礦山救護隊員訓練和心理干預生理指標監測系統設計

劉士建 宋 巖 王善禮

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500）

礦山救護隊是處理礦山災害事故的職業型、技術型隊伍，礦山救護隊員在事故處理過程中置身爆炸、火災、突水、冒頂、中毒等危險環境中，神經處于高度緊張狀態，有時要面對斷肢殘體、呻吟、流血等慘狀的遇險人員，這給礦山救護隊員帶來極大的心理壓力。在這種心理壓力持續作用下，礦山救護隊員極易產生緊張、急躁、恐懼、憤怒、厭煩等情緒，因此，需要對其進行及時心理干預、疏導和治療。在心理干預、疏導和治療中，對救護隊員生理指標的實時監測、記錄和分析是非常關鍵的環節。

生理指標的變化情況可以反映出人對環境的適應能力與在該環境下人的身體狀態，目前科研工作者對于生理指標的研究越來越重視，各種用于實現指標數據監測的技術和設備儀器也層出不窮[1-3]。本文主要針對礦山救護隊員心理訓練和干預中的生理指標變化進行監測，通過單片機采集心率變異性指數、皮膚電反應數據和腦電信號等生理信號，對數據進行處理分析并實時上傳，上位機系統對接收的數據進行處理和顯示，用來輔助礦山救護隊員的心理訓練和心理干預，提高其在井下適應能力。

1 生理指標監測原理

在心理干預和治療方面，與心理變化相關性強的生理指標主要有心率變異性指數、皮膚電反應數據和腦電信號三種[4]。心率變異性指標主要通過心率監測獲得，通過心率監測能夠很好地反映人在一段時間內的壓力和焦躁情緒，從而反映出人的心理變化[5]。皮膚電反應是反映人交感神經興奮性變化的最有效、最敏感的生理參數，是測量情緒反應的常用指標。每當人們發生情緒變化，皮膚電反應數據會顯示出明顯的變化，可以通過觀察來統計量化，皮膚電反應提供了真實可以了解事件對一個人的心理和生理的影響過程[6]。腦電信號與情緒的關系最為緊密，腦電信號包含了大量的生理與心理信息，當大腦接收到不同的刺激時，腦電信號會反映人的專注度、放松度、恐懼等心理活動。

1.1 心率及心率變異性指標監測

當前心率數據的監測方式大致上主要分為兩類，即電化學法和光學法。電化學法的工作原理主要是通過對人們的靜脈采血之后進行電化學分析，計算出動脈分壓進而計算血氧飽和度和心率數據[7]。光學法的主要原理是由于人體對于光的接收程度的不同進而可以反映出人體當前的血氧濃度和心率數據。光學法監測心率和血氧濃度數據的方式主要通過監測光的反射程度，對于人體沒有傷害，實現了無創監測。心率變異性指標可以通過監測的心率指標計算出來，該文采用光學法監測心率數據，通過下面的計算方法完成心率變異性的各個指標的計算。

1）標準差SDNN：用于衡量一段時間內相鄰兩個R-R 間期時序的離散度，通常取5 min 為計算時段，單位為ms。

2）根號平均平方差（RMSSD）：用于衡量相鄰R-R 間期的變異性，是SDNN 的平均值的開方，其單位為ms。

3）PNN50 是指相鄰心跳間隔差異大于50 ms的心跳數占總心跳數的比例。該指標反映的是心臟節律的不規律性，PNN50 越高則說明心臟節律越不規律，反之則越規律。

4）SDSD 是指相鄰心跳間隔的標準差。該指標反映的是心跳間隔的變異度，SDSD 越高則說明心跳間隔的變異程度越大，心臟自主神經功能越強。

5）M-HRT 是指最長R-R 間期和最短R-R 間期之比。該指標反映的是心臟對壓力的適應能力，M-HRT 越小則說明心臟對壓力的適應能力越強。

1.2 皮膚電反應數據監測

皮膚電信號數據監測是實現個人化、精準、實時的健康監測和診斷的重要技術手段。利用電極在皮膚表面感測電生理信號，將信號放大、濾波和數字化處理，進而提取有用的生理特征參數，通過數據分析和算法建模實現對身體健康狀態的監測和診斷。皮膚電信號數據監測原理的核心是對數據進行信號處理和分析，其中信號處理主要包括濾波和放大，目的是去除噪聲、提高信噪比和增大信號幅度；而信號分析則是提取有用的特征參數，如幅值、頻率、時域、頻域等[8]。這些特征能夠反映出身體健康狀態的不同指標，如情緒波動、呼吸的深淺等等。

1.3 腦電信號監測

腦電信號監測是利用電生理技術來監測人體腦電活動的過程。腦電信號是指由大腦神經元釋放的電信號，它們可以被測量和記錄下來。這種信號可以揭示出人類的認知、情緒、行為、認知和神經發育方面的信息。腦電信號監測主要依靠電極放置和差分放大器，將生物電信號從頭皮海綿質中捕捉并放大，以得到清晰的信號。通常在腦電信號監測時會使用多個電極放置在頭皮上，以同時捕捉來自大腦各個部位的信號，然后將這些信號放大和濾波以去除噪聲和其他不相關信息，以便進行后續的數據分析[9]。

該文主要針對腦電信號α波、β波、θ波三種波形進行分析。α波是一種低頻腦電波，主要出現在大腦皮層的頂部，通常在放松狀態下出現。它們與平靜、放松和休息有關，因此被認為是一種情緒穩定波。如果缺乏α波，可能會表現出注意力不足和過度活躍的癥狀。β波是一種高頻腦電波，通常出現在活躍狀態下。β波在注意力和思考時會增加，并且與焦慮、壓力以及緊張有關[10]。如果β波過度活躍，則可能導致注意力分散、壓力和焦慮等問題[11]。θ波是一種中頻腦電波，主要出現在記憶和放松狀態下。在深度放松狀態下，θ波會增加，而在沉睡狀態下，θ波會高于正常。如果缺乏θ波，則可能表現出記憶力下降和情緒不穩定等問題[12]。

2 系統硬件設計與實現

系統主要由系統核心控制模塊、心率血氧監測電路、皮膚電反應數據監測電路和腦電監測電路等組成。系統核心控制模塊與心率血氧監測模塊通過串口進行數據交互，心率血氧模塊通過接收到生理指標測試儀核心控制模塊的指令進行血氧采集。功能框圖如圖1 所示。

圖1 生理指標功能框架圖

2.1 系統核心芯片

本系統的核心控制芯片采用STM32F103RCT6單片機，該款單片機內含豐富的資源。本系統主要使用了該單片機的256 KB 的FLSH 空間、3 個UART 串口和2 組AD 監測端口等資源。通過UART5 與心率血氧監測模塊進行通信，通過UART3 與腦電信號監測模塊通信，通過PA1 進行AD 數據的采集，通過UART1 進行底層控制端與上位機之間進行信息交互。

2.2 心率血氧采集

心率血氧監測采用力康公司的KS-COM1 心率血氧監測模塊，該模塊采用SFH7050 作為心率血氧的監測探頭。心率血氧采集模塊采用光容積法測量心率血氧數據，其主要原理是血液對光的吸收隨著脈搏變化而變化，通過對光的吸收率的不同判斷當前時刻心臟是否發生跳動進而計算心率和心率變異性指標。

2.3 皮膚電采集

皮膚電采集的條理電路如圖2 所示，分別為皮膚電信號采集部分和皮膚電信號放大部分。皮膚電信號采集部分通過指間的采集電極采集皮膚電信號，電極所采集的微弱電信號經兩級運放芯片（MCP607-I/SN 芯片，輸入偏置電壓為250μV）放大后，系統STM32 核心單片機的AD 引腳（PC0）監測二級運放芯片的輸出數據，單片機通過對所得電信號進行快速傅里葉變換，濾除頻段0～2.4 Hz 以外的電信號，獲取所用數據。

圖2 皮膚電采集模塊電路圖

2.4 腦電波采集

生理指標測試與腦電模塊的連接采用藍牙協議進行數據遠程傳輸，腦電模塊采用神念科技的TGAM 腦電波監測芯片。該芯片通過電極監測兩個耳垂以及額頭的電壓完成電腦基礎數據的采集，通過內部集成的低通濾波器以及濾波算法將通過電極采集的原始數據進行處理等到腦電傳感器的相關指標。該文在TGAM 模塊的基礎上集成了藍牙模塊，使得藍牙模塊在接收到TGAM 模塊所傳輸的數據之后將數據以藍牙通信的方式傳輸到系統單片機核心上，單片機對數據進行二次處理與顯示。

3 生理指標監測系統軟件設計

1）生理指標監測系統下位機設計

生 理 指 標 監 測 系 統 下 位 機 采 用STM32F103RCT6 作為下位機的核心控制端，核心控制端通過串口與心率血氧監測模塊、腦電信號監測模塊、上位機等進行通信，通過AD 引腳對皮膚電數據進行監測。生理指標監測系統的程序流程圖如圖3 所示。在生理指標監測系統開始運行時，首先對其串口、AD 監測引腳進行初始化，設置串口波特率、開啟接收中斷、設置中斷優先級等，然后向心率血氧監測模塊和腦電信號監測模塊發送指令使其正常工作，最后核心控制模塊等待上位機傳輸的指令并對其進行分析執行相應操作。

圖3 生理指標監測系統的程序流程圖

2）生理指標監測系統上位機設計

系統上位機使用C#語言進行開發，軟件主要具備生理指標數據顯示、生理指標波形顯示、閾值報警、控制傳感器開關、傳感器狀態顯示等功能。系統與下位機通信協議采用串口的形式。在通信建立之后，發送指令打開傳感器，并根據返回數據判斷傳感器是否打開，如打開則對應指示燈變亮。接著發送指令讀取保持寄存器數據，將波形數據加載至chart 圖標中，將指標數據進行顯示。最后，根據數據是否超過預警值進行燈光報警，并存儲至預警異常記錄表中。生理指標監測系統上位機程序流程圖如圖4 所示。

圖4 生理指標監測上位機程序流程圖

系統上位機需要具備傳感器狀態顯示功能，因為在佩戴和取下傳感器過程中數據會發生較大波動，被系統判斷為異常預警，影響數據準確度，不利于數據分析，需要設計自定義控件實時顯示傳感器狀態。預警及預警記錄功能設計為指示燈及預警記錄表，如果指標超出預定值則進行記錄并報警。

3）生理指標監測系統的測試

為了驗證生理指標監測系統的各個功能，首先，研究人員讓礦山救護隊員在靜止狀態下進行血氧、心率、皮膚電、腦電波信號等生理指標的采集。接著，研究人員讓隊員在礦井模擬訓練艙內進行礦山災害事故救援操作和訓練。在訓練環境中，研究人員采集了隊員的血氧、心率、皮膚電、腦電波信號等生理指標，并通過系統進行數據顯示和數據分析。系統腦電波、心率血氧、心率變異性等指標的監測界面圖如圖5 所示。

圖5 系統監測界面圖

4 結語

該系統基于STM32 單片機對礦山救護隊員的日常訓練和心理素質訓練過程中的生理指標進行監測，通過采集心率變異性指數、皮膚電反應數據和腦電信號等生理信號，實時、準確地監測救護隊員的生理指標，有助于研究人員更好地了解隊員身體狀況和訓練效果，進而有針對性地調整訓練方案，達到最佳的訓練效果。在心理訓練中，救護隊員的生理指標可以反映出其心理狀態，研究人員可以根據反饋數據及時調整訓練方案和心理輔導措施，幫助隊員減輕壓力，幫助隊員保持穩定的心態，提升隊員的訓練效果和綜合素質，為礦山救護隊的身心健康提供了重要的保障。