基于脈搏監測的泳池人員心率異常監測器的設計

張連毅　薛文彬　謝逸　丁中譜　張宏陽

摘 要：安全問題一直是開展游泳運動需要關注的重要問題。文章作者設計的監測器利用心率與脈搏頻率一致的關系，將脈搏傳感器、微控制單元與聲光報警器等硬件集成為專用芯片，以手環的形式佩戴在泳池人員的手腕上，通過實時監測泳池人員的脈搏來實時監控泳池人員的心率異常變化，從而及時發現并搶救溺水人員。此監測器的設計，可以大大減少泳池人員的溺水事故發生率，有廣闊的應用前景。

一、溺水的過程與特點

泳池溺水都是淡水溺水，其死亡主要表現為氣管內吸入大量水分阻礙呼吸，或因喉頭強烈痙攣，引起呼吸道關閉、心跳加快、心肌顫抖、肌肉緊張、昏迷并失去知覺，最后窒息死亡。溺水過程主要可以分為以下四個時期。

（1）呼吸暫停期。此時溺水者神志清楚，呼吸一時性暫停，心跳加快，血壓升高，大約持續0.5～1min。

（2）嘔吐掙扎期。此時期溺水者神志逐漸模糊，呼吸表淺，血壓開始下降，心跳由快變慢，各種反射明顯減弱，大約持續0.5～1min。

（3）二次呼吸昏迷期。此時期的特點是：昏迷，心跳微弱，呼吸微弱或停止，瞳孔散大，各種反射全部消失，肌肉松弛，大小便失禁，約持續1min。

（4）死亡期。呼吸完全停止，心臟可能繼續跳動1～2min，最后進入死亡狀態。

二、泳池溺水報警研究現狀

當前，國際上泳池溺水報警系統的實現主要有以下三種途徑：①利用聲吶等監測實現，即在水下泳池底部安裝一套聲吶發射接收裝置，利用探測器去確定可能障礙物的存在，進而利用一定的溺水判據去判定是否溺水；②讓游泳者身上攜帶監測裝置，如手表或褲帶等；③利用視頻監測實現，當下防溺水的智能裝置，比如游泳館里的監控裝置、某一水域的監控裝置、自動尋人的救生圈等，都有很大的局限性，無法得到廣泛應用。在國內，與溺水報警系統相關的研究也正處于起步階段。

三、泳池人員心率異常監測器的監測原理

由溺水過程可知，人在溺水初期，生命體征變化主要是：在短時間內，心率先變快，后變慢。泳池中，由于著裝、便利性、監測成本等因素，對心率直接進行監測存在一定的難度，而監測泳池人員的脈搏則相對容易許多。心率是心臟收縮舒張活動次數的統計，脈搏是外周的血管受到在心臟收縮活動時血液對血管的沖擊次數的統計，一般二者是一致的，有一次心臟收縮就會產生一次脈搏。因此，可以通過監測脈搏變化的情況來實時監測泳池人員的心率狀態，進而反映人的溺水狀態。

四、泳池人員心率異常監測器的硬件組成

為了監測脈搏狀態，選用脈搏傳感器實時采集泳池人員的脈搏；為了實時判斷泳池人員有無溺水現象出現，選用微控制單元（WCU）對所采集的脈搏數據進行實時處理，并實時得出有無溺水的結論。考慮到泳池中其他泳池活動人員及泳池周邊值班救生員的存在，從監測器的實用性及經濟角度出發，當微控制單元判斷有溺水現象出現時，選用聲光報警器及時報警，以引起周邊人員與值班救生員的注意，從而及時予以施救。本泳池人員心率異常監測器主要由脈搏傳感器、微控制元件、聲光報警器三部分組成，如下圖所示。

本監測器的硬件，可以通過集成電路，與泳池更衣柜的鑰匙集成在一個專用芯片上，為便于監測泳池人員的脈搏，將專用芯片進行防水處理，以手環的形式，佩戴在泳池人員的手腕上，在不影響泳池運動者的正常運動，也不給泳池運動者增加額外不方變的前提下，為泳池運動者提供安全方面的保證。

安全問題一直是開展游泳運動需要關注的重要問題。近年來，泳池溺水事故頻發，有的是因為不會游泳溺水發現不及時所導致，還有一部分人因心臟病猝發搶救不及而死亡。本泳池人員心率異常監測器的設計，可以大大減少泳池人員的溺水事故發生率，有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]陳 琛.生命安全教育融入游泳教學研究[D].鄭州：鄭州大學，2016.

[2]白佳凱.淺析游泳池定位救生系統[J].科技創新與應用，2015（21）：49-50.