基于穿戴式監測和北斗技術的傷員快速搜救儀*

吳寶明，劉 沛，龐 宇，王普領，高丹丹，嚴博文

(1.第三軍醫大學 大坪醫院 野戰外科研究所，重慶400042;2.重慶郵電大學，重慶400065)

0 引 言

現代戰爭是信息化條件的高科技戰爭，科技的發展，改變了過去人多致勝的戰爭法則。現代戰爭注重數字化部隊和數字化戰場建設，將單兵作為數字化單元，強調士兵的作戰能力和生存能力。因此，及時了解士兵的身體狀況，把握士兵動向具有非常重要的意義。

戰場快速搜救［1］是指在第一時間發現傷員并對傷員進行有效救援，減小士兵傷亡率和傷殘率，提高士兵生存能力。傳統的戰場搜救是戰后人為搜索受傷士兵，士兵被動等待發現，搜救時間長，容易耽誤救治的黃金時間而導致士兵死亡或留下后遺癥。隨著戰爭形態的變化和科技的發展，近年來，國內外越來越重視發展戰場感知、搜救技術，美軍的WPSN 系統可以同時檢測士兵的體溫、脈搏、血壓、呼吸并以無線傳感器網傳輸體征信息［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測裝備。國內，第四軍醫大學研制了一種戰場無線生命體征監測系統［3］，通過GSM 無線網絡傳輸士兵生命信息，用于救治現場和后送途中對傷員的監護;第三軍醫大學野戰外科研究所研制了一種無線野戰搜救與信息管理系統［4］，集成了GPS 和CDMA 無線網絡，實現戰時傷員的定位搜救。盡管戰場傷員搜救技術有了明顯的進步，但在如何增加裝備的環境適應性、快速響應能力、使用方便性等方面有待進一步深入研究。目前，這種集實時傷情感知、位置定位、通信傳輸于一體的戰場傷員快速搜救裝備尚未見有報道。

為此，本文研制一種基于穿戴式監測和北斗導航技術的戰場傷員快速搜救儀。

1 總體設計

脈搏波是人體重要的生命體征，內含豐富的信息。研究表明:通過對光電容積脈搏波(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PPG 形態特征變化的分析，可以比普通的生命體征更早發現傷員失血的跡象［6］。戰場上士兵受傷大多與失血和缺氧窒息有關，為此，選擇監測PPG 信號作為預警士兵傷情的生命體征，同時為了不影響士兵作戰作業，采用穿戴式設計檢測PPG 信號，將血氧飽和度和脈率作為感知士兵傷情的體征參數。定位和報警方面，選擇北斗系統提供位置信息，通過北斗短報文將報警信息發送到搜救中心，實現快速救治。

2 硬件設計

戰場傷員快速搜救儀的硬件結構如圖1 所示，主要由反射式探頭、LED 驅動電路、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 和光強探測器組成。雙光源LED 可以在微處理器的控制下發出660 nm 波長的紅光和905 nm 波長的紅外光，經過人體組織反射回來后被光強探測器接收。光強探測器集成了光電二極管、放大器、比較器等電路，能夠感應光的強度并轉換為頻率信號。如圖2所示，LED 和光強探測器處于皮膚同一側，保持適當距離，反射式探頭可放置于人體任何有動脈血管處測量。為了便于士兵穿戴，如圖3 所示，選取額頭作為采集PPG 信號的有效部位，將探頭置于額頭偏左側部位，用頭帶固定。

圖2 反射式探頭結構圖Fig 2 Structure diagram of reflection-type probe

2.2 LED 驅動電路

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

LED 驅動電路用于微處理器控制LED 發光，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 之間用短導線連接。根據三極管不同的導通情況，可關閉或正向、反向導通LED，從而控制LED 的發光狀態。如圖4 所示，當red_on 和LEDred 為高電平且ir_on 和LEDir為低電平時LED 亮紅光;反之，LED 亮紅外光，通過交替給單片機I/O 口上電控制LED 發出紅光和紅外光，產生PPG信號。

圖4 LED 驅動電路Fig 4 LED drive circuit

2.3 微處理器

微處理器是整個搜救儀的控制和處理中心，主要有2 個功能:一是捕獲PPG 信號，計算血氧飽和度和脈率;二是處理北斗模塊發送過來的位置信息并控制其發出報警。設計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據通信;4 個I/O 口與驅動電路相連，控制反射式探頭上LED 的發光狀態;定時器接口與反射式探頭探測器相連，捕獲光強探測器傳輸過來的PPG 信號。

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 射頻收發芯片、功放芯片、基帶等電路，可以實現RDSS 收發信號、調制解調等功能。內置RNSS 和GPS 模塊，可以RDSS，RNSS 同時工作。

北斗RDSS 短報文具有服務頻度，普通用戶機的服務頻度為60 s，可以1 min 發送一次短報文，滿足士兵的生命體征報警需求。

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間，采用低功耗穩壓芯片LM2596和LTC3440 分別為北斗模塊、微處理器和探測器提供穩定電壓。

3 軟件設計

戰場傷員快速搜救儀的軟件設計包括PPG 信號采集、數字濾波、血氧飽和度和脈率的計算以及北斗定位和報警，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 信號采集

PPG 信號是通過LED 光在人體反射產生的，利用單片機定時器的定時和捕獲功能完成LED 發光時序控制以及PPG 信號的數據捕獲。設置單片機定時器定時時間為1 ms，LED 以100Hz 頻率交替發出紅光和紅外光，每個LED分別亮2 ms，點亮LED 0.5 ms 后開啟捕獲子程序，對PPG 信號進行采集。由于人體血液流速較慢，認為兩束光的PPG 信號包含同一段脈搏信息，可用于后續體征參數的計算。

3.2 PPG 的濾波處理

入射光經過人體時會因為儀器本身或外界的作用導致采集的PPG 信號包含多種干擾:定時器的計數誤差會導致捕獲計數時PPG 某些數據數值發生突變;外界高頻干擾和微動脈的搏動會導致PPG 信號出現毛刺;人體的呼吸和身體移位會使PPG 波形產生基線漂移;由于靜脈充盈、身體運動時探頭與受測部位發生相對偏移等會使光的路徑改變，引起接收信號出現相應波動，這些干擾都會導致PPG 信號發生改變，影響最后體征參數的計算，因此，需要對原始信號進行預處理。

經過仿真，對于突變點，采用先查找后去除的方法，若發現某個點數值遠遠大于其臨近點，判斷它為突變點，將其去除，用相鄰點的平均值代替該突變點;為了減小處理器的計算量，采用平滑濾波來去除高頻干擾;采用形態濾波抑制基線漂移;自適應對消算法［7］去除運動干擾。圖6 為采集的原始紅光PPG 數據和濾波之后的對比。

3.3 血氧飽和度和脈率的計算

根據朗伯比爾定律，在一定波長下，物質的吸光度與其濃度呈正比。當恒定波長的光經過人體組織時，人體組織會吸收光，而反射后測量的光強度在一定程度上反映出該部位組織的結構特征。

圖6 濾波前后紅光PPG 的對比Fig 6 Comparison of red light PPG before and after filtering

由朗伯比爾定律推導出血氧飽和度的計算公式

其中

式中 IAC，IDC分別為PPG 信號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。由公式可知，血氧飽和度值可根據PPG 信號的直流分量和交流分量得到，其計算方法如圖7 所示，采集到一段PPG 信號后，求出每個PPG 波形的極值點，將各極值點引入插值得到上下包絡線，上下包絡線的差值為交流分量，上下包絡線的均值為直流分量。

圖7 紅光PPG 包絡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 頻率交替發光，即PPG 每2 個點的間隔為10 ms，根據2 個PPG 極大值間隔點數可得到一個完整PPG 搏動的時間

式中 n 為一個完整PPG 波形采樣點的個數。根據PPG 搏動的時間可求得脈率

3.4 定位和報警

搜救儀在計算出士兵的血氧飽和度和脈率后通過判斷體征參數是否在正常范圍內確定是否報警。當士兵的體征異常，需要報警時，開啟單片機和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，只保留士兵所在經緯度，最后通過RDSS 短報文向搜救中心發送士兵的經緯度和警報，搜救中心可根據傷情和位置通知離傷員最近的救援部隊或救護人員前去救治。

北斗一二代集成模塊發送短報文需要SIM 卡，每個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 作為識別士兵身份的標識，搜救中心事先存儲士兵的姓名和用戶ID，在接收到報警后可確認士兵身份。

4 低功耗設計

硬件上，采用MSP430 超低功耗微處理器、低功耗北斗模塊TM8510 和低功耗電壓轉換芯片LM2596，LTC3440，降低裝置能耗;軟件上，因為北斗模塊的短報文功耗大，士兵體征正常時關閉北斗模塊通信功能，在體征參數超出正常范圍后啟動RDSS 功能。同時，因為反射式探頭的雙光源LED 以100 Hz 頻率交替發光，在保證采集到PPG 信號的前提下減少LED 發光時間，處理數據時關閉檢測探頭，待處理完成后才進行下一次PPG 信號的采集，延長設備使用時間。

5 實驗結果

為了檢驗快速搜救儀的實用性，對裝置基本性能進行了初步測試。實驗人員按照要求將頭帶佩戴在頭部，搜救儀置于肩部口袋內。經測試發現，正常情況下實驗人員的血氧飽和度在97%～99%，實驗前將搜救儀設置為血氧飽和度低于94%時報警。啟動裝置后，測試人員進行行走、站立、坐下等活動，裝置不發送報警;用密閉頭罩罩住實驗人員，隨著罩內氧氣濃度的降低，血氧飽和度如圖8 變化，受測人員的血氧飽和度隨著時間的增加逐漸降低，同時裝置發出實驗人員所在經緯度和報警信息。實驗結果表明:戰場快速搜救儀能正常檢測受測人員體征信息，實現戶外環境下基于傷情感知和北斗導航技術的生命體征報警，具有易穿戴、低功耗、抗干擾的特點。

圖8 實驗人員血氧飽和度變化Fig 8 Changes of subject’s blood oxygen saturation

6 結 論

戰場傷員快速搜救儀可以連續檢測士兵身體狀態，提供士兵位置信息，有助于提高救治效率。目前，搜救儀只監測了血氧飽和度和脈率，對于傷情的判定不夠精細，下一步將在現有工作的基礎上，進一步分析PPG 信號，引入血容量、血壓等生理指標，為士兵的傷情做出更加詳細的判定。

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