基于PVDF傳感器的呼吸信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

薛 君

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山西 太原 030009)

0 引言

目前睡眠呼吸暫停突發(fā)情況較多，如果單純靠醫(yī)院對(duì)其監(jiān)控，花費(fèi)較大而且極不方便，造成了患者很大的心理負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1-3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用PVDF提取信號(hào)的便利性和PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病人的睡眠呼吸情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，可適用于家庭使用。與此同時(shí)，通過(guò)HINET智能網(wǎng)關(guān)與醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，及時(shí)告知值班護(hù)士，能夠快速對(duì)睡眠呼吸暫停綜合征患者采取醫(yī)療救護(hù)。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的便攜式呼吸信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用PVDF柔性傳感器作為呼吸信號(hào)檢測(cè)裝置，利用S7-200 SMART PLC作為控制器，運(yùn)用HINET智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，采用MCGS上位機(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

如圖1所示：呼吸信號(hào)采用基于PVDF的柔性傳感器進(jìn)行患者呼吸信號(hào)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成工業(yè)用的±5 V的電壓信號(hào)后，通過(guò)S7-200 SMART PLC的模擬端進(jìn)行接收，經(jīng)過(guò)PLC進(jìn)行信號(hào)處理后，利用HINET智能網(wǎng)關(guān)送入internet的數(shù)據(jù)終端，在醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)的監(jiān)控中心接收internet數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)顯示患者的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)患者的呼吸情況實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，判斷患者的身體狀況和對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警、救護(hù)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 呼吸信號(hào)的接入

依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，呼吸監(jiān)測(cè)柔性傳感器的設(shè)計(jì)采用了PVDF壓電薄膜作為信號(hào)采集端，外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從參考文獻(xiàn)[4]可知，該傳感器能夠把呼吸信號(hào)轉(zhuǎn)換成±5V的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適合用于PLC控制輸入源信號(hào)。

考慮到PLC控制器信號(hào)端的適用性和家庭監(jiān)護(hù)的成本[5-7]，本文選用了SMART 200 ST40作為控制單元。

圖2 呼吸信號(hào)采集元件整體結(jié)構(gòu)圖

報(bào)警采用選用EM AE04模擬量輸入模塊，用于連接呼吸信號(hào)。

其呼吸電壓信號(hào)電氣設(shè)備接線圖如圖3所示。

圖3 呼吸信號(hào)接入電氣接線圖

I/O分配如下表1所示。

表1 I/O分配

在進(jìn)行模擬量輸入設(shè)定時(shí)，選擇輸入類(lèi)型為“電壓”，范圍“-5 V～+5 V”。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大后的呼吸信號(hào)電壓送入S7-200 SMART PLC模擬信號(hào)端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，來(lái)判讀被測(cè)者是否出現(xiàn)睡眠呼吸暫停。

在1個(gè)小時(shí)的區(qū)間之內(nèi)，如果患者出現(xiàn)5次以上呼吸暫停，則認(rèn)為該患者需要及時(shí)救護(hù)[2]。以此為依據(jù)，在PLC中通過(guò)對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行分析，提取患者呼吸暫停次數(shù)，如果超過(guò)5次，則認(rèn)為被測(cè)者出現(xiàn)睡眠呼吸暫停，進(jìn)行報(bào)警。分析和處理信號(hào)的程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3.2 組態(tài)和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件MCGS價(jià)格適中，對(duì)各類(lèi)PLC的適用性強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控組態(tài)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用[8,9]。

本次設(shè)計(jì)的畫(huà)面包含有：呼吸波形圖、病人狀態(tài)、報(bào)警指示和呼吸暫停次數(shù)顯示。如圖5所示。

圖5 便攜式呼吸信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主界面

采集的呼吸信號(hào)通過(guò)PLC接入湖南華辰智通科技有限公司生產(chǎn)的HINET智能網(wǎng)關(guān)中，通過(guò)Internet傳輸?shù)结t(yī)護(hù)機(jī)構(gòu),通過(guò)MCGS上位機(jī)接收監(jiān)測(cè)信號(hào)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

如圖6(a)所示為被測(cè)試者在腹部佩戴該呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采取仰臥姿勢(shì)，呼吸率為19次/分鐘(該呼吸頻率為標(biāo)準(zhǔn)呼吸頻率)，進(jìn)行測(cè)試。

被測(cè)者模擬呼吸暫停，當(dāng)呼吸暫停次數(shù)超過(guò)5次時(shí)，上位機(jī)紅色字閃爍顯示“請(qǐng)及時(shí)救護(hù)”，如圖6(b)所示，并開(kāi)始進(jìn)行報(bào)警，提示家人和醫(yī)護(hù)人員及時(shí)救治。

圖6 呼吸監(jiān)控畫(huà)面

5 結(jié)論

文中提出了一種基于PVDF柔性傳感器的便攜式呼吸信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了親膚凝膠材質(zhì)基底、“環(huán)膜結(jié)構(gòu)”的便攜式呼吸信號(hào)檢測(cè)傳感器，采集了呼吸睡眠暫停綜合征患者的呼吸信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路把采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波送入S7-200 SMART PLC中進(jìn)行信號(hào)分析、監(jiān)測(cè)和進(jìn)行異常報(bào)警，通過(guò)HINET 智能網(wǎng)關(guān)、MCGS把睡眠呼吸信號(hào)實(shí)時(shí)送入醫(yī)護(hù)終端，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)對(duì)呼吸睡眠暫停綜合征患者睡眠呼吸信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)睡眠呼吸暫停時(shí)，可立即接收到患者方的報(bào)警信號(hào)并實(shí)時(shí)采取救護(hù)措施，使患者能夠得到及時(shí)救助。