礦山救護(hù)隊(duì)員訓(xùn)練和心理干預(yù)生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉士建 宋 巖 王善禮

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

礦山救護(hù)隊(duì)是處理礦山災(zāi)害事故的職業(yè)型、技術(shù)型隊(duì)伍，礦山救護(hù)隊(duì)員在事故處理過程中置身爆炸、火災(zāi)、突水、冒頂、中毒等危險(xiǎn)環(huán)境中，神經(jīng)處于高度緊張狀態(tài)，有時(shí)要面對斷肢殘?bào)w、呻吟、流血等慘狀的遇險(xiǎn)人員，這給礦山救護(hù)隊(duì)員帶來極大的心理壓力。在這種心理壓力持續(xù)作用下，礦山救護(hù)隊(duì)員極易產(chǎn)生緊張、急躁、恐懼、憤怒、厭煩等情緒，因此，需要對其進(jìn)行及時(shí)心理干預(yù)、疏導(dǎo)和治療。在心理干預(yù)、疏導(dǎo)和治療中，對救護(hù)隊(duì)員生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄和分析是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

生理指標(biāo)的變化情況可以反映出人對環(huán)境的適應(yīng)能力與在該環(huán)境下人的身體狀態(tài)，目前科研工作者對于生理指標(biāo)的研究越來越重視，各種用于實(shí)現(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)測的技術(shù)和設(shè)備儀器也層出不窮[1-3]。本文主要針對礦山救護(hù)隊(duì)員心理訓(xùn)練和干預(yù)中的生理指標(biāo)變化進(jìn)行監(jiān)測，通過單片機(jī)采集心率變異性指數(shù)、皮膚電反應(yīng)數(shù)據(jù)和腦電信號等生理信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并實(shí)時(shí)上傳，上位機(jī)系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，用來輔助礦山救護(hù)隊(duì)員的心理訓(xùn)練和心理干預(yù)，提高其在井下適應(yīng)能力。

1 生理指標(biāo)監(jiān)測原理

在心理干預(yù)和治療方面，與心理變化相關(guān)性強(qiáng)的生理指標(biāo)主要有心率變異性指數(shù)、皮膚電反應(yīng)數(shù)據(jù)和腦電信號三種[4]。心率變異性指標(biāo)主要通過心率監(jiān)測獲得，通過心率監(jiān)測能夠很好地反映人在一段時(shí)間內(nèi)的壓力和焦躁情緒，從而反映出人的心理變化[5]。皮膚電反應(yīng)是反映人交感神經(jīng)興奮性變化的最有效、最敏感的生理參數(shù)，是測量情緒反應(yīng)的常用指標(biāo)。每當(dāng)人們發(fā)生情緒變化，皮膚電反應(yīng)數(shù)據(jù)會(huì)顯示出明顯的變化，可以通過觀察來統(tǒng)計(jì)量化，皮膚電反應(yīng)提供了真實(shí)可以了解事件對一個(gè)人的心理和生理的影響過程[6]。腦電信號與情緒的關(guān)系最為緊密，腦電信號包含了大量的生理與心理信息，當(dāng)大腦接收到不同的刺激時(shí)，腦電信號會(huì)反映人的專注度、放松度、恐懼等心理活動(dòng)。

1.1 心率及心率變異性指標(biāo)監(jiān)測

當(dāng)前心率數(shù)據(jù)的監(jiān)測方式大致上主要分為兩類，即電化學(xué)法和光學(xué)法。電化學(xué)法的工作原理主要是通過對人們的靜脈采血之后進(jìn)行電化學(xué)分析，計(jì)算出動(dòng)脈分壓進(jìn)而計(jì)算血氧飽和度和心率數(shù)據(jù)[7]。光學(xué)法的主要原理是由于人體對于光的接收程度的不同進(jìn)而可以反映出人體當(dāng)前的血氧濃度和心率數(shù)據(jù)。光學(xué)法監(jiān)測心率和血氧濃度數(shù)據(jù)的方式主要通過監(jiān)測光的反射程度，對于人體沒有傷害，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)監(jiān)測。心率變異性指標(biāo)可以通過監(jiān)測的心率指標(biāo)計(jì)算出來，該文采用光學(xué)法監(jiān)測心率數(shù)據(jù)，通過下面的計(jì)算方法完成心率變異性的各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算。

1）標(biāo)準(zhǔn)差SDNN：用于衡量一段時(shí)間內(nèi)相鄰兩個(gè)R-R 間期時(shí)序的離散度，通常取5 min 為計(jì)算時(shí)段，單位為ms。

2）根號平均平方差（RMSSD）：用于衡量相鄰R-R 間期的變異性，是SDNN 的平均值的開方，其單位為ms。

3）PNN50 是指相鄰心跳間隔差異大于50 ms的心跳數(shù)占總心跳數(shù)的比例。該指標(biāo)反映的是心臟節(jié)律的不規(guī)律性，PNN50 越高則說明心臟節(jié)律越不規(guī)律，反之則越規(guī)律。

4）SDSD 是指相鄰心跳間隔的標(biāo)準(zhǔn)差。該指標(biāo)反映的是心跳間隔的變異度，SDSD 越高則說明心跳間隔的變異程度越大，心臟自主神經(jīng)功能越強(qiáng)。

5）M-HRT 是指最長R-R 間期和最短R-R 間期之比。該指標(biāo)反映的是心臟對壓力的適應(yīng)能力，M-HRT 越小則說明心臟對壓力的適應(yīng)能力越強(qiáng)。

1.2 皮膚電反應(yīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測

皮膚電信號數(shù)據(jù)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)個(gè)人化、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測和診斷的重要技術(shù)手段。利用電極在皮膚表面感測電生理信號，將信號放大、濾波和數(shù)字化處理，進(jìn)而提取有用的生理特征參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析和算法建模實(shí)現(xiàn)對身體健康狀態(tài)的監(jiān)測和診斷。皮膚電信號數(shù)據(jù)監(jiān)測原理的核心是對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理和分析，其中信號處理主要包括濾波和放大，目的是去除噪聲、提高信噪比和增大信號幅度；而信號分析則是提取有用的特征參數(shù)，如幅值、頻率、時(shí)域、頻域等[8]。這些特征能夠反映出身體健康狀態(tài)的不同指標(biāo)，如情緒波動(dòng)、呼吸的深淺等等。

1.3 腦電信號監(jiān)測

腦電信號監(jiān)測是利用電生理技術(shù)來監(jiān)測人體腦電活動(dòng)的過程。腦電信號是指由大腦神經(jīng)元釋放的電信號，它們可以被測量和記錄下來。這種信號可以揭示出人類的認(rèn)知、情緒、行為、認(rèn)知和神經(jīng)發(fā)育方面的信息。腦電信號監(jiān)測主要依靠電極放置和差分放大器，將生物電信號從頭皮海綿質(zhì)中捕捉并放大，以得到清晰的信號。通常在腦電信號監(jiān)測時(shí)會(huì)使用多個(gè)電極放置在頭皮上，以同時(shí)捕捉來自大腦各個(gè)部位的信號，然后將這些信號放大和濾波以去除噪聲和其他不相關(guān)信息，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析[9]。

該文主要針對腦電信號α波、β波、θ波三種波形進(jìn)行分析。α波是一種低頻腦電波，主要出現(xiàn)在大腦皮層的頂部，通常在放松狀態(tài)下出現(xiàn)。它們與平靜、放松和休息有關(guān)，因此被認(rèn)為是一種情緒穩(wěn)定波。如果缺乏α波，可能會(huì)表現(xiàn)出注意力不足和過度活躍的癥狀。β波是一種高頻腦電波，通常出現(xiàn)在活躍狀態(tài)下。β波在注意力和思考時(shí)會(huì)增加，并且與焦慮、壓力以及緊張有關(guān)[10]。如果β波過度活躍，則可能導(dǎo)致注意力分散、壓力和焦慮等問題[11]。θ波是一種中頻腦電波，主要出現(xiàn)在記憶和放松狀態(tài)下。在深度放松狀態(tài)下，θ波會(huì)增加，而在沉睡狀態(tài)下，θ波會(huì)高于正常。如果缺乏θ波，則可能表現(xiàn)出記憶力下降和情緒不穩(wěn)定等問題[12]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)核心控制模塊、心率血氧監(jiān)測電路、皮膚電反應(yīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測電路和腦電監(jiān)測電路等組成。系統(tǒng)核心控制模塊與心率血氧監(jiān)測模塊通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，心率血氧模塊通過接收到生理指標(biāo)測試儀核心控制模塊的指令進(jìn)行血氧采集。功能框圖如圖1 所示。

圖1 生理指標(biāo)功能框架圖

2.1 系統(tǒng)核心芯片

本系統(tǒng)的核心控制芯片采用STM32F103RCT6單片機(jī)，該款單片機(jī)內(nèi)含豐富的資源。本系統(tǒng)主要使用了該單片機(jī)的256 KB 的FLSH 空間、3 個(gè)UART 串口和2 組AD 監(jiān)測端口等資源。通過UART5 與心率血氧監(jiān)測模塊進(jìn)行通信，通過UART3 與腦電信號監(jiān)測模塊通信，通過PA1 進(jìn)行AD 數(shù)據(jù)的采集，通過UART1 進(jìn)行底層控制端與上位機(jī)之間進(jìn)行信息交互。

2.2 心率血氧采集

心率血氧監(jiān)測采用力康公司的KS-COM1 心率血氧監(jiān)測模塊，該模塊采用SFH7050 作為心率血氧的監(jiān)測探頭。心率血氧采集模塊采用光容積法測量心率血氧數(shù)據(jù)，其主要原理是血液對光的吸收隨著脈搏變化而變化，通過對光的吸收率的不同判斷當(dāng)前時(shí)刻心臟是否發(fā)生跳動(dòng)進(jìn)而計(jì)算心率和心率變異性指標(biāo)。

2.3 皮膚電采集

皮膚電采集的條理電路如圖2 所示，分別為皮膚電信號采集部分和皮膚電信號放大部分。皮膚電信號采集部分通過指間的采集電極采集皮膚電信號，電極所采集的微弱電信號經(jīng)兩級運(yùn)放芯片（MCP607-I/SN 芯片，輸入偏置電壓為250μV）放大后，系統(tǒng)STM32 核心單片機(jī)的AD 引腳（PC0）監(jiān)測二級運(yùn)放芯片的輸出數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過對所得電信號進(jìn)行快速傅里葉變換，濾除頻段0～2.4 Hz 以外的電信號，獲取所用數(shù)據(jù)。

圖2 皮膚電采集模塊電路圖

2.4 腦電波采集

生理指標(biāo)測試與腦電模塊的連接采用藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，腦電模塊采用神念科技的TGAM 腦電波監(jiān)測芯片。該芯片通過電極監(jiān)測兩個(gè)耳垂以及額頭的電壓完成電腦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，通過內(nèi)部集成的低通濾波器以及濾波算法將通過電極采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等到腦電傳感器的相關(guān)指標(biāo)。該文在TGAM 模塊的基礎(chǔ)上集成了藍(lán)牙模塊，使得藍(lán)牙模塊在接收到TGAM 模塊所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)以藍(lán)牙通信的方式傳輸?shù)较到y(tǒng)單片機(jī)核心上，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理與顯示。

3 生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

生 理 指 標(biāo) 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 下 位 機(jī) 采 用STM32F103RCT6 作為下位機(jī)的核心控制端，核心控制端通過串口與心率血氧監(jiān)測模塊、腦電信號監(jiān)測模塊、上位機(jī)等進(jìn)行通信，通過AD 引腳對皮膚電數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的程序流程圖如圖3 所示。在生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先對其串口、AD 監(jiān)測引腳進(jìn)行初始化，設(shè)置串口波特率、開啟接收中斷、設(shè)置中斷優(yōu)先級等，然后向心率血氧監(jiān)測模塊和腦電信號監(jiān)測模塊發(fā)送指令使其正常工作，最后核心控制模塊等待上位機(jī)傳輸?shù)闹噶畈ζ溥M(jìn)行分析執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖3 生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的程序流程圖

2）生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，軟件主要具備生理指標(biāo)數(shù)據(jù)顯示、生理指標(biāo)波形顯示、閾值報(bào)警、控制傳感器開關(guān)、傳感器狀態(tài)顯示等功能。系統(tǒng)與下位機(jī)通信協(xié)議采用串口的形式。在通信建立之后，發(fā)送指令打開傳感器，并根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)判斷傳感器是否打開，如打開則對應(yīng)指示燈變亮。接著發(fā)送指令讀取保持寄存器數(shù)據(jù)，將波形數(shù)據(jù)加載至chart 圖標(biāo)中，將指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。最后，根據(jù)數(shù)據(jù)是否超過預(yù)警值進(jìn)行燈光報(bào)警，并存儲(chǔ)至預(yù)警異常記錄表中。生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)程序流程圖如圖4 所示。

圖4 生理指標(biāo)監(jiān)測上位機(jī)程序流程圖

系統(tǒng)上位機(jī)需要具備傳感器狀態(tài)顯示功能，因?yàn)樵谂宕骱腿∠聜鞲衅鬟^程中數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，被系統(tǒng)判斷為異常預(yù)警，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，不利于數(shù)據(jù)分析，需要設(shè)計(jì)自定義控件實(shí)時(shí)顯示傳感器狀態(tài)。預(yù)警及預(yù)警記錄功能設(shè)計(jì)為指示燈及預(yù)警記錄表，如果指標(biāo)超出預(yù)定值則進(jìn)行記錄并報(bào)警。

3）生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的測試

為了驗(yàn)證生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的各個(gè)功能，首先，研究人員讓礦山救護(hù)隊(duì)員在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行血氧、心率、皮膚電、腦電波信號等生理指標(biāo)的采集。接著，研究人員讓隊(duì)員在礦井模擬訓(xùn)練艙內(nèi)進(jìn)行礦山災(zāi)害事故救援操作和訓(xùn)練。在訓(xùn)練環(huán)境中，研究人員采集了隊(duì)員的血氧、心率、皮膚電、腦電波信號等生理指標(biāo)，并通過系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)腦電波、心率血氧、心率變異性等指標(biāo)的監(jiān)測界面圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)測界面圖

4 結(jié)語

該系統(tǒng)基于STM32 單片機(jī)對礦山救護(hù)隊(duì)員的日常訓(xùn)練和心理素質(zhì)訓(xùn)練過程中的生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，通過采集心率變異性指數(shù)、皮膚電反應(yīng)數(shù)據(jù)和腦電信號等生理信號，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測救護(hù)隊(duì)員的生理指標(biāo)，有助于研究人員更好地了解隊(duì)員身體狀況和訓(xùn)練效果，進(jìn)而有針對性地調(diào)整訓(xùn)練方案，達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果。在心理訓(xùn)練中，救護(hù)隊(duì)員的生理指標(biāo)可以反映出其心理狀態(tài)，研究人員可以根據(jù)反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練方案和心理輔導(dǎo)措施，幫助隊(duì)員減輕壓力，幫助隊(duì)員保持穩(wěn)定的心態(tài)，提升隊(duì)員的訓(xùn)練效果和綜合素質(zhì)，為礦山救護(hù)隊(duì)的身心健康提供了重要的保障。