李 博，陳 卓，呂沛陽

（國(guó)防科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

1 緒論

1.1 研究背景及意義

脈搏血氧飽和心跳是反映身體狀況的兩個(gè)關(guān)鍵物理量，也是評(píng)價(jià)患者治療療效的一個(gè)重要指標(biāo)。血氧是指血液中含氧血紅蛋白的總數(shù)，人體在血液中的含氧量越高，人體的代謝就會(huì)更好。同時(shí)，對(duì)臨床急救工作也有一定的指導(dǎo)意義。心跳頻率是一個(gè)人的心臟跳動(dòng)頻率，正常范圍是每分鐘60～100 次，高于或低于這個(gè)范圍人體都將處于危險(xiǎn)狀態(tài)。所以止血是急救中的重要的一步，也是每個(gè)人應(yīng)當(dāng)掌握的自救技能。目前，止血的訓(xùn)練活動(dòng)極少開展，民眾普遍對(duì)此不熟悉，所以，設(shè)計(jì)一款止血技能模擬訓(xùn)練裝置很有必要，這種裝置既可以普及止血技能，又可以評(píng)判訓(xùn)練效果，更好地幫助訓(xùn)練者改進(jìn)提高，在醫(yī)療器材方面具有廣闊的市場(chǎng)。

1.2 當(dāng)今研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)這一問題的研究比較早，并且在心率測(cè)量上比較成熟，在各個(gè)參數(shù)上處于領(lǐng)先地位，但是在國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的技術(shù)才剛剛起步，還有很大的發(fā)展空間，許多技術(shù)都要從國(guó)外引入，而且最近幾年也有一大批的科技成果出現(xiàn)。心跳檢測(cè)法，又稱脈搏波檢測(cè)方法，有兩種類型，一種是透射型，另一種是反射型，這兩種類型的差異主要取決于光電晶體管所接受的光是否是透射型，如圖1。透射式檢測(cè)是發(fā)光裝置發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，接收裝置在組織的另一端接收透射過來的光信號(hào)。反射式檢測(cè)是發(fā)光裝置發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，接收裝置在組織的同一端接收體內(nèi)血液反射過來的光信號(hào)。透射式的光由于穿透性有限，難以穿透過于厚密的組織結(jié)構(gòu)，只能放置于較薄的部位，比如指尖、手腕等，所以通常采用夾持式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)壓迫待測(cè)部位的血液循環(huán)。與透射式傳感器相比，反射式檢測(cè)方法最大的優(yōu)勢(shì)在于不需要考慮待測(cè)部位的透射性，受測(cè)試位置的限制小，佩戴時(shí)方便舒適，并且可以用于智能可穿戴設(shè)備。但反射式傳感器的靈敏度較高，外界環(huán)境的光容易對(duì)設(shè)備造成干擾，導(dǎo)致測(cè)得的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，產(chǎn)生一定誤差，因此對(duì)傳感器密光性有更嚴(yán)格的要求。

圖1 透射式與反射式

有關(guān)心跳頻率的研究最早出現(xiàn)在18 世紀(jì)80 年代。意大利的“伽法尼”已經(jīng)研究出了一種在低強(qiáng)度的電刺激下，可以使肌肉發(fā)生一種收縮的效果。直到1930年，才有了現(xiàn)在這種脈沖式血液含氧量計(jì)的雛形，馬修斯花了很大的工夫，才研制出了全球首個(gè)血液含氧量檢測(cè)器。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的應(yīng)用，血液含氧量、心跳等檢測(cè)設(shè)備逐漸向智能化、高科技方向發(fā)展。

在2022 年，蘇杰[1]等研發(fā)出了一套帶有心跳、血氧監(jiān)測(cè)的智能頭盔，可以對(duì)工作人員的身體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，讓使用者可以隨時(shí)在線看到自己的心跳、血氧等數(shù)據(jù)。在心跳和血氧濃度超過預(yù)定的設(shè)置值時(shí)，警報(bào)模塊發(fā)出警報(bào)，并將有關(guān)的消息傳送到服務(wù)器端。

針對(duì)深圳惠利電子技術(shù)[2]公司研制的一款反射型心律調(diào)節(jié)器，可有效地提高體律調(diào)節(jié)器的使用壽命，提高人體的舒適度。

廣西師范大學(xué)教授吳磊[3]研制出一款以LoRa 為核心的可實(shí)現(xiàn)對(duì)心跳、血液、氧氣等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的手鏈。由LoRa 基地所聯(lián)結(jié)的伺服器，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理、儲(chǔ)存，讓各個(gè)護(hù)士站都能即時(shí)監(jiān)控每位病人的心跳、血氧狀態(tài)。由內(nèi)蒙古大學(xué)的秦佳旺[4]研制的家用PAHs 檢測(cè)裝置（以手指為中心），應(yīng)用前景較好。桂林科技學(xué)院楊森杰[5]以STM32 單片機(jī)為核心，結(jié)合安卓操作系統(tǒng)，研制出一款可移動(dòng)的、可無線傳送的心跳、血液、氧氣、心跳等數(shù)據(jù)，并將其通過無線方式傳送到網(wǎng)上，具有很好的應(yīng)用前景。武漢科技學(xué)院王超教授[6]在STM32 上研制出了一種新型的家庭血壓監(jiān)測(cè)裝置，該裝置使用了一種帶手指套的血氧傳感器，可以對(duì)患者的血氧水平、血壓和心電圖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。劉雯[7]等人提出一種以nRF51-DK 為基礎(chǔ)的，實(shí)時(shí)性較好的智能心跳手鏈。而王世豪[8]等人則是獨(dú)具匠心地制作了一套智能衣服，可以收集到身體各個(gè)部分的心跳、血液、氧氣等信息，當(dāng)這些信息出現(xiàn)異常時(shí)，還可以用手機(jī)發(fā)信息通知穿戴者，在實(shí)際應(yīng)用中有很高的實(shí)用性。鐘其元[9]所提出的一種反射型心跳、血氧值監(jiān)控感應(yīng)器，該感應(yīng)器使用了一種由光學(xué)器件所發(fā)出的光波，通過身體被折射后，抵達(dá)一種光學(xué)檢測(cè)器；利用感光元件的感光特性，可得到心跳及血液含氧量。陳孝英[10]介紹了一種在STM32 平臺(tái)上開發(fā)的血氧、心跳監(jiān)測(cè)方法，該方法使用OSRAM 公司的SFH7050 光電傳感器，加上綠色LED，從而可以對(duì)血氧、心跳進(jìn)行單獨(dú)的監(jiān)測(cè)。而王翔[11]則是發(fā)明了一種可佩戴式的儀器，并且開發(fā)出了一種可以接受藍(lán)牙信號(hào)，并且可以將人的各項(xiàng)生理指標(biāo)都顯示出來的APP。

通過上述的調(diào)查，我們可以發(fā)現(xiàn)，不管是在對(duì)其進(jìn)行的理論研究，還是在對(duì)其進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，血氧心跳探測(cè)器都可以被放置在手指、耳垂和腕部等位置，因?yàn)樵谶@些位置，它的脈沖振幅比較大，易于被探測(cè)，而且所生成的信號(hào)也比較強(qiáng)。但是如果病人有體溫過低、血容量過低、血管有收縮等癥狀，就很容易在上述部位進(jìn)行動(dòng)脈血氧飽和度的測(cè)量。經(jīng)耳導(dǎo)管取血氧儀不存在上述問題，所取血氧儀具有更好的透過性[12]。張蕾蕾等人[13]在耳道中設(shè)計(jì)了一種可穿戴的反射式無線血氧監(jiān)測(cè)器，該監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)是按照人機(jī)工程學(xué)的原理進(jìn)行的，但是，有調(diào)查顯示，當(dāng)穿戴者在咀嚼講話的時(shí)候，它的擾動(dòng)比較大,使其不能精確地探測(cè)到信號(hào)。

2 光密度理論與PPG 特性

本節(jié)簡(jiǎn)單介紹了無創(chuàng)測(cè)量血流量的相關(guān)理論，包括朗伯-比爾定律和PPG 技術(shù)在測(cè)量血流量中的運(yùn)用。

2.1 朗伯-比爾定律

朗伯-比爾定律(Beer-Lambert Law)源自朗伯定律和比爾定律的條件互補(bǔ)，是比色分析的基本原理，描述了有色液體對(duì)單色光的吸收程度與光通過的溶液厚度和液體濃度之間的定量關(guān)系。

朗伯定律指出，光被可透光介質(zhì)吸收的多少與在光程上每等厚層介質(zhì)吸收的多少成正比，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

比爾定律指出，光被吸收的量與光程中光吸收的分子數(shù)目成正比，該關(guān)系可以表示為：

式中：I0和I 分別為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度；C為樣品濃度；l 是光程；ε 與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ 有關(guān)，是反映光的吸收量的比例系數(shù)。

需要注意的是：朗伯定律的使用條件是“溶液的濃度固定”，而比爾定律的適用條件之一是“透光液層厚度固定”。這意味著對(duì)于吸收定律，必須同時(shí)考慮c 和b 對(duì)光吸收的影響，即朗伯-比爾定律。這是因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的溶液的濃度c 和透光液層厚度d都是會(huì)變化的。

朗伯比爾定律指出：當(dāng)一束平行單色光透過某吸光溶液時(shí)，溶液的吸光度會(huì)與光在溶液中的光程（即溶液的厚度）和溶液的濃度成正比，其關(guān)系可以表示為：

2.2 PPG 特性

光電容量脈搏波形（PPG）是一種非侵入式的檢測(cè)手段，可通過光敏脈沖波形（potential potential group，PPG）來檢測(cè)體內(nèi)血流體積的改變。

人的心臟會(huì)有節(jié)律地舒張、收縮，為體內(nèi)的血管輸送鮮血，這是一種循環(huán)。當(dāng)血液流過一條可擴(kuò)張的動(dòng)脈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。最常用的脈沖信號(hào)有兩種，一種是脈沖壓強(qiáng)，另一種是脈沖電壓。在圖2 中，顯示了一個(gè)光電容量脈沖波形的圖表。當(dāng)一束單一顏色的光通過身體組織，如骨骼、血管、肌肉等，會(huì)產(chǎn)生一種短暫的反射光。如果散射和投影都是一個(gè)固定的數(shù)值，那么在光電傳感器上所探測(cè)到的就會(huì)是一個(gè)直流的信號(hào)。而在血管中，因?yàn)槊}搏波的存在，會(huì)引起對(duì)光的吸收或者是折射，從而引起脈搏波的起伏，使光電傳感器探測(cè)到的是交流信號(hào)。

圖2 光電容積脈搏波示意圖

PPG 技術(shù)目前存在一定的局限性。一是采集PPG 信號(hào)時(shí)面臨光學(xué)噪聲的降噪問題；二是不同膚色對(duì)于光信號(hào)的采集也帶來了一定的影響；三是PPG 傳感器在人體的佩戴位置影響了無創(chuàng)檢測(cè)的質(zhì)量。

3 血流量的測(cè)量與標(biāo)定

本課題利用MAX30102 傳感器進(jìn)行光電信息采集，配合Arduino Uno R3 單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)以及代碼編寫，以期能夠?qū)崿F(xiàn)血流量波形的可視化，通過比較波形樣式來判斷血流量大小，進(jìn)而判斷止血技能操作的有效性。

3.1 基本原理

MAX30102傳感器利用其LED部件發(fā)射光穿過皮膚、肌肉、骨骼、動(dòng)脈、靜脈等人體組織，并采集吸收和反射回到光電二極管中的光的回波信號(hào)，通過光的反射來反應(yīng)血液流動(dòng)情況。在測(cè)量部位沒有大幅度運(yùn)動(dòng)的情況下，由于人體的肌肉、骨骼等其他連接組織對(duì)于光的吸收是基本不變，而動(dòng)脈中血液在流動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致其對(duì)光的吸收有所變化。當(dāng)血液流動(dòng)時(shí)單位體積內(nèi)對(duì)光有吸收效果的物質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相對(duì)來說吸收的光會(huì)少些；但是血液不流動(dòng)時(shí)，吸光物質(zhì)堆積在血液中，會(huì)增大對(duì)光的吸收程度。

3.2 軟硬件實(shí)現(xiàn)

在硬件上，Maxim 公司的MAX30102 是一款整合了心跳檢測(cè)儀和脈搏血氧飽和度檢測(cè)儀的綜合模組，將光電探測(cè)器、紅光發(fā)光二極管、紅外線發(fā)光二極管等有機(jī)結(jié)合在一起，形成一種低噪聲的電子線路，其能夠抑制周圍光線。這種傳感器使用的是一個(gè)5.0V 的電力和一個(gè)1.8V 的電力，用于可穿戴設(shè)備，經(jīng)常佩戴在手指、耳垂和手腕等地方進(jìn)行心跳和血氧采集。通過與I2C 協(xié)議相匹配的通訊方式，可以將數(shù)據(jù)傳送至Arduino Uno，完成心跳、血氧飽和度的測(cè)定。另外，利用軟件關(guān)閉功能，可以使整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)電流趨于0，從而使系統(tǒng)在任何情況下都能保持正常工作。正是由于它的出色表現(xiàn)，這款芯片才會(huì)被廣泛地用于三星Galaxy 系列的產(chǎn)品中。相對(duì)于上一代的MAX30100 來說，這一次的晶片在內(nèi)外光線的影響下，采用了更好的玻璃罩，使其具有更好的穩(wěn)定性。ArduinoUNOR3MCU 為ATmega328 微型處理機(jī)，此型式包含14 路數(shù)字和6 路模擬輸入和16MHz 水晶、USB 和供電接口；自帶磁頭、重置按鍵等功能，比上一代更快、更穩(wěn)。

MAX30102 傳感器利用光電二極管和模擬前端(AFE)來捕獲反射回來的光，并且將這些模擬信號(hào)用波形體現(xiàn)出來。上述變化體現(xiàn)在波形圖上即為：未止血時(shí)，波形呈現(xiàn)周期性波動(dòng)并且波峰較高；達(dá)到止血效果時(shí)，波形趨于平坦，波峰大幅減小，近乎一條直線。之后將此模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用以控制LED 流水燈，在未止血時(shí)，流水燈正常閃爍，開始止血后，流水燈閃爍減慢逐漸停止，以此來反應(yīng)止血效果。

軟件方面，MAX30102 內(nèi)部集成了一整套完整信號(hào)采集電路，包括光信號(hào)發(fā)射及接收、AD 轉(zhuǎn)換、環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，只將數(shù)字接口留給用戶。本小組通過單片機(jī)的IIC 接口，對(duì)MAX30102 內(nèi)部的寄存器進(jìn)行讀寫操作，得到了轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值。算法處理的核心就是將反射光的光強(qiáng)度在顯示器模塊顯示出來，即以時(shí)間為橫軸、反射光強(qiáng)度數(shù)值為縱軸作圖。對(duì)于MAX30102 的驅(qū)動(dòng)程序，將其拆分出來，可分為標(biāo)準(zhǔn)IIC 程序和MAX30102 寄存器的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)這兩部分的編程，便完成MAX30102 的驅(qū)動(dòng)。此處需要顯示的波形，即光電容積脈搏波。當(dāng)參訓(xùn)人員進(jìn)行止血技能訓(xùn)練時(shí)，受訓(xùn)者遠(yuǎn)心端由于受到止血帶捆綁，血流量減小，導(dǎo)致光線的吸收或反射不再隨著脈搏波的律動(dòng)而律動(dòng)，MAX30102 也就不能檢測(cè)到周期信號(hào)，而是變化趨于平緩的直流信號(hào)。當(dāng)止血帶捆扎未達(dá)到止血標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，光電容積脈搏波周期性依然存在，但是峰值減小，由此即可判斷出止血效果不合格，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)評(píng)估止血技能掌握情況。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)手腕及手腕內(nèi)側(cè)測(cè)出的波形極不穩(wěn)定，并且所受外界影響較大，如手腕平放在桌面與手腕自然垂直兩種情況下波形差異較大，受到干擾雜波較多，并且進(jìn)行止血操作前后雖有波峰變化，但是不夠明顯，無法輸出穩(wěn)定信號(hào)作為判斷止血效果的指標(biāo)。面對(duì)上述問題我們給出的對(duì)策建議是：選定將傳感器置于手指位置，可以實(shí)現(xiàn)我們構(gòu)想的目標(biāo)，客觀準(zhǔn)確地反映止血效果，將訓(xùn)練情況通過可視化設(shè)備反映給受訓(xùn)者。

4 總結(jié)與展望

本小組認(rèn)為此設(shè)備可以達(dá)到以客觀標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)止血效果的要求。但是存在試驗(yàn)次數(shù)少、參與試驗(yàn)人數(shù)少、未考慮個(gè)體差異、定性判斷多于定量判斷等問題，下一步將在這些方面進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

本項(xiàng)目無論是對(duì)于軍校學(xué)員、部隊(duì)指戰(zhàn)員還是地方高校的軍訓(xùn)或者是醫(yī)療機(jī)構(gòu)，止血技能都是一項(xiàng)必備的技能。平時(shí)練好止血技能無論對(duì)于軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)傷急救還是民用領(lǐng)域的院前急救都有十分重要的意義。本項(xiàng)目在當(dāng)今以虛擬交互為特征的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的大趨勢(shì)下，解決了一些模擬訓(xùn)練裝置制造成本高和易用性低的問題，可以在低成本、易攜帶、逼真性好等特點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)對(duì)止血效果進(jìn)行客觀判斷的目的。對(duì)于社會(huì)大眾來說，人們可以自己檢驗(yàn)對(duì)止血技能的掌握情況，以便在遇到突發(fā)情況時(shí)，可以成功進(jìn)行止血操作，便于自行或者幫助解決平時(shí)生活中可能出現(xiàn)的出血事件。此客觀反映止血效果的模擬訓(xùn)練裝置，為之后的止血訓(xùn)練或戰(zhàn)傷救護(hù)比武競(jìng)賽提供了更加客觀、有效、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且為之后的醫(yī)療方面的模擬訓(xùn)練裝置提供思路。