基于穿戴式监测和北斗技术的伤员快速搜救仪*

吴宝明，刘 沛，庞 宇，王普领，高丹丹，严博文

(1.第三军医大学 大坪医院 野战外科研究所，重庆400042;2.重庆邮电大学，重庆400065)

0 引 言

现代战争是信息化条件的高科技战争，科技的发展，改变了过去人多致胜的战争法则。现代战争注重数字化部队和数字化战场建设，将单兵作为数字化单元，强调士兵的作战能力和生存能力。因此，及时了解士兵的身体状况，把握士兵动向具有非常重要的意义。

战场快速搜救［1］是指在第一时间发现伤员并对伤员进行有效救援，减小士兵伤亡率和伤残率，提高士兵生存能力。传统的战场搜救是战后人为搜索受伤士兵，士兵被动等待发现，搜救时间长，容易耽误救治的黄金时间而导致士兵死亡或留下后遗症。随着战争形态的变化和科技的发展，近年来，国内外越来越重视发展战场感知、搜救技术，美军的WPSN 系统可以同时检测士兵的体温、脉搏、血压、呼吸并以无线传感器网传输体征信息［2］;Empirical Technologies 公司研制了一种具有无线通信功能的腕表式心率呼吸监测装备。国内，第四军医大学研制了一种战场无线生命体征监测系统［3］，通过GSM 无线网络传输士兵生命信息，用于救治现场和后送途中对伤员的监护;第三军医大学野战外科研究所研制了一种无线野战搜救与信息管理系统［4］，集成了GPS 和CDMA 无线网络，实现战时伤员的定位搜救。尽管战场伤员搜救技术有了明显的进步，但在如何增加装备的环境适应性、快速响应能力、使用方便性等方面有待进一步深入研究。目前，这种集实时伤情感知、位置定位、通信传输于一体的战场伤员快速搜救装备尚未见有报道。

为此，本文研制一种基于穿戴式监测和北斗导航技术的战场伤员快速搜救仪。

1 总体设计

脉搏波是人体重要的生命体征，内含丰富的信息。研究表明:通过对光电容积脉搏波(photoplethysmography，PPG)的分析，可以得到士兵的血氧饱和度、脉率和血压［5］;通过对PPG 形态特征变化的分析，可以比普通的生命体征更早发现伤员失血的迹象［6］。战场上士兵受伤大多与失血和缺氧窒息有关，为此，选择监测PPG 信号作为预警士兵伤情的生命体征，同时为了不影响士兵作战作业，采用穿戴式设计检测PPG 信号，将血氧饱和度和脉率作为感知士兵伤情的体征参数。定位和报警方面，选择北斗系统提供位置信息，通过北斗短报文将报警信息发送到搜救中心，实现快速救治。

2 硬件设计

战场伤员快速搜救仪的硬件结构如图1 所示，主要由反射式探头、LED 驱动电路、微处理器、北斗模块、电源模块等部件组成。

图1 快速搜救仪框图Fig 1 Block diagram of quick search and rescue instrument

2.1 反射式探头

反射式探头由双光源LED 和光强探测器组成。双光源LED 可以在微处理器的控制下发出660 nm 波长的红光和905 nm 波长的红外光，经过人体组织反射回来后被光强探测器接收。光强探测器集成了光电二极管、放大器、比较器等电路，能够感应光的强度并转换为频率信号。如图2所示，LED 和光强探测器处于皮肤同一侧，保持适当距离，反射式探头可放置于人体任何有动脉血管处测量。为了便于士兵穿戴，如图3 所示，选取额头作为采集PPG 信号的有效部位，将探头置于额头偏左侧部位，用头带固定。

图2 反射式探头结构图Fig 2 Structure diagram of reflection-type probe

2.2 LED 驱动电路

图3 反射式探头头戴示意图Fig 3 Diagram of reflection-type probe wore on head

LED 驱动电路用于微处理器控制LED 发光，由4 只三极管和反射式探头上的双光源LED 组成H 桥电路，三极管和LED 之间用短导线连接。根据三极管不同的导通情况，可关闭或正向、反向导通LED，从而控制LED 的发光状态。如图4 所示，当red_on 和LEDred 为高电平且ir_on 和LEDir为低电平时LED 亮红光;反之，LED 亮红外光，通过交替给单片机I/O 口上电控制LED 发出红光和红外光，产生PPG信号。

图4 LED 驱动电路Fig 4 LED drive circuit

2.3 微处理器

微处理器是整个搜救仪的控制和处理中心，主要有2 个功能:一是捕获PPG 信号，计算血氧饱和度和脉率;二是处理北斗模块发送过来的位置信息并控制其发出报警。设计中采用德州仪器低功耗芯片MSP430F1611 作为微处理器，与北斗模块RNSS 接口、RDSS 接口相连，用于微处理器和北斗模块的数据通信;4 个I/O 口与驱动电路相连，控制反射式探头上LED 的发光状态;定时器接口与反射式探头探测器相连，捕获光强探测器传输过来的PPG 信号。

2.4 北斗模块

北斗模块采用江苏天源的TM8510，该模块集成了RDSS 射频收发芯片、功放芯片、基带等电路，可以实现RDSS 收发信号、调制解调等功能。内置RNSS 和GPS 模块，可以RDSS，RNSS 同时工作。

北斗RDSS 短报文具有服务频度，普通用户机的服务频度为60 s，可以1 min 发送一次短报文，满足士兵的生命体征报警需求。

2.5 电源模块

北斗模块供电电压为5 V，微处理器和探测器的供电电压为3.3 V。为了便于携带，采用5V 锂电池给硬件装置供电，为了延长装置工作时间，采用低功耗稳压芯片LM2596和LTC3440 分别为北斗模块、微处理器和探测器提供稳定电压。

3 软件设计

战场伤员快速搜救仪的软件设计包括PPG 信号采集、数字滤波、血氧饱和度和脉率的计算以及北斗定位和报警，其工作流程如图5 所示。

图5 软件工作流程图Fig 5 Software working flowchart

3.1 PPG 信号采集

PPG 信号是通过LED 光在人体反射产生的，利用单片机定时器的定时和捕获功能完成LED 发光时序控制以及PPG 信号的数据捕获。设置单片机定时器定时时间为1 ms，LED 以100Hz 频率交替发出红光和红外光，每个LED分别亮2 ms，点亮LED 0.5 ms 后开启捕获子程序，对PPG 信号进行采集。由于人体血液流速较慢，认为两束光的PPG 信号包含同一段脉搏信息，可用于后续体征参数的计算。

3.2 PPG 的滤波处理

入射光经过人体时会因为仪器本身或外界的作用导致采集的PPG 信号包含多种干扰:定时器的计数误差会导致捕获计数时PPG 某些数据数值发生突变;外界高频干扰和微动脉的搏动会导致PPG 信号出现毛刺;人体的呼吸和身体移位会使PPG 波形产生基线漂移;由于静脉充盈、身体运动时探头与受测部位发生相对偏移等会使光的路径改变，引起接收信号出现相应波动，这些干扰都会导致PPG 信号发生改变，影响最后体征参数的计算，因此，需要对原始信号进行预处理。

经过仿真，对于突变点，采用先查找后去除的方法，若发现某个点数值远远大于其临近点，判断它为突变点，将其去除，用相邻点的平均值代替该突变点;为了减小处理器的计算量，采用平滑滤波来去除高频干扰;采用形态滤波抑制基线漂移;自适应对消算法［7］去除运动干扰。图6 为采集的原始红光PPG 数据和滤波之后的对比。

3.3 血氧饱和度和脉率的计算

根据朗伯比尔定律，在一定波长下，物质的吸光度与其浓度呈正比。当恒定波长的光经过人体组织时，人体组织会吸收光，而反射后测量的光强度在一定程度上反映出该部位组织的结构特征。

图6 滤波前后红光PPG 的对比Fig 6 Comparison of red light PPG before and after filtering

由朗伯比尔定律推导出血氧饱和度的计算公式

其中

式中 IAC，IDC分别为PPG 信号的交流分量和直流分量，1和2 代表红光和红外光，A，B，C 为血氧系数。由公式可知，血氧饱和度值可根据PPG 信号的直流分量和交流分量得到，其计算方法如图7 所示，采集到一段PPG 信号后，求出每个PPG 波形的极值点，将各极值点引入插值得到上下包络线，上下包络线的差值为交流分量，上下包络线的均值为直流分量。

图7 红光PPG 包络线和交流分量示意图Fig 7 Diagram of envelope and AC component of red light PPG

由于红光和红外光以100 Hz 频率交替发光，即PPG 每2 个点的间隔为10 ms，根据2 个PPG 极大值间隔点数可得到一个完整PPG 搏动的时间

式中 n 为一个完整PPG 波形采样点的个数。根据PPG 搏动的时间可求得脉率

3.4 定位和报警

搜救仪在计算出士兵的血氧饱和度和脉率后通过判断体征参数是否在正常范围内确定是否报警。当士兵的体征异常，需要报警时，开启单片机和RNSS，RDSS 之间的串口通信，获取RNSS 定位信息。由于RNSS 定位功能提供的信息繁杂，处理器在收到RNSS 信息后先做处理，只保留士兵所在经纬度，最后通过RDSS 短报文向搜救中心发送士兵的经纬度和警报，搜救中心可根据伤情和位置通知离伤员最近的救援部队或救护人员前去救治。

北斗一二代集成模块发送短报文需要SIM 卡，每个SIM 卡都有唯一用户ID，为了便于管理士兵信息，将北斗用户ID 作为识别士兵身份的标识，搜救中心事先存储士兵的姓名和用户ID，在接收到报警后可确认士兵身份。

4 低功耗设计

硬件上，采用MSP430 超低功耗微处理器、低功耗北斗模块TM8510 和低功耗电压转换芯片LM2596，LTC3440，降低装置能耗;软件上，因为北斗模块的短报文功耗大，士兵体征正常时关闭北斗模块通信功能，在体征参数超出正常范围后启动RDSS 功能。同时，因为反射式探头的双光源LED 以100 Hz 频率交替发光，在保证采集到PPG 信号的前提下减少LED 发光时间，处理数据时关闭检测探头，待处理完成后才进行下一次PPG 信号的采集，延长设备使用时间。

5 实验结果

为了检验快速搜救仪的实用性，对装置基本性能进行了初步测试。实验人员按照要求将头带佩戴在头部，搜救仪置于肩部口袋内。经测试发现，正常情况下实验人员的血氧饱和度在97%～99%，实验前将搜救仪设置为血氧饱和度低于94%时报警。启动装置后，测试人员进行行走、站立、坐下等活动，装置不发送报警;用密闭头罩罩住实验人员，随着罩内氧气浓度的降低，血氧饱和度如图8 变化，受测人员的血氧饱和度随着时间的增加逐渐降低，同时装置发出实验人员所在经纬度和报警信息。实验结果表明:战场快速搜救仪能正常检测受测人员体征信息，实现户外环境下基于伤情感知和北斗导航技术的生命体征报警，具有易穿戴、低功耗、抗干扰的特点。

图8 实验人员血氧饱和度变化Fig 8 Changes of subject’s blood oxygen saturation

6 结 论

战场伤员快速搜救仪可以连续检测士兵身体状态，提供士兵位置信息，有助于提高救治效率。目前，搜救仪只监测了血氧饱和度和脉率，对于伤情的判定不够精细，下一步将在现有工作的基础上，进一步分析PPG 信号，引入血容量、血压等生理指标，为士兵的伤情做出更加详细的判定。

［1］ 韩鲁宁，周 娟.建立战场伤员搜救系统的基本构想［J］.沈阳部队医药，2012，25(1):18－19.

［2］ 王春飞，石江宏.美军单兵生命体征监测系统中的无线传感网络［J］.医疗卫生装备，2007，28(11):34－39.

［3］ 陈 剑，董秀珍，焦 腾，等.单兵生命状态监测系统研究［J］.医疗卫生装备，2005，26(7):20－21.

［4］ 闫庆广，吴宝明.全数字化野战伤员搜救与信息管理系统［J］.医疗卫生装备，2006，27(6):20－22.

［5］ 徐可欣，王继寸.脉搏波时域特征与血压相关性的研究［J］.中国卫生设备，2009，24(8):42－45.

［6］ McGrath S P，Ryan K L，Wendelken S M，et al.Pulse oximeter plethysmographic waveform changes in awake，spontaneously breathing，hypovolemic volunteers［J］.Anesthesia＆Analgesia，2011，112(2):368－374.

［7］ 龚渝顺，吴宝明，高丹丹，等.一种抗干扰穿戴式血氧饱和度监测仪的研制［J］.传感技术学报，2012，25(1):6－10.