薛 君

(山西工程職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，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)院對其監(jiān)控，花費較大而且極不方便，造成了患者很大的心理負擔和經(jīng)濟負擔[1-3]。

針對上述問題，本文利用PVDF提取信號的便利性和PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設計了家庭遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對病人的睡眠呼吸情況實時監(jiān)控，可適用于家庭使用。與此同時，通過HINET智能網(wǎng)關(guān)與醫(yī)護機構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，及時告知值班護士，能夠快速對睡眠呼吸暫停綜合征患者采取醫(yī)療救護。

1 總體設計

本文設計的便攜式呼吸信號遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用PVDF柔性傳感器作為呼吸信號檢測裝置，利用S7-200 SMART PLC作為控制器，運用HINET智能網(wǎng)關(guān)進行網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，采用MCGS上位機組態(tài)軟件進行監(jiān)控?？傮w設計框圖如圖1所示。

如圖1所示：呼吸信號采用基于PVDF的柔性傳感器進行患者呼吸信號監(jiān)測，經(jīng)過信號調(diào)理電路對信號進行處理，把信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)用的±5 V的電壓信號后，通過S7-200 SMART PLC的模擬端進行接收，經(jīng)過PLC進行信號處理后，利用HINET智能網(wǎng)關(guān)送入internet的數(shù)據(jù)終端，在醫(yī)護機構(gòu)的監(jiān)控中心接收internet數(shù)據(jù)后，實時顯示患者的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對患者的呼吸情況實時、遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，判斷患者的身體狀況和對異常情況進行報警、救護。

圖1 總體設計框圖

2 呼吸信號的接入

依據(jù)參考文獻[4]，呼吸監(jiān)測柔性傳感器的設計采用了PVDF壓電薄膜作為信號采集端，外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

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

圖2 呼吸信號采集元件整體結(jié)構(gòu)圖

報警采用選用EM AE04模擬量輸入模塊，用于連接呼吸信號。

其呼吸電壓信號電氣設備接線圖如圖3所示。

圖3 呼吸信號接入電氣接線圖

I/O分配如下表1所示。

表1 I/O分配

在進行模擬量輸入設定時，選擇輸入類型為“電壓”，范圍“-5 V～+5 V”。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 PLC程序設計

經(jīng)過信號調(diào)理電路放大后的呼吸信號電壓送入S7-200 SMART PLC模擬信號端，對信號進行分析處理，來判讀被測者是否出現(xiàn)睡眠呼吸暫停。

在1個小時的區(qū)間之內(nèi)，如果患者出現(xiàn)5次以上呼吸暫停，則認為該患者需要及時救護[2]。以此為依據(jù)，在PLC中通過對呼吸信號進行分析，提取患者呼吸暫停次數(shù)，如果超過5次，則認為被測者出現(xiàn)睡眠呼吸暫停，進行報警。分析和處理信號的程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3.2 組態(tài)和遠程監(jiān)控設計

計算機組態(tài)軟件MCGS價格適中，對各類PLC的適用性強，在計算機監(jiān)控組態(tài)應用中得到了廣泛應用[8,9]。

本次設計的畫面包含有：呼吸波形圖、病人狀態(tài)、報警指示和呼吸暫停次數(shù)顯示。如圖5所示。

圖5 便攜式呼吸信號遠程監(jiān)控系統(tǒng)主界面

采集的呼吸信號通過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Internet傳輸?shù)结t(yī)護機構(gòu),通過MCGS上位機接收監(jiān)測信號。

4 系統(tǒng)測試

如圖6(a)所示為被測試者在腹部佩戴該呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，采取仰臥姿勢，呼吸率為19次/分鐘(該呼吸頻率為標準呼吸頻率)，進行測試。

被測者模擬呼吸暫停，當呼吸暫停次數(shù)超過5次時，上位機紅色字閃爍顯示“請及時救護”，如圖6(b)所示，并開始進行報警，提示家人和醫(yī)護人員及時救治。

圖6 呼吸監(jiān)控畫面

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檢測系統(tǒng)，創(chuàng)新地設計了親膚凝膠材質(zhì)基底、“環(huán)膜結(jié)構(gòu)”的便攜式呼吸信號檢測傳感器，采集了呼吸睡眠暫停綜合征患者的呼吸信號，通過信號調(diào)理電路把采集到的電壓信號進行放大、濾波送入S7-200 SMART PLC中進行信號分析、監(jiān)測和進行異常報警，通過HINET 智能網(wǎng)關(guān)、MCGS把睡眠呼吸信號實時送入醫(yī)護終端，實現(xiàn)了醫(yī)護機構(gòu)對呼吸睡眠暫停綜合征患者睡眠呼吸信號的實時監(jiān)控，當出現(xiàn)睡眠呼吸暫停時，可立即接收到患者方的報警信號并實時采取救護措施，使患者能夠得到及時救助。