基于Healthme采集分析系统的吸毒者脉搏波特征研究

顾海艳， 林祝发

(1.江苏警官学院计算机信息与网络安全系， 江苏南京 210031； 2.深圳前海全民健康技术公司， 深圳 518052)

0 引言

为打击毒品犯罪、遏制毒品泛滥，需要在治安检查、巡逻盘查、驾照报考等过程中对相关人员是否为吸毒者进行快速甄别。

当前国内外对吸毒者的判断通常依据化学检测，常用的化学检测手段主要是血液检测、尿液检测。血液检测虽然准确率很高，但是血液分析所需要的仪器设备过于昂贵，需要专业人员操作，其应用受到较大限制。尿液检测比较方便，但也存在明显缺陷，主要问题有：(1)毒品代谢周期之后(通常为三天至一周)检测不出曾有毒品摄入；(2)吸毒嫌疑人会因紧张或其他原因不能及时配合警务工作人员排出尿液从而影响检测效率；(3)缉毒警察的性别组成以男性居多，女性偏少，在针对女嫌疑人进行尿检时，会出现女性警力明显不足的问题；(4)某些食品或药品(如急支糖浆等感冒药，不法商家生产的如火锅、麻辣烫的调味料等)也会造成假阳性误检。由于这两种常用方法存在上述问题，已不能满足现代移动警务工作中快速甄别吸毒者的需要。

同时，自2001年开始将脉搏波检测用于吸毒者生理特征分析的相关研究已有公开发表。陈明杰等[1]利用现代谱分析法，朱英华等[2]利用小波变换方法，对30例受测者(其中15例为海洛因成瘾者，另15例为正常人)进行了测试，研究发现：海洛因成瘾者和正常人的脉象信号的功率分布、时频特征都存在显著差异。另外，张谦等[3]发现海洛因依赖人群的心率变异性指标中SDNN、SDANN等显著低于正常人群。AS Reece等[4]对吸食大麻人员、吸烟人员、正常人员进行桡动脉脉搏波测量，研究发现大麻可导致人体动脉、血管年龄的异常变化。

上述研究表明，国内外学者利用多种脉搏检测仪器针对吸毒人群生理指标进行了一系列分析研究，取得了一定的成果。但已有的研究主要是为了进行医学病理分析，且涉及的检测分析仪器体积较大，不便于外出携带，也没有提出利用脉搏波进行吸毒者检测鉴定的思想方法和具体研究方向。

本文提出利用脉搏波建立鉴别模型、实现快速甄别吸毒者的检测方法，并进行可行性研究。利用自行研发的脉搏波采集分析系统Healthme，在采集分析102名吸毒者脉搏波数据基础上，利用庞加莱散点图(又称Poincare图)对其心率变异性特征进行研究，经对比分析，发现存在显著差异，为利用脉搏波数据建立吸毒者甄别模型的技术方案提供了有力支持。

1 设备与方法

1.1 采集系统

脉搏波检测作为一种无创检测的手段和方法已广泛应用于临床检查。脉搏波包含了人体的很多生理信息，通过对脉搏波分析计算，可得到动脉血压、心律等生理指标。目前关于脉搏波测量仪器的研究应用已较为丰富[5-7]。

本文采用自主研发的Healthme采集分析系统开展研究。该系统由采集器和基于手机端的分析软件构成。采集器是一种透射式光电传感器，采用指夹式，不仅使传感器施加在皮肤上的压力相对固定，有效降低运动和压力变化带来的信号干扰，而且对测量部位整体包覆，可以降低环境光的信号干扰，提高信噪比，降低后期数据分析处理难度。采集器通过音频线与智能手机相连，由智能手机对采集器供电并实现信息的计算、显示和上传等功能。智能手机中安装的应用软件具有较完善的分析模型，能自动计算人体血压、血氧、心率、呼吸频率等生理指标。Healthme系统的采集器及手机端应用系统运行结果如图1所示。

经过对1万多人的测试验证，该系统测量得到的血压、心率等人体生理指标正确率达到90%以上。该系统的采集器与临床应用的指夹式采集器的不同在于：本系统采集器上加装了标准音频接口的物理硬件，把采集器的数据信号输出端子、控制信号输入端子和电源输入端子分别连接至标准音频口的接线端子上。这样设计优点为：(1)利用智能手机供电形式，使采集器制造成本低、体积小、质量轻，便于携带；(2)通过音频线能方便地连接到智能手机，可充分利用智能手机良好的人机交互、数据处理和数据通信能力。这些优点特别适合移动警务工作的需要。

1.2 数据采集方法

使用Healthme采集分析系统，在强制戒毒所内采集了接受强制戒毒的220例吸毒者脉搏波数据。采集时，使用采集器测量每个受测对象5分钟的脉搏波，用手机端应用程序分析得到这些人员的心率、血压、血氧等生理指标，并将采集的脉搏波数据和分析得到的生理指标数据上传至云服务器中保存。同时利用欧姆龙电子血压计测量并记录受测对象的心率、血压、血氧等生理指标。

在受测的吸毒者中，选择年龄在20～40岁之间、吸毒前没有明显疾病的人员作进一步研究，这类人员共有102例。这102人均有3年以上吸毒史，因吸毒至少被拘留过一次，采集时距离最近一次吸毒时间至少一周以上，采集前24小时内没有服用对自主神经有影响的药物。

2 结果

实验结果显示，由Healthme系统测量计算得到的受测对象生理指标与现场医疗仪器测量得到的生理指标吻合度高，其中血压的测量结果对比如图2所示。这表明Healthme脉搏波采集系统的测量分析是可靠的。

图2 Healthme系统与医用仪器测量对比图

使用102例受测对象的脉搏波数据，计算样本心动周期长度，用MATLAB软件进行处理，分别得到海洛因依赖者、冰毒依赖者的心率变异性Poincare图，如图3、图4所示。

图3 海洛因依赖者的Poincare 图

图4 冰毒依赖者的Poincare 图

3 讨论

3.1 心率变异性及Poincare图

心率变异性(HRV)是指逐次心搏期间的微小差异，可定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性。无论吸食何种毒品，都会对人体神经系统产生影响，从而导致吸毒人群的心率变异性指标产生异于正常人群的特征。有研究表明[8]，心率变异性能较直观反映吸毒者的交感神经及迷走神经的功能失衡，敏感性、可重复性较好。

Poincare图是以人体的前一个心动周期长度间期为横坐标、以相邻的下一个心动周期长度间期为纵坐标绘制的图形，是对心率变异性进行分析的一种较为常见的非线性方法。通过图形既能直观地发现心率变异的非线性特征，又能对图形的长度、宽度、面积以及分布的松散程度进行定量指标分析[9]。Poincare图沿坐标系中45度线分布的长度和宽度代表心率变化的范围，分布的面积直观地代表心率变异的标准差(SDNN)，分布的松散程度提示出迷走神经的活性。

3.2 正常人员的心率变异性分析

文献[10-11]表明，正常人员的Poincare图散点多集中在45度射线附近，呈彗星状或者纺锤形分布形态。Healthme采集分析系统在研发的过程中，曾采集、保存了上万例非吸毒者脉搏波数据，并选择其中身体健康、没有明显疾病的采集对象的脉搏波数据，分析处理得到了正常人员Poincare图，这些图的形态基本均为纺锤形或彗星形，如图5所示，与前述文献资料的描述一致。

图5 正常人员的心率变异性Poincare图

这个结果再次表明，Healthme采集分析系统的采集和分析是可靠的。

3.3 吸毒人员的心率变异性分析

102例受测对象中，有10例海洛因依赖者。通过分析发现，10例对象的Poincare图形态均与图3形态类似。对比图5正常人员的Poincare图，可直观地发现海洛因依赖者的Poincare图散点分布面积小、分布紧密，与正常人员的图形存在明显区别。

102例受测对象中，共有62例冰毒依赖者。通过分析发现，有52例对象的Poincare图形态与图4形态类似。对比图5正常人员的Poincare图，同样可发现冰毒依赖者的Poincare图散点分布面积小、分布紧密，与正常人员的Poincare图图形存在明显区别，但与海洛因依赖者的Poincare图图形相似。

此外，102例吸毒者中有30例为其他毒品吸食者或毒品混吸者，其中主要是混吸者。混吸人员的吸食毒品种类且吸毒史较复杂，故不在文中逐一分析。因混吸者吸食的毒品中都包含海洛因或冰毒，其中4例为海洛因和冰毒混吸者，对其脉搏波进行分析，得到的4例Poincare图基本为如图6所示的形态。从图中发现，混吸者Poincare图散点分布面积、分布密集度介于正常人员与单纯吸食冰毒或海洛因人员之间，但从散点密集度观察，其形态与海洛因依赖者、冰毒依赖者的Poincare图更为接近。

图6 冰毒和海洛因混吸者的Poincare 图

从图3～图6散点图对比可发现，正常人员的Poincare图散点分布面积较大、紧密度不高，而两类吸毒者的Poincare图均呈现出散点分布面积小、紧密度高的特点。吸毒者与正常人员的心率变异性有显著区别。这说明长期吸食毒品，对神经系统、循环系统产生了严重伤害。后续将研究从图形中提取能反映心率变异性的非线性性质的特征量[12]，提高分析结果的客观性和准确性，为建立甄别吸毒者的模型提供支撑。

另外，研究表明心脏病、糖尿病、甲状腺功能异常等会对心率变异性产生一定的影响，这些因素本文暂不作讨论，留待建立吸毒者甄别模型时作深入研究。

4 结论

本文通过利用Healthme采集分析系统，对所采集的不同人群脉搏波数据进行对比分析，得出如下结论：

(1)通过与医用仪器测量数据的对比，表明Healthme脉搏波采集分析系统是可靠的，且系统操作简单、使用方便、携带方便，能满足移动警务工作的需要；

(2)通过建立不同类型人员(主要指正常人员、海洛依赖者、冰毒依赖者)心率变异性Poincare图，发现吸毒者与正常人员心率变异性存在明显差异。初步研究表明利用脉搏波进行吸毒者特征分析、建立鉴别模型的技术方法是可行的。

利用脉搏波进行吸毒者的快速甄别是一项全新的研究，其理论和技术基础在于生物医学领域对吸毒者生理特征的一系列研究成果及大数据分析技术的日益成熟。后期研究将在采集更多数据的基础上，通过引入其他脉搏波图形指标、脉搏波统计参数，考虑更多的影响因素，采用相关数据挖掘技术，建立吸毒者甄别模型，为相关执法工作中对吸毒者的前期筛查提供新的技术手段。