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2015年 34卷 6期 刊出日期：2015-12-20 论文        论文 641 可穿戴技术：全知既全能 王磊1,2#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.001 可穿戴技术探索和创造能直接穿在身上、或是整合进用户的衣服或配件的设备。本文简要介绍了可穿戴技术的内涵及发展趋势。 2015 Vol. 34 (6): 641-643 [摘要] ( 421 ) HTML (1 KB)  PDF (847 KB)  ( 734 ) 644 可穿戴技术的发展 颜延1,2#  邹浩1，2# 周林3  袁婵3  王磊1#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.002 从可穿戴技术的发展现状出发，讨论可穿戴技术的内涵与外延，回顾可穿戴技术发展的技术渊源与发展历史；从通信技术、芯片技术、传感器、柔性原件等几个方面，阐述可穿戴设备的关键技术；分析可穿戴设备的交互模式，介绍可穿戴设备中常用的操作系统；综述可穿戴设备的常见应用场景，指出可穿戴技术的发展方向。通过对可穿戴技术研究和应用中各个方面的系统论述，为可穿戴技术的研究提供一个基础框架。 2015 Vol. 34 (6): 644-653 [摘要] ( 668 ) HTML (1 KB)  PDF (4728 KB)  ( 3664 ) 654 高凡 张希 陈辰星 邹莹畅 安超 郎朗 王平 Gao Fan  Zhang Xi  Chen Chenxing  Zou Yingchang  An Chao  Lang Lang  Wang Ping DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.003 为了更好地监测室内或室外常见的有害气体对人体或环境造成的危害及影响，研制一款基于金属氧化物半导体（MOS）型气体传感器阵列的穿戴式实时环境气体监测系统。设计MOS型气体传感器阵列和小型化硬件检测电路，以便长时间连续实时监测环境中某些有害气体的浓度。选取甲醛、苯和总挥发性有机化合物（TVOC）等典型的环境有害气体作为初步检测对象，通过检测标准浓度的气体确定系统检测范围（0.01～0.5 mg/m3），分析稳态峰值与对应浓度的相关性，绘制拟合曲线并作为标定方程，考虑斜率和拟合程度（R2）同时较大为最优，选择检测使用的传感器。选取多场景进行环境监测实验，通风橱模拟小空间封闭环境，实验室模拟室内环境。系统可记录所在位置的甲醛、苯或TVOC的浓度值，实现多挥发源复杂环境中检测不同浓度的有害气体，并可进行声光报警。在校园室外场景中，随系统移动记录不同位置的TVOC浓度以绘制浓度空间图谱，可观测和分析大数据。传感器响应稳定时间为30 s，系统可任意设置大于30 s的数据发送间隔，把目标气体浓度通过蓝牙上传至手机，数据也可通过串口传输至上位机。该穿戴式系统有望应用于车内污染、室内装潢、室外环境等有害气体的实时和快速监测中。 2015 Vol. 34 (6): 654-661 [摘要] ( 594 ) HTML (1 KB)  PDF (9242 KB)  ( 217 ) 662 基于眼电的智能输入系统研究 郜东瑞 甘玉龙 李鹏霄 谢佳欣 尧德中 刘铁军#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.004 为了帮助肢体运动功能障碍患者与外界交流，设计一套基于眨眼眼电的便携式智能输入系统，使用者仅通过眨眼便能控制人机交互界面上的虚拟键盘进行字符输入。该系统中的信号采集模块先对眼电信号经行预处理，然后将其转换为数字信号传输至微处理。微处理首先通过数字形态学方法滤除信号中的尖峰噪声，然后通过动态阈值和归一化、微分算法识别主动眨眼信号，并完成对虚拟键盘的控制，实现中文、英文或数字的输入。选择12名受试者分别在常规实验室、电磁干扰较大的磁共振设备室和户外的运动场进行测试。结果表明，该系统在上述3个不同的环境中能够准确识别眨眼信号并实现中文、英文及数字的输入，而且输入字符的平均准确率不低于98%，中文、英文字符和数字的平均输入速度分别为(2.8±0.3)、(6.6±0.35)、（9.7±0.38）个/min。因此，该系统的抗干扰能力较强，能够帮助肢体运动功能障碍患者实现与外界交流。 2015 Vol. 34 (6): 662-669 [摘要] ( 491 ) HTML (1 KB)  PDF (3007 KB)  ( 626 ) 670 用于人体上肢运动姿态监测的聚吡咯导电织物的机电性能评价 张晓峰 李国豪 胡吉永*杨旭东  丁辛 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.005 针对当前可穿戴电子产品对柔性可拉伸纤维基传感元件的需求，探讨导电弹力机织物用于监测人体上肢复杂运动姿态的可行性。为此，采用原位聚合法制备3种不同类型的聚吡咯导电织物（棉/氨斜纹、棉/氨平纹和涤/氨平纹织物），采用扫描电镜（SEM）观察聚合之后聚吡咯在织物中的分布状态；分别以这3种导电织物为传感元件，制作姿态监测织物传感器，进行上肢运动状态的准静态测试。扫描电镜图显示，聚吡咯不仅吸附在织物表面，且被吸附在织物内部的每一根纤维表面，可反映所制备导电织物作为传感器敏感材料的稳定性。准静态运动的测试结果表明，导电织物拉伸变形时，电阻变化的方向性差异能用于表征人体上肢的不同运动姿态，且表征过程中3种织物的电阻变化无明显差异。随后的棉/氨平纹导电织物弯曲运动实时测试表明，聚吡咯导电织物能够实时呈现人体关节的运动幅度及运动次数。通过观测聚吡咯导电织物的拉伸电阻变化及其方向性差异，可准确反映上肢的弯曲、旋转及其复合运动。 2015 Vol. 34 (6): 670-676 [摘要] ( 387 ) HTML (1 KB)  PDF (5117 KB)  ( 581 ) 677 用于低功耗的体域网加速度数据压缩感知设计 吴建宁1*徐海东1  王珏2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.006 为有效降低体域网加速度数据远程获取系统功耗，提出一种用于低功耗的体域网加速度数据压缩感知处理框架。首先基于优化的稀疏二进制测量矩阵，线性投影压缩体域网传感节点的加速度数据，降低相应节点压缩算法的复杂性和数据传输量；在此基础上，基于块稀疏贝叶斯学习模型，构建非稀疏加速度数据压缩感知重构算法，实现低功耗远程获取加速度数据。实验采用USC-HAD数据库的加速度数据，评估所提方法的有效性。结果表明，当优化稀疏二进制测量矩阵中每列非零元素个数为6、压缩率为50%时，能够获得与传统优化高斯随机矩阵、伯努利随机矩阵相同的压缩重构误差（约0.004 5）；与一些传统的压缩感知重构算法相比，所提出的重构算法提高信噪比约17 dB，显著改善重构性能，可有效实现低功耗远程获取加速度数据。该方法有助于传感节点硬件简化设计，改善加速度数据重构性能，为构建低功耗体域网人体活动远程监测系统提供新的思路和方法。 2015 Vol. 34 (6): 677-685 [摘要] ( 434 ) HTML (1 KB)  PDF (1100 KB)  ( 505 ) 686 一种体域网超宽带陷波天线的优化设计 罗志勇1*  张彬2  庞宇3  胡俊锋2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.007 为满足无线身体局域网（WLAN）系统中对天线的陷波要求，采用在辐射贴片上开U形槽的方法设计了一款超宽带陷波天线，以抑制WLAN窄带干扰信号。在超宽带天线辐射贴片上开U形槽，改变电流分布。通过调节U形槽的尺寸，实现对WLAN(5.15～5.825 GHz)窄带干扰信号的抑制。采用量子行为粒子群优化算法（QPSO），分别对超宽带天线辐射贴片尺寸和U形槽的尺寸参数进行优化。利用HFSS仿真软件，对天线建模仿真和安捷伦N5230A网络分析仪对天线实物进行测试。仿真和测试结果表明，天线在3.8 GHz处实现良好的阻抗匹配，天线带宽覆盖3.1～10.6 GHz，并且 WLAN (5.15～5.825 GHz)窄带干扰信号得到抑制。天线的全向性除陷波点外都表现良好。该设计方法和算法优化是有效可行的。 2015 Vol. 34 (6): 686-692 [摘要] ( 340 ) HTML (1 KB)  PDF (4614 KB)  ( 567 ) 693 基于脑电信号的睡眠分期算法研究 刘志勇1  张宏民2  赵辉群2  朱政1  李竹琴3  孙金玮1* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.008 睡眠质量与人类健康息息相关,准确的睡眠质量监测对于帮助人们改善睡眠质量能够起到有效的监督作用。以MIT-BIH多导睡眠数据库slp01、slp02和slp04等3个样本的脑电信号为分析对象，采用sym7小波对其进行7层分解以去除高频细节信号，得到较为纯净的脑电信号。然后通过非线性符号动力学分析，去趋势波动分析以及频谱分析，分别提取符号熵指数，去趋势波动指数以及δ频带能量比等3个参数，对每个样本采用Kennard-Stone方法按照4〖DK〗∶1的比例建立校正集样本和预测集样本，并结合最小二乘支持向量机分类器进行样本训练拟合与分类识别。结果表明，3个特征参数与睡眠状态具有高度相关性，相关系数绝对值均高于0.83，并且确定了符号熵参数的嵌入维数为4，延迟常数为1，去趋势波动指数的分段区间为30～500，平均的睡眠分期正确率可达92.87%，比基于复杂度、近似熵等算法的分类正确率提高约5%。 2015 Vol. 34 (6): 693-700 [摘要] ( 1442 ) HTML (1 KB)  PDF (1811 KB)  ( 2151 ) 701 蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计 薛俊伟1 黄岳山1 杜欣1 吴秀勇1 曾伟杰2 席玉胜2陈益民2 赵毓3 吴凯1#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.009 设计一种基于蓝牙低功耗技术的可穿戴血氧饱和度监测设备，用于实时、连续检测人体血氧饱和度和脉率。主要工作包括设计实现耳夹式光电传感器、太阳能电池插接件以及蓝牙模块等核心部件。设备和硬件设计采用低功耗元件及模块，数据通过低功耗蓝牙技术传至手机App，软件设计优化数据发送策略，具有低功耗、可穿戴、稳定可靠等特点，适合户外运动或者缺氧性疾病的血氧监测。测试表明，设备蓝牙通信误码率最终控制为0，脉率精度高达98.0%，当模拟仪输出血氧饱和度大于75%时，设备的检测精度高达97.9%。此外，创新性地使用太阳能电池进行冗余供电，整机待机电流为11 μA，全功率工作时长为18 h以上，续航性能优于市面上主流的指夹式血氧仪。 2015 Vol. 34 (6): 701-707 [摘要] ( 479 ) HTML (1 KB)  PDF (3897 KB)  ( 1082 ) 708 高共模抑制比全频段脑电采集系统 郜东瑞  李鹏霄  陈其友  尧德中  刘铁军* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.010 为了实时消除脑电信号采集过程中引入的直流成分，提高系统的共模抑制比，拓宽信号的采样带宽，设计一款具有动态直流校正功能的全频段脑电采集系统。通过微处理器读取脑电采集系统中所包含的直流成分，然后将直流成分通过数模转换器反馈到实时直流校正系统，接着实时直流校正系统将处理后的直流分量输出至仪用运算放大器的参考端，并和原有的直流分量进行反相相加，从而实现对直流信号的消除。测试结果表明，该脑电采集系统能够实时消除直流成分，将系统共模抑制比提高至120 dB以上，并实现DC～1 000 Hz的全频段脑电信号采集。因此，该系统能够为使用者提供更加精确的脑电信号，可以用于认知科学的研究、医疗诊断等领域，促进相关领域的进一步发展；而且由于系统电路结构相对简单，可以集成到柔性电路板上，制作成可穿戴医疗监护设备，帮助使用者更好地监测自身生理状态。 2015 Vol. 34 (6): 708-713 [摘要] ( 502 ) HTML (1 KB)  PDF (1005 KB)  ( 803 ) 714 多参数可调经颅微电流刺激仪的研制和基于脑电的效果评测 杨虎1  汪毓铎1  陈新华2  殷胜勇2巫彤宁3#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.011 经颅微电流刺激已被广泛用于改善和治疗焦虑、抑郁和失眠等不适应症。研制一种波形、脉宽、重复频率和强度等多参数可调的经颅微电流刺激仪。在设备开发中，为避免个体头部阻抗差异导致的刺激电流强度变化，利用恒流模块实现相同强度的脑部刺激电流。为评估刺激效果，招募20个志愿者进行实际测试。通过脑电频谱分析和双因素重复方差分析方法，对不同刺激波形在刺激前后的脑电α频段频谱含量进行评估。评估结果表明，α频段频谱含量在刺激参数和刺激前后两个因素的交互作用显著 (P<0.01)，4种波形（方波、三角波、锯齿波、正弦波）均能在不同程度上有效提升α频段频谱含量，且正弦波刺激能显著提高EEGα频段的频谱含量（功率谱占比提高20%以上），由此证明设备的有效性。 2015 Vol. 34 (6): 714-719 [摘要] ( 728 ) HTML (1 KB)  PDF (3354 KB)  ( 816 ) 720 基于背景估计和SVM分类器的眼底图像硬性渗出物检测方法 肖志涛1  王雯1  耿磊1*张芳1  吴骏1  赵北方1张欣鹏1  苏龙2  陈莉明3  单春燕3 DOI: 10.3969/j.issn.0258.-8021.2015.06.012 硬性渗出物是糖尿病视网膜病变(DR)的早期病症，是糖尿病性黄斑水肿的最主要表现，因此对硬性渗出物的准确检测具有重要的临床意义。提出一种基于背景估计和SVM分类器的眼底图像硬性渗出物检测方法。首先通过背景估计，得到包含亮目标的前景图；然后利用基于Kirsch算子的边缘信息确定硬性渗出物的候选区域，再移除视盘；最后对候选区域进行形状特征、直方图统计特征以及相位特征的提取，采用SVM对候选区域进行分类，完成硬性渗出物的精确提取。对DIARETDB1和HEIMED公共数据库中共248幅眼底图像进行实验，图像水平达到灵敏度97.3%和特异性90%，病灶水平达到灵敏度84.6%和阳性预测值944%。实验表明，所提出的方法能够实现眼底图像中硬性渗出物的自动检测。 2015 Vol. 34 (6): 720-728 [摘要] ( 588 ) HTML (1 KB)  PDF (11766 KB)  ( 311 ) 729 3D电视图片视差引发的EEG和VEP变化的研究 方得胜  邢丽冬*钱志余  王笑  金帅  张玺 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.013 采集志愿者观看3D电视不同视差图片时的脑电信号，分析其在观看过程中产生的视觉诱发电位，计算各波段功率得到视觉疲劳因子R值，以此来探究3D影片中视差因素对人体健康的影响，为3D片源的制作提供一定的指标参考。基于Neuroscan脑电仪搭建实验系统，选取10名健康志愿者观看不同视差的3D图片，采集脑电信号的同时当其感觉不适时（刺痛感或者眩晕感）通过按键反馈。对采集的脑电信号中枕部视觉功能区的O1、Oz、O2等3个导联的数据采取叠加平均的方法提取其视觉诱发电位(VEP)，得到N135成分波和P260成分波；将预处理后的脑电信号依照相同的图片刺激序号进行叠加，将结果用Matlab的EEG工具包进行相对功率计算，进一步得到疲劳因子R值。结果表明，不同视差图片诱发的VEP的电位幅值和潜伏期有所差异，潜伏期的差异尤为明显（不同分组的均值变化为30%）；志愿者观看只有负视差的3D图片时疲劳因子R值较大，即所有导联的均值比其他分组图片高10%。P260成分的幅值和潜伏期可以作为评价3D片源的一个参考指标；负视差的图片更容易引起人眼的疲劳；正负视差都有的图片引起的疲劳度等级最低。 2015 Vol. 34 (6): 729-735 [摘要] ( 369 ) HTML (1 KB)  PDF (2263 KB)  ( 587 ) 736 基于Gabor特征的MRI椎间盘定位与退行性变分级算法研究 林晓红1  闫铮1*  程继伟2  朱新建3 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.014 提出一种基于Gabor特征的非监督、全自动的椎间盘定位与退行性变分级算法。首先通过对一系列脊柱Gabor特征图像的处理，得到脊柱和椎间盘的边缘信息，并基于脊柱边缘信息提取脊柱区域；然后根据以上信息及椎间盘位置的先验信息，在脊柱区域定位椎间盘；最后根据定位结果和Gabor系数图，结合椭圆拟合的方法，得到髓核和纤维环灰度信息，并根据灰度和几何信息实现分级。通过37个病人MRI数据，验证算法的准确率和可行性，其中定位方法的准确率达96.6%，在与已有方法准确率相当的情况下降低了算法复杂度，并将定位精度提高至1.46 mm，而分级算法可以实现前5级的退行性变评定。 2015 Vol. 34 (6): 736-742 [摘要] ( 375 ) HTML (1 KB)  PDF (3403 KB)  ( 548 ) 743 软组织吻合器手术缝钉排列优化设计 李进华1  杨英侃1  张林安2*李建民1  王树新1 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.015 缝钉排列是影响吻合器缝合手术效果的重要因素之一。针对吻合器与软组织交互作用对机械缝合手术质量的影响，提出一种基于缝钉排列方式的机械缝合手术优化模型。首先,对缝钉与软组织交互作用进行力学分析，并在力学模型的基础上建立简化的有限元模型;然后,以血管机械缝合手术为例，建立以缝钉排数和排间距为设计参量、缝合面软组织径向应力大小及应力分布为目标函数的优化模型;最后,通过有限元仿真实验，运用统计学分析方法，获得组织径向应力值及应力分布规律，采用分层序列优化方法确立目标函数与设计参量之间的响应关系。优化结果表明，当缝钉排数为3、排间距为1.25 mm时，缝合面组织径向应力平均值为0.056 3 MPa，组织径向应力分布差值为0.138 5 MPa，血管机械缝合手术效果达到最优。此外，通过乳胶管泄露压实验，初步验证优化结果的有效性。此研究结果可为减少机械缝合手术术后并发症以及吻合器的优化设计提供重要参考。 2015 Vol. 34 (6): 743-751 [摘要] ( 476 ) HTML (1 KB)  PDF (6388 KB)  ( 601 ) 752 基于Kinect的人体三维质心动态测量及准确性分析 段增武   肖金壮*  王洪瑞 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.016 人体三维质心（COM）对于评价人体平衡能力有很重要的意义，然而昂贵的测量仪器不适于广泛应用于普通诊所或社区医院。微软公司的Kinect设备与编程结合可作为便捷廉价的测量工具，为了分析此系统是否能用于动态测量人体三维COM及数据的准确性,本研究通过将人体合理划分成15 部分，使用Kinect和动作捕捉系统同时采集4 种测试动作下人体各部分端点坐标，并基于人体模型分别合成整体COM并对数据比较。测试动作包括裸足静止站立、踩泡沫板静止站立、裸足站立倾斜、踩泡沫板站立倾斜。比较10 名被试者的COM轨迹数据，结果显示Kinect与动作捕捉系统相比均方根误差均值小于7.3 mm，误差均值最小-2.7 mm最大0.8 mm，动作幅值越大时，相对误差量越小，表明通过编程可将Kinect用于测量人体三维COM，应用于平衡能力评价。 2015 Vol. 34 (6): 752-756 [摘要] ( 574 ) HTML (1 KB)  PDF (2075 KB)  ( 724 ) 757 基于认知再学习疗法的脑卒中康复治疗系统的设计及临床试验 朱霖1   田学隆1,2* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.06.017 针对脑卒中患者运动功能康复问题，提出认知再学习疗法、肌电视觉反馈疗法和肌电触发神经肌肉电刺激疗法三者结合的运动功能康复复合疗法，开发了一种基于嵌入式技术的脑卒中康复治疗系统以实现复合疗法。以Advanced RISC Machines (ARM) 9处理器S3C2440为控制核心，利用sEMG采集电路实现对脑卒中患者患肢肌电信号实时采集，并通过触摸显示模块实现肌电信号可视化，同时将采集到的信号与所设定的阈值相比较，根据比较的结果决定是否触发NMES刺激电路以实现有效的肌肉电刺激。软件设计运用Linux+QT平台开发，实现肌电参数的处理和显示，以及刺激参数的设置。采用脑卒中康复治疗系统对急性脑卒中患者(n=8)进行上肢运动功能治疗，试验结果表明接受系统康复治疗的试验组FMA上肢评分高于对照组(n=8, P<0.05)，肌力分级水平也得到一定的提高。脑卒中康复治疗系统性能稳定，可显著改善脑卒中患者运动功能障碍。 2015 Vol. 34 (6): 757-762 [摘要] ( 319 ) HTML (1 KB)  PDF (4360 KB)  ( 533 ) 763 无症状扁平足与正常足生物力学差异的数字化研究 吴立军1  李宇婷1  王亭1  余凤娇1  卢行芳2  郑蓉梅1  郑祥武3   钟世镇4 DOI: 10．3969/j.issn.0258－8021．2015．06．018 运用足底压力测试与影像学X线测量结合的足踝数字化无损测评系统，对比分析无症状扁平足者与正常足者在足底压力和足弓形态上的生物力学差异。受试为青年学生，其中正常足者12人（男女各6人，左右足共24只,其中左足12只，右足12只），无症状扁平足者12人（男女各6人，左右足共24只，其中左足12只，右足12只）。利用Zebris足底压力测量仪对正常足组和无症状扁平足组进行直立状态和行走状态下的足底压力测试，并拍摄其负重位和非负重位的侧位X线片进行足弓形态测量，测量数据进行统计学分析，从而对比得出无症状扁平足与正常足足弓和足底压力方面的生物力学差异。结果表明：双足直立时，无症状扁平足组与正常足组的足底压力差异无显著意义（P>0．05）；单足直立时，无症状扁平足组的足前负重比例增大；步行时，无症状扁平足组与正常足组足底压力的峰值相比差异显著（P<0．05）。无症状扁平足组负重位与非负重位的足弓形态各参数有显著差异（P<0．05），而且无症状扁平足组负重位与正常足组负重位的足弓形态有显著差异（P<0．05）。非负重状态和双足直立状态下，无症状扁平足表现出一定的隐匿性。单足直立和行走状态下，无症状扁平足的足底压力和足弓形态与正常足相比有明显差异。应用FADNTS测量评价足踝生物力学性能，方法简单，实用，易于推广。 2015 Vol. 34 (6): 763-767 [摘要] ( 340 ) HTML (1 KB)  PDF (3483 KB)  ( 626 ) 769 总目次索引 2015 Vol. 34 (6): 769- [摘要] ( 156 ) HTML (1 KB)  PDF (506 KB)  ( 83 ) 778 作者索引 2015 Vol. 34 (6): 778- [摘要] ( 247 ) HTML (1 KB)  PDF (486 KB)  ( 321 )

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