蔣帥帥，周志峰

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

壓瘡是臥床病人由于局部組織長(zhǎng)期受壓，發(fā)生持續(xù)缺血、缺氧、營(yíng)養(yǎng)不良而導(dǎo)致組織潰爛壞死的一種現(xiàn)象，每年約有6萬人死于壓瘡合并癥。隨著中國(guó)逐漸步入老齡社會(huì)，長(zhǎng)期臥床的老人群體則愈加引起社會(huì)重視，同時(shí)各醫(yī)院手術(shù)治療后臥床病人也在增加，如何預(yù)防壓瘡是康復(fù)治療和護(hù)理中一個(gè)難題。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一種壓瘡預(yù)防提醒系統(tǒng)，對(duì)臥床病人和老人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高壓瘡預(yù)防的高效率和針對(duì)性，具有重要意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1為新型分布式壓瘡監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，系統(tǒng)分為陣列壓力點(diǎn)采集部分、電源管理部分、語(yǔ)音播報(bào)部分、系統(tǒng)調(diào)試接口部分。陣列壓力點(diǎn)的采集硬件上采用行列多路模擬分時(shí)切換，結(jié)合DMA讀取的方式，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻對(duì)4路壓力點(diǎn)的并行采集；通過柔性薄膜壓力采集床墊對(duì)久坐人員壓力的采集，系統(tǒng)處理感知到病人出現(xiàn)久坐或是久臥事件，則觸發(fā)語(yǔ)音提醒，告知病人及時(shí)活動(dòng)身體；當(dāng)病人離開柔性床墊時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，病人再次觸壓到床墊時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)從低功耗模式喚醒；系統(tǒng)自帶鋰電池支持充放電，便攜性強(qiáng)，也可用于辦公族的智能久坐提醒坐墊，有效避免久坐對(duì)人體產(chǎn)生的傷害。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 SOC中心控制器

人體接觸壓力的采集處理和整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)選用的嵌入式平臺(tái)為STM32F103RET6，該增強(qiáng)型MCU使用的是高性能ARM?Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到2條APB總線的外設(shè)，強(qiáng)大的外設(shè)接口和完善的庫(kù)函數(shù)，編程簡(jiǎn)單易學(xué)。

2.2 陣列壓力點(diǎn)采集電路的設(shè)計(jì)

圖2是本作品使用的柔性壓力傳感器實(shí)物圖，采用32行32列陣列式設(shè)計(jì)，1 024個(gè)獨(dú)立感應(yīng)單元分布在400 mm*400 mm的正方形之內(nèi)，每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)尺寸為8.5 mm*8.5 mm。圖2（b）中，（1）為列線，（2）為行引線，（3）為單個(gè)壓力傳感器。該款分布式壓力傳感器每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)采用獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最小干擾。陣列分布式柔性薄膜壓力傳感器是通過精密印刷工藝，將納米力敏材料、銀漿等材料轉(zhuǎn)移到柔性薄膜基材上，經(jīng)干燥固化制作而成。

圖2 柔性薄膜壓力傳感器Fig.2 Flexible film pressure sensor

本作品使用的柔性壓力傳感器在受到壓力時(shí)，電阻隨壓力增大而減小，其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，電阻倒數(shù)與壓力呈近似線性關(guān)系。

圖3是傳感器采集量化電路等效電路圖，采用的是同相比例放大電路，使用的運(yùn)放為MCP6004T，單電源供電，供電電壓為3.3 V。這里，R是單個(gè)壓力傳感器的等效電路圖，R的電導(dǎo)隨著壓力的增加而線性增加，R是反饋電阻，圖3中的a部分是參考電壓電路，使用的是REF3012參考電壓芯片，輸入3.3 V，輸出為1.25 V，經(jīng)過2個(gè)20 K的電阻分壓后產(chǎn)生0.625 V的電壓，然后連接到運(yùn)放的同相端，即運(yùn)放的同相端輸入電壓V＝0.625 V，利用理想運(yùn)放的虛短和虛斷得：

圖3 單個(gè)壓力點(diǎn)采集的等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit diagram of a single pressure pointcollection

研究可知，單個(gè)從機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1 024個(gè)壓力點(diǎn)的采集算法步驟具體如下。

（1）采集的順序是從上到下逐行地采集，將單片機(jī)GPIO口配置成推挽輸出，通過控制單片機(jī)6個(gè)GPIO口控制2片16路行多路模擬開關(guān)的片選線（如圖4中H_A_4和H_A_5）和對(duì)應(yīng)地址線（如圖4中H_A_0、H_A_1、H_A_2、H_A_3為行地址線，V_A_0、V_A_1、V_A_2為列地址線）選通，一次選通一路行引線H（0≤≤31）。首次取0，從第0行開始，后續(xù)逐行依次遞增。

圖4 1 024個(gè)陣列壓力點(diǎn)采集原理圖Fig.4 Principle diagram of 1 024 array pressure points collection

（2）同理，通過單片機(jī)的3個(gè)GPIO口控制4片8路列多路模擬開關(guān)的片選和地址線選通，一次選通4路列引線V（0≤≤31），4路對(duì)應(yīng)的下標(biāo)分別為、8、16、24（0≤≤7）。首次取0，則分別為0、8、16、24，即V、V、V、V列同時(shí)選通，后續(xù)依次遞增。

（3）結(jié)合原理圖，圖3是單個(gè)點(diǎn)采集的等效電路圖，選通的4個(gè)壓力采集點(diǎn)為（，）、（，8）、（，16）、（，24），一端經(jīng)過行多路模擬開關(guān)接地，另一端分別經(jīng)過4個(gè)列多路模擬開關(guān)接到MCP6004T內(nèi)部的4個(gè)同相放大電路的反相輸入端。

（4）本實(shí)例中采用的是壓阻式傳感器，當(dāng)壓力墊壓力發(fā)生變化，R的電導(dǎo)會(huì)隨著壓力成線性變化，（，）、（，8）、（，16）、（，24）壓力采集點(diǎn)可以等效于R。由式（1）將以上4個(gè)點(diǎn)壓阻信號(hào)經(jīng)過4個(gè)同相放大電路量化為電壓信號(hào)，送入單片機(jī)ADC的4個(gè)輸入通道中，單片機(jī)讀取保存。

（5）重復(fù)步驟（2）～（4），直到將第0行所有壓力點(diǎn)采集完成，后續(xù)逐行依次遞增。

（6）再依次重復(fù)步驟（1）和（5），直到將32行*32列、共1 024個(gè)壓力點(diǎn)采集完成。

（7）由于是對(duì)4個(gè)信號(hào)的同時(shí)采集，采用的是ADC+DMA獨(dú)立模式多通道采集的方式，DMA采用的是ADC到內(nèi)存的方式，初始化配置完成，DMA自動(dòng)將4路模擬信號(hào)采集好放到指定內(nèi)存中，不需要設(shè)置延時(shí)等待，實(shí)現(xiàn)一次同時(shí)對(duì)4路壓力點(diǎn)的并行采集。

2.3 語(yǔ)音播報(bào)電路的的設(shè)計(jì)

主控制器和SYN6288語(yǔ)音合成芯片之間通過UART接口連接，控制器可通過通訊接口向SYN6288語(yǔ)音合成芯片發(fā)送控制命令和文本，SYN6288語(yǔ)音合成芯片把接收到的文本合成為語(yǔ)音信號(hào)輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大后連接到喇叭進(jìn)行播放。系統(tǒng)組成如圖5所示。語(yǔ)音播報(bào)電路原理如圖6所示。

圖5 SYN6288系統(tǒng)組成框圖Fig.5 SYN6288 system block diagram

圖6 語(yǔ)音播報(bào)電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of voice broadcast circuit

2.4 低功耗喚醒電路的設(shè)計(jì)

低功耗喚醒原理如圖7所示。當(dāng)LM393電壓比較器的“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路，這里設(shè)計(jì)的是通過10 K上拉電阻接高電平。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接地。

圖7 低功耗喚醒原理圖Fig.7 Low-power wake-up schematic diagram

設(shè)計(jì)思路是，首先調(diào)節(jié)電位器將運(yùn)放的反相端電壓調(diào)節(jié)到0.5 V，當(dāng)人離開壓力墊時(shí)，控制器讀得陣列壓力點(diǎn)的壓力和會(huì)很微小，那么相應(yīng)運(yùn)放輸出的電壓也很小。程序里，首先將1 024個(gè)點(diǎn)的壓力求和記為_，通過判斷_的數(shù)值大小來判斷人已經(jīng)離開壓力墊，當(dāng)人離開壓力墊時(shí)則將多路模擬開關(guān)選通到（0，4）、（0，12）、（0，20）、（0，28）和（16，4）、（16，12）、（16，20）、（16，28）的壓力采集點(diǎn)（如圖8所示行列的選通的交合處），然后進(jìn)入低功耗休眠模式，單片機(jī)內(nèi)核時(shí)鐘關(guān)閉。當(dāng)人再次觸壓到壓力墊時(shí)，（0，4）和（16，4）對(duì)應(yīng)ADC0，（0，12）和（16，12）對(duì)應(yīng)ADC1，（0，20）和（16，20）對(duì)應(yīng)ADC2，（0，28）和（16，28）對(duì)應(yīng)ADC3，當(dāng)以上壓力點(diǎn)只要有一個(gè)被按壓，都會(huì)觸發(fā)比較器，輸出高電平，然后觸發(fā)單片機(jī)Wake up引腳，單片機(jī)從低功耗喚醒。

圖8 低功耗時(shí)多路開關(guān)靜態(tài)選通點(diǎn)Fig.8 Multi-channel switch static gating point at low-power consumption

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

至此，文中給出的系統(tǒng)研發(fā)結(jié)構(gòu)如圖9所示，軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖10所示。由圖10可知，首先整個(gè)控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，其次對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，當(dāng)外設(shè)初始化完成后會(huì)有語(yǔ)音提示初始化完成，然后是控制器對(duì)1024個(gè)壓力點(diǎn)的采集和處理，處理完成后進(jìn)入壓瘡語(yǔ)音提醒處理程序。當(dāng)單片機(jī)通過柔性薄膜壓力傳感器監(jiān)測(cè)到病人皮膚組織受到長(zhǎng)時(shí)間壓迫時(shí)引起久坐久臥事件，則觸發(fā)智能語(yǔ)音提醒，提示病人及時(shí)活動(dòng)一下被長(zhǎng)時(shí)間壓迫的身體部位，否則進(jìn)入靜默監(jiān)護(hù)模式；當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到病人離開坐墊時(shí)，則系統(tǒng)立刻進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)坐墊再次受到按壓時(shí)，則系統(tǒng)從低功耗模式下喚醒進(jìn)入監(jiān)護(hù)狀態(tài)。

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 System structure diagram

圖10 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖Fig.10 Flow chart of software overall design

3.2 采集數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）原始數(shù)據(jù)：根據(jù)柔性力敏傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用F（）表示陣列傳感器在坐標(biāo)（，）位置敏感單元時(shí)刻的原始采樣值，則傳感器在時(shí)刻的采樣信息（）可以用公式（2）所示的矩陣形式來表示，形式上類似于數(shù)字圖像中的2-D灰度圖像：

其中，和分別為圖像序列中行數(shù)和列數(shù)，本文中和均為32。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于震動(dòng)和電磁干擾等原因可能會(huì)產(chǎn)生一些雜點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除圖像中混入的噪聲。均值濾波是一種線性濾波算法，就是指在圖像上對(duì)目標(biāo)像素給一個(gè)模板（本次設(shè)計(jì)選取的模板尺寸為3×3，即以目標(biāo)像素為中心的周圍8個(gè)像素，構(gòu)成一個(gè)濾波模板），該模板包括了其周圍的鄰近像素，再用模板中的全體像素的平均值來代替原來像素值。研究推得的數(shù)學(xué)運(yùn)算公式為：

其中，F為原始數(shù)據(jù)；g為濾波后的數(shù)據(jù)；為該模板中包含當(dāng)前矩陣在內(nèi)的元素總個(gè)數(shù)。綜上研究可得數(shù)據(jù)預(yù)處理代碼參見圖11。

圖11 數(shù)據(jù)預(yù)處理代碼Fig.11 Data preprocessing code

3.3 壓瘡預(yù)防提醒算法的實(shí)現(xiàn)

壓瘡預(yù)防提醒算法流程見圖12。壓瘡預(yù)防提醒算法的流程為：

圖12 壓瘡預(yù)防提醒算法流程圖 Fig.12 Flow chart of pressure ulcer prevention reminding algorithm

（1）分別設(shè)置壓瘡語(yǔ)音報(bào)警提醒的監(jiān)測(cè)壓力閾值、時(shí)間清零的總的壓力波動(dòng)偏差閾值_和提醒時(shí)間閾值。

（2）初始化壓瘡監(jiān)護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)0。

（3）單片機(jī)讀取每個(gè)壓力數(shù)據(jù)F，求和得總的壓力點(diǎn)數(shù)據(jù)和為_。

（4）判斷是否病人身體與坐墊的接觸壓力_且_。

（5）如果是，那么病人身體與坐墊之間壓力大于警報(bào)監(jiān)測(cè)閾值，則判斷人在病床上，同時(shí)皮膚組織與床單之間的壓力波動(dòng)_很小，判斷一直受到壓迫，計(jì)數(shù)時(shí)間開始按每1 s加1。

（6）如果否，可能是病人暫時(shí)離開病床導(dǎo)致幾乎檢測(cè)不到壓力，或是病人自身身體翻動(dòng)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)總的壓力波動(dòng)絕對(duì)值_大于設(shè)置的壓力波動(dòng)值，所以認(rèn)為沒有產(chǎn)生壓瘡的可能，于是將壓瘡監(jiān)護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)清零。

（7）判斷計(jì)數(shù)時(shí)間是否大于語(yǔ)音提醒時(shí)間閾值。

（8）如果否，則認(rèn)為人體皮膚組織雖然受到壓迫，但時(shí)間短暫，還沒有達(dá)到觸發(fā)壓瘡語(yǔ)音提醒的閾值時(shí)間，則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（9）如果是，則認(rèn)為病人皮膚組織受到很長(zhǎng)時(shí)間的壓迫，如果再繼續(xù)壓迫，就會(huì)產(chǎn)生壓瘡，于是觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警，語(yǔ)音模塊發(fā)出壓瘡語(yǔ)音提醒，提示病人及時(shí)活動(dòng)一下被長(zhǎng)時(shí)間壓迫的身體部位。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)以久坐提醒為例，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員坐在壓瘡預(yù)防提醒墊上后，首先是系統(tǒng)低功耗檢測(cè)電路檢測(cè)到坐墊受到按壓，觸發(fā)單片機(jī)wake_up引腳，單片機(jī)立刻從低功耗休眠狀態(tài)下喚醒。當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員扭動(dòng)身體時(shí)，可通過壓瘡預(yù)防提醒算法判斷為非久坐事件，則不觸發(fā)壓瘡預(yù)防語(yǔ)音提醒；當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員坐在監(jiān)護(hù)坐墊上不晃動(dòng)身體且久坐超過50 min后，單片機(jī)通過壓瘡預(yù)防提醒算法判斷為久坐事件，則觸發(fā)語(yǔ)音提醒，提示實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)活動(dòng)一下被長(zhǎng)時(shí)間壓迫的身體部位來避免壓瘡的產(chǎn)生：當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員活動(dòng)身體，則語(yǔ)音提醒立刻關(guān)閉；當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員離開坐墊后，則坐墊監(jiān)護(hù)系統(tǒng)立刻進(jìn)入低功耗休眠模式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員再次坐下時(shí)系統(tǒng)立刻從低功耗模式喚醒進(jìn)入壓瘡預(yù)防監(jiān)護(hù)狀態(tài)。壓瘡預(yù)防提醒系統(tǒng)樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)過程如圖13所示。圖13中，（a）為開發(fā)的樣機(jī)實(shí)物圖，（b）為實(shí)驗(yàn)過程和利用壓力墊采集到的人體臀部受力大小的分布云圖。

圖13 壓瘡預(yù)防提醒系統(tǒng)樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)過程Fig.13 Prototype and experimental process of pressure sore prevention reminding system

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究是一個(gè)將醫(yī)院護(hù)理問題與傳感器感知技術(shù)結(jié)合的設(shè)計(jì)，利用該壓瘡預(yù)防提醒系統(tǒng)能夠有效地提醒醫(yī)院病人避免久坐或久臥，能夠很好地預(yù)防了壓瘡的產(chǎn)生，同時(shí)也進(jìn)一步降低了醫(yī)院的護(hù)理成本。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本適中，實(shí)用性強(qiáng)，便于攜帶，可以廣泛用于住院病人和居家病人的日常護(hù)理。