基于脈搏監(jiān)測(cè)的泳池人員心率異常監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

張連毅　薛文彬　謝逸　丁中譜　張宏陽

摘 要：安全問題一直是開展游泳運(yùn)動(dòng)需要關(guān)注的重要問題。文章作者設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)器利用心率與脈搏頻率一致的關(guān)系，將脈搏傳感器、微控制單元與聲光報(bào)警器等硬件集成為專用芯片，以手環(huán)的形式佩戴在泳池人員的手腕上，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泳池人員的脈搏來實(shí)時(shí)監(jiān)控泳池人員的心率異常變化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并搶救溺水人員。此監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)，可以大大減少泳池人員的溺水事故發(fā)生率，有廣闊的應(yīng)用前景。

一、溺水的過程與特點(diǎn)

泳池溺水都是淡水溺水，其死亡主要表現(xiàn)為氣管內(nèi)吸入大量水分阻礙呼吸，或因喉頭強(qiáng)烈痙攣，引起呼吸道關(guān)閉、心跳加快、心肌顫抖、肌肉緊張、昏迷并失去知覺，最后窒息死亡。溺水過程主要可以分為以下四個(gè)時(shí)期。

（1）呼吸暫停期。此時(shí)溺水者神志清楚，呼吸一時(shí)性暫停，心跳加快，血壓升高，大約持續(xù)0.5～1min。

（2）嘔吐掙扎期。此時(shí)期溺水者神志逐漸模糊，呼吸表淺，血壓開始下降，心跳由快變慢，各種反射明顯減弱，大約持續(xù)0.5～1min。

（3）二次呼吸昏迷期。此時(shí)期的特點(diǎn)是：昏迷，心跳微弱，呼吸微弱或停止，瞳孔散大，各種反射全部消失，肌肉松弛，大小便失禁，約持續(xù)1min。

（4）死亡期。呼吸完全停止，心臟可能繼續(xù)跳動(dòng)1～2min，最后進(jìn)入死亡狀態(tài)。

二、泳池溺水報(bào)警研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國際上泳池溺水報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有以下三種途徑：①利用聲吶等監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)，即在水下泳池底部安裝一套聲吶發(fā)射接收裝置，利用探測(cè)器去確定可能障礙物的存在，進(jìn)而利用一定的溺水判據(jù)去判定是否溺水；②讓游泳者身上攜帶監(jiān)測(cè)裝置，如手表或褲帶等；③利用視頻監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)下防溺水的智能裝置，比如游泳館里的監(jiān)控裝置、某一水域的監(jiān)控裝置、自動(dòng)尋人的救生圈等，都有很大的局限性，無法得到廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，與溺水報(bào)警系統(tǒng)相關(guān)的研究也正處于起步階段。

三、泳池人員心率異常監(jiān)測(cè)器的監(jiān)測(cè)原理

由溺水過程可知，人在溺水初期，生命體征變化主要是：在短時(shí)間內(nèi)，心率先變快，后變慢。泳池中，由于著裝、便利性、監(jiān)測(cè)成本等因素，對(duì)心率直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)存在一定的難度，而監(jiān)測(cè)泳池人員的脈搏則相對(duì)容易許多。心率是心臟收縮舒張活動(dòng)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，脈搏是外周的血管受到在心臟收縮活動(dòng)時(shí)血液對(duì)血管的沖擊次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，一般二者是一致的，有一次心臟收縮就會(huì)產(chǎn)生一次脈搏。因此，可以通過監(jiān)測(cè)脈搏變化的情況來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泳池人員的心率狀態(tài)，進(jìn)而反映人的溺水狀態(tài)。

四、泳池人員心率異常監(jiān)測(cè)器的硬件組成

為了監(jiān)測(cè)脈搏狀態(tài)，選用脈搏傳感器實(shí)時(shí)采集泳池人員的脈搏；為了實(shí)時(shí)判斷泳池人員有無溺水現(xiàn)象出現(xiàn)，選用微控制單元（WCU）對(duì)所采集的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并實(shí)時(shí)得出有無溺水的結(jié)論?？紤]到泳池中其他泳池活動(dòng)人員及泳池周邊值班救生員的存在，從監(jiān)測(cè)器的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，當(dāng)微控制單元判斷有溺水現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，選用聲光報(bào)警器及時(shí)報(bào)警，以引起周邊人員與值班救生員的注意，從而及時(shí)予以施救。本泳池人員心率異常監(jiān)測(cè)器主要由脈搏傳感器、微控制元件、聲光報(bào)警器三部分組成，如下圖所示。

本監(jiān)測(cè)器的硬件，可以通過集成電路，與泳池更衣柜的鑰匙集成在一個(gè)專用芯片上，為便于監(jiān)測(cè)泳池人員的脈搏，將專用芯片進(jìn)行防水處理，以手環(huán)的形式，佩戴在泳池人員的手腕上，在不影響泳池運(yùn)動(dòng)者的正常運(yùn)動(dòng)，也不給泳池運(yùn)動(dòng)者增加額外不方變的前提下，為泳池運(yùn)動(dòng)者提供安全方面的保證。

安全問題一直是開展游泳運(yùn)動(dòng)需要關(guān)注的重要問題。近年來，泳池溺水事故頻發(fā)，有的是因?yàn)椴粫?huì)游泳溺水發(fā)現(xiàn)不及時(shí)所導(dǎo)致，還有一部分人因心臟病猝發(fā)搶救不及而死亡。本泳池人員心率異常監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)，可以大大減少泳池人員的溺水事故發(fā)生率，有廣闊的應(yīng)用前景。

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