基于穿戴式監(jiān)測和北斗技術(shù)的傷員快速搜救儀*

吳寶明，劉 沛，龐 宇，王普領(lǐng)，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，重慶400042;2.重慶郵電大學(xué)，重慶400065)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息化條件的高科技戰(zhàn)爭，科技的發(fā)展，改變了過去人多致勝的戰(zhàn)爭法則?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭注重數(shù)字化部隊和數(shù)字化戰(zhàn)場建設(shè)，將單兵作為數(shù)字化單元，強調(diào)士兵的作戰(zhàn)能力和生存能力。因此，及時了解士兵的身體狀況，把握士兵動向具有非常重要的意義。

戰(zhàn)場快速搜救［1］是指在第一時間發(fā)現(xiàn)傷員并對傷員進行有效救援，減小士兵傷亡率和傷殘率，提高士兵生存能力。傳統(tǒng)的戰(zhàn)場搜救是戰(zhàn)后人為搜索受傷士兵，士兵被動等待發(fā)現(xiàn)，搜救時間長，容易耽誤救治的黃金時間而導(dǎo)致士兵死亡或留下后遺癥。隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的變化和科技的發(fā)展，近年來，國內(nèi)外越來越重視發(fā)展戰(zhàn)場感知、搜救技術(shù)，美軍的WPSN 系統(tǒng)可以同時檢測士兵的體溫、脈搏、血壓、呼吸并以無線傳感器網(wǎng)傳輸體征信息［2］;Empirical Technologies 公司研制了一種具有無線通信功能的腕表式心率呼吸監(jiān)測裝備。國內(nèi)，第四軍醫(yī)大學(xué)研制了一種戰(zhàn)場無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)［3］，通過GSM 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸士兵生命信息，用于救治現(xiàn)場和后送途中對傷員的監(jiān)護;第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所研制了一種無線野戰(zhàn)搜救與信息管理系統(tǒng)［4］，集成了GPS 和CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)戰(zhàn)時傷員的定位搜救。盡管戰(zhàn)場傷員搜救技術(shù)有了明顯的進步，但在如何增加裝備的環(huán)境適應(yīng)性、快速響應(yīng)能力、使用方便性等方面有待進一步深入研究。目前，這種集實時傷情感知、位置定位、通信傳輸于一體的戰(zhàn)場傷員快速搜救裝備尚未見有報道。

為此，本文研制一種基于穿戴式監(jiān)測和北斗導(dǎo)航技術(shù)的戰(zhàn)場傷員快速搜救儀。

1 總體設(shè)計

脈搏波是人體重要的生命體征，內(nèi)含豐富的信息。研究表明:通過對光電容積脈搏波(photoplethysmography，PPG)的分析，可以得到士兵的血氧飽和度、脈率和血壓［5］;通過對PPG 形態(tài)特征變化的分析，可以比普通的生命體征更早發(fā)現(xiàn)傷員失血的跡象［6］。戰(zhàn)場上士兵受傷大多與失血和缺氧窒息有關(guān)，為此，選擇監(jiān)測PPG 信號作為預(yù)警士兵傷情的生命體征，同時為了不影響士兵作戰(zhàn)作業(yè)，采用穿戴式設(shè)計檢測PPG 信號，將血氧飽和度和脈率作為感知士兵傷情的體征參數(shù)。定位和報警方面，選擇北斗系統(tǒng)提供位置信息，通過北斗短報文將報警信息發(fā)送到搜救中心，實現(xiàn)快速救治。

2 硬件設(shè)計

戰(zhàn)場傷員快速搜救儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由反射式探頭、LED 驅(qū)動電路、微處理器、北斗模塊、電源模塊等部件組成。

圖1 快速搜救儀框圖Fig 1 Block diagram of quick search and rescue instrument

2.1 反射式探頭

反射式探頭由雙光源LED 和光強探測器組成。雙光源LED 可以在微處理器的控制下發(fā)出660 nm 波長的紅光和905 nm 波長的紅外光，經(jīng)過人體組織反射回來后被光強探測器接收。光強探測器集成了光電二極管、放大器、比較器等電路，能夠感應(yīng)光的強度并轉(zhuǎn)換為頻率信號。如圖2所示，LED 和光強探測器處于皮膚同一側(cè)，保持適當(dāng)距離，反射式探頭可放置于人體任何有動脈血管處測量。為了便于士兵穿戴，如圖3 所示，選取額頭作為采集PPG 信號的有效部位，將探頭置于額頭偏左側(cè)部位，用頭帶固定。

圖2 反射式探頭結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of reflection-type probe

2.2 LED 驅(qū)動電路

圖3 反射式探頭頭戴示意圖Fig 3 Diagram of reflection-type probe wore on head

LED 驅(qū)動電路用于微處理器控制LED 發(fā)光，由4 只三極管和反射式探頭上的雙光源LED 組成H 橋電路，三極管和LED 之間用短導(dǎo)線連接。根據(jù)三極管不同的導(dǎo)通情況，可關(guān)閉或正向、反向?qū)↙ED，從而控制LED 的發(fā)光狀態(tài)。如圖4 所示，當(dāng)red_on 和LEDred 為高電平且ir_on 和LEDir為低電平時LED 亮紅光;反之，LED 亮紅外光，通過交替給單片機I/O 口上電控制LED 發(fā)出紅光和紅外光，產(chǎn)生PPG信號。

圖4 LED 驅(qū)動電路Fig 4 LED drive circuit

2.3 微處理器

微處理器是整個搜救儀的控制和處理中心，主要有2 個功能:一是捕獲PPG 信號，計算血氧飽和度和脈率;二是處理北斗模塊發(fā)送過來的位置信息并控制其發(fā)出報警。設(shè)計中采用德州儀器低功耗芯片MSP430F1611 作為微處理器，與北斗模塊RNSS 接口、RDSS 接口相連，用于微處理器和北斗模塊的數(shù)據(jù)通信;4 個I/O 口與驅(qū)動電路相連，控制反射式探頭上LED 的發(fā)光狀態(tài);定時器接口與反射式探頭探測器相連，捕獲光強探測器傳輸過來的PPG 信號。

2.4 北斗模塊

北斗模塊采用江蘇天源的TM8510，該模塊集成了RDSS 射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶等電路，可以實現(xiàn)RDSS 收發(fā)信號、調(diào)制解調(diào)等功能。內(nèi)置RNSS 和GPS 模塊，可以RDSS，RNSS 同時工作。

北斗RDSS 短報文具有服務(wù)頻度，普通用戶機的服務(wù)頻度為60 s，可以1 min 發(fā)送一次短報文，滿足士兵的生命體征報警需求。

2.5 電源模塊

北斗模塊供電電壓為5 V，微處理器和探測器的供電電壓為3.3 V。為了便于攜帶，采用5V 鋰電池給硬件裝置供電，為了延長裝置工作時間，采用低功耗穩(wěn)壓芯片LM2596和LTC3440 分別為北斗模塊、微處理器和探測器提供穩(wěn)定電壓。

3 軟件設(shè)計

戰(zhàn)場傷員快速搜救儀的軟件設(shè)計包括PPG 信號采集、數(shù)字濾波、血氧飽和度和脈率的計算以及北斗定位和報警，其工作流程如圖5 所示。

圖5 軟件工作流程圖Fig 5 Software working flowchart

3.1 PPG 信號采集

PPG 信號是通過LED 光在人體反射產(chǎn)生的，利用單片機定時器的定時和捕獲功能完成LED 發(fā)光時序控制以及PPG 信號的數(shù)據(jù)捕獲。設(shè)置單片機定時器定時時間為1 ms，LED 以100Hz 頻率交替發(fā)出紅光和紅外光，每個LED分別亮2 ms，點亮LED 0.5 ms 后開啟捕獲子程序，對PPG 信號進行采集。由于人體血液流速較慢，認(rèn)為兩束光的PPG 信號包含同一段脈搏信息，可用于后續(xù)體征參數(shù)的計算。

3.2 PPG 的濾波處理

入射光經(jīng)過人體時會因為儀器本身或外界的作用導(dǎo)致采集的PPG 信號包含多種干擾:定時器的計數(shù)誤差會導(dǎo)致捕獲計數(shù)時PPG 某些數(shù)據(jù)數(shù)值發(fā)生突變;外界高頻干擾和微動脈的搏動會導(dǎo)致PPG 信號出現(xiàn)毛刺;人體的呼吸和身體移位會使PPG 波形產(chǎn)生基線漂移;由于靜脈充盈、身體運動時探頭與受測部位發(fā)生相對偏移等會使光的路徑改變，引起接收信號出現(xiàn)相應(yīng)波動，這些干擾都會導(dǎo)致PPG 信號發(fā)生改變，影響最后體征參數(shù)的計算，因此，需要對原始信號進行預(yù)處理。

經(jīng)過仿真，對于突變點，采用先查找后去除的方法，若發(fā)現(xiàn)某個點數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨近點，判斷它為突變點，將其去除，用相鄰點的平均值代替該突變點;為了減小處理器的計算量，采用平滑濾波來去除高頻干擾;采用形態(tài)濾波抑制基線漂移;自適應(yīng)對消算法［7］去除運動干擾。圖6 為采集的原始紅光PPG 數(shù)據(jù)和濾波之后的對比。

3.3 血氧飽和度和脈率的計算

根據(jù)朗伯比爾定律，在一定波長下，物質(zhì)的吸光度與其濃度呈正比。當(dāng)恒定波長的光經(jīng)過人體組織時，人體組織會吸收光，而反射后測量的光強度在一定程度上反映出該部位組織的結(jié)構(gòu)特征。

圖6 濾波前后紅光PPG 的對比Fig 6 Comparison of red light PPG before and after filtering

由朗伯比爾定律推導(dǎo)出血氧飽和度的計算公式

其中

式中 IAC，IDC分別為PPG 信號的交流分量和直流分量，1和2 代表紅光和紅外光，A，B，C 為血氧系數(shù)。由公式可知，血氧飽和度值可根據(jù)PPG 信號的直流分量和交流分量得到，其計算方法如圖7 所示，采集到一段PPG 信號后，求出每個PPG 波形的極值點，將各極值點引入插值得到上下包絡(luò)線，上下包絡(luò)線的差值為交流分量，上下包絡(luò)線的均值為直流分量。

圖7 紅光PPG 包絡(luò)線和交流分量示意圖Fig 7 Diagram of envelope and AC component of red light PPG

由于紅光和紅外光以100 Hz 頻率交替發(fā)光，即PPG 每2 個點的間隔為10 ms，根據(jù)2 個PPG 極大值間隔點數(shù)可得到一個完整PPG 搏動的時間

式中 n 為一個完整PPG 波形采樣點的個數(shù)。根據(jù)PPG 搏動的時間可求得脈率

3.4 定位和報警

搜救儀在計算出士兵的血氧飽和度和脈率后通過判斷體征參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)確定是否報警。當(dāng)士兵的體征異常，需要報警時，開啟單片機和RNSS，RDSS 之間的串口通信，獲取RNSS 定位信息。由于RNSS 定位功能提供的信息繁雜，處理器在收到RNSS 信息后先做處理，只保留士兵所在經(jīng)緯度，最后通過RDSS 短報文向搜救中心發(fā)送士兵的經(jīng)緯度和警報，搜救中心可根據(jù)傷情和位置通知離傷員最近的救援部隊或救護人員前去救治。

北斗一二代集成模塊發(fā)送短報文需要SIM 卡，每個SIM 卡都有唯一用戶ID，為了便于管理士兵信息，將北斗用戶ID 作為識別士兵身份的標(biāo)識，搜救中心事先存儲士兵的姓名和用戶ID，在接收到報警后可確認(rèn)士兵身份。

4 低功耗設(shè)計

硬件上，采用MSP430 超低功耗微處理器、低功耗北斗模塊TM8510 和低功耗電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2596，LTC3440，降低裝置能耗;軟件上，因為北斗模塊的短報文功耗大，士兵體征正常時關(guān)閉北斗模塊通信功能，在體征參數(shù)超出正常范圍后啟動RDSS 功能。同時，因為反射式探頭的雙光源LED 以100 Hz 頻率交替發(fā)光，在保證采集到PPG 信號的前提下減少LED 發(fā)光時間，處理數(shù)據(jù)時關(guān)閉檢測探頭，待處理完成后才進行下一次PPG 信號的采集，延長設(shè)備使用時間。

5 實驗結(jié)果

為了檢驗快速搜救儀的實用性，對裝置基本性能進行了初步測試。實驗人員按照要求將頭帶佩戴在頭部，搜救儀置于肩部口袋內(nèi)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，正常情況下實驗人員的血氧飽和度在97%～99%，實驗前將搜救儀設(shè)置為血氧飽和度低于94%時報警。啟動裝置后，測試人員進行行走、站立、坐下等活動，裝置不發(fā)送報警;用密閉頭罩罩住實驗人員，隨著罩內(nèi)氧氣濃度的降低，血氧飽和度如圖8 變化，受測人員的血氧飽和度隨著時間的增加逐漸降低，同時裝置發(fā)出實驗人員所在經(jīng)緯度和報警信息。實驗結(jié)果表明:戰(zhàn)場快速搜救儀能正常檢測受測人員體征信息，實現(xiàn)戶外環(huán)境下基于傷情感知和北斗導(dǎo)航技術(shù)的生命體征報警，具有易穿戴、低功耗、抗干擾的特點。

圖8 實驗人員血氧飽和度變化Fig 8 Changes of subject’s blood oxygen saturation

6 結(jié) 論

戰(zhàn)場傷員快速搜救儀可以連續(xù)檢測士兵身體狀態(tài)，提供士兵位置信息，有助于提高救治效率。目前，搜救儀只監(jiān)測了血氧飽和度和脈率，對于傷情的判定不夠精細(xì)，下一步將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，進一步分析PPG 信號，引入血容量、血壓等生理指標(biāo)，為士兵的傷情做出更加詳細(xì)的判定。

［1］ 韓魯寧，周 娟.建立戰(zhàn)場傷員搜救系統(tǒng)的基本構(gòu)想［J］.沈陽部隊醫(yī)藥，2012，25(1):18－19.

［2］ 王春飛，石江宏.美軍單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28(11):34－39.

［3］ 陳 劍，董秀珍，焦 騰，等.單兵生命狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2005，26(7):20－21.

［4］ 閆慶廣，吳寶明.全數(shù)字化野戰(zhàn)傷員搜救與信息管理系統(tǒng)［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27(6):20－22.

［5］ 徐可欣，王繼寸.脈搏波時域特征與血壓相關(guān)性的研究［J］.中國衛(wèi)生設(shè)備，2009，24(8):42－45.

［6］ McGrath S P，Ryan K L，Wendelken S M，et al.Pulse oximeter plethysmographic waveform changes in awake，spontaneously breathing，hypovolemic volunteers［J］.Anesthesia＆Analgesia，2011，112(2):368－374.

［7］ 龔渝順，吳寶明，高丹丹，等.一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的研制［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25(1):6－10.