一种基于RFID传感器技术的尿失禁报警解决方案外文翻译资料

一种基于RFID传感器技术的尿失禁报警解决方案

关键词：遥测仪，湿度传感器，电容式传感器

1. 介绍

由于人口老龄化，发达国家对老年人护理的需求越来越大。康塞尔等人提到医学研究所（IOM）时指出，“美国的卫生保健基础设施和劳动力不足以满足老龄化人口的需求”。此外，患有慢性疾病和老年疾病的老年人通常得不到推荐的护理，因此需要在不增加成本的情况下以新模式提高护理质量。1995年，美国用于尿失禁的总费用为263亿美元。在瑞典，尿失禁总费用的四分之一与失禁辅助用品有关。由于人口老龄化，预计到2030年，这些成本将增加50%（以瑞典为依据）。

比斯瓦斯等人调查了旨在管理和改善尿失禁护理的尿失禁(ICT)服务的需求。本研究侧重于基于用户需求评估的系统规范。比斯瓦斯等人认为，基于ICT的服务可以使看护人对尿布清洁程度的检查次数减少50%，并概述了这种智能尿失禁管理系统的规范。特别是无线报警解决方案应该提供：i)警报转发覆盖区域大，ii)灵活选择信令方式(SMS，声音，闪烁等)，iii)轮询系统检查状态的可能性。此外，传感器标签应具有：i)薄而灵活的传感器标签，ii）健壮的测量功能。市场上可用的系统通常被开发用于支持患有遗尿症的患者（夜间遗尿症，即年轻患者在夜间无法控制排尿）。这里的电子报警可用于训练，使患者意识到尿液释放。这种训练通常与其他形式的治疗方法结合使用。在参考文献[8]中，可以找到关于可用的遗尿警报系统的例子。

同时，提出了许多用于失禁警报的电子传感器技术解决方案：阻性，电容性，光性。与这些技术相关的优缺点超出了本文的讨论范围，将在以后的工作中报告。

在这项工作中，允许大通信范围的被动读出方法是重点。所使用的特定传感器机制可以从所使用的通信解决方案提供的边界条件中选择。这项工作特别关注超高频RFID的传感器读出。无源超高频RFID解决方案可以满足比斯瓦斯等人提出的规范，并提供尿布制造商目标的成本规范。

2.RFID天线作为一个传感器元件

被动式RFID传感器解决方案可以以多种方式实现。在最简单的实现中，信令方案将根据报警状态打开或关闭RFID标签。例如，只需在尿布上放置一个超高频RFID标签，就可以提供这样的传感器解决方案。

由于水的介电常数约为80 j80，靠近水中或嵌入水中的天线将受到严重影响。附近的介质会降低天线的谐振频率，并给天线造成欧姆损耗。这个综合效应会降低天线的性能。

先前的研究表明，当天线嵌入不同的介质时，它可以作为水分感应元件来利用这一事实。在文献[16]的研究中，巴特查里亚等人进一步表明，可以利用RFID天线特性的变化，通过监测RFID功率提升阈值和后向散射功率，分别测量温度、机械位移和饮料杯中的液位。

类似于文献[16]研究中的饮料，一个RFID标签贴在尿布的外部部分，或者更理想的是嵌入在尿布的吸收材料中，这样就可以通过观察RFID标签的通信效率来提供尿布潮湿状况的信息。高盐含量的尿液尤其会给标签天线带来高水平的欧姆损耗。

基本原理如图1所示，从尿布上取下的湿的高吸水性材料放在一个塑料管中，RFID标签位于管子的不同高度。

图1 美国意联科技的RFID标签贴在塑料管上，塑料管上有来自成人尿布的饱和超强吸水材料。

在这种配置中，位于高吸水性材料上的标签几乎失去了所有的读取性能，需要使用具有2.0W ERP输出功率的欧盟规范读取器读取距离低于20厘米的数据。第二个标签，位于高吸水性材料的上方，可以从2米以上读取。因此，贴在尿布上的标签在尿布干燥时很容易阅读，但当高吸水性材料吸收尿液时，标签将失效。这对天线的影响非常明显。显然，位于被吸收尿液区域的RFID标签在0.5米以上的距离无法读取。我们注意到不同的RFID标签对背景材料或多或少的敏感。例如，图1中美国意联科技的标签比图2中使用的UPM Rafsec公司的标签更敏感。然而，对于标记距离为0.5米的阅读器，在图1所示的配置中，两个标记都不会响应。

图1中进行的试验假设高吸水性材料处于饱和状态。在实际结构中，吸收能级随时间逐渐增加。因此，人们可能认为应该可以通过标签的读取性能来测量饱和度。

通信效率可以通过观察RFID读取器为了与标签通信所需的最小功率来表征。相反，你可以全速阅读并监测后向散射信号的振幅，它会随着尿量的增加而减弱。然而，这些方法需要RFID阅读器和RFID标签尿布之间有固定的距离。如果距离或周围的几何形状不是固定的，无论使用的是手持阅读器还是固定阅读器，都需要参考电平来比较信号强度。参考水平可以通过加入第二个RFID标签来实现，该标签不会暴露在湿处，例如放在尿布的外面。

然后，通过观察读取尿液附近的标签所需的最小功率与远离尿液的标签之间的差异，可以获得尿布状态。

然而，标签的通信能力不仅仅会受到尿布内液体的影响。主要由水组成的人体也会影响通信效率。特别是嵌入在尿布中的传感器标签最好尽可能地靠近外部。为确保参考标签正确地放置在病人皮肤之外，这可能需要额外的间隔材料。图2举例说明了这一点，其显示了美国意联科技的单一标签是如何受到人体组织的影响。图2显示了在实验室设置中，当标签放置在离人腿不同距离时测量到的最大读数范围。使用普通复印纸作为间距材料。将在第三部分中介绍的老年医学的读取设置使用140厘米的读取范围，根据图2，该距离要求传感器标签位于尿布表面与穿戴者的组织接口至少4毫米的位置。

图 2距离人腿不同距离的RFID标签的最大RFID读取范围功率。

3.婴儿尿布实验

为了获得RFID读出性能如何应用于婴儿尿布的经验，我们开始了对婴儿尿布的测试。实验对象是体重12-22公斤的儿童，实验产品是丽贝乐品牌的6号婴儿尿布。使用了来自UPM Rafsec公司的两个Gen-2 RFID标签。第一个标签，作为参考标签，放置在尿布的前顶部8毫米纸距离，如图3所示。第二个标签作为传感器标签，嵌入到尿布中(图3)。

读数是通过Motorola MC 9090-G手持式RFID阅读器完成的，可以扫描输出功率从18分贝毫瓦到30分贝毫瓦。

干尿布在参考标签和传感器标签之间给出了 - 2 dB的差异。随后称重后放入208克尿液的尿布，在孩子身上时，其平均功率差为4-7 dB。取下尿布，在同一块尿布上加水，将体积增加到330克，将差异增加到平均7.8 dB。在后一种测量中，我们应该记住，尿布是从孩子身上拿掉的，因此孩子的身体对测量值没有影响。增加更多的水并不能改善能量提升等级的差异。

报告值是在20到40厘米的距离读取的标签。在较低的距离，传感器标签通常在阅读器的较低输出限制(18分贝毫瓦)读取，因此不提供任何传感器信息。在较长的读取距离下，传感器标签不能总是被读取，因为它需要从阅读器读取超过最大30分贝毫瓦，因此不能给参考标签适当的差异。

本文提出的方法使用了对上电和后向散射信号的观测水平，可能不能提供非常准确的信息，例如，两个天线的辐射模式将导致不同的结果取决于从标签读取的角度。这在上面的结果中得到了例证，其中对干尿布的公差是在 - 2 dB的顺序，而对湿尿布的不同测量的跨度是4-7 dB。然而，在一个2岁男孩身上进行的实验表明，至少有可能区分三种情况：干尿布、含有一些尿液的尿布和在传感器标签位置含有高浓度尿液的尿布。在后一种情况下，传感器标签完全不能被放置在距离20厘米以上的手持阅读器读取，这与图1中填充管子的体验类似。实验还表明，手持阅读器最好能提供低于18分贝毫瓦的输出功率，并且保持距离小于40厘米。我们还观察到，阅读器软件应该设置为至少5个测量的平均结果，将总测量时间设置为2秒左右，使用阅读器。另一个经验是，把传感器标签放在尿布上太低会增加穿着者的腿的感情。在这些实验中，参考标签放置在吸收材料的最高部分，传感器标签放置在下方50毫米处。

据观察，参考标签最常在手持阅读器18分贝毫瓦的最低功率电平下读取，除非使用提供较低输出功率的阅读器，否则仅使用一个标签（即传感器标签）就足够了，前提是：用户始终将阅读器放置在距离传感器标签大约20-40厘米的位置。

图3 案例研究中使用的两个标签差分测量设置的图像。

4.用于老年护理的尿布实验

老年护理是智能纸尿裤的另一个大应用领域。在这种情况下，尿布尺寸要大得多，吸收材料的组织也可能因品牌而异。这些尿布的设计目的是吸收大量尿液，并且便于疗养院的工作人员处理。 老年护理患者大部分时间都卧床不起是很常见的。 因此，在尿液由于重力而预期流动的区域，尿布的吸收结构有时被布置更多。 随着这些区域饱和，尿液将开始扩散到尿布中的较高位置。 因此，监测尿布上部的尿液含量可以提供一种指示尿布中尿饱和度的方法。

在图4中，展示了所用实验装置的示意图。

我们将RFID阅读器放置在距离尿布约140厘米的床尾。要求不让患者腿遮挡标签的高度为床面上方约70厘米。没有使用参考标签。如果应考虑固定安装，则可以考虑阅读器在其他位置，例如床下或天花板内。但是，在我们的案例中，我们设想将阅读器手持或放置在位于移动服务台上的移动支架上。

从图4可以理解，身体的位置会影响读出性能。特别是腿的位置可能会屏蔽阅读器信号。正如第二部分所讨论的，位于饱和超吸收区域上的RFID标签将无法读取。因此，如果标签可以在干燥条件下读取，那么饱和条件将很容易被检测到。主要的挑战是在干燥的尿布条件下提供安全的读数。 结果证明这是一个重大挑战。超高频标签很容易被身体部位屏蔽，从身体的角度来看，阅读器需要清晰的视线。

图4 老年护理应用的实验设置示意图。

为了了解这种类型系统的灵敏度，图4中的实验装置被安排在实验室环境中。真正的测试人员非常自然，但使用普通水代替尿液。水通过一根细塑料管注入尿布，模拟真实情况。如图4所示，测试人员的背部朝下放置。通过这种方式，可以模拟数天的机构跟踪。在试验中，使用了老年护理型尿布（Attends 10M），并在距离尿布吸收区域上边界14厘米处放置了来自美国意联科技的RFID 标签（与图1相同）（见图5）。

图5 实验室设置中使用的带有附加RFID嵌体的老年护理型尿布的图像。

在这种配置中，RFID标签位于尿布主体的最高位置，因此水分饱和将在吸收过程中较晚到达该部分。因此，当RFID标签变得不可读时，尿布被认为是饱和的。很明显，指示饱和尿布所需的实际水量取决于尿布中的流动动力学、准确的身体位置以及水源在尿布中的放置位置。在实验设置中，我们尝试以尽可能真实的方式安排所有这些配置。

图6中的柱状图显示了模拟七个床尿床的试验结果。此时尿布填充100毫升，每次填充之间间隔大约20秒，以便让吸收性材料分配水。

图6 尿布重量的直方图，此时实验设置表明尿布已经饱和。

如图6所示，当达到1000克时，3/7的实验显示完整的尿布，即没有读取。总体而言，饱和度指示的平均重量为910克，标准偏差为390克。

在之前由瑞典明智的解决方案AB和瑞典中部大学合作使用尿布传感器解决方案进行的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[596198]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word