警員可穿戴多體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

黃俊驍,王志宇,丁仲祥,林金朝,龐 宇*,李章勇(.重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065;.公安部第一研究所,北京 00044)

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警員可穿戴多體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

黃俊驍1,王志宇2,丁仲祥1,林金朝1,龐 宇1*,李章勇1
(1.重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065;2.公安部第一研究所,北京 100044)

為了實(shí)現(xiàn)公安、消防等高危職業(yè)的體征參數(shù)監(jiān)測(cè),以公安日常裝備(警盔和T恤)為可穿戴載體,設(shè)計(jì)了一種體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)血氧飽和度、心電、心率的檢測(cè)、傳輸和顯示。警盔利用反射式探頭采集光電容積脈搏波PPG(photoplethysmography)信號(hào),檢測(cè)血氧飽和度;T恤利用導(dǎo)電硅膠和ADS1292R采集心電ECG(electrocardiogram)信號(hào),檢測(cè)心電和心率;APP實(shí)現(xiàn)體征參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)表明,ECG信號(hào)R波定位的準(zhǔn)確率能達(dá)到98.5%以上;與標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)護(hù)儀對(duì)比,血氧、心率的平均誤差都較低,血氧的最大誤差在5%以內(nèi),心率的最大誤差在10次/min以內(nèi)。在不影響正?；顒?dòng)下,系統(tǒng)能夠滿足國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)時(shí)體征參數(shù)監(jiān)測(cè)的要求。首次設(shè)計(jì)了一套適用于警員的可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了參數(shù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

穿戴式系統(tǒng);體征參數(shù)監(jiān)測(cè);信號(hào)傳感;血氧飽和度;心電;心率

據(jù)公安部的統(tǒng)計(jì),從2010年到2014年,全國民警因公傷亡22 870人,其中因公犧牲2 129人,因突發(fā)疾病猝死或同犯罪分子作斗爭(zhēng)犧牲的占一半以上[1]。高壓高危的工作性質(zhì)使傷亡人數(shù)居高不下,因此對(duì)民警進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)尤為必要。

人體的生命體征參數(shù)如血氧飽和度、心電、心率等,能客觀地反應(yīng)人體狀態(tài),對(duì)于警員更是如此。多數(shù)警員因突發(fā)心血管疾病猝死,或受傷錯(cuò)過救治的黃金時(shí)間而犧牲[2]。通過可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備及時(shí)地檢測(cè)到民警發(fā)病或受傷時(shí)的體征,向總部發(fā)送信息,使其得到及時(shí)的救治,能夠減小警員因公傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的體征參數(shù)數(shù)據(jù)可以用于心率變異性、精神壓力、疲勞檢測(cè)等方面的分析[3-5]。

目前,市面上有許多體征參數(shù)檢測(cè)設(shè)備,比如佩戴在手指或手腕上的血氧檢測(cè)裝置[6],基于胸部導(dǎo)聯(lián)線的心電檢測(cè)裝置[7],但一般的可穿戴設(shè)備會(huì)影響民警執(zhí)行任務(wù)過程中的正常活動(dòng)。因此,研制基于公安日常裝備的可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置能夠填補(bǔ)警員體征監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的空白,具有保護(hù)其生命安全的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以公安日常裝備為載體,設(shè)計(jì)了一種可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警員的血氧飽和度、心電、心率。該系統(tǒng)操作便捷,檢測(cè)準(zhǔn)確率高,實(shí)現(xiàn)了公安日常裝備與體征檢測(cè)裝置的融合,在不影響警員正?；顒?dòng)下,實(shí)現(xiàn)體征參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、傳輸和顯示。

1 總體系統(tǒng)

1.1 總體設(shè)計(jì)

在不影響警員正?；顒?dòng)的情況下,本文設(shè)計(jì)了一套可穿戴生命體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖2 頭帶胸帶外觀圖

以警盔或警帽為可穿戴載體,內(nèi)嵌血氧檢測(cè)頭帶(如圖2(a)),通過反射式探頭[8]采集光電容積脈搏波(PPG)信號(hào);同時(shí),以警用T恤為可穿戴載體,內(nèi)嵌心電檢測(cè)胸帶(如圖2(b)),通過導(dǎo)電硅膠和心電采集芯片采集心電(ECG)信號(hào);原始信號(hào)傳入單片機(jī)處理計(jì)算后,體征參數(shù)(血氧、心率、心電)通過藍(lán)牙4.0發(fā)送給手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

頭帶采集額頭的PPG信號(hào),不影響警員的正?；顒?dòng),傳感器緊貼皮膚,抗干擾能力強(qiáng)。胸帶采用雙導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)的形式,摒棄粘性電極片,利用導(dǎo)電硅膠傳導(dǎo)ECG信號(hào),提高了檢測(cè)的舒適感與便捷性。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖3所示,主要由電源模塊、PPG采集模塊、ECG采集模塊、主控模塊和無線傳輸模塊組成。

圖3 硬件總體框圖

PPG采集模塊由雙色發(fā)光管、光頻轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集控制電路組成。其中,雙色發(fā)光管采用血氧專用660 nm/940 nm雙波長(zhǎng)LED,光頻轉(zhuǎn)換器采用TSL237光頻轉(zhuǎn)換器,信號(hào)采集控制電路為H橋電路。在單片機(jī)的時(shí)序電平控制下,雙色發(fā)光管交替發(fā)光,光頻轉(zhuǎn)換器將接收到的反射光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為光頻輸出,最后單片機(jī)利用定時(shí)器捕獲得到原始的PPG信號(hào)。

心電采集模塊由導(dǎo)電硅膠、心電線和心電采集芯片組成。其中,導(dǎo)電硅膠作為電極傳感器,導(dǎo)電性能好,無粘連感;心電采集芯片為TI公司生產(chǎn)的ADS1292R。ADS1292R利用兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)采集原始心電信號(hào),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和增益放大,將ECG信號(hào)通過SPI傳入單片機(jī)。

主控模塊為單片機(jī)MSP430F2418及其外圍電路,接收原始PPG和ECG信號(hào)后,進(jìn)行信號(hào)的處理和計(jì)算,將相關(guān)參數(shù)通過UART發(fā)送給無線傳輸模塊;無線傳輸模塊通過藍(lán)牙4.0將體征參數(shù)傳至手機(jī)顯示。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要完成生理信號(hào)的采集、傳輸和處理,體征參數(shù)的計(jì)算和發(fā)送。

頭帶的程序工作流程圖如圖4(a)所示,單片機(jī)初始化后,開啟定時(shí)器,時(shí)序控制紅燈和紅外燈交替亮(2 ms)滅(1 ms),再通過定時(shí)器捕獲接收到的光頻,獲得原始的PPG信號(hào);存儲(chǔ)完1 000個(gè)數(shù)據(jù)后,對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,濾去干擾;根據(jù)兩路PPG信號(hào)計(jì)算得到血氧后,通過UART發(fā)送給藍(lán)牙。

胸帶的程序工作流程圖如圖4(b)所示,單片機(jī)初始化后,配置ADS1292R,開啟SPI傳輸,將ECG數(shù)據(jù)存入數(shù)組;經(jīng)過解析分離后,對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,放大濾波后計(jì)算心率;最后將心電、心率通過UART發(fā)送給藍(lán)牙。

圖4 程序流程圖

2 信號(hào)處理與參數(shù)計(jì)算

2.1 信號(hào)預(yù)處理

原始的生理信號(hào)存在大量干擾,需要對(duì)PPG和ECG信號(hào)進(jìn)行一系列預(yù)處理,以得到干凈、穩(wěn)定的信號(hào),利于體征參數(shù)的計(jì)算。

2.1.1 PPG信號(hào)的處理

從頭部采集的PPG信號(hào)中含有高頻干擾和基線漂移,同時(shí)還有一些突變的數(shù)據(jù),對(duì)信號(hào)的計(jì)算有很大的影響[9]。

PPG信號(hào)由定時(shí)器捕獲光頻信號(hào)得到,因定時(shí)器溢出導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤而產(chǎn)生一些奇異點(diǎn),這些奇異點(diǎn)是隨機(jī)出現(xiàn)的,因此采用均值濾波的方式去除奇異點(diǎn)。

PPG信號(hào)存在高頻干擾,使得波形上出現(xiàn)許多毛刺,這些干擾幅度很小且頻率比PPG信號(hào)高,選擇5個(gè)～9個(gè)點(diǎn)的平滑濾波去除高頻噪聲。

脈搏波還存在明顯的基線漂移,這是由人體的呼吸導(dǎo)致直流分量不穩(wěn)定造成的。由于計(jì)算血氧需要準(zhǔn)確計(jì)算PPG信號(hào)的直流分量和交流分量,不能簡(jiǎn)單用高通濾波器濾除這種干擾,因此采用形態(tài)學(xué)濾波[10]去除基線漂移。

2.1.2 ECG信號(hào)的處理

從胸部通過兩導(dǎo)聯(lián)采集的人體心電信號(hào)十分微弱,且易受外界干擾,如工頻干擾、電極接觸干擾、肌電干擾、基線漂移等[11]。

原始心電信號(hào)中高頻干擾噪聲很強(qiáng),而心電信號(hào)攜帶的有用信息在0.5 Hz～35 Hz之前,因此利用FIR低通濾波器去除高頻干擾。

工頻干擾是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常見的噪聲,由電磁場(chǎng)干擾所引起,幅值較低,頻率是50 Hz及其諧波,利用50 Hz陷波器去除工頻干擾。

由于采集心電時(shí)省去了參考電極,心電信號(hào)的基線漂移也很嚴(yán)重,可利用快速有效的中值濾波去除基線漂移。

2.2 血氧飽和度計(jì)算

根據(jù)同步采集的兩路PPG信號(hào)可以計(jì)算血氧飽和度。首先,采用差分異號(hào)法對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行極值點(diǎn)的定位;利用三次樣條差值法計(jì)算PPG信號(hào)的包絡(luò)線;直流分量為上下包絡(luò)線的均值,交流分量為上下包絡(luò)線的差值;最后將兩路PPG信號(hào)的交、直流分量值代入公式計(jì)算得血氧。血氧計(jì)算公式由朗伯比爾定律和光子擴(kuò)散方程推得,經(jīng)驗(yàn)公式[12]為

(1)

式中:SpO2為血氧飽和度,IAC和IDC分別為PPG信號(hào)的交流分量和直流分量,λ1和λ2分別代表兩種頻率的光。

2.3 心率計(jì)算

心率的計(jì)算需要定位心電信號(hào)的R波,通過計(jì)算相鄰R波的間期求出心率。差分閾值法是一種簡(jiǎn)單、快速的QRS波群的檢測(cè)算法,適用于實(shí)時(shí)性要求較高的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備[13],因此,采用差分閾值法對(duì)R波進(jìn)行定位。

R波是心電信號(hào)特征波變化最劇烈的部分,在上升或者下降波形的斜率變化最大。因此,對(duì)預(yù)處理后的心電信號(hào)進(jìn)行一階差分平方運(yùn)算,再結(jié)合時(shí)間窗口和設(shè)定的幅度閾值便可判斷出R波的位置。R波檢測(cè)及心率計(jì)算的流程如圖5所示,其中心率的計(jì)算公式[14]為:

HR=60fs/R-R

(2)

式中:HR為心率,fs為采樣率,R-R為相鄰R波的間隔點(diǎn)數(shù)。

圖5 心率計(jì)算流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

警員可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由可穿戴檢測(cè)設(shè)備和體征參數(shù)監(jiān)測(cè)APP組成,如圖6所示?？纱┐鳈z測(cè)設(shè)備包括血氧檢測(cè)頭盔和心電檢測(cè)T恤。體征參數(shù)監(jiān)測(cè)APP通過藍(lán)牙4.0與電路板對(duì)接,實(shí)時(shí)顯示血氧、心率和心電圖。

3.2 血氧飽和度測(cè)試

單片機(jī)對(duì)原始PPG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,濾去干擾,可以得到平滑、干凈、穩(wěn)定的PPG波形,如圖7所示,可以用于血氧飽和度的計(jì)算。

通過參數(shù)擬合確定血氧飽和度的計(jì)算公式后,利用頭盔和標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)護(hù)儀同步對(duì)10人進(jìn)行測(cè)試。在靜止和頭部活動(dòng)狀態(tài)下,記錄5 min內(nèi)的10組實(shí)測(cè)血氧和標(biāo)準(zhǔn)血氧,進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算平均誤差和最大誤差,結(jié)果如圖8所示。

圖8 血氧檢測(cè)誤差圖

圖6 可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖7 PPG信號(hào)處理前后

從圖8可以看出,在靜止?fàn)顟B(tài)下,測(cè)試者的血氧誤差平均值在1.5%以內(nèi),最大誤差在3%以內(nèi);在頭部活動(dòng)狀態(tài)下,血氧誤差有所增大,但誤差平均值仍在3%以內(nèi),最大誤差仍在5%以內(nèi)。在不影響佩戴者正常活動(dòng)情況下,頭盔能滿足國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無創(chuàng)血氧檢測(cè)誤差的要求。

3.3 心電心率測(cè)試

單片機(jī)對(duì)原始ECG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,去除噪聲,得到波形清晰的心電圖,其R波明顯且突出,如圖9所示。

圖9 ECG信號(hào)處理前后及R波定位圖

選取10名測(cè)試者的10 min心電檢測(cè)樣本,經(jīng)過計(jì)算和分析,如表1所示,R波定位成功率能達(dá)到98.5%以上。

表1 R波定位準(zhǔn)確率

利用T恤和標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)護(hù)儀同步對(duì)10人進(jìn)行測(cè)試,記錄靜止?fàn)顟B(tài)和正常狀態(tài)(非運(yùn)動(dòng))下10 min內(nèi)的實(shí)時(shí)心率,對(duì)比實(shí)測(cè)心率和標(biāo)準(zhǔn)心率,計(jì)算平均誤差和最大誤差,結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出,靜息心率的平均誤差在3次/min以內(nèi),最大誤差在6次/min以內(nèi);正?；顒?dòng)下心率誤差有所增大,平均誤差在5次/min以內(nèi),最大誤差在10次/min以內(nèi)。兩種狀態(tài)下均能滿足實(shí)時(shí)心率的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 心率檢測(cè)誤差圖

4 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)公安、消防等高危職業(yè)的生命體征參數(shù)監(jiān)測(cè),基于公安日常裝備設(shè)計(jì)了一套可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)檢測(cè)警員的血氧飽和度、心電圖和心率。系統(tǒng)由血氧檢測(cè)警盔、心電檢測(cè)T恤和手機(jī)監(jiān)測(cè)APP組成:在警盔中,反射式探頭采集額頭的PPG信號(hào),單片機(jī)去除信號(hào)中的奇異點(diǎn)、高頻干擾和基線漂移后,利用兩路PPG信號(hào)計(jì)算血氧飽和度;在T恤中,導(dǎo)電硅膠采集ECG信號(hào),ADS1292R進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大,單片機(jī)去除信號(hào)中的高頻干擾、工頻干擾和基線漂移,定位R波并計(jì)算心率;在APP中,血氧、心率以數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示,心電以波形呈現(xiàn)。

在測(cè)試中,單片機(jī)程序能夠較好濾去原始生理信號(hào)中的噪聲,得到干凈、穩(wěn)定的PPG和ECG,為體征參數(shù)的計(jì)算提供了便利。通過實(shí)驗(yàn)表明,在靜止和頭部活動(dòng)情況下,實(shí)測(cè)的血氧飽和度平均誤差均在3%以內(nèi),最大誤差均在5%以內(nèi),能夠滿足無創(chuàng)血氧檢測(cè)的要求。在靜止和正常狀態(tài)下,實(shí)測(cè)心率的平均誤差均在5次/min以內(nèi),最大誤差均在10次/min以內(nèi),能夠滿足實(shí)時(shí)心率的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

在警員的日常活動(dòng)中,會(huì)產(chǎn)生大量的運(yùn)動(dòng)干擾,影響體征參數(shù)的計(jì)算,因此,作者在后續(xù)的研究中考慮引入加速度檢測(cè),通過加速度變化抵消生理信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)干擾,使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的體征參數(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確率顯著提高。

系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于公安等特殊行業(yè),稍加改裝也可推廣至高壓人群或患病人群,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的生命參數(shù),為后續(xù)的心理或治療反饋?zhàn)鲾?shù)據(jù)參考。

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黃俊驍(1992-),男,四川渠縣人,研究生在讀,主要研究方向?yàn)槿梭w信號(hào)處理與可穿戴醫(yī)療設(shè)備設(shè)備研制,hjx_cqupt@163.com;

林金朝(1966-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理、無線通信技術(shù)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、信息與通信工程和生物醫(yī)學(xué)工程交叉領(lǐng)域等,linjz@cqupt.edu.cn;

龐 宇(1978-),男,四川瀘州人,教授,通訊作者,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事通信集成電路設(shè)計(jì)、邏輯綜合、無線通信和智慧醫(yī)療方面的研究工作,pangyu@cqupt.edu.cn。

Design of Wearable Multiple Sign Parameters Monitoring System for Policemen*

HUANG Junxiao1,WANG Zhiyu2,DING Zhongxiang1,LIN Jinzhao1,PANG Yu1*,LI Zhangyong1
(1.Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology,The Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;2.First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC,Beijing 100044,China)

To achieve sign parameters monitoring of police,firefighters and other high-risk occupations,a monitoring system was designed to achieve detection,transmission and display of oxygen saturation,electrocardiogram(ECG)and heart rate. The police helmet used reflection probe to acquire photoplethysmography(PPG)signal,detecting oxygen saturation. The police T-shirt used conductive silicone and ADS1292R to acquire ECG signal,detecting ECG and heart rate. The APP achieved real-time display of sign parameters. Experiments show,the accurate location of ECG’s R wave can reach above 98.5%. Compared with standard monitors,the average error of oxygen saturation and heart rate is low,the maximum error of oxygen saturation is within 5%,and the maximum error of heart rate is within 10 BPM. The system can meet the international standard for real-time sign parameters monitoring while not affecting the normal activities. A set of wearable signs parameters monitoring system for police was designed for the first time,which achieved the accuracy and stability of parameters monitoring.

wearable system;sign parameters monitoring;signal sensing;oxygen saturation;ECG;heart rate

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61571070,61671091);國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAI11B0);重慶市教委優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(KJZH14208)

2016-07-06 修改日期:2016-12-06

R318.6

A

1004-1699(2017)04-0635-06

C:7210;7510D;4250

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.026