胡瑄

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于駕駛員生命信息個(gè)性化監(jiān)測(cè)的汽車座椅，通過安裝在汽車座椅上的集成醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，對(duì)駕駛員生命信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用容性耦合傳感器，對(duì)駕駛員運(yùn)用電容式心電檢測(cè)技術(shù)，獲取人體ECG（心率）信號(hào)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了包括數(shù)據(jù)采集和處理在內(nèi)的電路，比較了傳感器組處于不同位置的下QRS（心電圖波群）值，解決了傳感器最佳安裝位置問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該系統(tǒng)能夠較好的記錄駕駛員人體ECG信號(hào)，測(cè)試結(jié)果能夠在醫(yī)學(xué)上判斷出駕駛員身體狀況是否處于良好狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：汽車座椅 智能化 生命信號(hào) ECG信號(hào) 監(jiān)測(cè)技術(shù)

近年來(lái)我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展日漸成熟，隨著家用汽車的不斷普及，人們關(guān)注汽車座椅的舒適性同時(shí)，也更加關(guān)注它的安全服務(wù)方面性能[1]。

人口結(jié)構(gòu)的改變，社會(huì)上出現(xiàn)了越來(lái)越多的老年汽車司機(jī)，因此在汽車行駛過程中，對(duì)駕駛員的身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的汽車座椅控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足人們新的需求，更安全、更舒適、智能化及健康化體驗(yàn)將成為未來(lái)汽車智能座椅的方向[2-3]。通過智能汽車座椅對(duì)駕駛員身體狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將有助于提高汽車行駛的安全性，避免由于駕駛員身體狀況變化而造成交通事故的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)一種嵌入式結(jié)構(gòu)智能汽車座椅，通過汽車集成醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，對(duì)駕駛員ECG（心電信號(hào)）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)給出指標(biāo)參數(shù)隨時(shí)間變化的特性曲線圖，自動(dòng)識(shí)別駕駛員健康情況是否正常。

1 總體方案

傳統(tǒng)方式對(duì)人體生命特征監(jiān)測(cè)的方法有很多種，例如人體呼吸監(jiān)測(cè)方法有：電阻抗呼吸測(cè)量法、溫度傳感器法、壓力傳感器法等。脈搏跳動(dòng)測(cè)量方法有：光電式脈搏波測(cè)量法[4]。由于有線連接式測(cè)量技術(shù)會(huì)影響汽車駕駛，上述裝置無(wú)法滿足汽車座椅對(duì)駕駛員生命體征監(jiān)測(cè)，存在一定的局限性。

非接觸測(cè)量技術(shù)常用的有多普勒雷達(dá)生物信息傳感器，工作頻率有2.4GHz和5.8GHz兩種，但多普勒雷達(dá)傳感在射頻架構(gòu)和多普勒信息解調(diào)等方面仍存在缺陷[5]，這一問題嚴(yán)重妨礙了多普勒雷達(dá)傳感在非接觸生命信號(hào)檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文運(yùn)用電容耦合電測(cè)量方法對(duì)駕駛員生命信測(cè)量，其方法是心電信號(hào)通過電容耦合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，其系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

2 嵌入式電容耦合心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立一個(gè)嵌入式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過多個(gè)傳感器對(duì)駕駛員身體狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的電信號(hào)濾波，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D），傳輸?shù)街醒胩幚砥髦羞M(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，通過無(wú)線藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[7]。通過上述系統(tǒng)對(duì)駕駛員生命信息ECG（心電信號(hào)）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 電容式心電監(jiān)護(hù)ECG電路設(shè)計(jì)

ECG（心率）是指心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化的圖形。在本文中使用基于容性耦合原理的接觸式心電傳感器，其電路原理框圖及等效電路圖如圖2所示。

其中，電阻Rins、Rcloth分別表示絕緣層與織物層，圖中Cins表示絕緣層電容值，Rcloth則表示布料電容特性值，在本設(shè)計(jì)中絕緣層面積為Ains=4cm×8cm，厚度dins=0.2cm，電阻率ρins=5·1016Ωcm，系數(shù)εr=2.3[8]，假設(shè)絕緣層厚度均勻，Rins和Cins分別計(jì)算如下：

其中，系數(shù)ε0=8.854·10-12，織物厚度相對(duì)較小，通常純棉織物厚度大約平均為dcloth=0.25mm，其電極耦合面積為Acloth=32cm2，系數(shù)εb=1（主要考慮空氣）[9-10]，Ccloth可以計(jì)算出如下：

事實(shí)上，按照織物參數(shù)εb實(shí)際值計(jì)算，Ccloth值會(huì)有所增加，另一方面，附加織物層會(huì)使得Ccloth值有所增加，正常情況下由于Rcloth比較大（約幾個(gè)GΩ），所以上述情況可以被忽略掉[10]。然而，濕度的影響，例如人體大量出汗可能會(huì)導(dǎo)致Rcloth下降的比較多（下降到約幾個(gè)KΩ），因此電極耦合阻抗Zcouple可以計(jì)算如下：

Zcouple和ZE構(gòu)成了一個(gè)分壓器，與所有的人體信號(hào)監(jiān)測(cè)相同，ECG信號(hào)連續(xù)心電監(jiān)測(cè)需要兩個(gè)有源電極，為了提供一個(gè)電位，這兩個(gè)信號(hào)后面接上運(yùn)算放大器[9]。實(shí)踐中，任何環(huán)境電壓與人體耦合會(huì)產(chǎn)生共模電壓VCM，由于運(yùn)算放大器的CMRR（共模抑制比）有限（在本設(shè)計(jì)中CMRR=115dB），共模電壓會(huì)對(duì)輸出信號(hào)電壓產(chǎn)生干擾（見圖3），必須盡可能的減小。

2.2 共模效應(yīng)處理

為了最大限度地減少VCM，將電極不均勻性轉(zhuǎn)化為運(yùn)算放大器輸入端的差分信號(hào)VD，通過虛擬電橋電路進(jìn)行處理，其原理見圖4所示。

考慮到布料的不均勻性以及電極接觸不同人體的差異性，耦合阻抗Zcouple1和Zcouple2在無(wú)限共模抑制比情況下，ZE1≈ZE2=常數(shù)，輸入差值VD≠0。另外一個(gè)最大限度減小共模信號(hào)VCM的原因是，它在運(yùn)算放大器輸入端會(huì)產(chǎn)生差分信號(hào)。

2.3 監(jiān)測(cè)電路原理圖

在傳統(tǒng)電路中，為了減少共模效應(yīng)，會(huì)通過參考電極的負(fù)反饋進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償[10]。假設(shè)所有的電極耦合阻抗主要是容性（即C1和C2），見圖7所示，在本設(shè)計(jì)中采用一種電容式“驅(qū)動(dòng)電路”進(jìn)行ECG信號(hào)測(cè)量，其中Cp為虛擬耦合電容，活動(dòng)電極的輸出信號(hào)通過反向放大反饋-2RF/RA，相當(dāng)于絕緣金屬箔C3，VIM表示浮動(dòng)電子與接地之間電位差，VG則表示身體與地之間的電位，其測(cè)量電路原理如圖5所示。

3 ECG智能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測(cè)傳感器是一組帶有容性阻抗的線圈，通過傳感器對(duì)人體背部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)ECG數(shù)據(jù)檢測(cè)，傳感器安裝在駕駛員座椅靠背上，與控制電路組成一體化監(jiān)控系統(tǒng)。優(yōu)化電極組合位置，可以很好的提高數(shù)據(jù)采集精度，通過實(shí)驗(yàn)，我們研究了各種電極位置組合，得到了QRS數(shù)據(jù)（QRS波是心電圖上的一個(gè)波群，代表心室肌除極的電位變化，正常的QRS波群時(shí)間在0.06～0.10秒）[15]，位置組合情況見圖6所示。

我們測(cè)量了不同電極位置組合情況下QRS振幅，如表1所示，實(shí)驗(yàn)表明電極傾斜排列比水平放置產(chǎn)生更高的靈敏度。事實(shí)上，相對(duì)橫軸，當(dāng)正面測(cè)量在胸部上，典型心臟電軸在-300至+900之間變化，最佳監(jiān)測(cè)值是300至600，這很適合背部測(cè)量。

3.2 硬件結(jié)構(gòu)

智能監(jiān)控系統(tǒng)安裝在汽車座椅背部，座椅上裝有容性耦合傳感器，使用墊片、線圈以機(jī)械方式連接安裝到金屬座椅骨架上，監(jiān)測(cè)電路集成安裝在駕駛座椅靠背上，驅(qū)動(dòng)平面由導(dǎo)電面積680cm2，每個(gè)電極表面間隙為1cm，厚度0.5mm的導(dǎo)電紡織品實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)電極被固定，到垂直中心的距離為12cm，水平距離為13cm如圖7所示。

感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)轿⑻幚砥鱉SP430，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，信號(hào)以1000HZ采樣頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳送方式，傳送到下位機(jī)（支持藍(lán)牙功能的筆記本），通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序用于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在不同的駕駛場(chǎng)景下測(cè)試了汽車座椅ECG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在所有的試驗(yàn)中，受試者都穿著正常的棉質(zhì)襯衫厚度0.3mm，棉質(zhì)褲厚度1mm。所有的測(cè)量結(jié)果都是在正常的呼吸條件下進(jìn)行的，沒有任何高壓運(yùn)動(dòng)。用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在不同汽車驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下獲得的ECG信號(hào)，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)表明，汽車座椅監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在汽車不同工作狀態(tài)下：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉狀態(tài)（a）、怠速轉(zhuǎn)態(tài)（b）、行駛速度100Km/s狀態(tài)下，可以很好的記錄駕駛員人體ECG信號(hào)，測(cè)試結(jié)果能夠在醫(yī)學(xué)上判斷出駕駛員身體狀況是否處于良好狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種汽車智能座椅監(jiān)測(cè)駕駛員生命信息概念，設(shè)計(jì)了嵌入式電容耦合心電監(jiān)測(cè)汽車座椅系統(tǒng)，通過容性阻抗傳感器對(duì)駕駛員ECG數(shù)據(jù)采集，對(duì)比了傳感器位于不同測(cè)試位置所得到的數(shù)據(jù)，獲得傳感器最佳組合位置，即最佳監(jiān)測(cè)值是兩個(gè)傳感器位置相對(duì)垂直中心300至600之間。建立了汽車座椅監(jiān)測(cè)硬件結(jié)構(gòu)，通過測(cè)試該系統(tǒng)能夠較好的記錄駕駛員ECG信號(hào)，測(cè)試結(jié)果能夠在醫(yī)學(xué)上判斷出駕駛員身體狀況是否處于良好狀態(tài)。一旦出現(xiàn)駕駛員身體異常情況，該系統(tǒng)裝置能夠通過告警方式提醒駕駛員停止駕駛，使得駕駛員對(duì)自己的身體情況動(dòng)態(tài)了解，進(jìn)一步提高汽車行駛安全性。

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（GJJ212818）；景德鎮(zhèn)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20212GYZD001-01）。

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