0 引言

    血氧飽和度（Blood Oxygen Saturation，SpO2）表征了人體血液的含氧量。它能有效地反應(yīng)人體循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的生理狀態(tài)，在病情診斷和健康監(jiān)護(hù)方面發(fā)揮著積極的作用^[1]。

    本設(shè)計(jì)采用的是利用光電轉(zhuǎn)換原理獲取脈搏波波形變化信息的檢測(cè)方式。其原理為：用一定波長(zhǎng)的光照向皮膚表面，光會(huì)穿透皮膚在組織中傳輸，經(jīng)過組織部分吸收后透射或反射傳給光強(qiáng)探測(cè)器。脈搏式血氧飽和度的測(cè)量采用了朗伯比爾定律和光譜學(xué)原理。通過血液物質(zhì)對(duì)光吸收的差異可以檢測(cè)出血液中不同成分的含量。

    氧氣經(jīng)過氣體交換進(jìn)入肺部毛細(xì)血管，與動(dòng)脈中的脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，Hb）相結(jié)合生成氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2），并隨動(dòng)脈血液流向全身各個(gè)組織。血氧飽和度是血液中所有可結(jié)合血紅蛋白中氧合血紅蛋白所占比例，其關(guān)系如下：

    脈率是動(dòng)脈每分鐘的搏動(dòng)次數(shù)，正常人的脈率和心率一致，身體健康的成人的心率通常在60～100次/min范圍內(nèi)^[4]。

    處理脈搏波信號(hào)時(shí)，找到兩個(gè)脈搏波的同一參考點(diǎn)，只要計(jì)算出兩參考點(diǎn)間采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)m、采樣率v，就可以計(jì)算出一個(gè)完整脈搏的時(shí)間t和脈率p：

    我國(guó)對(duì)生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的研究在體育、醫(yī)療等領(lǐng)域較為廣泛，但針對(duì)消防員滅火戰(zhàn)斗領(lǐng)域的研究尚處于初級(jí)階段。多數(shù)產(chǎn)品存在便攜性差、通信能力弱、報(bào)警不及時(shí)等缺點(diǎn)，使其實(shí)用性大打折扣，更未有較為成熟的生命監(jiān)測(cè)裝備在消防部隊(duì)廣泛使用^[3]。

    由于消防員處于高度的移動(dòng)工作狀態(tài)下，且在消防搜救現(xiàn)場(chǎng)承擔(dān)著迫切的救援工作，對(duì)裝置佩戴的穩(wěn)定性和便利性有很高的要求^[2]。傳統(tǒng)的指夾血氧儀會(huì)給消防員正常工作帶來不便。本文考慮以光電容積脈搏波為基礎(chǔ)，研制一種使用在消防員施救現(xiàn)場(chǎng)的可穿戴體征參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，并能將其體征參數(shù)反饋給指揮中心。且該裝置具有體積小、功耗低、佩戴方便等特點(diǎn)^[5-6]。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    與傳統(tǒng)的指夾血氧儀監(jiān)測(cè)裝置不同，本感測(cè)裝置是在考慮消防員的工作特性后，選擇在耳垂處對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。脈搏波信號(hào)的采集采用一種無創(chuàng)的光電容積脈搏波的檢測(cè)方式，利用透射式探頭采集到體征參數(shù)后，將其送給單片機(jī)CC2640處理^[11]，同時(shí)可用單片機(jī)自帶的藍(lán)牙功能將數(shù)據(jù)傳輸給附近的消防指揮車，并可以通過無線傳輸?shù)姆绞胶瓦h(yuǎn)程的后臺(tái)指揮中心進(jìn)行通信。從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防員的體征狀況，而且不影響消防員的正常工作。其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

    本文的研究目標(biāo)是開發(fā)一種可嵌入消防員耳部的體征參數(shù)感測(cè)裝置，該裝置能夠舒適地佩戴在消防員的耳部，實(shí)現(xiàn)可靠地采集血氧飽和度、脈率的體征參數(shù)。考慮到裝置的可攜帶性和小型化及其消防的應(yīng)用場(chǎng)景，硬件電路主要分為脈搏波信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報(bào)警電路和防脫落檢測(cè)及無線發(fā)送接收單元。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。本電路采用集成了放大濾波功能的采集模塊和集成了無線收發(fā)數(shù)據(jù)功能的處理芯片，大大減小了硬件電路板的面積，并能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的長(zhǎng)時(shí)間工作。

2.1 脈搏波采集模塊

    脈搏波采集模塊主要包括驅(qū)動(dòng)電路和透射式探頭。該透射式探頭集成了雙光源LED和光強(qiáng)探測(cè)器。雙光源LED分別為波長(zhǎng)為660 nm的紅光以及905 nm的紅外光。透射式探頭的LED和光強(qiáng)探測(cè)器在被測(cè)部位兩側(cè)。

    由于LED的導(dǎo)通電流一般在10 mA左右，而MCU的I/O管腳不能提供相應(yīng)的電流輸出，所以該模塊給LED加了合適的驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)CC2640通過4個(gè)I/O口周期性地發(fā)送脈沖，控制LED驅(qū)動(dòng)電路，使雙束光能夠交替發(fā)光。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路正向加載電壓時(shí)電流由正極經(jīng)過LED流向負(fù)極，紅光LED導(dǎo)通，紅外光LED截止，雙光源LED發(fā)出660 nm紅光；反向加載電壓時(shí)，電流由負(fù)極經(jīng)LED流向正極，紅光LED截止，紅外光LED導(dǎo)通，雙光源LED發(fā)出905 nm紅外光，通過微處理器控制LED兩邊電流的流向可以控制雙光源LED的狀態(tài)。

    由于脈搏波是由光的透射原理采集的，對(duì)周圍環(huán)境的光源比較敏感，因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)注意探頭不能處于強(qiáng)光照射下。另外，測(cè)量時(shí)透射式探頭應(yīng)該選擇在動(dòng)脈血管豐富處，便于光經(jīng)過血管后帶回準(zhǔn)確的動(dòng)脈波信息，以減少光穿透組織后溢出的影響。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

    考慮到消防員除了體征參數(shù)的監(jiān)測(cè)外，還需要檢測(cè)定位信息以及現(xiàn)場(chǎng)的溫度等復(fù)雜的環(huán)境參數(shù)，本文脈搏波信號(hào)的處理選用的是Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)CC2640。CC2640是一款面向Bluetooth Smart應(yīng)用的無線MCU，此器件屬于CC26xx系列的經(jīng)濟(jì)高效型超低功耗2.4 GHz RF器件，支持藍(lán)牙4.1的TI最新解決方案的芯片。有源模式下功耗為61 μA/MHz，待機(jī)電流為1 μA，極低的有源RF和MCU電流以及低功耗模式流耗可確保卓越的電池使用壽命，允許采用小型紐扣電池在能源采集型應(yīng)用中使用。

    單片機(jī)CC2640通過5個(gè)端口與采集電路連接，其中redon、iron、ledred、ledir分別與單片機(jī)的I/O輸出口相連，當(dāng)采集數(shù)據(jù)開始時(shí)單片機(jī)通過這4個(gè)端口輸出高低電平給驅(qū)動(dòng)電路。光強(qiáng)探測(cè)器的輸出OUT與單片機(jī)的I/O輸入口連接，當(dāng)采集到一個(gè)脈搏波信息數(shù)據(jù)后，通過OUT口輸入給單片機(jī)，從而觸發(fā)定時(shí)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲。脈搏波采集模塊轉(zhuǎn)化后的頻率信號(hào)由CC2640的定時(shí)器捕獲后，利用反映脈搏波信息和透射光強(qiáng)的輸出頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值差值，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波算法和體征參數(shù)的計(jì)算都是在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。

    單片機(jī)將計(jì)算出的血氧飽和度及脈率通過UART接口發(fā)送到無線藍(lán)牙模塊，從而實(shí)現(xiàn)體征參數(shù)與外界指揮中心的通信，還可以接收到分析后的反饋信息，從而實(shí)時(shí)掌握消防員的生命健康狀態(tài)^[7，12]。

2.3 環(huán)形防脫落檢測(cè)及報(bào)警電路

    耳夾式可穿戴感測(cè)裝置的佩戴可能因?yàn)橄绬T在發(fā)生火災(zāi)時(shí)施救的急迫性會(huì)出現(xiàn)出勤時(shí)裝置佩戴不正確，以及正常工作時(shí)脫落，導(dǎo)致感測(cè)裝置不能正常工作的現(xiàn)象。此時(shí)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的脫落檢測(cè)，然后通過報(bào)警電路對(duì)消防員進(jìn)行通知，并由后臺(tái)工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理^[7]。

    環(huán)形檢測(cè)外圍是一層導(dǎo)電硅膠，當(dāng)裝置能正確佩戴時(shí)，環(huán)形電路連接上，裝置由于脫落或不正確佩戴時(shí)會(huì)導(dǎo)致環(huán)形電路的斷開[9]。斷開時(shí)單片機(jī)的相應(yīng)管腳會(huì)置低，此時(shí)就會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的報(bào)警電路。報(bào)警電路由一個(gè)發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，單片機(jī)的I/O管腳為低電平時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出設(shè)置好的100 Hz響聲，同時(shí)發(fā)光二極管會(huì)被點(diǎn)亮。數(shù)據(jù)處理及檢測(cè)報(bào)警電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

    軟件的設(shè)計(jì)分為體征參數(shù)的前端采集、濾波處理以及異常處理。首先是單片機(jī)的初始化，然后判斷是否佩戴完好。若I/O口接收到低電平則表示沒有佩戴完好，此時(shí)單片機(jī)進(jìn)入中斷處理函數(shù)，進(jìn)行報(bào)警和亮燈處理，直到消防員將裝置正確佩戴。程序再通過CC2640的I/O口高低電平輸出來控制LED的亮滅，而LED的亮滅時(shí)序是由定時(shí)器控制的，定時(shí)器的采樣頻率為100 Hz，即1 ms時(shí)間到時(shí)先點(diǎn)亮探頭的紅光2 ms，然后光強(qiáng)探測(cè)器測(cè)得此時(shí)的血液中的脈搏波信號(hào)，再利用定時(shí)器的捕獲功能進(jìn)行上升沿捕獲，兩次捕獲的定時(shí)器計(jì)數(shù)值的差值即為需要的脈搏波信息，它與光強(qiáng)探測(cè)器輸出頻率成比例；然后關(guān)閉LED 1 ms，定時(shí)到4 ms時(shí)再通過高低電平點(diǎn)亮紅外光2 ms，然后一直關(guān)閉至10 ms。同樣得出一個(gè)計(jì)數(shù)差值，因此一個(gè)采集周期內(nèi)得到2個(gè)脈搏波數(shù)據(jù)，并將其存入到數(shù)組中。

    當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到達(dá)一定值時(shí)（經(jīng)測(cè)試數(shù)組長(zhǎng)度為500）開始先選用5點(diǎn)去除法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，可有效去除隨機(jī)出現(xiàn)的突變點(diǎn)，再用平滑濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波處理后，采用差分原理分別查找極值點(diǎn)，由此判斷出波峰和波谷，再由插值法畫出其上下包絡(luò)線，從而求出脈搏波的直流和交流分量，再由朗伯比爾定律進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，得到血氧飽和度和脈率。

    最后，程序在得到最終的血氧飽和度和脈率值后對(duì)其進(jìn)行判斷，不正常時(shí)根據(jù)相應(yīng)的方案進(jìn)行處理。如果首次發(fā)送不正常，且連續(xù)3次不正常，則判定為消防員沒有正確佩戴；如果中間有數(shù)據(jù)不正常，可以加速采集，期間如果有正常值，則判定為正常工作下的抖動(dòng)；如果中間有數(shù)據(jù)不正常，且加速采集后一直不正常，則判定為消防員生命體征出現(xiàn)狀況，現(xiàn)場(chǎng)指揮中心可采取相應(yīng)的措施進(jìn)行及時(shí)處理。數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙模塊傳輸給后臺(tái)指揮中心。程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    將裝置穿戴在耳朵上，使采集探頭貼合于耳垂兩側(cè)^[4]。由于程序中設(shè)置的存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度為500(采樣率為100 Hz)，所以參數(shù)采集的時(shí)間為5 s，數(shù)據(jù)的濾波計(jì)算處理時(shí)間為1 s左右，整個(gè)流程為6 s左右。本實(shí)驗(yàn)征集多名志愿者進(jìn)行測(cè)試，其中一名實(shí)驗(yàn)者測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。

    將從單片機(jī)采集到的原始數(shù)據(jù)在MATLAB上進(jìn)行仿真，可得到圖6所示的脈搏波原始信號(hào)，可以明顯看出波形中存在隨機(jī)突變點(diǎn)、基線漂移和高頻干擾。經(jīng)過去突變點(diǎn)和平滑濾波算法后，如圖7所示，可以看出突變點(diǎn)得到有效去除，高頻干擾也得到抑制。

    為了更好地驗(yàn)證最終的體征參數(shù)值，將通過上位機(jī)的串口得到的血氧飽和度和脈率與多參數(shù)醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀PM-9000A+比較。對(duì)比結(jié)果如表1和表2所示。

    經(jīng)過表1和表2的對(duì)比可知，血氧飽和度的誤差控制在了3%以內(nèi)，而脈率的誤差率在4%以內(nèi)，可以滿足消防員的生命體征監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求。

5 結(jié)論

    本文介紹了一種應(yīng)用于消防安全的耳夾式體征參數(shù)檢測(cè)方法，考慮到了消防救援的特殊環(huán)境，并加入了報(bào)警電路和防脫落檢測(cè)，可以很好地應(yīng)用于實(shí)際消防環(huán)境下。由于使用了集成無線藍(lán)牙的CPU處理器，還可以減小開發(fā)板的大小，從而實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低的特點(diǎn)。

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