警員可穿戴多體征參數監測系統的設計*

黃俊驍,王志宇,丁仲祥,林金朝,龐 宇*,李章勇(.重慶郵電大學光電信息感測與傳輸技術重慶市重點實驗室,重慶 400065;.公安部第一研究所,北京 00044)

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警員可穿戴多體征參數監測系統的設計*

黃俊驍1,王志宇2,丁仲祥1,林金朝1,龐 宇1*,李章勇1
(1.重慶郵電大學光電信息感測與傳輸技術重慶市重點實驗室,重慶 400065;2.公安部第一研究所,北京 100044)

為了實現公安、消防等高危職業的體征參數監測,以公安日常裝備(警盔和T恤)為可穿戴載體,設計了一種體征參數監測系統,實現血氧飽和度、心電、心率的檢測、傳輸和顯示。警盔利用反射式探頭采集光電容積脈搏波PPG(photoplethysmography)信號,檢測血氧飽和度;T恤利用導電硅膠和ADS1292R采集心電ECG(electrocardiogram)信號,檢測心電和心率;APP實現體征參數的實時顯示。實驗表明,ECG信號R波定位的準確率能達到98.5%以上;與標準監護儀對比,血氧、心率的平均誤差都較低,血氧的最大誤差在5%以內,心率的最大誤差在10次/min以內。在不影響正?；顒酉?系統能夠滿足國際標準對實時體征參數監測的要求。首次設計了一套適用于警員的可穿戴體征參數監測系統,并實現了參數監測的準確度和穩定性。

穿戴式系統;體征參數監測;信號傳感;血氧飽和度;心電;心率

據公安部的統計,從2010年到2014年,全國民警因公傷亡22 870人,其中因公犧牲2 129人,因突發疾病猝死或同犯罪分子作斗爭犧牲的占一半以上[1]。高壓高危的工作性質使傷亡人數居高不下,因此對民警進行生命體征監測尤為必要。

人體的生命體征參數如血氧飽和度、心電、心率等,能客觀地反應人體狀態,對于警員更是如此。多數警員因突發心血管疾病猝死,或受傷錯過救治的黃金時間而犧牲[2]。通過可穿戴監測設備及時地檢測到民警發病或受傷時的體征,向總部發送信息,使其得到及時的救治,能夠減小警員因公傷亡的風險。同時,實時監測的體征參數數據可以用于心率變異性、精神壓力、疲勞檢測等方面的分析[3-5]。

目前,市面上有許多體征參數檢測設備,比如佩戴在手指或手腕上的血氧檢測裝置[6],基于胸部導聯線的心電檢測裝置[7],但一般的可穿戴設備會影響民警執行任務過程中的正常活動。因此,研制基于公安日常裝備的可穿戴體征參數監測裝置能夠填補警員體征監測領域的空白,具有保護其生命安全的現實意義。

本文以公安日常裝備為載體,設計了一種可穿戴體征參數監測系統,實時監測警員的血氧飽和度、心電、心率。該系統操作便捷,檢測準確率高,實現了公安日常裝備與體征檢測裝置的融合,在不影響警員正常活動下,實現體征參數的實時檢測、傳輸和顯示。

1 總體系統

1.1 總體設計

在不影響警員正?；顒拥那闆r下,本文設計了一套可穿戴生命體征參數監測系統,其整體設計如圖1所示。

圖1 系統整體設計

圖2 頭帶胸帶外觀圖

以警盔或警帽為可穿戴載體,內嵌血氧檢測頭帶(如圖2(a)),通過反射式探頭[8]采集光電容積脈搏波(PPG)信號;同時,以警用T恤為可穿戴載體,內嵌心電檢測胸帶(如圖2(b)),通過導電硅膠和心電采集芯片采集心電(ECG)信號;原始信號傳入單片機處理計算后,體征參數(血氧、心率、心電)通過藍牙4.0發送給手機APP進行實時顯示。

頭帶采集額頭的PPG信號,不影響警員的正?；顒?傳感器緊貼皮膚,抗干擾能力強。胸帶采用雙導聯檢測的形式,摒棄粘性電極片,利用導電硅膠傳導ECG信號,提高了檢測的舒適感與便捷性。

1.2 硬件設計

體征參數監測系統的硬件總體框圖如圖3所示,主要由電源模塊、PPG采集模塊、ECG采集模塊、主控模塊和無線傳輸模塊組成。

圖3 硬件總體框圖

PPG采集模塊由雙色發光管、光頻轉換器和信號采集控制電路組成。其中,雙色發光管采用血氧專用660 nm/940 nm雙波長LED,光頻轉換器采用TSL237光頻轉換器,信號采集控制電路為H橋電路。在單片機的時序電平控制下,雙色發光管交替發光,光頻轉換器將接收到的反射光強轉化為光頻輸出,最后單片機利用定時器捕獲得到原始的PPG信號。

心電采集模塊由導電硅膠、心電線和心電采集芯片組成。其中,導電硅膠作為電極傳感器,導電性能好,無粘連感;心電采集芯片為TI公司生產的ADS1292R。ADS1292R利用兩個導聯采集原始心電信號,經過模數轉換和增益放大,將ECG信號通過SPI傳入單片機。

主控模塊為單片機MSP430F2418及其外圍電路,接收原始PPG和ECG信號后,進行信號的處理和計算,將相關參數通過UART發送給無線傳輸模塊;無線傳輸模塊通過藍牙4.0將體征參數傳至手機顯示。

1.3 軟件設計

單片機的軟件設計主要完成生理信號的采集、傳輸和處理,體征參數的計算和發送。

頭帶的程序工作流程圖如圖4(a)所示,單片機初始化后,開啟定時器,時序控制紅燈和紅外燈交替亮(2 ms)滅(1 ms),再通過定時器捕獲接收到的光頻,獲得原始的PPG信號;存儲完1 000個數據后,對PPG信號進行預處理,濾去干擾;根據兩路PPG信號計算得到血氧后,通過UART發送給藍牙。

胸帶的程序工作流程圖如圖4(b)所示,單片機初始化后,配置ADS1292R,開啟SPI傳輸,將ECG數據存入數組;經過解析分離后,對ECG信號進行預處理,放大濾波后計算心率;最后將心電、心率通過UART發送給藍牙。

圖4 程序流程圖

2 信號處理與參數計算

2.1 信號預處理

原始的生理信號存在大量干擾,需要對PPG和ECG信號進行一系列預處理,以得到干凈、穩定的信號,利于體征參數的計算。

2.1.1 PPG信號的處理

從頭部采集的PPG信號中含有高頻干擾和基線漂移,同時還有一些突變的數據,對信號的計算有很大的影響[9]。

PPG信號由定時器捕獲光頻信號得到,因定時器溢出導致計數錯誤而產生一些奇異點,這些奇異點是隨機出現的,因此采用均值濾波的方式去除奇異點。

PPG信號存在高頻干擾,使得波形上出現許多毛刺,這些干擾幅度很小且頻率比PPG信號高,選擇5個～9個點的平滑濾波去除高頻噪聲。

脈搏波還存在明顯的基線漂移,這是由人體的呼吸導致直流分量不穩定造成的。由于計算血氧需要準確計算PPG信號的直流分量和交流分量,不能簡單用高通濾波器濾除這種干擾,因此采用形態學濾波[10]去除基線漂移。

2.1.2 ECG信號的處理

從胸部通過兩導聯采集的人體心電信號十分微弱,且易受外界干擾,如工頻干擾、電極接觸干擾、肌電干擾、基線漂移等[11]。

原始心電信號中高頻干擾噪聲很強,而心電信號攜帶的有用信息在0.5 Hz～35 Hz之前,因此利用FIR低通濾波器去除高頻干擾。

工頻干擾是生物醫學領域中常見的噪聲,由電磁場干擾所引起,幅值較低,頻率是50 Hz及其諧波,利用50 Hz陷波器去除工頻干擾。

由于采集心電時省去了參考電極,心電信號的基線漂移也很嚴重,可利用快速有效的中值濾波去除基線漂移。

2.2 血氧飽和度計算

根據同步采集的兩路PPG信號可以計算血氧飽和度。首先,采用差分異號法對PPG信號進行極值點的定位;利用三次樣條差值法計算PPG信號的包絡線;直流分量為上下包絡線的均值,交流分量為上下包絡線的差值;最后將兩路PPG信號的交、直流分量值代入公式計算得血氧。血氧計算公式由朗伯比爾定律和光子擴散方程推得,經驗公式[12]為

(1)

式中:SpO2為血氧飽和度,IAC和IDC分別為PPG信號的交流分量和直流分量,λ1和λ2分別代表兩種頻率的光。

2.3 心率計算

心率的計算需要定位心電信號的R波,通過計算相鄰R波的間期求出心率。差分閾值法是一種簡單、快速的QRS波群的檢測算法,適用于實時性要求較高的心電監護設備[13],因此,采用差分閾值法對R波進行定位。

R波是心電信號特征波變化最劇烈的部分,在上升或者下降波形的斜率變化最大。因此,對預處理后的心電信號進行一階差分平方運算,再結合時間窗口和設定的幅度閾值便可判斷出R波的位置。R波檢測及心率計算的流程如圖5所示,其中心率的計算公式[14]為:

HR=60fs/R-R

(2)

式中:HR為心率,fs為采樣率,R-R為相鄰R波的間隔點數。

圖5 心率計算流程圖

3 實驗結果與分析

3.1 系統測試

警員可穿戴體征參數監測系統由可穿戴檢測設備和體征參數監測APP組成,如圖6所示?？纱┐鳈z測設備包括血氧檢測頭盔和心電檢測T恤。體征參數監測APP通過藍牙4.0與電路板對接,實時顯示血氧、心率和心電圖。

3.2 血氧飽和度測試

單片機對原始PPG信號進行預處理,濾去干擾,可以得到平滑、干凈、穩定的PPG波形,如圖7所示,可以用于血氧飽和度的計算。

通過參數擬合確定血氧飽和度的計算公式后,利用頭盔和標準監護儀同步對10人進行測試。在靜止和頭部活動狀態下,記錄5 min內的10組實測血氧和標準血氧,進行對比分析,計算平均誤差和最大誤差,結果如圖8所示。

圖8 血氧檢測誤差圖

圖6 可穿戴體征參數監測系統

圖7 PPG信號處理前后

從圖8可以看出,在靜止狀態下,測試者的血氧誤差平均值在1.5%以內,最大誤差在3%以內;在頭部活動狀態下,血氧誤差有所增大,但誤差平均值仍在3%以內,最大誤差仍在5%以內。在不影響佩戴者正?；顒忧闆r下,頭盔能滿足國際標準對無創血氧檢測誤差的要求。

3.3 心電心率測試

單片機對原始ECG信號進行預處理,去除噪聲,得到波形清晰的心電圖,其R波明顯且突出,如圖9所示。

圖9 ECG信號處理前后及R波定位圖

選取10名測試者的10 min心電檢測樣本,經過計算和分析,如表1所示,R波定位成功率能達到98.5%以上。

表1 R波定位準確率

利用T恤和標準監護儀同步對10人進行測試,記錄靜止狀態和正常狀態(非運動)下10 min內的實時心率,對比實測心率和標準心率,計算平均誤差和最大誤差,結果如圖10所示。由圖10可以看出,靜息心率的平均誤差在3次/min以內,最大誤差在6次/min以內;正常活動下心率誤差有所增大,平均誤差在5次/min以內,最大誤差在10次/min以內。兩種狀態下均能滿足實時心率的檢測標準。

圖10 心率檢測誤差圖

4 結束語

為了實現公安、消防等高危職業的生命體征參數監測,基于公安日常裝備設計了一套可穿戴體征參數監測系統,實時檢測警員的血氧飽和度、心電圖和心率。系統由血氧檢測警盔、心電檢測T恤和手機監測APP組成:在警盔中,反射式探頭采集額頭的PPG信號,單片機去除信號中的奇異點、高頻干擾和基線漂移后,利用兩路PPG信號計算血氧飽和度;在T恤中,導電硅膠采集ECG信號,ADS1292R進行信號的轉換和放大,單片機去除信號中的高頻干擾、工頻干擾和基線漂移,定位R波并計算心率;在APP中,血氧、心率以數字形式實時顯示,心電以波形呈現。

在測試中,單片機程序能夠較好濾去原始生理信號中的噪聲,得到干凈、穩定的PPG和ECG,為體征參數的計算提供了便利。通過實驗表明,在靜止和頭部活動情況下,實測的血氧飽和度平均誤差均在3%以內,最大誤差均在5%以內,能夠滿足無創血氧檢測的要求。在靜止和正常狀態下,實測心率的平均誤差均在5次/min以內,最大誤差均在10次/min以內,能夠滿足實時心率的檢測標準。

在警員的日常活動中,會產生大量的運動干擾,影響體征參數的計算,因此,作者在后續的研究中考慮引入加速度檢測,通過加速度變化抵消生理信號中的運動干擾,使運動狀態下的體征參數檢測準確率顯著提高。

系統不僅可以應用于公安等特殊行業,稍加改裝也可推廣至高壓人群或患病人群,實時監測人體的生命參數,為后續的心理或治療反饋作數據參考。

[1] 袁國禮. 5年來公安民警因公犧牲2129人[N]. 京華時報,2015-04-06(6).

[2] Ren Yanhua,Yi Xueren. Thinking of China Emergency Rescue System of Education and Training[C]//2011 International Conference on Information Systems for Crisis Response and Management(ISCRAM),Harbin:IEEE Press,2011:342-346.

[3] Jeyhani V,Mahdiani S,Peltokangas M,et al. Comparison of HRV Parameters Derived from Photoplethysmography and Electrocardiography Signals[C]//2015 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC),Milan:IEEE Press,2015:5922-5955.

[4] Vanitha L,Suresh G R. Hybrid SVM Classi-Fication Technique to Detect Mental Stress in Human Beings Using ECG Signals[C]//2013 International Conference on Advanced Computing and Communication Systems(ICACCS),Coimbatore:IEEE Press,2013:1-6.

[5] Jain S K,Bhaumik B. An Ultra Low Power ECG Signal Processor Design for Cardiovascular Disease Detection[C]//2015 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC),Milan:IEEE Press,2015:857-860.

[6] 劉廣偉,毛陸虹,謝生,等. 一種光電反射式脈搏血氧監測方法[J]. 光電子·激光,2014,25(3):620-624.

[7] Wang Yishan,Wunderlich R,Heinen S. Design and Evaluation of a Novel Wireless Reconstructed 3-Lead ECG Monitoring System[C]//2013 IEEE Conference on Biomedical Circuits and Systems(BioCAS),Rotterdam:IEEE Press,2013:362-365.

[8] 秦穎,張晶,蔡靖,等. 基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統的設計[J]. 傳感技術學報,2015,28(6):933-937.

[9] 洋洋,陳小惠,王保強,等. 脈搏信號中有效信號識別與特征提取方法研究[J]. 電子測量與儀器學報,2016,30(1):126-132.

[10] 劉艷麗,趙為松,李海坤,等. 基于形態濾波的PPG信號基線漂移消除方法研究[J]. 合肥工業大學學報(自然科學版),2011,34(4):525-528.

[11] Mahipal S C,Rajiv K K,Akshay K S. Comparison Between Different Wavelet Transforms and Thresholding Techniques for ECG Denoising[C]//2014 International Conference on Advances in Engineering and Technology Research(ICAETR),Unnao:IEEE Press,2014:1-6.

[12] Pang G,Ma C. A Neo-Reflective Wrist Pulse Oximeter[J]. IEEE Access,2014,2:1562-1567.

[13] Lai Dakun,Zhang Fei,Wang Cong. A Real-Time QRS Complex Detection Algorithm Based on Differential Threshold Method[C]//2015 IEEE International Conference on Digital Signal Processing(DSP),Singapore:IEEE Press,2015:129-133.

[14] 陳穎昭,高躍明,甘振華,等. 基于STM32的便攜式家用心電檢測儀的設計[J]. 電子技術應用,2013,39(9):18-20.

黃俊驍(1992-),男,四川渠縣人,研究生在讀,主要研究方向為人體信號處理與可穿戴醫療設備設備研制,hjx_cqupt@163.com;

林金朝(1966-),男,教授,博士研究生導師,主要研究方向為信號檢測與處理、無線通信技術與移動通信網絡、信息與通信工程和生物醫學工程交叉領域等,linjz@cqupt.edu.cn;

龐 宇(1978-),男,四川瀘州人,教授,通訊作者,碩士研究生導師,主要從事通信集成電路設計、邏輯綜合、無線通信和智慧醫療方面的研究工作,pangyu@cqupt.edu.cn。

Design of Wearable Multiple Sign Parameters Monitoring System for Policemen*

HUANG Junxiao1,WANG Zhiyu2,DING Zhongxiang1,LIN Jinzhao1,PANG Yu1*,LI Zhangyong1
(1.Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology,The Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;2.First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC,Beijing 100044,China)

To achieve sign parameters monitoring of police,firefighters and other high-risk occupations,a monitoring system was designed to achieve detection,transmission and display of oxygen saturation,electrocardiogram(ECG)and heart rate. The police helmet used reflection probe to acquire photoplethysmography(PPG)signal,detecting oxygen saturation. The police T-shirt used conductive silicone and ADS1292R to acquire ECG signal,detecting ECG and heart rate. The APP achieved real-time display of sign parameters. Experiments show,the accurate location of ECG’s R wave can reach above 98.5%. Compared with standard monitors,the average error of oxygen saturation and heart rate is low,the maximum error of oxygen saturation is within 5%,and the maximum error of heart rate is within 10 BPM. The system can meet the international standard for real-time sign parameters monitoring while not affecting the normal activities. A set of wearable signs parameters monitoring system for police was designed for the first time,which achieved the accuracy and stability of parameters monitoring.

wearable system;sign parameters monitoring;signal sensing;oxygen saturation;ECG;heart rate

項目來源:國家自然科學基金項目(61571070,61671091);國家科技支撐計劃項目(2014BAI11B0);重慶市教委優秀成果轉化項目(KJZH14208)

2016-07-06 修改日期:2016-12-06

R318.6

A

1004-1699(2017)04-0635-06

C:7210;7510D;4250

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.026