一種戰(zhàn)場(chǎng)士兵多生命體征監(jiān)測(cè)頭帶設(shè)計(jì)*

吳寶明，王普領(lǐng)，龐 宇，高丹丹，嚴(yán)博文

(1.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 第五研究室，重慶400042;2.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶400065)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)與傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)相比發(fā)生很大變化。隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)亦發(fā)展為高科技戰(zhàn)爭(zhēng)，越來越注重戰(zhàn)場(chǎng)感知，其中包括對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的探測(cè)、敵方武器的探測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)士兵戰(zhàn)斗力的探測(cè)等。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式下，單兵作戰(zhàn)能力的高低直接決定了戰(zhàn)場(chǎng)上整體戰(zhàn)斗力的強(qiáng)弱，所以，及時(shí)準(zhǔn)確地了解作戰(zhàn)士兵的健康、傷情狀態(tài)，分析其戰(zhàn)斗力，對(duì)指揮人員的戰(zhàn)斗部署和士兵的救護(hù)具有十分重要的意義［1］。

戰(zhàn)場(chǎng)士兵多生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集成了多種體征檢測(cè)傳感器的小型便攜式裝置，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)士兵的生命體征，實(shí)現(xiàn)對(duì)士兵作戰(zhàn)、受傷、治療和后送過程中生命體征的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)發(fā)送傷員的體征和位置信息，對(duì)于迅速救治傷員、降低其死亡率和傷殘率具有十分重要的價(jià)值。傳統(tǒng)多參數(shù)檢測(cè)設(shè)備大都存在體積大、功耗高、不宜隨身攜帶等限制，一般用于測(cè)量靜止臥床的病人，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的士兵，其結(jié)果存在偏差且不穩(wěn)定。近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)已研究過多種便攜式體征監(jiān)測(cè)設(shè)備，如，體征監(jiān)測(cè)“彈性背心”，各種腕式、戒指式體征監(jiān)測(cè)裝置等［2～4］，但局限于其采集位置，仍存在穿戴不方便、集成度不高、監(jiān)測(cè)參數(shù)少等不足。

針對(duì)以上問題，在前期研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)士兵的頭戴式多生命體征監(jiān)測(cè)頭帶，實(shí)現(xiàn)了對(duì)士兵頭部心電、腦電、體溫、脈搏波、血氧等體征信號(hào)的采集，設(shè)備具備體積小、重量輕、功耗低、成本低、佩戴方便舒適的特點(diǎn)。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與日常便攜體征監(jiān)護(hù)設(shè)備不同，本文研究是用于戰(zhàn)場(chǎng)士兵的裝置，士兵具有豐富的活動(dòng)狀態(tài)，如，靜止、坐下、俯臥、步行、跑動(dòng)、跌倒等。在不同的活動(dòng)情景下采集體征信號(hào)，會(huì)引入大量干擾，尤其以運(yùn)動(dòng)干擾最為強(qiáng)烈，使有用信號(hào)完全淹沒在噪聲中，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有誤。而且，傳統(tǒng)的體征測(cè)量方法和測(cè)量方式不適合用于便攜式體征監(jiān)測(cè)裝置，如，仍采用粘貼電極容易產(chǎn)生皮膚過敏、瘙癢等;從胸部測(cè)量心電信號(hào)和手指測(cè)量脈搏波信號(hào)，對(duì)士兵活動(dòng)正常活動(dòng)帶來不便;大多數(shù)的心電圖(electrocardiogram，ECG)監(jiān)測(cè)設(shè)備，普遍通過胸部I 導(dǎo)聯(lián)測(cè)量ECG，雖然胸部心電信號(hào)較強(qiáng)，較易測(cè)量，但不適用于戰(zhàn)場(chǎng)士兵使用。

針對(duì)上述問題，如圖1 所示，本文考慮使用導(dǎo)電硅膠作為電極，從頭部測(cè)量(圓點(diǎn)1，2 處)ECG 和(圓點(diǎn)2，3 處)腦電圖(electroencephalogram，EEG)信號(hào)，采用反射式光頻轉(zhuǎn)換探頭測(cè)量眉骨(矩形處)光電容積脈搏波(photoplethysmography，PPG)和(三角形處)體表溫度。使用加速度傳感器對(duì)士兵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判別，采集士兵靜止?fàn)顟B(tài)下的生命體征信號(hào)進(jìn)行處理，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性［5］。同時(shí)，可將監(jiān)測(cè)頭帶集成到士兵的作戰(zhàn)頭盔中，增加其舒適感，提高可穿戴性［6］。

圖1 多生命體征監(jiān)測(cè)頭帶佩戴示意圖Fig 1 Diagram of multiple－vital signs monitoring headband

2 電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要考慮裝置的小型化和便攜性，由心腦電采集模塊、脈搏波采集模塊、體溫采集單元、姿態(tài)測(cè)量模塊、無線收發(fā)5 個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)多信號(hào)檢測(cè)和無線發(fā)送的功能。整個(gè)裝置戴于頭部，通過無線收發(fā)與外界通信，系統(tǒng)總體框圖如圖2 所示。本系統(tǒng)均采用微型、低功耗數(shù)字芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大縮小了電路板面積且降低了電路功耗。

2.1 心腦電采集模塊

圖2 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of monitoring device

心腦電采集模塊包括生物電極傳感器和ADS1292R 心電采集芯片。ADS1292R 是TI 公司的一種用于生物電測(cè)量的專用低功耗數(shù)字芯片，有2 個(gè)并列的數(shù)據(jù)采集通道，具有24 bit 的高分辨率，增益可控，數(shù)據(jù)速率125SPS 至8kSPS 可調(diào)，3.3 V 低壓供電;通過編程，可使其靈活地切換斷電、待機(jī)模式，盡最大可能降低功耗。

心電和腦電信號(hào)首先分別經(jīng)過一個(gè)截止頻率為30 Hz的RC 低通濾波器，進(jìn)入ADS1292R，在芯片內(nèi)部依次經(jīng)過EMI 濾波器、信號(hào)放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器，最后通過SPI 串口通信模式，進(jìn)入MSP430F1611 做下一步處理。

2.2 脈搏波采集模塊

脈搏波采集模塊采用反射式光頻轉(zhuǎn)換探頭進(jìn)行測(cè)量。該探頭包括BR660905HM2—2 型雙色光發(fā)光二極管和光頻轉(zhuǎn)換器。反射式探頭包括光強(qiáng)探測(cè)器和BR660905HM2—2型雙色光發(fā)光二極管。LED 在中央處理器的控制下發(fā)光，光通過組織后會(huì)攜帶血液信息返回體表，在探測(cè)器的監(jiān)測(cè)下轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號(hào)送入單片機(jī)采集處理。

首先，將LED 正向?qū)?，發(fā)出紅光，紅光通過組織發(fā)生散射，光強(qiáng)探測(cè)器接收散射的紅光，以輸出頻率的大小反映光強(qiáng)度的大小，進(jìn)而表示PPG 信號(hào);同理，將LED 反向?qū)?，發(fā)出紅外光，此時(shí)，可測(cè)紅外光下的PPG 信號(hào)。由于光電容積脈搏波是根據(jù)經(jīng)組織散射的光強(qiáng)來反應(yīng)的，PPG 信號(hào)對(duì)光源反應(yīng)特別敏感，所以，在測(cè)量時(shí)需對(duì)測(cè)量處盡可能地采取遮光處理。

2.3 體溫采集模塊

積分型Slope A/D 轉(zhuǎn)換測(cè)溫采集模塊由MSP430F1611比較器A0、定時(shí)器A、參考電容器C38、參考電阻器R47 和醫(yī)用NTC 熱敏電阻器R46 組成測(cè)溫電路，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

Slope A/D 轉(zhuǎn)換原理利用MSP430F1611 控制引腳P2.3和P2.5，引腳輸出高電平時(shí)，引腳、電阻器和電容器組成充電電路，對(duì)電容器進(jìn)行充電;引腳輸出低電平時(shí)形成放電回路。電容器上的電壓信號(hào)接在比較器的正輸入端，負(fù)輸入端接片內(nèi)的參考電壓Vref=0.25Vcc。當(dāng)電容器電壓大于參考電壓Vref時(shí)，比較器A 輸出高電平，反之，輸出低電平，定時(shí)器A 工作在捕獲模式計(jì)算時(shí)間［7］。

圖3 Slope A/D 轉(zhuǎn)換測(cè)溫電路Fig 3 Circuit of slope A/D converter for temperature measuring

2.4 姿態(tài)測(cè)量模塊

姿態(tài)測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)中，選用Freescale 公司的微型MMA7660 加速度傳感器。該芯片是-1.5～1.5 gn范圍的三軸加速度計(jì)，3.3 V 低壓供電，由數(shù)字I2C 輸出，具有低通濾波器，6 bit 分辨率，是超低功耗、小型容性MEMS 傳感器。外圍電路如圖4 所示。由MSP430F1611 對(duì)MMA7660 進(jìn)行初始化設(shè)置，使其工作在標(biāo)準(zhǔn)模式下，通過I2C 串口通信方式讀取X，Y，Z 三軸加速度值。

圖4 MMA7660 加速度計(jì)外圍電路Fig 4 Peripheral circuits of accelerometer MMA7660

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要在微處理器中完成，主要包括多體征參數(shù)的采集，ECG，EEG 和PPG 信號(hào)干擾濾波處理，加速度計(jì)X，Y，Z 軸的數(shù)據(jù)采集和姿態(tài)判別，體溫的測(cè)量，數(shù)據(jù)發(fā)送等。

3.1 ECG 和EEG 分析

在微處理器程序中，利用Matlab 數(shù)字濾波器工具箱設(shè)計(jì)了截止頻率分別為0.5 Hz 和40 Hz 的線性FIR 高通、低通濾波器，濾除EEG 信號(hào)和ECG 信號(hào)存在漂移、工頻干擾。

對(duì)于ECG 信號(hào)，需定位出其R 波，計(jì)算出心率。先通過一階微分法，判別出R 波大致位置;繼而，通過幅值判別法確定其R 波位置，求出RR 間期，結(jié)合采樣率，得出心率，完成對(duì)士兵心率的監(jiān)測(cè)。

EEG 信號(hào)一向被視為監(jiān)測(cè)疲勞的“金標(biāo)準(zhǔn)”，各種形式的疲勞都會(huì)引起腦電可察覺的變化。在基于EEG 的疲勞判別中，最常用的頻帶為δ 波(0 ～4 Hz)，θ 波(4 ～7 Hz)，α波(8 ～13 Hz)，β 波(13 ～40 Hz)。疲勞程度不同時(shí)，腦電的波動(dòng)情況發(fā)生變化，腦電波不同頻帶的能量也隨之改變［8，9］，固可根據(jù)腦電不同頻帶的能量判斷士兵是否處于疲勞狀態(tài)。

3.2 PPG 分析

根據(jù)光子擴(kuò)散方程和朗伯比爾定律，可推導(dǎo)出反射式血氧飽和度的計(jì)算公式

對(duì)于高頻干擾，因其頻帶范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PPG 信號(hào)的頻帶，可利用平滑濾波去除;對(duì)于運(yùn)動(dòng)引起的干擾采用自適應(yīng)對(duì)消算法進(jìn)行處理［10］。

3.3 體溫測(cè)量

首先，利用恒溫水箱對(duì)熱敏電阻器進(jìn)行定標(biāo)，計(jì)算出其電阻值與溫度關(guān)系的擬合公式

式中 Temp為溫度值，℃;B0，B1和B2為溫度擬合系數(shù);Rx為多次測(cè)量熱敏電阻器阻值的平均值。

然后，根據(jù)通過Slope A/D 轉(zhuǎn)換測(cè)溫模塊測(cè)得的電阻值，計(jì)算出人體溫度值。

3.4 加速度分析

1)靜止?fàn)顟B(tài)識(shí)別:對(duì)于任何個(gè)體，受到豎直方向上的重力加速度是恒定的，即常量gn(9.8 m/s2)。當(dāng)人體姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，重力加速度g 在X，Y，Z 軸的分布將發(fā)生變化。當(dāng)人體站立時(shí)，g 分布在X 軸負(fù)方向;平躺時(shí)，g 分布在Z 軸負(fù)方向;仰臥時(shí)，g 分布在Z 軸負(fù)方向;左側(cè)臥時(shí)，g 分布在Y 軸負(fù)方向;右側(cè)臥時(shí)，g 分布在Y 軸正方向。由此，根據(jù)重力加速度g 在X，Y，Z 軸上的分布來識(shí)別不同的靜止姿態(tài)。

2)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別:加速度交流信號(hào)反映了人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度變化。通過對(duì)交流信號(hào)的分析可以識(shí)別靜止、步行、跑動(dòng)、跌倒等活動(dòng)姿態(tài)。不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的程度由小到大依次為:靜止＜步行＜跑動(dòng)。由于三種姿態(tài)下的數(shù)據(jù)偏離程度具有非常明顯的差異，因此，本文根據(jù)描述數(shù)據(jù)離散程度的標(biāo)準(zhǔn)方差來識(shí)別這三種姿態(tài)，如下式所示

其中，n 為計(jì)算時(shí)間窗長(zhǎng)度，ˉx 為該時(shí)間窗內(nèi)數(shù)據(jù)的平均數(shù)。運(yùn)算結(jié)果S 的大小直接反映了人體的活動(dòng)強(qiáng)度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)了基于Delphi的上位機(jī)界面，可顯示出頭部ECG 信號(hào)、EEG 信號(hào)、紅光下的PPG 信號(hào)和紅外光下的PPG 信號(hào)以及測(cè)試者由左側(cè)臥到平躺再到左側(cè)臥時(shí)三軸加速度計(jì)X，Y，Z 軸的數(shù)據(jù)變化，并顯示了被測(cè)者的活動(dòng)狀態(tài)、心率、體溫、血氧等指標(biāo)。

4.1 頭部心電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 為頭部心電和胸部ECG 信號(hào)對(duì)照?qǐng)D，均用截至頻率為30 Hz 的低通濾波器做處理。對(duì)比可得:胸部ECG 信號(hào)較強(qiáng)且較規(guī)律，頭部ECG 信號(hào)較弱且Q，S，T 波形特征不明顯，但R 波仍可清晰辨別，和胸部ECG 相比，不存在延遲，所以，由頭部ECG 計(jì)算的心率即為人體正確心率。

圖5 頭部心電和胸部心電對(duì)照?qǐng)DFig 5 Comparison chart of head ECG and chest ECG

4.2 疲勞監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采集測(cè)試者上午10 時(shí)精力充沛時(shí)和凌晨2 時(shí)疲勞時(shí)的腦電，各取8 s 樣本，并做頻譜分析，如圖6(a)，(b)分別為精力充沛時(shí)的EEG 信號(hào)和頻譜，圖6(c)，(d)分別為疲勞狀態(tài)下的EEG 信號(hào)和頻譜。觀察頻譜可知在疲勞狀態(tài)下，腦電信號(hào)的θ 波和α 波均有所增強(qiáng)，β 波中17～25 Hz頻段相對(duì)減弱。從分析中得出可計(jì)算腦電中θ 波與α波和β 波17～25 Hz 頻段的能量的比值作為疲勞判別的指標(biāo)。

圖6 不同狀態(tài)腦電信號(hào)幅度和頻譜對(duì)比圖Fig 6 Comparison chart of amplitude and spectrum for EEG in different states

4.3 姿態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將監(jiān)測(cè)頭帶正確戴于頭部，首先，依次做出站立、俯臥、左側(cè)臥、仰臥、右側(cè)臥5 個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)，每個(gè)動(dòng)作持續(xù)10 s，采集加速度值;然后，依次做出站立、坐下、站起、走、跑5 個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采集加速度值。圖7 為靜止?fàn)顟B(tài)下的X，Y，Z 軸加速度分布，圖8 為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下X 軸加速度，通過判斷活動(dòng)強(qiáng)度S 值和加速度閾值，正確識(shí)別了測(cè)試者的活動(dòng)狀態(tài)。

圖8 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的加速度信號(hào)Fig 8 Acceleration signal in state of motion

5 結(jié) 論

本文針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和戰(zhàn)場(chǎng)士兵受傷特點(diǎn)，從便攜式、低功耗入手，設(shè)計(jì)了一種用于戰(zhàn)場(chǎng)士兵的多生命體征監(jiān)測(cè)頭帶，實(shí)現(xiàn)了裝置的小型化;在頭部測(cè)量心電信號(hào)，使用反射式光頻轉(zhuǎn)換探頭測(cè)量脈搏波信號(hào)，確保其易穿戴性;通過選取低功耗器件和優(yōu)化程序，節(jié)約了設(shè)備的能耗，延長(zhǎng)其工作時(shí)間，使用可充電鋰電池供電，保證裝置的易用性;結(jié)合加速度計(jì)檢測(cè)士兵的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的士兵自動(dòng)地進(jìn)行信號(hào)采集和處理，以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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