吳寶明，劉 沛，龐 宇，王普領(lǐng)，高丹丹，嚴(yán)博文

(1.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院 野戰(zhàn)外科研究所，重慶400042;2.重慶郵電大學(xué)，重慶400065)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息化條件的高科技戰(zhàn)爭，科技的發(fā)展，改變了過去人多致勝的戰(zhàn)爭法則?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭注重?cái)?shù)字化部隊(duì)和數(shù)字化戰(zhàn)場建設(shè)，將單兵作為數(shù)字化單元，強(qiáng)調(diào)士兵的作戰(zhàn)能力和生存能力。因此，及時(shí)了解士兵的身體狀況，把握士兵動(dòng)向具有非常重要的意義。

戰(zhàn)場快速搜救［1］是指在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)傷員并對(duì)傷員進(jìn)行有效救援，減小士兵傷亡率和傷殘率，提高士兵生存能力。傳統(tǒng)的戰(zhàn)場搜救是戰(zhàn)后人為搜索受傷士兵，士兵被動(dòng)等待發(fā)現(xiàn)，搜救時(shí)間長，容易耽誤救治的黃金時(shí)間而導(dǎo)致士兵死亡或留下后遺癥。隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的變化和科技的發(fā)展，近年來，國內(nèi)外越來越重視發(fā)展戰(zhàn)場感知、搜救技術(shù)，美軍的WPSN 系統(tǒng)可以同時(shí)檢測士兵的體溫、脈搏、血壓、呼吸并以無線傳感器網(wǎng)傳輸體征信息［2］;Empirical Technologies 公司研制了一種具有無線通信功能的腕表式心率呼吸監(jiān)測裝備。國內(nèi)，第四軍醫(yī)大學(xué)研制了一種戰(zhàn)場無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)［3］，通過GSM 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸士兵生命信息，用于救治現(xiàn)場和后送途中對(duì)傷員的監(jiān)護(hù);第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所研制了一種無線野戰(zhàn)搜救與信息管理系統(tǒng)［4］，集成了GPS 和CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)傷員的定位搜救。盡管戰(zhàn)場傷員搜救技術(shù)有了明顯的進(jìn)步，但在如何增加裝備的環(huán)境適應(yīng)性、快速響應(yīng)能力、使用方便性等方面有待進(jìn)一步深入研究。目前，這種集實(shí)時(shí)傷情感知、位置定位、通信傳輸于一體的戰(zhàn)場傷員快速搜救裝備尚未見有報(bào)道。

為此，本文研制一種基于穿戴式監(jiān)測和北斗導(dǎo)航技術(shù)的戰(zhàn)場傷員快速搜救儀。

1 總體設(shè)計(jì)

脈搏波是人體重要的生命體征，內(nèi)含豐富的信息。研究表明:通過對(duì)光電容積脈搏波(photoplethysmography，PPG)的分析，可以得到士兵的血氧飽和度、脈率和血壓［5］;通過對(duì)PPG 形態(tài)特征變化的分析，可以比普通的生命體征更早發(fā)現(xiàn)傷員失血的跡象［6］。戰(zhàn)場上士兵受傷大多與失血和缺氧窒息有關(guān)，為此，選擇監(jiān)測PPG 信號(hào)作為預(yù)警士兵傷情的生命體征，同時(shí)為了不影響士兵作戰(zhàn)作業(yè)，采用穿戴式設(shè)計(jì)檢測PPG 信號(hào)，將血氧飽和度和脈率作為感知士兵傷情的體征參數(shù)。定位和報(bào)警方面，選擇北斗系統(tǒng)提供位置信息，通過北斗短報(bào)文將報(bào)警信息發(fā)送到搜救中心，實(shí)現(xiàn)快速救治。

2 硬件設(shè)計(jì)

戰(zhàn)場傷員快速搜救儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由反射式探頭、LED 驅(qū)動(dòng)電路、微處理器、北斗模塊、電源模塊等部件組成。

圖1 快速搜救儀框圖Fig 1 Block diagram of quick search and rescue instrument

2.1 反射式探頭

反射式探頭由雙光源LED 和光強(qiáng)探測器組成。雙光源LED 可以在微處理器的控制下發(fā)出660 nm 波長的紅光和905 nm 波長的紅外光，經(jīng)過人體組織反射回來后被光強(qiáng)探測器接收。光強(qiáng)探測器集成了光電二極管、放大器、比較器等電路，能夠感應(yīng)光的強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。如圖2所示，LED 和光強(qiáng)探測器處于皮膚同一側(cè)，保持適當(dāng)距離，反射式探頭可放置于人體任何有動(dòng)脈血管處測量。為了便于士兵穿戴，如圖3 所示，選取額頭作為采集PPG 信號(hào)的有效部位，將探頭置于額頭偏左側(cè)部位，用頭帶固定。

圖2 反射式探頭結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of reflection-type probe

2.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路

圖3 反射式探頭頭戴示意圖Fig 3 Diagram of reflection-type probe wore on head

LED 驅(qū)動(dòng)電路用于微處理器控制LED 發(fā)光，由4 只三極管和反射式探頭上的雙光源LED 組成H 橋電路，三極管和LED 之間用短導(dǎo)線連接。根據(jù)三極管不同的導(dǎo)通情況，可關(guān)閉或正向、反向?qū)↙ED，從而控制LED 的發(fā)光狀態(tài)。如圖4 所示，當(dāng)red_on 和LEDred 為高電平且ir_on 和LEDir為低電平時(shí)LED 亮紅光;反之，LED 亮紅外光，通過交替給單片機(jī)I/O 口上電控制LED 發(fā)出紅光和紅外光，產(chǎn)生PPG信號(hào)。

圖4 LED 驅(qū)動(dòng)電路Fig 4 LED drive circuit

2.3 微處理器

微處理器是整個(gè)搜救儀的控制和處理中心，主要有2 個(gè)功能:一是捕獲PPG 信號(hào)，計(jì)算血氧飽和度和脈率;二是處理北斗模塊發(fā)送過來的位置信息并控制其發(fā)出報(bào)警。設(shè)計(jì)中采用德州儀器低功耗芯片MSP430F1611 作為微處理器，與北斗模塊RNSS 接口、RDSS 接口相連，用于微處理器和北斗模塊的數(shù)據(jù)通信;4 個(gè)I/O 口與驅(qū)動(dòng)電路相連，控制反射式探頭上LED 的發(fā)光狀態(tài);定時(shí)器接口與反射式探頭探測器相連，捕獲光強(qiáng)探測器傳輸過來的PPG 信號(hào)。

2.4 北斗模塊

北斗模塊采用江蘇天源的TM8510，該模塊集成了RDSS 射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶等電路，可以實(shí)現(xiàn)RDSS 收發(fā)信號(hào)、調(diào)制解調(diào)等功能。內(nèi)置RNSS 和GPS 模塊，可以RDSS，RNSS 同時(shí)工作。

北斗RDSS 短報(bào)文具有服務(wù)頻度，普通用戶機(jī)的服務(wù)頻度為60 s，可以1 min 發(fā)送一次短報(bào)文，滿足士兵的生命體征報(bào)警需求。

2.5 電源模塊

北斗模塊供電電壓為5 V，微處理器和探測器的供電電壓為3.3 V。為了便于攜帶，采用5V 鋰電池給硬件裝置供電，為了延長裝置工作時(shí)間，采用低功耗穩(wěn)壓芯片LM2596和LTC3440 分別為北斗模塊、微處理器和探測器提供穩(wěn)定電壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

戰(zhàn)場傷員快速搜救儀的軟件設(shè)計(jì)包括PPG 信號(hào)采集、數(shù)字濾波、血氧飽和度和脈率的計(jì)算以及北斗定位和報(bào)警，其工作流程如圖5 所示。

圖5 軟件工作流程圖Fig 5 Software working flowchart

3.1 PPG 信號(hào)采集

PPG 信號(hào)是通過LED 光在人體反射產(chǎn)生的，利用單片機(jī)定時(shí)器的定時(shí)和捕獲功能完成LED 發(fā)光時(shí)序控制以及PPG 信號(hào)的數(shù)據(jù)捕獲。設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為1 ms，LED 以100Hz 頻率交替發(fā)出紅光和紅外光，每個(gè)LED分別亮2 ms，點(diǎn)亮LED 0.5 ms 后開啟捕獲子程序，對(duì)PPG 信號(hào)進(jìn)行采集。由于人體血液流速較慢，認(rèn)為兩束光的PPG 信號(hào)包含同一段脈搏信息，可用于后續(xù)體征參數(shù)的計(jì)算。

3.2 PPG 的濾波處理

入射光經(jīng)過人體時(shí)會(huì)因?yàn)閮x器本身或外界的作用導(dǎo)致采集的PPG 信號(hào)包含多種干擾:定時(shí)器的計(jì)數(shù)誤差會(huì)導(dǎo)致捕獲計(jì)數(shù)時(shí)PPG 某些數(shù)據(jù)數(shù)值發(fā)生突變;外界高頻干擾和微動(dòng)脈的搏動(dòng)會(huì)導(dǎo)致PPG 信號(hào)出現(xiàn)毛刺;人體的呼吸和身體移位會(huì)使PPG 波形產(chǎn)生基線漂移;由于靜脈充盈、身體運(yùn)動(dòng)時(shí)探頭與受測部位發(fā)生相對(duì)偏移等會(huì)使光的路徑改變，引起接收信號(hào)出現(xiàn)相應(yīng)波動(dòng)，這些干擾都會(huì)導(dǎo)致PPG 信號(hào)發(fā)生改變，影響最后體征參數(shù)的計(jì)算，因此，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

經(jīng)過仿真，對(duì)于突變點(diǎn)，采用先查找后去除的方法，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)點(diǎn)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨近點(diǎn)，判斷它為突變點(diǎn)，將其去除，用相鄰點(diǎn)的平均值代替該突變點(diǎn);為了減小處理器的計(jì)算量，采用平滑濾波來去除高頻干擾;采用形態(tài)濾波抑制基線漂移;自適應(yīng)對(duì)消算法［7］去除運(yùn)動(dòng)干擾。圖6 為采集的原始紅光PPG 數(shù)據(jù)和濾波之后的對(duì)比。

3.3 血氧飽和度和脈率的計(jì)算

根據(jù)朗伯比爾定律，在一定波長下，物質(zhì)的吸光度與其濃度呈正比。當(dāng)恒定波長的光經(jīng)過人體組織時(shí)，人體組織會(huì)吸收光，而反射后測量的光強(qiáng)度在一定程度上反映出該部位組織的結(jié)構(gòu)特征。

圖6 濾波前后紅光PPG 的對(duì)比Fig 6 Comparison of red light PPG before and after filtering

由朗伯比爾定律推導(dǎo)出血氧飽和度的計(jì)算公式

其中

式中 IAC，IDC分別為PPG 信號(hào)的交流分量和直流分量，1和2 代表紅光和紅外光，A，B，C 為血氧系數(shù)。由公式可知，血氧飽和度值可根據(jù)PPG 信號(hào)的直流分量和交流分量得到，其計(jì)算方法如圖7 所示，采集到一段PPG 信號(hào)后，求出每個(gè)PPG 波形的極值點(diǎn)，將各極值點(diǎn)引入插值得到上下包絡(luò)線，上下包絡(luò)線的差值為交流分量，上下包絡(luò)線的均值為直流分量。

圖7 紅光PPG 包絡(luò)線和交流分量示意圖Fig 7 Diagram of envelope and AC component of red light PPG

由于紅光和紅外光以100 Hz 頻率交替發(fā)光，即PPG 每2 個(gè)點(diǎn)的間隔為10 ms，根據(jù)2 個(gè)PPG 極大值間隔點(diǎn)數(shù)可得到一個(gè)完整PPG 搏動(dòng)的時(shí)間

式中 n 為一個(gè)完整PPG 波形采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。根據(jù)PPG 搏動(dòng)的時(shí)間可求得脈率

3.4 定位和報(bào)警

搜救儀在計(jì)算出士兵的血氧飽和度和脈率后通過判斷體征參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)確定是否報(bào)警。當(dāng)士兵的體征異常，需要報(bào)警時(shí)，開啟單片機(jī)和RNSS，RDSS 之間的串口通信，獲取RNSS 定位信息。由于RNSS 定位功能提供的信息繁雜，處理器在收到RNSS 信息后先做處理，只保留士兵所在經(jīng)緯度，最后通過RDSS 短報(bào)文向搜救中心發(fā)送士兵的經(jīng)緯度和警報(bào)，搜救中心可根據(jù)傷情和位置通知離傷員最近的救援部隊(duì)或救護(hù)人員前去救治。

北斗一二代集成模塊發(fā)送短報(bào)文需要SIM 卡，每個(gè)SIM 卡都有唯一用戶ID，為了便于管理士兵信息，將北斗用戶ID 作為識(shí)別士兵身份的標(biāo)識(shí)，搜救中心事先存儲(chǔ)士兵的姓名和用戶ID，在接收到報(bào)警后可確認(rèn)士兵身份。

4 低功耗設(shè)計(jì)

硬件上，采用MSP430 超低功耗微處理器、低功耗北斗模塊TM8510 和低功耗電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2596，LTC3440，降低裝置能耗;軟件上，因?yàn)楸倍纺K的短報(bào)文功耗大，士兵體征正常時(shí)關(guān)閉北斗模塊通信功能，在體征參數(shù)超出正常范圍后啟動(dòng)RDSS 功能。同時(shí)，因?yàn)榉瓷涫教筋^的雙光源LED 以100 Hz 頻率交替發(fā)光，在保證采集到PPG 信號(hào)的前提下減少LED 發(fā)光時(shí)間，處理數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉檢測探頭，待處理完成后才進(jìn)行下一次PPG 信號(hào)的采集，延長設(shè)備使用時(shí)間。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)快速搜救儀的實(shí)用性，對(duì)裝置基本性能進(jìn)行了初步測試。實(shí)驗(yàn)人員按照要求將頭帶佩戴在頭部，搜救儀置于肩部口袋內(nèi)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，正常情況下實(shí)驗(yàn)人員的血氧飽和度在97%～99%，實(shí)驗(yàn)前將搜救儀設(shè)置為血氧飽和度低于94%時(shí)報(bào)警。啟動(dòng)裝置后，測試人員進(jìn)行行走、站立、坐下等活動(dòng)，裝置不發(fā)送報(bào)警;用密閉頭罩罩住實(shí)驗(yàn)人員，隨著罩內(nèi)氧氣濃度的降低，血氧飽和度如圖8 變化，受測人員的血氧飽和度隨著時(shí)間的增加逐漸降低，同時(shí)裝置發(fā)出實(shí)驗(yàn)人員所在經(jīng)緯度和報(bào)警信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:戰(zhàn)場快速搜救儀能正常檢測受測人員體征信息，實(shí)現(xiàn)戶外環(huán)境下基于傷情感知和北斗導(dǎo)航技術(shù)的生命體征報(bào)警，具有易穿戴、低功耗、抗干擾的特點(diǎn)。

圖8 實(shí)驗(yàn)人員血氧飽和度變化Fig 8 Changes of subject’s blood oxygen saturation

6 結(jié) 論

戰(zhàn)場傷員快速搜救儀可以連續(xù)檢測士兵身體狀態(tài)，提供士兵位置信息，有助于提高救治效率。目前，搜救儀只監(jiān)測了血氧飽和度和脈率，對(duì)于傷情的判定不夠精細(xì)，下一步將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析PPG 信號(hào)，引入血容量、血壓等生理指標(biāo)，為士兵的傷情做出更加詳細(xì)的判定。

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