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基於阿茲海默症患者的感應報警器創新設計

來源 : 中國醫療設備 2018第5期
update : 2018/07/11
引言
阿茲海默症(Alzheimer disease,AD),也稱為老年癡呆症,是一種起病隱匿的進行性發展的神經系統退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現為特徵,病因迄今未明[1]。由於行為上的障礙,阿茲海默症患者容易毫無徵兆地在夜裡頻繁“出走”,極易發生走失,這威脅到患者的生命安全。為了避免這個狀況發生,監護人擔心老人出走,需要時不時地監控患病老人的動態,監護人夜晚不敢深睡,直接影響到了監護人的起居和精神狀態。因此,用便捷方式監測老人夜間的行動非常必要。而目前市場上並沒有成熟的商品用於監控阿茲海默症患者的動態,近年來國內外在這方面的研究主要專注于阿茲海默症的治療[2-5]。而在監護方面,傳統的人工監護仍是主流。即使在不久的將來,這類設備得以問世,也必然需要昂貴的代價來換取。

基於上述情況,我們設計了一種感應報警裝置。本裝置佩戴於患者鞋底,實物圖,見圖1。通過壓力感測器對患者的行動進行檢測,設定好壓力後,壓力感測器即時採集並將資訊傳遞給單片機,經過單片機系統信號處理,將所需資訊通過藍牙傳給手機端,手機端記錄並顯示患者行走的步數,當步數達到預設值後實現報警。本裝置在保障患病老人安全的基礎上減去了大部分的家庭護理開銷,減輕了監護人的工作量與起夜壓力。

圖1 感應報警器實物圖

1 設計路線和實現
本系統由電源電路、感應電路和控制電路組成[6]。感應電路包括壓力感測器電路、信號放大電路、A/D 轉換電路,控制電路主要包括單片機電路和藍牙電路(圖2)。其中電源採用USB 供電方式,USB 介面供電方便程式調試。

圖2 電路結構框圖

1.1 感應報警原理
電源供電,使用YZC-161B 半橋感測器對患者夜間行動產生的重力信號進行線性放大,再經A/D 轉換為電信號後傳送到單片機進行處理,後經藍牙電路將信號無線傳輸給手機端[7],手機端實現記步功能,最後判斷是否啟動報警。

1.2 電路設計
1.2.1 感應電路設計
本裝置使用YZC-161B 半橋感測器。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡,從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關。原理如下:

則電橋輸出為:

通過對壓力感測器[8] 與電阻應變式感測器比較分析,還考慮到振動和衝擊分量,以及避免超重損壞感測器,所以感測器量程必須大於額定稱重5 kg。

關於AD 數模信號的轉換,我們使用了HX711 晶片[9]。這是一款高精度的24 位元A/D 轉換器晶片,具有集成度高、回應速度快、抗干擾性強等優點。感應電路原理圖, 見圖3。

圖3 感應電路原理圖

1.2.2 控制電路設計
本設計由STC89C52 單片機[10] 電路和藍牙電路組成,該電路作為整個系統功能實現的核心單元。控制電路原理圖,見圖4[11]。

圖4 控制電路原理圖

當老人行走時,原始信號經過感應電路的一系列處理,將類比信號轉換為電信號後,本裝置開始工作。本裝置採用STC89C52 處理器,這是是STC 公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器[12],具有8 K 位元組系統可程式設計Flash 記憶體,擁有全雙工串列口。空閒模式下,CPU 停止工作,允許RAM、計時器/ 計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下,RAM 內容被保存。這些特性滿足感應報警裝置系統的要求。內部電路設計採用C 語言編寫,可完成壓力感應監控[13-14]、壓力比較計算、藍牙信號傳輸控制等功能。

2 軟體設計
本設計包括單片機中運行的下位機程式和安卓手機中運行的上位機程式兩部分。

2.1 單片機下位機程式
本軟體系統包括:主程序、資料獲取及處理常式、串列口通信程式[15]。
單片機與藍牙之間的通信採用串列口方式1。在具體操作串列口之前,需要對單片機的一些與串口有關的特殊功能寄存器進行初始化設計。當採集到的信號數位化後,資料被寫入SBUF 寄存器後,單片機自動開始從起始位元發送資料,發送到停止位元的開始時,由內部硬體將T1 置1,向CPU 申請中斷。用軟體置REN 為1 時,檢測到RXD 引腳輸入電平發生負跳變時,則說明起始位有效,將其移入輸入移位暫存器,並開始接收這一幀資訊的其餘位元。這樣就實現了單片機與藍牙之間的串列口通信。

藍牙串口模組用於把串口轉換為藍牙,它主要的功能是取代串口線。單片機接上藍牙模組的從機,可以和手機的藍牙適配器配對通信,使得單片機和手機之間虛擬了一根串口線,可以進行串口通信。

本設計能實現資料無線傳輸方式。在老人下床後,本裝置開始工作。老人每行走一步,單片機都能將資料通過藍牙傳給手機端,在手機端實現計步並顯示及報警功能(圖5)

圖5 單片機程式框圖

2.2 手機上位機程式
上位機程式是指運行在安卓智慧手機[16] 微處理器中的程式,用來接收下位機傳輸來的資料。使用了最新推出的Android Studio 開發環境[17],該開發環境功能完善、比較容易上手。考慮到房間的大小(4.8 m×3.6 m)和老人單步行走的距離為350 mm 左右,我們將閾值設保守值為“20”,也就是說老人走出20 步默認為已離開。主程序框圖,見圖6。軟體介面,見圖7。

圖6 手機端主程序框

圖7 軟體介面

3 總結與展望
我們對測試者進行編號,分別記錄腳自然垂放狀態下手機應用計步情況(計步/ 不計步;正常情況下,腳自然垂放不計步),比較實際行走步數和手機介面步數,並觀察手機端的報警情況(報警預設為20 步)。測試結果,見表1。

表1 測試結果

表中結果顯示,腳自然垂放不計步,實際步數與系統感應步數一致;當步數達預設值時,手機端響鈴報警。結果符合設計目標,能夠精確感應患者的即時動態,具有時效性,滿足大眾需要。

本研究結果在市面上有很好的應用前景:當老年癡呆患者離開床時,感應器會捕捉移動信號經單片機處理由藍牙無線輸給手機端,從而引起響鈴報警,提醒監護人前來照顧患者,避免病人夜起的各種危害。本感應報警器的主要特點:① 資訊無線傳輸取代線纜傳輸,實現短距離內不同空間的快速互連;② 採用較薄的感測器,在實用性上有一定的成效;③ 設計了匹配的手機應用軟體,符合使用者需求。

[參考文獻]
[1] 魏冉磊,宋朝春,楊明耀.老年性阿茲海默症發病機制與其果蠅模型[J].中國生物化學與分子生物學報,2015,(9):914-920.
[2] Brueggen K,Kasper E,Ochmann S,et al.Cognitive rehabilitation in Alzheimer’s disease: A controlled intervention trial[J].J Alzh Dis Jad,2017.
[3] Hardy J,Selkoe DJ.The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease: Progress and problems on the road to therapeutics[J].Science,2002,297(5580):353-356.
[4] 顧亦婷,顧海.阿茲海默症中西醫辨證治療[J].遼寧中醫藥大學學報,2015,(8):139-141.
[5] Corder EH,Saunders AM,Strittmatter WJ,et al.Gene dose of apolipoprotein E type 4 allele and the risk of Alzheimer’s disease in late onset families[J].Science,1993,5123(5123):921-923.
[6] 吳建華,李華.電路原理[M].北京:機械工業出版社,2013.
[7] 徐秀林,蔣奇永,嚴榮國,等.基於藍牙通信的等長肌力測試儀的設計[J].中國生物醫學工程學報,2011,30(6):897-903.
[8] 羅兆榮,張建祥,朱政.基於單片機的壓力感測器信號放大板FCT系統[J].自動化技術與應用,2015,34(7):108-112.
[9] 吳瑋瑋.基於單片機的電子秤系統設計[J].機械與電子, 2016,34(5):46-48.
[10] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2009.
[11] 及力.Protel99SE原理圖與PCB設計教程[M].北京:電子工業出版社,2004.
[12] 倪青.8位CMOS微控制器HR6P73PGDA的設計驗證[D].上海:華東師範大學,2006.
[13] Feiler S,Friedrich B,Schöller K,et al.Standardized induction of subarachnoid hemorrhage in mice by intracranial pressure monitoring[J].J Neurosci Methods,2010,190(2):164-170.
[14] 韓成春,唐翔.壓力感測器線上狀態監測裝置研發[J].測控技術,2015,34(11):130-134.
[15] 王志宏.單片機與PC機的串口通訊[J].現代電子技術,2000,(12):68-69.
[16] 李寧.Android開發權威指南[M].北京:人民郵電出版社,2013.
[17] 施威銘.Android APP開發入門:使用Android Studio環境[M].北京:機械工業出版社,2016.