示意图；
[0022]图3是是伪信息分析单元分析流程图；
[0023]图4是生理信号综合分析单元结构图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0025]如图1，本发明提供一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，所述系统包括无线传感器网络单元、数据传输和预处理单元以及生理信号综合分析预警单元；所述无线传感器网络单元实时采集生理信号，并将所述生理信号传输给所述数据传输和预处理单元进行预处理，所述数据传输和预处理单元将得到的生理信息传输给所述生理信号综合分析预警单元进行综合分析。
[0026]如图2，所述无 线传感器网络单元包括无线传感器采集单元和无线数据接收单元；所述无线传感器单元将采集的生理信号通过ZigBee协议发送给所述无线数据接收单元，所述无线数据接收单元将接收的生理数据传输给所述数据传输和预处理单元。
[0027]所述无线传感器采集单元包括脑电波传感器、温度传感器、血压传感器、上肢传感器、下肢传感器和预留传感器；所述预留传感器包括血糖传感器、血氧血糖传感器、肌电血糖传感器、眼电血糖传感器、关节运动血糖传感器、呼气通量传感器和呼吸二氧化碳检测血糖传感器等。
[0028]无线传感器采集单元完成信号的采集和传输，有电池供电，可以做的小型化、通用化，方便实现在更多活动场合的信号采集。
[0029]各个传感器采集完成数据采集后，由汇聚节点发送采集命令，逐个对传感器模块采集的信息进行读取，为了更好的管理传感器数据采用无线操作系统TinyOS操作系统，TinyOS系统能够突破传感器存储资源少的限制，这使得操作系统可以有效地运行在无线传感器网络节点上，并负责执行相应的管理工作，可以更方便的完成传感器数据采集。
[0030]所述脑电波传感器包括并列设置的前脑传感器、中脑传感器和后脑传感器；所述温度无线传感器包括并列设置的口腔传感器、腋窝传感器和体表传感器；所述血压传感器包括并列设置的脉搏传感器和颈动脉传感器；所述上肢传感器包括并列设置的手部传感器、肘部传感器和肩部传感器；所述下肢无线传感器包括并列设置的踝关节传感器、膝关节传感器和胯关节传感器。
[0031]得到人体各部的信号后，我们采用DSP或者嵌入式系统，对复杂繁多的数据依据医学算法处理，对处理结果进行显示，使个人能够方便的对自身的健康状况进行自我检测和分析，实时了解自己的身体各类信息。同时把采集到的数据信息存储起来，方便以后的数据分析，还可以通过网络技术把数据传送到医疗服务站，与专家系统相连，患者可以随时随地得到最及时有效的诊断治疗。
[0032]所述数据传输和预处理单元包括生理状态判定单元、数据预处理单元(采用型号为TMS320VC5402的DSP处理器)、伪信息分析单元和无线数据发送单元(采用型号为JN5148的zigbee模块);所述生理状态判定单元对无线传感器网络单元传送的生理数据进行判定，根据监护对象不同的生理状态设置无线传感器采集单元中各传感器单元的优先权；所述数据预处理单元接收生理状态判定单元的生理数据，并对生理数据进行预处理；所述伪信号分析单元对预处理得到的生理信息进行分析，并将经过分析的生理数据通过所述无线数据发送单元发送给所述生理信号综合分析预警单元。
[0033]如图3，所述伪信号分析单元通过建立智能报警算法时序模型对生理信息进行分析，识别由于传感器误差和监护对象移动产生的不应报警的异常值，进而减少误报警，同时判断出是由于监护对象生理异常而产生的异常信息；所述智能报警算法时序模型包括基于伯格算法的参数辨识模型和预报误差准则定阶模型。
[0034]基于伯格算法的参数辨识模型具体为:
[0035]基于伯格算法的(Burg)的AR ( P )模型参数辨识可表示为:
[0036]Zt= Φ iZt_!+ Φ 2Zt_2+...+ Φ pZt_p+nt (I)
[0037]参数辨识可归结为利用样本数据集仏，Z2，…ZJ，η为样本长度，确定模型参数{Φ?, Φ2,…Φρ}，P为自回归阶数；
[0038]从预测应用上来看，平稳序列的AR (P)模型在已估计其AR参数|?, j,后，可用其既往值zt_i，zt_2，…，zt_p来预测其现实值zt，即其预测误差为:
【权利要求】
1.一种基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述系统包括无线传感器网络单元、数据传输和预处理单元以及生理信号综合分析预警单元；所述无线传感器网络单元实时采集生理信号，并将所述生理信号传输给所述数据传输和预处理单元进行预处理，所述数据传输和预处理单元将得到的生理信息传输给所述生理信号综合分析预警单元进行综合分析。
2.根据权利要求1所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述无线传感器网络单元包括无线传感器采集单元和无线数据接收单元；所述无线传感器单元将采集的生理信号通过ZigBee协议发送给所述无线数据接收单元，所述无线数据接收单元将接收的生理数据传输给所述数据传输和预处理单元。
3.根据权利要求2所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述无线传感器采集单元包括脑电波传感器、温度传感器、血压传感器、上肢传感器、下肢传感器和预留传感器；所述预留传感器包括血糖传感器、血氧血糖传感器、肌电血糖传感器、眼电血糖传感器、关节运动血糖传感器、呼气通量传感器和呼吸二氧化碳检测血糖传感器。
4.根据权利要求1所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述数据传输和预处理单元包括生理状态判定单元、数据预处理单元、伪信息分析单元和无线数据发送单元；所述生理状态判定单元对无线传感器网络单元传送的生理数据进行判定，根据监护对象不同的生理状态设置无线传感器采集单元中各传感器单元的优先权；所述数据预处理单元接收生理状态判定单元的生理数据，并对生理数据进行预处理；所述伪信号分析单元对预处理得到的生理信息进行分析，并将经过分析的生理数据通过所述无线数据发送单元发送给所述生理信号综合分析预警单元。
5.根据权利要求4所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述伪信号分析单元通过建立智能报警算法时序模型对生理信息进行分析，识别由于传感器误差和监护对象 移动产生的不应报警的异常值，进而减少误报警，同时判断出是由于监护对象生理异常而产生的异常信息；所述智能报警算法时序模型包括基于伯格算法的参数辨识模型和预报误差准则定阶模型。
6.根据权利要求4所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述生理状态包括睡眠状态、行走状态、运动状态和自定义状态；所述自定义状态包括癫痫病状态、高血压状态、感冒状态和其他疾病状态；在癫痫病状态下，设置优先采集脑电波传感器的数据；在高血压状态下，设置优先采集血压传感器的数据；在感冒状态下，设置优先采集温度传感器的数据，其他疾病状态下，根据生理信号综合分析预警单元中的知识库优先设置各个传感器。
7.根据权利要求1所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述生理信号综合分析预警单元包括存储单元、分析单元和生理信号综合分析单元；所述存储单元设有知识库，将各个传感器采集的生理信号名称、数据以及时间信息分块存储到知识库中；所述分析单元基于知识库中的经验模型对单个生理信息进行分析，当生理信息超过健康正常值范围时，所述分析单元发出报警信号。
8.根据权利要求7所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述生理信号综合分析单元包括信息整合查询单元和多个通道，所述信息整合查询单元与知识库连接，对知识库中的生理信息进行整合、查询和判断；各个通道分别所述信息整合查询单元连接，同时分别接收各个传感器的数据；通道的个数与传感器个数相等。
9.根据权利要求3所述的基于自适应无线传感器网络的生理信号智能监测系统，其特征在于:所述脑电波传感器包括并列设置的前脑传感器、中脑传感器和后脑传感器；所述温度无线传感器包括并列设置的口腔传感器、腋窝传感器和体表传感器；所述血压传感器包括并列设置的脉搏传感器和颈动脉传感器；所述上肢传感器包括并列设置的手部传感器、肘部传感器和肩部传感器；所述下肢无线传感器包括并列设置的踝关节传感器、膝关节传感器和胯关节传感器。`
【文档编号】A61B5/00GK103598873SQ201310452922
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】张俊然, 齐翔, 赵斌, 高明星, 梁春疆, 张良清, 张洁 申请人:四川大学, 广东医学院附属医院