基于醫(yī)療可穿戴設(shè)備中脈搏跳動監(jiān)控系統(tǒng)和5G的研究

（天水師范學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，甘肅天水市，741000）劉宇軒

隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算的高速發(fā)展，地域偏遠(yuǎn)、資源匱乏的地區(qū)也可利用5G技術(shù)去完善醫(yī)療資源。未來醫(yī)療可穿戴設(shè)備領(lǐng)域?qū)?G的優(yōu)點，通過目前先進(jìn)的大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等技術(shù)手段將佩戴者的信息和身體相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍⒁粋€屬于佩戴者的個性化檔案，醫(yī)學(xué)上的可穿戴設(shè)備基于5G的基礎(chǔ)上傳感器更加靈敏、傳輸數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析完善、操作高效。這樣可以簡化就醫(yī)的流程，可以實行隨時就醫(yī)。本文將從5G在醫(yī)療可穿戴設(shè)備當(dāng)中的脈搏跳動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方面，淺談發(fā)展前景與應(yīng)用場景。

1 醫(yī)療可佩戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點

5G醫(yī)療可穿戴設(shè)備最關(guān)鍵的部分其實是內(nèi)置傳感器，集成芯片，可穿戴織物，無線通信設(shè)備，移動終端和后臺存儲與預(yù)警系統(tǒng)等部件組成，對佩戴者的生理和病理信息進(jìn)行智能交互。相比傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備來看，醫(yī)療可穿戴設(shè)備具有重量輕，體積小，可攜帶性與實時性強(qiáng)，并且穿戴舒適，操作簡便，方便維護(hù)等優(yōu)點。

2.5G技術(shù)下的醫(yī)療可佩戴設(shè)備的優(yōu)勢

2.1 現(xiàn)階段醫(yī)療可穿戴設(shè)備的不足

2.1.1傳輸

由于目前市面上并沒有大范圍普及5G通信，雖然4G應(yīng)用的傳輸速率和圖像像素已經(jīng)可以滿足當(dāng)今大部分人類的生活，尤其是接入了衛(wèi)星通信后，4G有著更加豐富的通訊形式。但是在4G信號的傳輸中，難免會受到建筑和地貌等復(fù)雜的環(huán)境因素的干擾，比如在醫(yī)院，工廠等較封閉的場所，信號往往很弱；在某些特定場所會開啟信號屏蔽或者干擾器。抗干擾能力弱的特性就導(dǎo)致了醫(yī)療可穿戴設(shè)備在佩戴者活動中很有可能會受到環(huán)境的干擾；甚至在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)因為較低的基站覆蓋率，導(dǎo)致信號質(zhì)量較差甚至信號中斷。這就讓利用醫(yī)療可穿戴設(shè)備實現(xiàn)人與醫(yī)院共享醫(yī)療資源的愿景無法順利實現(xiàn)。

2.1.2 隱私安全

目前對于無線傳輸?shù)倪^程當(dāng)中極易因為傳輸?shù)木嚯x過遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致信號逐漸衰弱，容易讓基站沒辦法探測到信號。而且在信號的傳輸過程當(dāng)中，未加密的相關(guān)信息容易被竊取和偷聽。萬一遇到磁場較強(qiáng)的地段，信號會受到干擾導(dǎo)致紊亂。這樣大大降低了信號傳輸?shù)男屎途_度。

2.1.3 大眾化

據(jù)目前各方面數(shù)據(jù)來看，醫(yī)療可穿戴設(shè)備對智能手機(jī)等設(shè)備存在固定的依賴性。而且對于一些特定人群，比如老人與小孩這些未必都配備有智能手機(jī)等設(shè)備的人群時，很難做到醫(yī)療可穿戴設(shè)備的大面積普及。

2.1.4 專業(yè)化

目前市場上最多見的可穿戴設(shè)備大多數(shù)是手環(huán)，手表類。但是它們并不能算作醫(yī)療可穿戴設(shè)備，頂多算個健康管理評估設(shè)備。因為這些設(shè)備都沒有做到像醫(yī)院的那種大型檢測設(shè)備那樣足夠的專業(yè)，它們的也就只算作參考數(shù)據(jù)。并且要想做到數(shù)據(jù)分析，還是得長期的數(shù)據(jù)監(jiān)控與測定，很難做到及時反饋身體健康問題。所以這些設(shè)備的不準(zhǔn)確性，導(dǎo)致依然有很多人還是選擇去醫(yī)院接受專業(yè)的檢查。

2.2 5G技術(shù)下的醫(yī)療可佩戴設(shè)備的優(yōu)勢

5G+智能可穿戴設(shè)備，采用ICN、DZD、大數(shù)據(jù)分析，云計算等技術(shù)，利用生物傳感器將生物物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)化為電信號來監(jiān)測生物物質(zhì)的各項指標(biāo)，將生物、化學(xué)、物理以及醫(yī)療和電子技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)相互滲透，具備低成本、低耗能、高速率、高接入、范圍廣、性能高等諸多優(yōu)勢，應(yīng)用于醫(yī)療方面可極大的減輕醫(yī)院的負(fù)擔(dān)。配備5G技術(shù)的醫(yī)療可穿戴設(shè)備比傳統(tǒng)的接受信息的速度更加快，更加及時。使用者只需將設(shè)備佩戴，接觸到皮膚，即可顯示出身體各項指標(biāo)，并在同一時間傳輸給健康服務(wù)平臺系統(tǒng)。當(dāng)使用者就診時，其所有的歷史就診記錄、檢查治療信息及其智能可穿戴設(shè)備更新的一系列信息都會通過系統(tǒng)反饋給醫(yī)師，提供個性化服務(wù)。在實施急救的時候，對于患者，時間就是生命。這時候醫(yī)療可穿戴設(shè)備在檢測到佩戴者的身體狀況出現(xiàn)問題時，可以通過傳感器傳輸給5G云端，將醫(yī)院的急救措施和相關(guān)語言上的操作快速傳送給佩戴者。這樣大大降低了傷亡率。并且在傳輸相關(guān)圖片時也是特別清晰，可以大大避免操作失誤。而且在接收和發(fā)射信號的時候，不易受到氣候，環(huán)境等一系列因素的影響，大大增加了可穿戴設(shè)備的抗干擾能力。在監(jiān)控質(zhì)量與力度上，可以通過5G技術(shù)將佩戴者的信息與身體各方面指標(biāo)通過客戶端建立個人檔案，然后傳輸?shù)结t(yī)院。這樣，身體的狀況可以由醫(yī)院來監(jiān)控，還可以通過各種數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)模型等對身體狀況進(jìn)行更加專業(yè)，更加科學(xué)的評估。也可以從某種意義上來說，可以避免醫(yī)療可穿戴設(shè)備對智能手機(jī)的依賴。

3 脈搏跳動監(jiān)控的開發(fā)

脈搏檢測到的脈沖圖含有許多診斷價值的信息，可以用來預(yù)測人體器官和一些機(jī)能的好與壞。一般情況來說脈搏和心跳數(shù)量是大體相同的。脈搏頻率受到年齡、疾病、心情、性別等的影響，嬰兒每分鐘120—140次，幼兒每分鐘92—100次、兒童每分鐘84—97次，成年人平均每分鐘70—80次，大致范圍在每分鐘60—100次左右，都是正常健康的。另外休息和睡眠的時候脈搏跳動減慢。特別是心臟與脈搏聯(lián)系特別緊密。因此脈搏測量對有心臟方面疾病的病人來說是一個不可缺少的檢查項目。現(xiàn)今市場上有許多關(guān)于血壓、脈搏、體溫等電子儀器，體積小，使用方便，但相對的價格比較貴。

4 脈搏跳動監(jiān)控中三大核心系統(tǒng)

4.1 脈搏監(jiān)控系統(tǒng)

脈搏監(jiān)控系統(tǒng)是以壓敏陶瓷電路為核心去檢測脈搏臟跳動，脈沖信號經(jīng)過放大器時將會被放大，然后傳入51單片機(jī)中處理信息，將脈沖信號轉(zhuǎn)變成電信號，最終傳入報警系統(tǒng)中。

4.2 報警系統(tǒng)

經(jīng)過51單片機(jī)統(tǒng)計過的數(shù)據(jù)最終傳入到報警系統(tǒng)中，經(jīng)報警系統(tǒng)當(dāng)中的統(tǒng)計器統(tǒng)計后，再對不合理和異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速報警。

4.3 語音系統(tǒng)

通過三線串口中的PWM輸出模式，其可以對語音當(dāng)中實現(xiàn)命令控制和語音通訊。

5 系統(tǒng)的核心技術(shù)

心跳監(jiān)控系統(tǒng)，脈搏進(jìn)行連續(xù)跳動的時候不斷將脈沖信號擴(kuò)散，然后壓敏陶瓷和一些對壓力信號接受較良好的傳感器可以接收到這些脈沖信號。再由壓敏陶瓷電路檢測到的脈沖信號傳入放大器中，將放大后的脈沖信號傳入51單片機(jī)中處理后轉(zhuǎn)變成電信號再傳入報警系統(tǒng)當(dāng)中。

當(dāng)厚膜感受到外界壓力后，則內(nèi)部的的導(dǎo)電粒子在接觸程度上發(fā)生了改變，進(jìn)而改變了電阻的阻值。一般情況下，陶瓷壓敏電阻所受到的壓力是與電阻變化的阻值成正比例關(guān)系的。

當(dāng)陶瓷基底受力發(fā)生擠壓時，此時R2和R4被壓縮，則相應(yīng)的阻值減小；而R1和R3受到了牽扯力，阻值增大。這樣一來，整個陶瓷彈性膜片的電路發(fā)生了失衡。此時輸出電壓[2]見（1）式。

注：Vcc為輸入恒定電壓

又有厚膜電阻應(yīng)變系數(shù)公式[3]：

將（2）變?yōu)?/p>

式中εi為厚膜電阻在軸向上的微應(yīng)變。

根據(jù)對板殼學(xué)的力分析得：

由（4）式可知，當(dāng)Vcc為恒壓時，V0與壓強(qiáng)P成正比例關(guān)系。

報警系統(tǒng)報警系統(tǒng)是由計數(shù)儀和報警器兩部分組成，通過51單片機(jī)統(tǒng)計過的數(shù)據(jù)傳入到報警系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)報警系統(tǒng)中的計數(shù)器統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，一旦檢測到異常的數(shù)據(jù)，那么報警器會立馬進(jìn)行警報，另外計數(shù)器上帶有不同接口，方便人們制定不同的心跳頻率范圍，為后期的相關(guān)身體活動進(jìn)行不同的個性化檢測。

6 總結(jié)

目前醫(yī)療可穿戴設(shè)備的發(fā)展空間與前景都是不可估量的，尤其是在配備了當(dāng)下5G技術(shù)的條件下脈搏跳動監(jiān)控系統(tǒng)。目前的心跳檢測設(shè)備主要是醫(yī)院中一些體積較大的精密儀器，不利于對活動的病人進(jìn)行檢測與監(jiān)控。功能上更加強(qiáng)勁的脈搏檢測系統(tǒng)可以讓佩戴者在把控自己的身體健康數(shù)據(jù)上和與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的語音溝通上都是傳統(tǒng)醫(yī)療可佩戴設(shè)備所無法達(dá)到的高度。搭配上5G后，佩戴者可以高效、便捷的了解和控制自己的心率。當(dāng)如果將它安裝在可穿戴設(shè)備上，那么它不僅真正的可以讓人們做到了隨時可以享受就醫(yī)，還在與當(dāng)下智慧醫(yī)療系統(tǒng)的完美結(jié)合下實實在在解決了人類看病不方便，就醫(yī)困難等問題。