專利名稱：基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所述的是一種新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，它是基于光纖智能結(jié)構(gòu)的，涉及到光 纖智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工藝等問題；同時涉及信號處理方法，主要是對光纖智能結(jié)構(gòu)的受 力信息進行信息處理，因為光纖智能結(jié)構(gòu)的信息是承載有外部信息的，通過分析智能結(jié) 構(gòu)的光纖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息變化實現(xiàn)人體健康或康復(fù)快速檢測。 背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對健康的重視程度也越來越高。尤其是對冠心病患者的 早期預(yù)測與康復(fù)期的康復(fù)效果檢測已引起了廣泛重視。目前，已出現(xiàn)了一些康復(fù)檢測 或治療儀，有的是專門針對某一疾病的，有的是全面進行檢査診斷的。縱觀這些儀器， 大部分是通過血液或者穴位進行健康診斷的，從而做到康復(fù)檢測或治療。但是這些儀 器多屬于有損檢測，往往對被檢測者帶來心理負(fù)擔(dān)，技術(shù)實現(xiàn)上也受到限制。本發(fā)明 提出了一種新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，不僅在實現(xiàn)上不受什么限制，而且檢測方法也是 與傳統(tǒng)的完全不同，采用的是無損快速檢測新技術(shù)。只需通過對被檢測者自然站立雙 腳施力的檢測診斷，可以快速判斷給出被檢測者的健康或康復(fù)狀況
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個問題是設(shè)計光纖智能結(jié)構(gòu)，該光纖智能結(jié)構(gòu)的主要功能是傳 感外部信息，主要是患者的腳部施力大小與力空間分布信息；第二個問題是提供配套硬 件電路用來進行信號處理；第三個問題是提供信號處理監(jiān)控專用軟件，通過該軟件能夠 準(zhǔn)確得出被診斷者得腳部施力大小與力空間分布信息，由此可快速判斷給出被檢測者的 健康與康復(fù)狀況。
為了達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明第一個技術(shù)方案為一種新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，
該系統(tǒng)包括下列模塊-
檢測面，其中被檢測患者雙腳自然站立在監(jiān)測系統(tǒng)的所述檢測面上，通過檢測被測 者雙腳施力的大小及其力空間位置分布情況，快速判斷得出人體健康狀況或康復(fù)的效果 與程度；
腳部施力信號捕獲單元，其中，所述腳部施力信號捕獲單元基于光纖智能結(jié)構(gòu)，當(dāng) 被檢測者腳部對光纖智能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用時，光纖智能結(jié)構(gòu)的輸出信號能夠反映兩只腳施 力平衡情況；具體包括8路光纖和集成化LCD光源陣列；
8路光纖，所述8路光纖正交排列埋入復(fù)合材料中，使其與復(fù)合材料完全耦合，所
述8路光纖一方面進行傳光，另一方面，當(dāng)腳部對光纖智能結(jié)構(gòu)狀態(tài)有作用時，光強信
號發(fā)生變化，此時所述8路光纖具有傳感功能；如圖1所示。
集成化LCD光源陣列，用于均勻照射所述8路光纖中的每單根光纖，使得能夠根據(jù)
光纖智能結(jié)構(gòu)中多根光纖的輸出信號來捕獲人體雙腳腳部的施力信號；
信號分析與處理單元，所述信號分析與處理單元包括無基極引線的光電三極管、信 號放大處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI串口通信模塊和監(jiān)控計算機，其中
無基極引線的光電三極管，用于對信號進行光電處理；圖2為所設(shè)計的光電轉(zhuǎn)換電
路。在外加電壓VCC二12V下，當(dāng)光照射光電三極管時就有光電流i產(chǎn)生，光電流i的
大小與光照強度有關(guān)，在微弱光照輻射下，光電流大小約為幾十微安。此時選擇電阻R1
和R2的阻值大小要合適。若阻值太大，則電阻消耗太多電壓，此時光電三極管集電極與
發(fā)射極間電壓太低，光電三極管不能正常工作；若R1和R2阻值太小，輸出電壓v不夠
大，這樣不便測量數(shù)據(jù)。Rl為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)其阻值可以使電路工作在最佳狀態(tài)。
信號放大處理模塊，其利用放大電路對光電探測器的輸出信號進行放大；由于直接 采用前面的光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓不夠理想，需要進一步作放大處理；根據(jù)集成運放 的特點及本放大系統(tǒng)參數(shù)要求，設(shè)計出如圖3所示放大電路。
LM324:雙列直插式封裝四輸入集成運算放大器，其工作電壓i5V 。
R5和R6為反饋支路，反饋類型為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，加入負(fù)反饋，是為了使運放工 作在線性區(qū)域，減小非線性失真，從而使系統(tǒng)的性能大大改善，達到設(shè)計目的。
R3為平衡電阻，取R3-R4/Z(R5+R6)，用以減小輸入失調(diào)電流。
C為濾波電容，取C-2,2;/F，根據(jù)運放的虛短和虛斷的性質(zhì)，得出放大電路的放大
倍數(shù) ；"^，調(diào)節(jié)R6的阻值改變電路的放大倍數(shù)，根據(jù)實際的需要選擇電阻 阻值R4=10kQ， R5=51kQ， R6max=100kQ，調(diào)節(jié)R6-60kQ，得出放大倍數(shù)為A-12.1 ， 取113=^14//(115+116)= 10kQ。將所設(shè)計的電路圖進行電路連接及電路調(diào)試后，實現(xiàn)了放 大電路在零輸入(Vin-O)時輸出信號也為零(Vout-O)，開啟監(jiān)測光源，通過實驗測量得到 放大電路的輸出范圍變化為0 — 2.92V，而理論上計算得到的輸出電壓最大值 為.23"2.一2.78V，其誤差為5%，足以滿足設(shè)計要求。
A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于對放大后的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為監(jiān)控計算機能 夠識別的數(shù)字信號；因為信號調(diào)理電路傳送來的信號是模擬量，所以就必須對這些模擬 信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為監(jiān)控計算機能夠識別的數(shù)字信號。
本系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換與SCI串口通信都是通過定點DSP (Digital Signal Process)芯 片開發(fā)的。通過對ADC模塊進行初始化，設(shè)置ADC模塊的工作模式，即可實現(xiàn)AD轉(zhuǎn) 換功能。
圖4為本系統(tǒng)對ADC模塊進行初始化流程圖。配置ADCTRL1寄存器設(shè)置A/D采樣時 間、對轉(zhuǎn)換時間進行預(yù)定標(biāo)、設(shè)置轉(zhuǎn)換模式和排序器的工作方式；配置轉(zhuǎn)換通道寄存器 CHSELSEQn的值，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換順序；配置ADCTRL2寄存器，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換啟動方式。
對ADC模塊進行初始化后，ADC模塊便在系統(tǒng)所需要的工作模式下工作。以下為本 系統(tǒng)對ADC模塊初始化過程。
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC的排序包括兩個獨立的可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器(SEQ1 和SEQ2)，這兩個排序器可被級聯(lián)成一個可選擇16個轉(zhuǎn)換通道的排序器(SEQ)。在這兩種 工作方式下，ADC模塊都能夠進行序列轉(zhuǎn)換并進行自動排序，通過模擬輸入通道的多路 選擇器(CHESELQn)來選擇要轉(zhuǎn)換的通道。
本系統(tǒng)的光纖傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為4*4網(wǎng)絡(luò)， 一共需使用8路A/D轉(zhuǎn)換， 一個8路的模 擬轉(zhuǎn)換通道排序器即可滿足轉(zhuǎn)換需求，因此，設(shè)置ADC模塊工作在SEQ1和SEQ2方式下， 排序中的轉(zhuǎn)換個數(shù)寄存器MAXC0NVn設(shè)置為7。在系統(tǒng)監(jiān)測過程中，要求連續(xù)實時的 記錄狀態(tài)信息，在一輪的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后就開始下一次的A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置為 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，觸發(fā)源為軟件觸發(fā)。
SCI串口通信模塊，利用串口通信技術(shù)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號及時傳輸?shù)奖O(jiān)控 計算機中；利用串口通信技術(shù)將第三步驟中輸出的信號及時地傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機中，并 利用專用軟件來收集并進行數(shù)據(jù)處理與分析，監(jiān)控光纖智能結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)分析 被測者雙腳力量的大小及其空間位置分布的目的；
采用的DSP微控制器內(nèi)嵌的異步串行口(SCI)支持CPU與其它使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異 步外設(shè)之間的數(shù)字通信，通過RS-232接口可以方便地進行DSP之間或與PC機之間的 異步通信。DSP的SCI通信發(fā)送接收引腳為復(fù)用引腳，其中發(fā)送引腳SCITXD與IOPA0復(fù)用， 接收引腳與IOPA1復(fù)用，該引腳功能受I/O 口復(fù)用控制寄存器MCRA的第0位和第1 位控制，系統(tǒng)復(fù)位時作一般IO 口使用，設(shè)置MCRA寄存器的低兩位為l后，該引腳便 工作在SCI通信模式下。
SCI模塊可以工作在多處理器模式，也可以工作在SCI通信模式，在SCI通信模式 下，數(shù)據(jù)幀包括一個起始位、1-8個數(shù)據(jù)位、1個可選的奇偶校驗位和1個或兩個停止 位，每個數(shù)據(jù)位占8個SCICLK周期。本系統(tǒng)與PC串行通信，發(fā)送的數(shù)據(jù)為16位，設(shè) 置數(shù)據(jù)長度為8位， 一個有效數(shù)據(jù)分為兩次發(fā)送，無奇偶校驗，l位停止位。
內(nèi)部生成的串行時鐘由系統(tǒng)時鐘SYSCLK頻率和波特率選擇寄存器決定。串行通 信接口用16位波特率選擇寄存器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢员痪幊虨?4K多種不同的方式。 SCI波特率選擇寄存器為SCIHBUAD和SCILBUAD，前者為高位字節(jié)，后者為低位字 節(jié)，兩者連接在一起形成一個16位的波特率值用BRR表示。
內(nèi)部產(chǎn)生的串行時鐘由CLKOUT信號和兩個波特率選擇寄存器決定，SCI波特率 可以使用如下方程計算
雄=-1 (1)
SC/異步波特率x8
其適用于1^5i i ^65535的情況，如果BRR:0，則波特率計算公式如下
SC/異步波特率x8-^^^ (2)
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本系統(tǒng)與PC通信協(xié)議中波特率設(shè)置為9600b/s，代入公式(l)計算得出BRR=208H， 所以將SCIHBUAD賦值02H， SCILBUAD賦值08H。 DSP與PC硬件連接電路如圖5所示。
由于DSP采用十3.3V供電，PC機的串口電壓為5V,必須對其通信進行電平轉(zhuǎn)換， 圖3.7是系統(tǒng)設(shè)計的DSP與PC的串行通信硬件接口電路。電路采用了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的 驅(qū)動芯片進行串行通信芯片。該芯片功耗低，集成度高，+5￥供電，具有兩個接收和發(fā) 送通道，接收端R1IN與PC串口的2相接，發(fā)送端T10UT與PC串口的5相接，PC串口的5 為地接線，其與驅(qū)動芯片的地引腳VDD相連公共接地。系統(tǒng)采用了一個二極管和三個電 阻進行電平轉(zhuǎn)換，保證了電平匹配，整個接口電路簡單，可靠性高。
監(jiān)控計算機，采用配套軟件采集SCI串口通信模塊傳送的信號并進行數(shù)據(jù)處理與分 析，監(jiān)控光纖智能結(jié)構(gòu)的受力信息變化狀態(tài)，從而由分析被檢測患者雙腳施力的大小與 分布，快速判斷得出人體健康狀況或康復(fù)的效果；主要是繪制出被測者雙腳的施力大小 及空間分布圖形，便于分析腳部的施力情況。通過對信號進行編程設(shè)計，即可直接通過 PC機觀察并顯示檢測與分析結(jié)果。
利用丫0++開發(fā)軟件，主要實現(xiàn)串口設(shè)置、串口數(shù)據(jù)接受/發(fā)送、信號處理、數(shù)據(jù)存 儲等功能，流程圖如圖6所示。
綜上所述的監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖如圖7所示。

附圖1光纖智能結(jié)構(gòu)(虛線區(qū)域表示雙腳站立測試區(qū)域)
附圖2光電轉(zhuǎn)換電路圖
附圖3放大電路圖
附圖4ADC初始化流程圖
附圖5 PC-SCI通信硬件連接示意圖
附圖6軟件工作流程圖
附圖7系統(tǒng)原理示意圖
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行進一步說明 實施例一本實施例涉及一種人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，具體包括如下步驟 第一步驟被診斷者雙腳自然站立在監(jiān)測系統(tǒng)的檢測面上，通過檢測被診斷者雙腳施力 的大小及其空間位置分布，快速判斷直接給出被測者的健康或康復(fù)狀況； 第二步驟進行信號分析與處理；包括下列步驟
步驟一信號進行光電處理；依據(jù)各類光電探測器特性參數(shù)的比較以及光電探測器 的選擇原則，結(jié)合本系統(tǒng)實際要求，選擇的光電探測器為無基極引線的光電三極管； 由于光電三極管是輸出電流，為了滿足后續(xù)的電子電路中對信號進行放大處理，需 將電流輸出轉(zhuǎn)化為電壓輸出，圖2為所設(shè)計的光電轉(zhuǎn)換電路。 步驟二信號放大處理，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓不夠理想時，需要進一步作放 大處理；
根據(jù)集成運放的特點及本放大系統(tǒng)參數(shù)要求，設(shè)計出如圖3所示放大電路。 LM324:雙列直插式封裝四輸入集成運算放大器，其工作電壓± 5V 。 R5和R6為反饋支路，反饋類型為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，加入負(fù)反饋，是為了使運放工 作在線性區(qū)域，減小非線性失真，從而使系統(tǒng)的性能大大改善，達到設(shè)計目的。 R3為平衡電阻，取113=114//(115+116)，用以減小輸入失調(diào)電流。
C為濾波電容，取C-2.2/zF。
根據(jù)運放的虛短和虛斷的性質(zhì)，得出放大電路的放大倍數(shù)"^"= +1—，調(diào)節(jié)
R6的阻值改變電路的放大倍數(shù)，根據(jù)實際的需要選擇電阻阻值R4=10kQ， R5=51kQ， R6max=100kQ，調(diào)節(jié)R6-60kD，得出放大倍數(shù)為八=12.1 ，取R3二R4〃(R5+R6一 10kQ。 根據(jù)所設(shè)計的電路圖進行電路連接及電路調(diào)試后，實現(xiàn)了放大電路在零輸入(Vin-O)時輸 出信號也為零(Vout-O)，開啟監(jiān)測光源，通過實驗測量得到放大電路的輸出范圍變化為O 一2.92V，而理論上計算得到的輸出電壓最大值為0.23"2.H2.78V，其誤差為5%，能夠 滿足設(shè)計要求。
步驟三A/D轉(zhuǎn)換；因為信號調(diào)理電路輸出的信號是模擬量，所以就必須對這些模 擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為監(jiān)控計算機能夠識別的數(shù)字信號。
本儀器系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換與SCI串口通信都是通過定點DSP芯片開發(fā)的。 通過對ADC模塊進行初始化，設(shè)置ADC模塊的工作模式，即可實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換功能。
圖4為本系統(tǒng)對ADC模塊進行初始化流程圖。配置ADCTRL1寄存器設(shè)置A/D采樣時 間、對轉(zhuǎn)換時間進行預(yù)定標(biāo)、設(shè)置轉(zhuǎn)換模式和排序器的工作方式；配置轉(zhuǎn)換通道寄存器 CHSELSEQn的值，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換順序；配置ADCTRL2寄存器，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換啟動方式。 第三步驟串口通信；利用串口通信技術(shù)將第三步驟中輸出的信號及時地傳輸?shù)奖O(jiān)控計 算機中，并利用自行編制的軟件來收集并進行數(shù)據(jù)處理與分析，監(jiān)控光纖智能結(jié)構(gòu)的狀 態(tài)，從而達到分析雙腳力量的大小及其空間位置分布的目的；
步驟一采用DSP微控制器內(nèi)嵌的異步串行口(SCI)支持CPU與其它使用標(biāo)準(zhǔn)格式 的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信，通過RS-232接口可以方便地進行DSP之間或與PC機之
間的異步通信。
步驟二軟件進行信號分析與處理。
該步驟主要是繪制出被測者雙腳的力的大小及空間分布圖形，根據(jù)信號的分布與大 小，快速給出被測者健康或康復(fù)狀況。通過對信號進行編程設(shè)計，即可直接通過PC機 實時觀察并顯示監(jiān)測與分析結(jié)果，監(jiān)測系統(tǒng)具有智能化。
權(quán)利要求
1、基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括檢測面，其中被檢測患者雙腳自然站立在監(jiān)測系統(tǒng)的所述檢測面上，通過檢測被測者雙腳施力的大小及其力空間位置分布情況，快速判斷得出人體健康狀況或康復(fù)的效果與程度；腳部施力信號捕獲單元，其中，所述腳部施力信號捕獲單元基于光纖智能結(jié)構(gòu)，當(dāng)被檢測者腳部對光纖智能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用時，光纖智能結(jié)構(gòu)的輸出信號能夠反映兩只腳施力平衡情況；具體包括8路光纖和集成化LCD光源陣列；8路光纖，所述8路光纖正交排列埋入復(fù)合材料中，使其與復(fù)合材料完全耦合，所述8路光纖一方面進行傳光，另一方面，當(dāng)腳部對光纖智能結(jié)構(gòu)狀態(tài)有作用時，光強信號發(fā)生變化，此時所述8路光纖具有傳感功能；集成化LCD光源陣列，用于均勻照射所述8路光纖中的每單根光纖，使得能夠根據(jù)光纖智能結(jié)構(gòu)中多根光纖的輸出信號來捕獲人體雙腳腳部的施力信號；信號分析與處理單元，所述信號分析與處理單元包括無基極引線的光電三極管、信號放大處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI串口通信模塊和監(jiān)控計算機，其中無基極引線的光電三極管，用于對信號進行光電處理；信號放大處理模塊，其利用放大電路對光電探測器的輸出信號進行放大；A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于對放大后的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為監(jiān)控計算機能夠識別的數(shù)字信號；SCI串口通信模塊，利用串口通信技術(shù)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號及時傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機中；監(jiān)控計算機，采用配套軟件采集SCI串口通信模塊傳送的信號并進行數(shù)據(jù)處理與分析，監(jiān)控光纖智能結(jié)構(gòu)的受力信息變化狀態(tài)，從而由分析被檢測患者雙腳施力的大小與分布，快速判斷得出人體健康狀況或康復(fù)的效果；
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，所述8路光纖靈敏度高，抗干擾性強，具有較強的適應(yīng)性；
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，所述監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)τ诒粶y者的人體健康狀況或康復(fù)期患者康復(fù)效果進行 快速監(jiān)測與分析；
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，監(jiān)測系統(tǒng)采用配套的軟件實現(xiàn)人體健康與康復(fù)監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明所述的是一種新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，它涉及到光纖智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工藝等問題；同時涉及信號處理方法；主要是對光纖智能結(jié)構(gòu)的受力信息變化進行信息處理，其特點是采用神經(jīng)元作為傳感元件，患者雙腳對光纖智能結(jié)構(gòu)施加壓力，光纖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知壓力變化并導(dǎo)致光纖中光強的變化，系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；通過控制電路將信號進行放大分析處理，傳輸?shù)街骺刂朴嬎銠C中，利用軟件分析信號的變化，得出患者雙腳力量的大小和分布情況，可直接通過PC機觀察并顯示檢測與分析結(jié)果。本發(fā)明所述監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確實現(xiàn)人體健康或康復(fù)檢測，監(jiān)測系統(tǒng)采用了自動化和智能化的高科技檢測技術(shù)，具有可靠性好、成本低、易操作等特點。
文檔編號A61B10/00GK101352335SQ20081015704
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者俞曉磊, 偉 李, 鵬 李, 汪東華, 王開圣, 趙志敏, 陳玉明 申請人:南京航空航天大學(xué);江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院