穿戴式動物生理參數(shù)采集裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

季雪淵，王衛(wèi)東，張政波，王國靜，彭福來

·研究與設(shè)計·

穿戴式動物生理參數(shù)采集裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

季雪淵，王衛(wèi)東，張政波，王國靜，彭福來

目的:設(shè)計一種可用于實驗動物獼猴的生理參數(shù)采集裝置，可采集心電、呼吸、體位/體動信號。方法:采用體表電位提取技術(shù)采集動物的心電信號，采用呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)來提取胸腹呼吸運動，通過三維加速度傳感器的三軸輸出量來獲得體位/體動信號。結(jié)果:在動物實驗中成功采集到了自由活動獼猴的生理參數(shù)，并將其存儲于安全數(shù)碼卡（secure digital memory card，SD）文件系統(tǒng)中，保證了實驗數(shù)據(jù)的完整準確。結(jié)論:該裝置能夠采集自由活動狀態(tài)下動物的生命體征，經(jīng)過改制后亦可用于人類，在動物醫(yī)學(xué)及低負荷監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

穿戴式；生理參數(shù)；低負荷

0 引言

在生命科學(xué)中，對人類健康的研究離不開實驗動物。在對人類各種生理現(xiàn)象、病理機制和疾病防治的研究中，實驗動物是人的替代者，例如在戰(zhàn)傷外科的研究中、在生化武器和強聲武器損傷的研究中，實驗動物均被用來代替人類作為受難者來研究對各種戰(zhàn)傷的有效防治措施。靈長目動物在親緣關(guān)系上和人類最接近，20世紀開始廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究，如獼猴在生理學(xué)上可以用來進行腦功能、血液循環(huán)、呼吸生理、內(nèi)分泌等各項研究[1-2]。因此，獼猴在軍事醫(yī)學(xué)研究上具有特殊的應(yīng)用價值。而如何實時有效地獲得自由活動狀態(tài)下獼猴的生理參數(shù)成為一個至關(guān)重要的課題。

目前，針對獼猴的生理參數(shù)測量通常有2種方式：以鹽酸氯胺酮注射麻醉后測定，或是在無麻醉情況下固定于木板或椅子上測定。但這2種方法均無法長時間獲得自由活動獼猴的生命體征，而且由于設(shè)備需要人為操作來輔助實現(xiàn)，因而無法獲得極端環(huán)境下的動物生理指標[3-4]。本文針對心電、心率、呼吸長期監(jiān)測的需要，研制了一種可穿戴式動物生理參數(shù)采集背心系統(tǒng)，可實現(xiàn)活動狀態(tài)下對心電、呼吸信號的無創(chuàng)監(jiān)測。該技術(shù)不僅可以廣泛應(yīng)用于動物醫(yī)學(xué)與軍事醫(yī)學(xué)中，而且在睡眠醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)以及民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景和不可估量的社會效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個穿戴式動物生理參數(shù)采集裝置系統(tǒng)由動物背心、信號采集記錄電路以及傳感器等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作時，可以選擇將數(shù)據(jù)存儲至安全數(shù)碼卡（secure digital memory card，SD）文件系統(tǒng)中，待采集結(jié)束后再通過USB將數(shù)據(jù)上傳至個人計算機（personal computer，PC），使用MATLAB分析處理，亦可在實驗過程中通過藍牙實時地將數(shù)據(jù)傳至上位機，通過上位機編寫的LabVIEW分析軟件實時顯示信號波形。

圖1 穿戴式動物生理參數(shù)采集裝置系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計

2.1 模擬電路設(shè)計

模擬電路要實現(xiàn)心電、胸呼吸、腹呼吸、體位/體動（三軸加速度傳感器的3路輸出信號）6路信號的提取：對心電信號采用傳統(tǒng)的體表電位提取技術(shù)，針對動物皮毛厚的特點，增加了儀表放大器的輸入阻抗和共模抑制比；呼吸信號采用呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)來提取胸腹呼吸運動，針對動物的特點設(shè)計了專用的傳感器；體位/體動信號通過三維加速度傳感器的3個軸輸出量來獲得，本系統(tǒng)使用了MMA7260Q來實現(xiàn)X、Y、Z 3個軸的加速度測量。模擬電路設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 模擬電路設(shè)計框圖

2.2 數(shù)字電路設(shè)計

數(shù)字電路要實現(xiàn)6路信號采集、SD卡存儲以及系統(tǒng)工作狀態(tài)指示，本設(shè)計使用了ARM7架構(gòu)的LPC2131芯片，64腳封裝，片內(nèi)有32 KB Flash、8 KB RAM，內(nèi)置8通道10 bit ADC。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字電路設(shè)計框圖

系統(tǒng)采用基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的ARM7微處理器LPC2131作為系統(tǒng)的主控芯片，負責數(shù)據(jù)采集、SD卡讀寫、系統(tǒng)狀態(tài)指示、系統(tǒng)通信等功能。為提高系統(tǒng)的可靠性、實時性，使用實時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，該操作系統(tǒng)具有一個完整的、可移植的、可固化的、可裁剪的搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核，可以使各個任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行。為提高系統(tǒng)使用的方便性，使用插拔方便的SD卡存儲數(shù)據(jù)，采用了面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)，它可以直接與個人計算機交換文件，是與FAT12、FAT16、FAT32高度兼容的文件系統(tǒng)[5-7]。

2.3 動物背心設(shè)計

系統(tǒng)將呼吸運動傳感器嵌入到背心中?，F(xiàn)有的呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)的實現(xiàn)方法是：將附著在彈性縛帶上的傳感線圈作為電容三點式諧振電路的電感元件，呼吸運動引起線圈電感量的改變，導(dǎo)致電路諧振條件改變，從而引起諧振幅度和諧振頻率隨呼吸運動而變化，通過調(diào)幅檢波或者調(diào)頻檢頻的方法，就可以完成對呼吸運動的檢測[8-10]。鑒于獼猴的身體形態(tài)相比人類要小很多，現(xiàn)有測量技術(shù)中用到的傳感線圈的電感量將隨之顯著減小，本系統(tǒng)采用三線編繩的方法以增大線圈的電感量。通過計算得出相應(yīng)LC振蕩回路的電容值，在電路上予以匹配。設(shè)計的胸腹傳感線圈如圖4所示。

圖4 胸腹呼吸運動傳感線圈的設(shè)計圖

本穿戴式背心系統(tǒng)將呼吸感應(yīng)體積描記的胸帶、腹帶分別移植到衣服的胸、腹位置上。以胸帶走線為例：線圈繞胸部一圈后，在前胸處貼近衣襟上行，繞頸部一圈后，貼近衣襟下行，在另一側(cè)與線圈另一端匯合，接入信號采集記錄電路。采用這種走線方式，傳感器可以嵌入在彈性背心中，使用時如一件普通拉鏈背心，穿脫方便，不易損壞。此外，在實際應(yīng)用測試后，將拉鏈設(shè)計改于背心側(cè)面，放置采集電路的口袋設(shè)置于背后，以減少實驗動物的活動干擾。改制后的背心如圖5所示。

圖5 改制后的動物背心

3 性能測試

3.1 測試目的

針對實驗對象獼猴的特殊性，研究生理參數(shù)采集技術(shù)，通過現(xiàn)場實驗的方法來確定生理參數(shù)采集電路的相關(guān)參數(shù)，并驗證各類生理參數(shù)采集技術(shù)的有效性和可靠性。針對自由活動狀態(tài)下的獼猴，使用自主研發(fā)的動物生理參數(shù)采集裝置來采集心電、胸腹呼吸運動和體位/體動6路生理信號，以檢驗實驗裝置能否完成數(shù)據(jù)采集、存儲等各項預(yù)期功能，檢驗實驗裝置是否達到設(shè)計要求，驗證以此裝置為平臺開展動物實驗的可行性。

3.2 測試方法及過程

將獼猴胸部去毛，用酒精擦拭脫脂后粘貼Ag/AgCl電極。電極連接方式與人類相同，采用雙極肢體導(dǎo)聯(lián)。將背心系統(tǒng)穿于動物身上，接上各類生理信號傳感器，連接整個實驗系統(tǒng)，使用SD卡存儲動態(tài)生理參數(shù)。

3.3 測試結(jié)果

采用MATLAB編寫了SD卡數(shù)據(jù)文件的提取及顯示程序，得到了實驗動物心電、胸腹呼吸運動以及體位/體動信號。SD卡數(shù)據(jù)讀取操作如圖6所示，信號顯示分析畫面如圖7所示。

圖6 基于MATLAB的SD卡文件讀取操作圖

圖7 數(shù)據(jù)信號顯示分析操作圖

心電信號的數(shù)據(jù)表明通過體表電位提取的方法可以獲得高質(zhì)量的動物心電圖，如圖8所示。胸腹呼吸數(shù)據(jù)表明呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)能夠有效地提取呼吸運動信息，信號中的噪聲來源于工頻干擾以及動物毛皮與實驗背心之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲。實驗動物的活動會對呼吸信號產(chǎn)生較大的影響，可以通過三軸加速度計的三維輸出量來消除運動偽影，濾波處理前后的胸呼吸運動信號如圖9所示。

圖8 心電信號波形圖

圖9 處理前后的胸呼吸信號圖

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4 結(jié)語

本穿戴式動物生理參數(shù)采集裝置可實現(xiàn)自由活動狀態(tài)下的動物基本生命體征（心電、胸腹呼吸、體位/體動）的可靠提取。該裝置的突出特點是使用方便，可進行無創(chuàng)性動物生理指標監(jiān)測；不需要進行外科手術(shù)，符合動物福利要求；不依賴任何人為和環(huán)境的因素，可隨時根據(jù)需要方便開展實地測量；符合生理指標監(jiān)測的發(fā)展趨勢。本技術(shù)可發(fā)展為極端環(huán)境下的動物生理參數(shù)提取技術(shù)，可對相關(guān)武器作戰(zhàn)效能進行評估研究，有著重要的軍事醫(yī)學(xué)價值以及基礎(chǔ)研究科學(xué)價值。

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（收稿：2014-12-07 修回：2015-03-10）

Design and implementation of wearable animal physiology parameters acquisition device

JI Xue-yuan1,WANG Wei-dong2,ZHANG Zheng-bo2,WANG Guo-jing2,PENG Fu-lai3
（1.Medical School of Chinese PLA,Beijing 100853,China;2.Medial Engineering Support Center, Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China;3.School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

ObjectiveTo design a physiological parameters acquisition device for collecting the experimental macaques' signals of ECG,respiration,body position and movement.MethodsThe device adopted body surface potential extraction technology to gather ECG signal,and respiratory inductive plethysmography to extract thorax and abdomen breathing movements,output of the tri-axial accelerometer to get body position and movement signal.ResultsPhysiological parameters of freely movable macaques were successfully acquired in animal experiment,and the data stored in the SD card file system were complete and accurate.ConclusionThe device can gather vital signs of freely movable animal,even human after retrofitting,and has broad application prospects in the field of animal medicine and low-load monitoring technology. [Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：1-3，31]

wearable；physiology parameter；low-load

R318.6；TH772+.2

A

1003-8868（2015）06-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.001

國家科技支撐計劃項目（2013BAI03B04）；國家自然科學(xué)基金資助項目（61372047）

季雪淵（1989—），男，研究方向為醫(yī)療儀器設(shè)備、穿戴式醫(yī)療電子設(shè)計，E-mail:jixueyuan163@163.com。

100853北京，解放軍醫(yī)學(xué)院（季雪淵）；100853北京，解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障中心（王衛(wèi)東，張政波，王國靜）；100081北京，北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院（彭福來）

王衛(wèi)東，E-mail:wangwd301@126.com