用于心脏病检测的无线体域网外文翻译资料

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用于心脏病检测的无线体域网

本文介绍了一种体域网（BAN），用于测量心电图（ECG）信号并通过蓝牙将其传输到智能手机进行数据分析。BAN采用特殊设计的平面倒F型天线（PIFA），外形小巧，采用低成本技术实现。此外，由于人体的电气特性，天线被设计成能够在身体周围进行表面波传播。 系统利用用户自己的智能手机进行数据处理，如果检测到心脏病发作，内置通信可用于发出警报。这是由为此系统开发的Android智能手机应用程序管理的。在三个真实用户案例场景中的应用证明了系统的良好功能。

1 背景

心脏病是世界上最常见的死亡原因，与心脏相关的事故的存活率与医护人员的响应时间直接有关。遭遇心肌梗塞的病人平均在症状出现后约1.5-2小时后才寻求医疗护理。通过对个体的心电信号进行长期和连续的跟踪，可以在用户寻求医学治疗之前几个小时检测到心肌梗塞（更常见的是心脏病发作）和其他致命的心脏相关功能障碍。

如图1的心电图所示，在心肌梗塞期间ST段数据明显升高，这种异常是心肌梗塞最可靠的迹象之一。文章提出的系统能够检测ST段的提高，从而使得用户的智能手机可以激活内置的全球定位系统以获得位置并立即触发紧急服务。由于世界人口中相当大一部分人都在使用智能手机，因此可以选择Android应用程序来处理数据。

图1.正常的心电信号和ST升高的信号。相关部分是P波，QRS波群和T波。心脏病发作的心电信号的另一个重要部分是ST段。ST段是QRS波群末端和T波开始之间的心电的平坦电位部分。

心肌梗塞主要由血液凝固引起，低剂量的常见的阿司匹林药丸可以作为血液稀释剂。文章提出的系统可以通知使用者服用阿司匹林药丸以防止进一步的血液凝固。迅速进行自我治疗和反应时间短减少可以显著提高存活率。

文章所提出的系统补充了当今使用的一些用于心脏问题管理的系统。一些心脏病高风险的人在他们的家中安装了按键触发的警报器。文章提出的系统具有类似的功能，但它是自动的，可以在户外使用。应用程序适用于心肺复苏训练的人员，如果附近有紧急情况，系统会自动通知这些用户。这些功能都可以轻松集成到这个系统的Android应用程序中。

本文对整个系统进行概述，给出了包含配件清单和操作示例。系统的每个部分都会进行更详细的描述。最后，提出仿真和测量结果以预测和系统的性能。

2 系统

图2.BAN的框图。天线由标准天线符号表示，物理连接用箭头标识，无线传输用同心半圆表示。

图3.组成部件：(a)电极，(b)心电信号传感器，(c)微处理器，(d)蓝牙收发器，(e)天线，(f)安卓手机。

表1.材料清单

图2展示了所提出的的系统，该系统由ECG传感器组成，该传感器使用通过胶带固定到用户胸部的电极来测量心电信号。

微处理器处理发送过来的测量结果，将处理后的数据发送到蓝牙收发器。在我们的设计中，数据通过PIFA广播发送到用户的手机。他们在一个应用程序中被接受和处理，应用程序可以显示心电信号和接收信号的强度。图3展示了系统的组成部分，表一提供了材料价格清单。电极通过标准电缆连接到ECG板，微控制器通过导线连接到ECG传感器并直接连接到收发器。除天线和电极外，所有组件都包含在装配盒中。

图4. BAN的整体。将两个电极放置在胸部上，并将一个电极放置在背部作为参考。可以看到应用程序在输出测量数据。

使用该系统时，电极通过胶带固定在使用者的胸部，装配盒放在用户胸部舒适的位置，然后将应用程序下载到Android智能手机上并启动。连接传感器后，系统即可使用，如图4所示。

2.1 传感器

传感器方案由三个电极组成，两个用于测量，一个用于参考。电极连接到一块有电路板，电路板上有滤波器和放大器，专门用于心电信号的产生（AD8232单引线心率监测仪，SparkFun Electronics，Niwot，Colorado）。

该信号由基于ATmega323微控制器（Atmel, San Jose, California）的UNO电路板（Arduino, Somerville, Massachusetts）处理。选择该微控制器的原因是它有足够的空间来储存控制收发器的代码，且功耗低。模数转换器的分辨率为10b，足以对心电信号进行采样。

图5. 传感器系统和布线的方案。三个电极连接到AD8232单引线心率监测器左侧的右臂（RA），左臂（LA）和右腿（RL）输入。

集成电路蓝牙低功耗nRF8001收发器（Nordic Semiconductor, Oslo, Norway）功率输出最大，标称值为0dBm。它通过蓝牙4.0低功耗屏蔽2.1版分线板（RedBearLab, 香港）连接到UNO电路板。收发器使用串行外围接口与UNO板通信。选择该收发器的原因是它可以很好地进行记录，并且具有良好的软件库。图5展示了传感器系统详细的方案。

2.2 Android应用程序

Android应用程序用来处理传感器发送的数据。该应用程序有两种模式：一种显示心电信号电压读数，另一种显示信号强度。用户可以通过按下按钮选择模式。随着应用程序启动，它会对设备执行扫描，并允许用户选择心电信号传感器。然后，应用程序接受并处理来自传感器的数据，将结果以图像形式显示在屏幕上。图6显示了心电信号打印输出的图像。

图6. 使用BAN测量的心电信号的应用程序的屏幕截图。读数非常类似正常的心电信号。R，S，T段可以清晰看到，且其类似于图1展示的正常的心电信号。P和Q段数值较低，但可以从图中推测出来。

2.3 天线设计

设计天线的目标是创建一个小型平面天线（不大于），具有良好的自由空间属性，可沿其放置的物体产生表面波传播。为了满足这些规范，选择了PIFA进行设计。PIFA是典型的天线，可以比通常的m/2尺寸小得多。为了实现原型天线的低成本和快速制造，该设计选择可通过手工和化学蚀刻实现的方法。因此，所有垂直金属线必须放置在天线的侧面，以便于使用而无需使用先进的机器。

为了在有限的体积内使用合适的反馈电缆，基底层的厚度限制为3mm。通过两个1.5mm厚的FR-4层压板粘合在一起来构造该层。使用的胶水是LOCTITE 431（Loctite, Duuml;sseldorf, Germany），该胶水在10MHz下的介电常数为2.92。无论使用还是不使用胶水，都可以模拟天线性能，并且可能由于胶水的厚度有限而对性能没有显著影响。这些板具有铜涂层，通过化学蚀刻除去，通过使用铜带加入馈送结构和缩短板。

为了避免天线受到人体巨大的介电负荷影响，接地平面几乎延伸到设计规格的限制值。因为缩短条必须放置在结构的侧面，所以有源元件位于正方形的一侧。这有额外的好处，即从天线的短路侧发射辐射图案（参见图7），但意味着天线不再可以自由放置。

图7. (a) E平面中的远场辐射特性和(b)归一化线性标度中的H平面，来自进行的具有和不具有介电块作为背景材料的模拟。0°是远离块的法线方向。PIFA的短边面向270°。

为了增加天线的带宽，它通过宽板馈电，将电流均匀地分布在有源元件上。在接地平面中，插入馈电板以增加辐射特性的可靠性并简化制造过程。为了避免缩短的天线穿过主体，在暴露的反馈源上覆盖了一层绝缘胶带。图8显示了天线的尺寸，图9显示了最终的天线设计。

图8. 模拟天线的CST模型，具有指定的测量大小。同轴电缆的高度增加了1.9mm，总高度为5mm。(a)顶视图，(b)底视图。

图9. 天线展示图。(a)接地平面，(b)有源元件。

3 仿真和计算

在CST Microwave Studio 2014 (Computer Simulation Technology, Darmstadt, Germany)中模拟初始天线的设计。当安装在主体上时，天线应在蓝牙频段（2.440-2.448GHz）下工作，这可以被视作大介电负载。因此，天线在仿真过程中安装，其接地侧位于均匀介质和的大矩形块上。图8显示了最终天线设计的图像和测量结果。图7和10分别显示了仿真输出的辐射波和回波损耗。

图10. 仿真和测量的天线回波损耗。在仿真过程中，主体被建模为电介质板，尺寸为。对于自由空间和人体，仿真的10dB带宽分别为105MHz（4.3%）和143MHz（5.7%）。对于自由空间和人体，测得的10dB带宽分别为116MHz（4.7%）和132MHz（5.4%）。

图7显示了自由空间中仿真的远场辐射特性图与添加的介电块后的对比图。介质的存在将其主瓣向下拉向其表面，同时使图案更朝向90°，远离PIFA的短路侧。

图10表明天线的谐振频率随着介电负载的增加而增加。谐振加深，从而增加了天线的10dB带宽。当增加的损失降低系统的Q因子时，这种情况就会发生。对于自由空间和在人体上，仿真的10dB带宽分别为105和143MHz，覆盖了整个蓝牙频段。

蓝牙接收器灵敏度的最低要求是-70dBm。为了估计所需的自由空间信号强度，Friis传输方程可用于给定的接受和发送增益

（1）

其中，是接收天线的输入功率，是发射天线的输出功率，是发射天线的天线增益，是接收天线的天线增益，是波长，是天线之间的距离。根据Nexus4 E960智能手机（LG Electronics, Seoul, South Korea）的天线增益，被设定为-1dBi，近似为-5.3dBi。对于1米的距离，总损耗估计为-46.3dBm，如表2所示，自由空间中更容易满足接收信号强度的要求。

表2. 自由空间传输的估计链接预算

当在蓝牙频率（即~2.4GHz）建模时，人体的电参数大约是且。这导致通过人体传播的衰减gt;120dB。因此，考虑通过人体发射辐射的解决方案是无法成立的。

然而，在不使用间接散射的情况下仍然可以传播到身体的另一侧，这已经通过实验证明。这是通过诱导沿着身体表面传播的爬行波而发生的。这种类型的波衰减很快，但依赖于极化。与身体表面切向偏振的辐射将以比在法线上偏振的辐射大得多的速率衰减。

因为PIFA传输垂直和水平偏振辐射，所以它能够诱导可以传播更长距离的爬行波。对放置在用户腰部两侧的发射器和接收器进行计算，然后产生的衰减约为50-60dB。对于本文的应用，所考虑的路径从躯干的中间延伸到用户的后口袋。因此，由于较长的传播路径和不规则的几何形状，衰减将更大。表3提供了达到用户后口袋的表面波的近似链路预算。最大发射天线增益被模拟为-1.5dBi，接收天线增益近似为-5.3dBi。

表3. 对于1m左右的爬行波的预测的链路预算

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