肖鐘凱 劉 楷 毛成華*

1(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)2(南方科技大學(xué) 深圳 518055)

1 引 言

潛水作業(yè)是一項特種作業(yè)，分為有纜潛水和自由潛水，均需非常專業(yè)的潛水員來完成。其中，有纜潛水具有一定的安全保障，但由于臍帶纜的約束，水下作業(yè)人員的操作受到很大的影響，如經(jīng)常遇到線路掛礁或纏繞等情況[1]。自由潛水具有很強的水下作業(yè)靈活性，但水下安全難以得到保障?？偠灾?，無論哪種方式，水下作業(yè)活動時常出現(xiàn)安全隱患。

目前國內(nèi)外對水下作業(yè)安全生理監(jiān)測均有一定的研究成果。國外方面，1965 年，Slater 等[2]將超聲監(jiān)測技術(shù)用于人體生理監(jiān)測，1969 年研制出針對心率信號的水下遙測儀器；1979 年，美國通用電氣公司為海軍提供了一套生理檢測系統(tǒng)[3]；1974 年，F(xiàn)ell 等[4]研制出四通道采集心率數(shù)據(jù)的超聲遙測系統(tǒng)；1997 年，英國的 Istepanian 和 Woodward 研制出基于 SCUBA(Self-Contained Underwater Breathing Apparatus)的水下 ECG(Electrocardiogram)超聲傳輸系統(tǒng)[5]。

國內(nèi)在水下生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究起步較晚，20 世紀 80 年代才開始出現(xiàn)一些研究和報道。如海軍特種醫(yī)學(xué)研究所在 1986 年研制的水下超聲遙測心率系統(tǒng)[6]；第四軍醫(yī)大學(xué)的王健琪等[7]使用微波的多普勒雷達原理結(jié)合生理信號檢測技術(shù)，對人體的呼吸和心動信號進行檢測；2011 年海軍特種醫(yī)學(xué)研究所方勇軍研制了潛水員水下心率實時監(jiān)測系統(tǒng)[8]。但這些設(shè)備均未形成成熟產(chǎn)品在水下作業(yè)中使用。

目前基于潛水作業(yè)生理信號采集監(jiān)測具有代表性的成熟商業(yè)化產(chǎn)品主要是潛水手表或潛水電腦等終端設(shè)備，但大部分都是基于終端設(shè)備的醫(yī)學(xué)生理信號檢測和潛水環(huán)境信息感知，僅限于水下作業(yè)人員自己或有限范圍內(nèi)的其他水下作業(yè)人員使用。

本文針對自由潛水水下作業(yè)，對水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備進行研制。該設(shè)備能使水面指揮決策人員及時了解水下作業(yè)人員的生理狀態(tài)，同時水下作業(yè)人員也能了解自身的狀態(tài)，最終通過實時監(jiān)測與預(yù)警，保障水下作業(yè)能安全、合理、高效地進行。具體地，主要從 3 個方面進行：(1)通過水下醫(yī)學(xué)生理信號采集方案的設(shè)計，解決水下作業(yè)環(huán)境中水對電極的影響及由此引起的信號采集不準確、傳感器體積較大和能耗高等問題；(2)采用水聲通信技術(shù)，研究并設(shè)計適合本文設(shè)備的非相干調(diào)制解調(diào)水下聲學(xué)通信方法，解決有纜水下作業(yè)對人體的束縛問題；(3)通過現(xiàn)有的健康大數(shù)據(jù)平臺，對所采集數(shù)據(jù)進行分析，獲取水下作業(yè)人員的生理參數(shù)、疲勞度、情緒狀態(tài)等信息，為指揮決策人員提供水下作業(yè)人員的生理醫(yī)學(xué)信息以及生理狀態(tài)預(yù)警信息。

2 水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備設(shè)計

本文研制水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備的目的是，為自由潛水水下作業(yè)生命保障和高效作業(yè)提供水面及水下的實時監(jiān)測信息。同時，為構(gòu)建一個立體型的水下作業(yè)醫(yī)學(xué)生理信息實時監(jiān)測體系進行前期探索。圖 1 為水下立體型醫(yī)學(xué)生理信號實時監(jiān)測體系的設(shè)想示意圖，旨在從多個維度來保障水下作業(yè)人員的安全及提高水下作業(yè)的效率，并為潛水作業(yè)人員建立獨立的醫(yī)學(xué)生理信息檔案。 水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn) 3 方面功能：水下生理參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和分析預(yù)警。系統(tǒng)設(shè)備由 2 部分組成：水下生理監(jiān)測終端和甲板單元。前者包含水下生理參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)清洗、融合、前端分析以及水聲通信，后者包含生理分析、心理分析、結(jié)果預(yù)警/報警、水聲通信、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)中心交互傳輸功能，具體如圖 2 所示。

圖1 立體型水下醫(yī)學(xué)生理信號實時監(jiān)測示意圖Fig. 1 Diagram of real-time monitoring of three-dimensional underwater medical physiological signals

圖2 水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 System diagram of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety

2.1 水下生理監(jiān)測終端

水下生理監(jiān)測終端功能示意圖如圖 3 所示，包括主控 CPU(Central Processing Unit)與 FPGA(Field-Programmable Gate Array)接口擴展模塊、水聲通信收發(fā)機模塊、前端生理信號采集模塊，以及電源模塊。

圖3 水下生理監(jiān)測終端功能示意圖Fig. 3 Block diagram of terminal function for underwater physiological monitoring

2.1.1 水下生理參數(shù)采集模塊

本文采用中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)研究中心自主設(shè)計的可穿戴生理參數(shù)采集芯片 BE2018 作為生理參數(shù)的數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理芯片。該芯片集成了心率、心電、呼吸等生理參數(shù)傳感器以及溫度等環(huán)境參數(shù)傳感器，同時集成了 ARM(Advanced RISC Machines)處理器，可對傳感器數(shù)據(jù)進行采集和預(yù)處理。在干式潛水或部分干式潛水的情況下電極采用織物式電極，將電極片完全融入潛水服內(nèi)襯中，而這不會影響心電信號的采集。其中，該織物電極已經(jīng)在心電監(jiān)測運動衫產(chǎn)品上應(yīng)用，采集電路已在海軍醫(yī)學(xué)研究所的潛水高壓倉內(nèi)測試，設(shè)備運行良好。具體如圖 4 所示。

心率采集使用光電容積脈搏波(Photoplethysmo Graphic，PPG)方案。根據(jù)比爾-朗博定律(Beer-Lambert Law)[9-10]，設(shè)計紅/紅外 PPG 檢測子模塊中包含了 LED(Light-Emitting Diode)燈的驅(qū)動電路、電流控制電路和光電二極管信號的檢測及采集電路，并通過 MCU(Microcontroller Unit)的串行 SPI(Serial Peripheral Interface)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸及模塊的控制。LED 的電流可以通過上位機的指令進行調(diào)節(jié)，TIA(Trans-Impedance Amplifier)的增益也可以通過上位機的指令進行調(diào)節(jié)。通過時序控制，可以實現(xiàn)紅/紅外光 PPG 信號的 AC(Alternating Current)、DC(Direct Current)值及環(huán)境光值的檢測，從而可以精確計算出血氧飽和度。PPG 心率采集方案是一種近距離非接觸式方案，允許水存在于皮膚與傳感器之間。其中，水對 PPG 采集的影響僅限于 PPG 信號的 DC 值部分，而水對人體內(nèi)的血流影響較小，幾乎不會引起 AC 值部分的變化，故 PPG 心率采集方案適合水下心率的采集。本文設(shè)計的 PPG 檢測電路采用一體化集成芯片，以減小檢測電路的體積和功耗。該模塊的紅/紅外 LED 和光電二極管集成于指套中，具體如圖 5 所示。

2.1.2 CPU＋FPGA 模塊

圖4 可穿戴生理參數(shù)采集芯片以及織物電極運動衫Fig. 4 Wearable physiological parameter acquisition chip and fabric electrode sweatshirt

通常地，無線通信(水聲、光、電磁波)、調(diào)制解調(diào)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是由硬件完成的，本文水聲通信部分借鑒軟件無線電平臺的設(shè)計特點，采用開放性、可擴展、可重構(gòu)的通用平臺，不再使用硬件對通信的調(diào)制解調(diào)以及將來組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分進行固化，而由 FPGA 和 CPU 系統(tǒng)軟件完成。系統(tǒng)采用 CPU＋FPGA 的硬件結(jié)構(gòu)，借鑒軟件無線電技術(shù)的研究設(shè)計方案，結(jié)合水聲通信技術(shù)，優(yōu)化水聲通信軟件部分，可構(gòu)建自主研發(fā)的水聲通信軟件無線通信技術(shù)。該結(jié)構(gòu)可使得水聲通信能快速地在數(shù)字通信平臺上進行結(jié)合，進而在數(shù)字通信層面構(gòu)建各類水聲通信技術(shù)。

圖5 紅/紅外光電容積脈搏波采集原理以及電路結(jié)構(gòu)體Fig. 5 Acquisition principle and circuit structure of the photoplethysmo graphic with red light and infrared light

CPU 電路是整個系統(tǒng)的控制中心，控制著前端生理信號采集模塊的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)接收，并與 FPGA 連接，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)采用 FPGA 進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過水聲通訊的發(fā)射電路發(fā)射出去，同時也接收并處理接收電路接收到的數(shù)據(jù)與命令。FPGA 電路實現(xiàn) CPU 電路與收發(fā)機之間的接口，產(chǎn)生相關(guān)控制時序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。電源電路實現(xiàn)單一電池供電的不同電壓轉(zhuǎn)換。

CPU 電路采用 ST 公司的 H 系列高性能控制器，型號為 STM32H743[11]。該系列 CPU 的主頻可以達到 460 MHz，外圍接口豐富，具有較高的性能指標。FPGA 采用 Xilinx 公司 Spartan-6 系列的 X6CLX9[12]芯片。CPU 與 FPGA 連接如圖 6 所示。

2.1.3 水聲通信收發(fā)機

圖6 CPU 與 FPGA 信號連接圖Fig. 6 Circuit diagram of CPU and FPGA

水聲通信收發(fā)機模塊由水聲信號發(fā)射機和接收機兩部分組成。接收機由 LNA(Low Noise Amplifier)放大電路、模擬濾波電路、PGA(Programmable Gain Amplifier)增益控制電路(均衡電路)和多路 ADC(Analog-to-Digital Converter)模塊組成。其中 LNA 放大電路、模擬濾波電路、PGA 增益控制電路進行模塊化設(shè)計后，由 4 組模塊組成 4 路并行陣列結(jié)構(gòu)，加強接收電路的抗噪能力。接收機電路如圖 7 所示。 LNA 電路采用 ADI 公司的 AD8422[13]，該放大器為差分輸入，有效提高輸入信號抗干擾能力。濾波電路采用 ADI 公司的 ADA4841-2[14]雙路運放搭建的有源低通濾波電路，根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計 3 dB 帶寬為 50 kHz。均衡電路包括 PGA 電路與 ADC 驅(qū)動電路。其中，PGA 采用 TI 公司的 PGA113[15]，可以通過 CPU 的 SPI 接口對輸入信號進行放大控制；ADC 驅(qū)動電路采用 ADI 公司的 ADA4941[16]芯片，為 ADC 芯片提供所需的差分輸入信號，可有效提高電路抗干擾能力。ADC 電路采用芯片為 TI 公司的 ADS1274[17]，該芯片可以對 4 路差分輸入信號進行同步模數(shù)轉(zhuǎn)化，其多路信號同步可精確到 1 μs，滿足水聲通信設(shè)計需求，采樣率可達 144 kHz。采用串行 SPI 輸出模式能與多種 CPU 平臺連接。

發(fā)射機電路由 DAC(Digital-to-Analog Converter)電路、模擬濾波電路和功放電路組成，其中 DAC 選擇 16 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，能高效地還原水聲信道頻率。功放部分采用模擬 AB 類功放(甲乙類功率放大器也稱為 AB 類功率放大器)，增加模擬濾波電路以提高輸出發(fā)射信號的信噪比，具體如圖 8 所示。

圖7 四路水聽接收電路圖Fig. 7 Receiving circuit diagram of 4-channel hydrophone

圖8 水聲發(fā)射電路圖Fig. 8 Circuit diagram for underwater acoustic transmitter

發(fā)射 DAC 采用 TI 公司的 DAC8831[18]芯片，通過 FPGA 進行邏輯控制，能大幅提高輸出信號的靈活性。發(fā)射濾波電路采用美信公司的模擬濾波器 MAX7424[19]芯片，通過 FPGA 產(chǎn)生的時鐘輸入不同頻率進行截止頻率設(shè)置，方便輸出信號調(diào)節(jié)。信號輸入前，采用 MAX4475[20]運放進行緩沖。發(fā)射功放電路采用 TI 公司的 AB 類放大器 TPA1517[21]芯片，其功率可達 6 W，在工作線性度和對稱性上都有優(yōu)秀的表現(xiàn)。阻抗變換由變壓器完成，阻抗匹配由電感完成，能夠有效滿足換能器輸入?yún)?shù)要求。

2.2 水下通信方案設(shè)計

水下通信技術(shù)種類較多，比較成熟的遠距離傳輸是水聲通信技術(shù)。目前主要有 4 種水聲通信技術(shù)：用于傳輸圖像的高速相干通信，調(diào)制解調(diào)主要是 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，但誤碼率較高；傳輸文字和數(shù)據(jù)的非相干水聲通信，調(diào)制解調(diào)主要是 FSK(Frequency Shift Keying)、MFSK(M-ary Frequency Shift Keying)，速率 0.1～10 kbps，誤碼率適中；用于發(fā)送指令的擴頻水聲通信，主要編碼方式有 DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum)，速率低、誤碼率低；采用單邊帶調(diào)制技術(shù)來傳播語音，主要用于模擬語音通信。為兼顧通信速率和誤碼率，本文設(shè)計采用基于自主研發(fā)的水聲通信收發(fā)機平臺設(shè)計的非相干 FSK 調(diào)制解調(diào)的水聲通信。

本文設(shè)計的水聲通信模塊性能如下：聲波信道的載波頻率可調(diào)范圍為 7～30 kHz、DAC 的精度 16 bit、輸出功率 0～6 W；接收通道 4 路、采樣率為 144 kHz、分辨率為 24 bit；通信速率 1 kbps、通信距離 100 m。

2.2.1 非相干 FSK 調(diào)制解調(diào)設(shè)計

綜合水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備的硬件平臺、以及系統(tǒng)的運算資源，本文所研制設(shè)備采用非相干 FSK 調(diào)制解調(diào)的水聲通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，確保通信數(shù)據(jù)的可靠性。水聲通信信號處理系統(tǒng)流程如圖 9 所示。

2.2.2 水聲通信 FSK 調(diào)制解調(diào)原理

水聲通信 FSK 載波頻率的正弦波信號計算原理，如公式(1)所示：

圖9 水聲通信調(diào)制解調(diào)示意圖Fig. 9 Block diagram of modulation and demodulation of underwater acoustic communication

結(jié)合本文設(shè)計的硬件平臺，對調(diào)制部分的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計如下：fclk對應(yīng)系統(tǒng)的實際物理量是數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出頻率，將其設(shè)定為 fclk＝480 kHz、A＝215、C＝32768。通過改變 fout可獲得不同的調(diào)制頻率，因此程序可構(gòu)建成頻率生成函數(shù)，通過設(shè)置頻率參數(shù)即可獲得需要的調(diào)制頻率。設(shè)定邏輯“0”和邏輯“1”對應(yīng)的調(diào)制頻率，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字基帶，根據(jù)設(shè)定的頻率調(diào)制成水聲信號從水聲發(fā)射機輸出。

圖10 水聲通信調(diào)制解調(diào)程序流程圖Fig. 10 The flowchart of modulation and demodulation of underwater acoustic communication

2.3 生理信號分析及預(yù)警

圖11 預(yù)警分析示意圖 Fig. 11 Block diagram of warning analysis

3 討論與分析

本文水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備原型樣機構(gòu)成如下：水下生理參數(shù)采集模塊采用的 BE2018 為國內(nèi)首款具有心律失常分析功能的智能心電芯片(9 mm×9 mm×2 mm)，可實時輸出心率值，能實現(xiàn) 6 種心律失常算法及結(jié)果輸出。該芯片具有簡潔、高效和低功耗的特點，是一款專門為可穿戴設(shè)備采集心電信號獲取心電醫(yī)學(xué)信息而打造的運算芯片，且能縮短其開發(fā)周期。處理器結(jié)構(gòu) STM32H743＋Spartan-6。水聲通信采用自主研發(fā)的水聲軟件無線通信收發(fā)機，最大發(fā)射功率 6 W、通信距離 100 m、通信速率1 kbps。在實驗室測試環(huán)境下，水下發(fā)射機功放的供電電壓為 16 V，實測電流峰值約為 300 mA，功率實測為 4.8 W，接近設(shè)計最大功率值。心率 PPG 的采樣頻率為 100 Hz，采樣精度 12 bit，每秒的數(shù)據(jù)為 100 byte，數(shù)據(jù)位 800 bit，實測水下終端與甲板單元數(shù)據(jù)傳輸速率 800 bps，基本達到水聲通信的最大數(shù)據(jù)傳輸率。需要說明的是，因?qū)嶒炇噎h(huán)境限制，沒有對通信距離進行實測。水下終端以及甲板單元整體樣機如圖 12 所示。

本文所研制設(shè)備在實驗室環(huán)境中的測試過程如下：水下終端在水面下從人體指端采集 PPG 信號，對信號進行預(yù)處理后，通過水下聲通模塊發(fā)射出去。甲板單元通過水聽器接收水下終端的生理信號，通過計算分析出醫(yī)學(xué)信息，其中甲板單元數(shù)據(jù)接收展示的是連續(xù)的心率信號。甲板單元接收和處理分析后的數(shù)據(jù)將傳輸給生理數(shù)據(jù)分析以及預(yù)警處理端。設(shè)備的穩(wěn)定性測試方法為：將水下終端在水面下連續(xù)運行、甲板單元實時監(jiān)測水下終端傳回的數(shù)據(jù)、間歇性測試人體指端 PPG 信號，設(shè)備連續(xù)運行時間大于 8 h，具體過程如圖 13 所示。

圖12 水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備原型樣機Fig. 12 The prototype of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety

圖13 水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備測試Fig. 13 Testing process of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety

相比 Istepanian 等[5]研制的 Microcontroller Based Underwater Acoustic ECG Telemetry System 與 Slater 等[2]研究制的 Instrumentation for Telemetering the Electrocardiogram from Scuba Divers，本文所研制設(shè)備使用光電傳感器采集心率信號相比電極采集的方法更適合濕式水下作業(yè)，并且數(shù)字式的水聲通信以及預(yù)警分析能力具有絕對的優(yōu)勢。海軍特種醫(yī)學(xué)研究所設(shè)計的潛水員水下心率實時監(jiān)測系統(tǒng)[8]，使用電磁波通信和線纜通信作為通信方式，其中電磁波通信在水下的衰減巨大，需要使用大的功率輸出設(shè)備才能傳出較遠的距離。第四軍醫(yī)大學(xué)基于毫米波的呼吸和心率非接觸檢測系統(tǒng)[7]，使用微波檢測方案對心電進行采集，僅用于干式水下作業(yè)，且不具備無線傳輸能力，沒有實時監(jiān)測功能。這兩款系統(tǒng)都不具備預(yù)警分析功能。本文設(shè)備使用的光電傳感器采集、水聲通信、實時監(jiān)測與預(yù)警分析都有較大的優(yōu)勢。總體來看，本文研制的設(shè)備具有體積小、功耗低的優(yōu)勢，能實現(xiàn)水下光電生理信號采集、水聲通信、實時監(jiān)測以及預(yù)警分析能力。本文所研制設(shè)備與其他同類設(shè)備/系統(tǒng)的主要參數(shù)對比如表 1 所示。

4 結(jié)束語

本文研制的水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)原理樣機的制作，并在 2020 年第二十二屆中國國際高新技術(shù)成果交易會上進行了現(xiàn)場功能演示。在實驗室測試環(huán)境靜置 2 m×2 m×2 m 的水體中實現(xiàn)水下 PPG 數(shù)據(jù)實時傳輸。生理采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇】荡髷?shù)據(jù)平臺后，依托中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)院生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)研究中心的心臟健康智能監(jiān)測與分析系統(tǒng)能夠還原出 3 個層級的生理信號：(1)原始生理模擬信號數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、時域心率曲線等；(2)基于醫(yī)學(xué)標準的心率、血壓以及血氧等醫(yī)學(xué)生理信息參數(shù)；(3)分析生理狀態(tài)的情緒狀態(tài)、疲勞度等預(yù)警/報警信息。水聲通信在 2 m×1 m×10 m 水體環(huán)境中實現(xiàn)水下移動物體模擬心率信號與甲板單元的 PPG 數(shù)據(jù)實時傳輸。在后續(xù)研究中，將對現(xiàn)有功能樣機改進并加裝耐壓倉，以實現(xiàn)大壓力下的防水性能，并實現(xiàn) 100 m 水深環(huán)境下的水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測。同時研究水下聲學(xué)通信在低速率情況下的組網(wǎng)能力，構(gòu)建水下集群作業(yè)的生理信號實時監(jiān)測。

表1 水下作業(yè)安全生理信號實時監(jiān)測設(shè)備與其他設(shè)備/系統(tǒng)對比Table 1 Comparison of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety and other similar equipments