專利名稱：基于光纖智能結構的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
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構的，涉及到光 纖智能結構的設計和工藝等問題；同時涉及信號處理方法，主要是對光纖智能結構的受 力信息進行信息處理，因為光纖智能結構的信息是承載有外部信息的，通過分析智能結 構的光纖神經網絡信息變化實現(xiàn)人體健康或康復快速檢測。 背景技術：
隨著社會經濟的發(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 早期預測與康復期的康復效果檢測已引起了廣泛重視。目前，已出現(xiàn)了一些康復檢測 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?？v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擔，技術實現(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。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狀況
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的第一個問題是設計光纖智能結構，該光纖智能結構的主要功能是傳 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 健康與康復狀況。
為了達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明第一個技術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構，當 被檢測者腳部對光纖智能結構產生作用時，光纖智能結構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合材料中，使其與復合材料完全耦合，所
述8路光纖一方面進行傳光，另一方面，當腳部對光纖智能結構狀態(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
光纖智能結構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為所設計的光電轉換電
路。在外加電壓VCC二12V下，當光照射光電三極管時就有光電流i產生，光電流i的
大小與光照強度有關，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，這樣不便測量數據。Rl為可調電阻，調節(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 采用前面的光電轉換電路輸出的電壓不夠理想，需要進一步作放大處理；根據集成運放 的特點及本放大系統(tǒng)參數要求，設計出如圖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)負反饋，加入負反饋，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，達到設計目的。
R3為平衡電阻，取R3-R4/Z(R5+R6)，用以減小輸入失調電流。
C為濾波電容，取C-2,2;/F，根據運放的虛短和虛斷的性質，得出放大電路的放大
倍數 ；"^，調節(jié)R6的阻值改變電路的放大倍數，根據實際的需要選擇電阻 阻值R4=10kQ， R5=51kQ， R6max=100kQ，調節(jié)R6-60kQ，得出放大倍數為A-12.1 ， 取113=^14//(115+116)= 10kQ。將所設計的電路圖進行電路連接及電路調試后，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%，足以滿足設計要求。
A/D轉換模塊，用于對放大后的信號進行A/D轉換，將模擬信號轉化為監(jiān)控計算機能 夠識別的數字信號；因為信號調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轉換，將模擬信號轉化為監(jiān)控計算機能夠識別的數字信號。
本系統(tǒng)中的A/D轉換與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，設置ADC模塊的工作模式，即可實現(xiàn)AD轉 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寄存器設置A/D采樣時 間、對轉換時間進行預定標、設置轉換模式和排序器的工作方式；配置轉換通道寄存器 CHSELSEQn的值，設置A/D轉換順序；配置ADCTRL2寄存器，設置A/D轉換啟動方式。
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。
模數轉換模塊ADC的排序包括兩個獨立的可選擇8個模擬轉換通道的排序器(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)來選擇要轉換的通道。
本系統(tǒng)的光纖傳感神經網絡設計為4*4網絡， 一共需使用8路A/D轉換， 一個8路的模 擬轉換通道排序器即可滿足轉換需求，因此，設置ADC模塊工作在SEQ1和SEQ2方式下， 排序中的轉換個數寄存器MAXC0NVn設置為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轉換結束后就開始下一次的A/D轉換，A/D轉換模塊設置為 連續(xù)轉換模式，觸發(fā)源為軟件觸發(fā)。
SCI串口通信模塊，利用串口通信技術所述A/D轉換模塊輸出的信號及時傳輸到監(jiān)控 計算機中；利用串口通信技術將第三步驟中輸出的信號及時地傳輸到監(jiān)控計算機中，并 利用專用軟件來收集并進行數據處理與分析，監(jiān)控光纖智能結構的狀態(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微控制器內嵌的異步串行口(SCI)支持CPU與其它使用標準格式的異 步外設之間的數字通信，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)送接收引腳為復用引腳，其中發(fā)送引腳SCITXD與IOPA0復用， 接收引腳與IOPA1復用，該引腳功能受I/O 口復用控制寄存器MCRA的第0位和第1 位控制，系統(tǒng)復位時作一般IO 口使用，設置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，數據幀包括一個起始位、1-8個數據位、1個可選的奇偶校驗位和1個或兩個停止 位，每個數據位占8個SCICLK周期。本系統(tǒng)與PC串行通信，發(fā)送的數據為16位，設 置數據長度為8位， 一個有效數據分為兩次發(fā)送，無奇偶校驗，l位停止位。
內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，數據傳輸的速度可以被編程為64K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。
內部產生的串行時鐘由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)
16
本系統(tǒng)與PC通信協(xié)議中波特率設置為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換， 圖3.7是系統(tǒng)設計的DSP與PC的串行通信硬件接口電路。電路采用了符合RS-232標準的 驅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據處理與分 析，監(jiān)控光纖智能結構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計，即可直接通過 PC機觀察并顯示檢測與分析結果。
利用丫0++開發(fā)軟件，主要實現(xiàn)串口設置、串口數據接受/發(fā)送、信號處理、數據存 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光纖智能結構(虛線區(qū)域表示雙腳站立測試區(qū)域)
附圖2光電轉換電路圖
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
以下結合實施例對本發(fā)明的技術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；依據各類光電探測器特性參數的比較以及光電探測器 的選擇原則，結合本系統(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 將電流輸出轉化為電壓輸出，圖2為所設計的光電轉換電路。 步驟二信號放大處理，當光電轉換電路輸出的電壓不夠理想時，需要進一步作放 大處理；
根據集成運放的特點及本放大系統(tǒng)參數要求，設計出如圖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)負反饋，加入負反饋，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，達到設計目的。 R3為平衡電阻，取113=114//(115+116)，用以減小輸入失調電流。
C為濾波電容，取C-2.2/zF。
根據運放的虛短和虛斷的性質，得出放大電路的放大倍數"^"= +1—，調節(jié)
R6的阻值改變電路的放大倍數，根據實際的需要選擇電阻阻值R4=10kQ， R5=51kQ， R6max=100kQ，調節(jié)R6-60kD，得出放大倍數為八=12.1 ，取R3二R4〃(R5+R6一 10kQ。 根據所設計的電路圖進行電路連接及電路調試后，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 滿足設計要求。
步驟三A/D轉換；因為信號調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轉換，將模擬信號轉化為監(jiān)控計算機能夠識別的數字信號。
本儀器系統(tǒng)中的A/D轉換與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，設置ADC模塊的工作模式，即可實現(xiàn)AD轉換功能。
圖4為本系統(tǒng)對ADC模塊進行初始化流程圖。配置ADCTRL1寄存器設置A/D采樣時 間、對轉換時間進行預定標、設置轉換模式和排序器的工作方式；配置轉換通道寄存器 CHSELSEQn的值，設置A/D轉換順序；配置ADCTRL2寄存器，設置A/D轉換啟動方式。 第三步驟串口通信；利用串口通信技術將第三步驟中輸出的信號及時地傳輸到監(jiān)控計 算機中，并利用自行編制的軟件來收集并進行數據處理與分析，監(jiān)控光纖智能結構的狀 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微控制器內嵌的異步串行口(SCI)支持CPU與其它使用標準格式 的異步外設之間的數字通信，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，根據信號的分布與大 小，快速給出被測者健康或康復狀況。通過對信號進行編程設計，即可直接通過PC機 實時觀察并顯示監(jiān)測與分析結果，監(jiān)測系統(tǒng)具有智能化。
權利要求
1、基于光纖智能結構的新型人體健康監(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構，當被檢測者腳部對光纖智能結構產生作用時，光纖智能結構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合材料中，使其與復合材料完全耦合，所述8路光纖一方面進行傳光，另一方面，當腳部對光纖智能結構狀態(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，使得能夠根據光纖智能結構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轉換模塊，用于對放大后的信號進行A/D轉換，將模擬信號轉化為監(jiān)控計算機能夠識別的數字信號；SCI串口通信模塊，利用串口通信技術所述A/D轉換模塊輸出的信號及時傳輸到監(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據處理與分析，監(jiān)控光纖智能結構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的效果；
2、 根據權利要求1所述的基于光纖智能結構的新型人體健康監(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，具有較強的適應性；
3、 根據權利要求1所述的基于光纖智能結構的新型人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，所述監(jiān)測系統(tǒng)能夠對于被測者的人體健康狀況或康復期患者康復效果進行 快速監(jiān)測與分析；
4、根據權利要求1所述的基于光纖智能結構的新型人體健康監(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構的設計和工藝等問題；同時涉及信號處理方法；主要是對光纖智能結構的受力信息變化進行信息處理，其特點是采用神經元作為傳感元件，患者雙腳對光纖智能結構施加壓力，光纖神經網絡感知壓力變化并導致光纖中光強的變化，系統(tǒng)將光信號轉變?yōu)殡娦盘枺煌ㄟ^控制電路將信號進行放大分析處理，傳輸到主控制計算機中，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果。本發(fā)明所述監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速準確實現(xiàn)人體健康或康復檢測，監(jiān)測系統(tǒng)采用了自動化和智能化的高科技檢測技術，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;江蘇省產品質量監(jiān)督檢驗研究院