穿戴式动物生理参数采集装置的设计与实现

季雪渊，王卫东，张政波，王国静，彭福来

·研究与设计·

穿戴式动物生理参数采集装置的设计与实现

季雪渊，王卫东，张政波，王国静，彭福来

目的:设计一种可用于实验动物猕猴的生理参数采集装置，可采集心电、呼吸、体位/体动信号。方法:采用体表电位提取技术采集动物的心电信号，采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动，通过三维加速度传感器的三轴输出量来获得体位/体动信号。结果:在动物实验中成功采集到了自由活动猕猴的生理参数，并将其存储于安全数码卡（secure digital memory card，SD）文件系统中，保证了实验数据的完整准确。结论:该装置能够采集自由活动状态下动物的生命体征，经过改制后亦可用于人类，在动物医学及低负荷监测技术领域有着广阔的应用前景。

穿戴式；生理参数；低负荷

0 引言

在生命科学中，对人类健康的研究离不开实验动物。在对人类各种生理现象、病理机制和疾病防治的研究中，实验动物是人的替代者，例如在战伤外科的研究中、在生化武器和强声武器损伤的研究中，实验动物均被用来代替人类作为受难者来研究对各种战伤的有效防治措施。灵长目动物在亲缘关系上和人类最接近，20世纪开始广泛应用于生物医学研究，如猕猴在生理学上可以用来进行脑功能、血液循环、呼吸生理、内分泌等各项研究[1-2]。因此，猕猴在军事医学研究上具有特殊的应用价值。而如何实时有效地获得自由活动状态下猕猴的生理参数成为一个至关重要的课题。

目前，针对猕猴的生理参数测量通常有2种方式：以盐酸氯胺酮注射麻醉后测定，或是在无麻醉情况下固定于木板或椅子上测定。但这2种方法均无法长时间获得自由活动猕猴的生命体征，而且由于设备需要人为操作来辅助实现，因而无法获得极端环境下的动物生理指标[3-4]。本文针对心电、心率、呼吸长期监测的需要，研制了一种可穿戴式动物生理参数采集背心系统，可实现活动状态下对心电、呼吸信号的无创监测。该技术不仅可以广泛应用于动物医学与军事医学中，而且在睡眠医学、环境学以及民用领域都有广阔的应用前景和不可估量的社会效益。

1 系统总体设计

整个穿戴式动物生理参数采集装置系统由动物背心、信号采集记录电路以及传感器等构成。结构如图1所示。

系统工作时，可以选择将数据存储至安全数码卡（secure digital memory card，SD）文件系统中，待采集结束后再通过USB将数据上传至个人计算机（personal computer，PC），使用MATLAB分析处理，亦可在实验过程中通过蓝牙实时地将数据传至上位机，通过上位机编写的LabVIEW分析软件实时显示信号波形。

图1 穿戴式动物生理参数采集装置系统设计框图

2 系统构成设计

2.1 模拟电路设计

模拟电路要实现心电、胸呼吸、腹呼吸、体位/体动（三轴加速度传感器的3路输出信号）6路信号的提取：对心电信号采用传统的体表电位提取技术，针对动物皮毛厚的特点，增加了仪表放大器的输入阻抗和共模抑制比；呼吸信号采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动，针对动物的特点设计了专用的传感器；体位/体动信号通过三维加速度传感器的3个轴输出量来获得，本系统使用了MMA7260Q来实现X、Y、Z 3个轴的加速度测量。模拟电路设计框图如图2所示。

图2 模拟电路设计框图

2.2 数字电路设计

数字电路要实现6路信号采集、SD卡存储以及系统工作状态指示，本设计使用了ARM7架构的LPC2131芯片，64脚封装，片内有32 KB Flash、8 KB RAM，内置8通道10 bit ADC。系统设计框图如图3所示。

图3 数字电路设计框图

系统采用基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARM7微处理器LPC2131作为系统的主控芯片，负责数据采集、SD卡读写、系统状态指示、系统通信等功能。为提高系统的可靠性、实时性，使用实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ，该操作系统具有一个完整的、可移植的、可固化的、可裁剪的抢占式实时多任务内核，可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行。为提高系统使用的方便性，使用插拔方便的SD卡存储数据，采用了面向嵌入式系统开发的文件系统，它可以直接与个人计算机交换文件，是与FAT12、FAT16、FAT32高度兼容的文件系统[5-7]。

2.3 动物背心设计

系统将呼吸运动传感器嵌入到背心中。现有的呼吸感应体积描记技术的实现方法是：将附着在弹性缚带上的传感线圈作为电容三点式谐振电路的电感元件，呼吸运动引起线圈电感量的改变，导致电路谐振条件改变，从而引起谐振幅度和谐振频率随呼吸运动而变化，通过调幅检波或者调频检频的方法，就可以完成对呼吸运动的检测[8-10]。鉴于猕猴的身体形态相比人类要小很多，现有测量技术中用到的传感线圈的电感量将随之显著减小，本系统采用三线编绳的方法以增大线圈的电感量。通过计算得出相应LC振荡回路的电容值，在电路上予以匹配。设计的胸腹传感线圈如图4所示。

图4 胸腹呼吸运动传感线圈的设计图

本穿戴式背心系统将呼吸感应体积描记的胸带、腹带分别移植到衣服的胸、腹位置上。以胸带走线为例：线圈绕胸部一圈后，在前胸处贴近衣襟上行，绕颈部一圈后，贴近衣襟下行，在另一侧与线圈另一端汇合，接入信号采集记录电路。采用这种走线方式，传感器可以嵌入在弹性背心中，使用时如一件普通拉链背心，穿脱方便，不易损坏。此外，在实际应用测试后，将拉链设计改于背心侧面，放置采集电路的口袋设置于背后，以减少实验动物的活动干扰。改制后的背心如图5所示。

图5 改制后的动物背心

3 性能测试

3.1 测试目的

针对实验对象猕猴的特殊性，研究生理参数采集技术，通过现场实验的方法来确定生理参数采集电路的相关参数，并验证各类生理参数采集技术的有效性和可靠性。针对自由活动状态下的猕猴，使用自主研发的动物生理参数采集装置来采集心电、胸腹呼吸运动和体位/体动6路生理信号，以检验实验装置能否完成数据采集、存储等各项预期功能，检验实验装置是否达到设计要求，验证以此装置为平台开展动物实验的可行性。

3.2 测试方法及过程

将猕猴胸部去毛，用酒精擦拭脱脂后粘贴Ag/AgCl电极。电极连接方式与人类相同，采用双极肢体导联。将背心系统穿于动物身上，接上各类生理信号传感器，连接整个实验系统，使用SD卡存储动态生理参数。

3.3 测试结果

采用MATLAB编写了SD卡数据文件的提取及显示程序，得到了实验动物心电、胸腹呼吸运动以及体位/体动信号。SD卡数据读取操作如图6所示，信号显示分析画面如图7所示。

图6 基于MATLAB的SD卡文件读取操作图

图7 数据信号显示分析操作图

心电信号的数据表明通过体表电位提取的方法可以获得高质量的动物心电图，如图8所示。胸腹呼吸数据表明呼吸感应体积描记技术能够有效地提取呼吸运动信息，信号中的噪声来源于工频干扰以及动物毛皮与实验背心之间摩擦所产生的噪声。实验动物的活动会对呼吸信号产生较大的影响，可以通过三轴加速度计的三维输出量来消除运动伪影，滤波处理前后的胸呼吸运动信号如图9所示。

图8 心电信号波形图

图9 处理前后的胸呼吸信号图

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4 结语

本穿戴式动物生理参数采集装置可实现自由活动状态下的动物基本生命体征（心电、胸腹呼吸、体位/体动）的可靠提取。该装置的突出特点是使用方便，可进行无创性动物生理指标监测；不需要进行外科手术，符合动物福利要求；不依赖任何人为和环境的因素，可随时根据需要方便开展实地测量；符合生理指标监测的发展趋势。本技术可发展为极端环境下的动物生理参数提取技术，可对相关武器作战效能进行评估研究，有着重要的军事医学价值以及基础研究科学价值。

[1]秦川.医学实验动物学[M].北京：人民卫生出版社，2008：2-17.

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[3]许定泽，石伟平.猕猴体温、心率和呼吸率的测定结果[J].上海实验动物科学，1992，12（4）：230-231.

[4]吕锡太，翟兴慧.太行山猕猴呼吸频率的研究[J].河南师范大学学报，1992，20（2）：74-77.

[5]周立功，张华.深入浅出ARM7——LPC213x/214x（上册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：12-15.

[6]周立功，王祖麟，陈明计，等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：42-46.

[7]Jean J L.嵌入式实时操作系统——μC/OS-II[M].邵贝贝，译.2版.北京：北京航空航天大学，2003：114-116.

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（收稿：2014-12-07 修回：2015-03-10）

Design and implementation of wearable animal physiology parameters acquisition device

JI Xue-yuan1,WANG Wei-dong2,ZHANG Zheng-bo2,WANG Guo-jing2,PENG Fu-lai3
（1.Medical School of Chinese PLA,Beijing 100853,China;2.Medial Engineering Support Center, Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China;3.School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

ObjectiveTo design a physiological parameters acquisition device for collecting the experimental macaques' signals of ECG,respiration,body position and movement.MethodsThe device adopted body surface potential extraction technology to gather ECG signal,and respiratory inductive plethysmography to extract thorax and abdomen breathing movements,output of the tri-axial accelerometer to get body position and movement signal.ResultsPhysiological parameters of freely movable macaques were successfully acquired in animal experiment,and the data stored in the SD card file system were complete and accurate.ConclusionThe device can gather vital signs of freely movable animal,even human after retrofitting,and has broad application prospects in the field of animal medicine and low-load monitoring technology. [Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：1-3，31]

wearable；physiology parameter；low-load

R318.6；TH772+.2

A

1003-8868（2015）06-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.001

国家科技支撑计划项目（2013BAI03B04）；国家自然科学基金资助项目（61372047）

季雪渊（1989—），男，研究方向为医疗仪器设备、穿戴式医疗电子设计，E-mail:jixueyuan163@163.com。

100853北京，解放军医学院（季雪渊）；100853北京，解放军总医院医学工程保障中心（王卫东，张政波，王国静）；100081北京，北京理工大学信息与电子学院（彭福来）

王卫东，E-mail:wangwd301@126.com