水下作业安全生理信号实时监测设备研制

肖钟凯 刘 楷 毛成华*

1(中国科学院深圳先进技术研究院 深圳 518055)2(南方科技大学 深圳 518055)

1 引 言

潜水作业是一项特种作业，分为有缆潜水和自由潜水，均需非常专业的潜水员来完成。其中，有缆潜水具有一定的安全保障，但由于脐带缆的约束，水下作业人员的操作受到很大的影响，如经常遇到线路挂礁或缠绕等情况[1]。自由潜水具有很强的水下作业灵活性，但水下安全难以得到保障。总而言之，无论哪种方式，水下作业活动时常出现安全隐患。

目前国内外对水下作业安全生理监测均有一定的研究成果。国外方面，1965 年，Slater 等[2]将超声监测技术用于人体生理监测，1969 年研制出针对心率信号的水下遥测仪器；1979 年，美国通用电气公司为海军提供了一套生理检测系统[3]；1974 年，Fell 等[4]研制出四通道采集心率数据的超声遥测系统；1997 年，英国的 Istepanian 和 Woodward 研制出基于 SCUBA(Self-Contained Underwater Breathing Apparatus)的水下 ECG(Electrocardiogram)超声传输系统[5]。

国内在水下生物医学工程领域的研究起步较晚，20 世纪 80 年代才开始出现一些研究和报道。如海军特种医学研究所在 1986 年研制的水下超声遥测心率系统[6]；第四军医大学的王健琪等[7]使用微波的多普勒雷达原理结合生理信号检测技术，对人体的呼吸和心动信号进行检测；2011 年海军特种医学研究所方勇军研制了潜水员水下心率实时监测系统[8]。但这些设备均未形成成熟产品在水下作业中使用。

目前基于潜水作业生理信号采集监测具有代表性的成熟商业化产品主要是潜水手表或潜水电脑等终端设备，但大部分都是基于终端设备的医学生理信号检测和潜水环境信息感知，仅限于水下作业人员自己或有限范围内的其他水下作业人员使用。

本文针对自由潜水水下作业，对水下作业安全生理信号实时监测设备进行研制。该设备能使水面指挥决策人员及时了解水下作业人员的生理状态，同时水下作业人员也能了解自身的状态，最终通过实时监测与预警，保障水下作业能安全、合理、高效地进行。具体地，主要从 3 个方面进行：(1)通过水下医学生理信号采集方案的设计，解决水下作业环境中水对电极的影响及由此引起的信号采集不准确、传感器体积较大和能耗高等问题；(2)采用水声通信技术，研究并设计适合本文设备的非相干调制解调水下声学通信方法，解决有缆水下作业对人体的束缚问题；(3)通过现有的健康大数据平台，对所采集数据进行分析，获取水下作业人员的生理参数、疲劳度、情绪状态等信息，为指挥决策人员提供水下作业人员的生理医学信息以及生理状态预警信息。

2 水下作业安全生理信号实时监测设备设计

本文研制水下作业安全生理信号实时监测设备的目的是，为自由潜水水下作业生命保障和高效作业提供水面及水下的实时监测信息。同时，为构建一个立体型的水下作业医学生理信息实时监测体系进行前期探索。图 1 为水下立体型医学生理信号实时监测体系的设想示意图，旨在从多个维度来保障水下作业人员的安全及提高水下作业的效率，并为潜水作业人员建立独立的医学生理信息档案。 水下作业安全生理信号实时监测系统可以实现 3 方面功能：水下生理参数数据采集、数据传输和分析预警。系统设备由 2 部分组成：水下生理监测终端和甲板单元。前者包含水下生理参数数据的采集、数据清洗、融合、前端分析以及水声通信，后者包含生理分析、心理分析、结果预警/报警、水声通信、数据存储与数据中心交互传输功能，具体如图 2 所示。

图1 立体型水下医学生理信号实时监测示意图Fig. 1 Diagram of real-time monitoring of three-dimensional underwater medical physiological signals

图2 水下作业安全生理信号实时监测设备系统结构Fig. 2 System diagram of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety

2.1 水下生理监测终端

水下生理监测终端功能示意图如图 3 所示，包括主控 CPU(Central Processing Unit)与 FPGA(Field-Programmable Gate Array)接口扩展模块、水声通信收发机模块、前端生理信号采集模块，以及电源模块。

图3 水下生理监测终端功能示意图Fig. 3 Block diagram of terminal function for underwater physiological monitoring

2.1.1 水下生理参数采集模块

本文采用中国科学院深圳先进技术研究院生物医学信息技术研究中心自主设计的可穿戴生理参数采集芯片 BE2018 作为生理参数的数据采集以及预处理芯片。该芯片集成了心率、心电、呼吸等生理参数传感器以及温度等环境参数传感器，同时集成了 ARM(Advanced RISC Machines)处理器，可对传感器数据进行采集和预处理。在干式潜水或部分干式潜水的情况下电极采用织物式电极，将电极片完全融入潜水服内衬中，而这不会影响心电信号的采集。其中，该织物电极已经在心电监测运动衫产品上应用，采集电路已在海军医学研究所的潜水高压仓内测试，设备运行良好。具体如图 4 所示。

心率采集使用光电容积脉搏波(Photoplethysmo Graphic，PPG)方案。根据比尔-朗博定律(Beer-Lambert Law)[9-10]，设计红/红外 PPG 检测子模块中包含了 LED(Light-Emitting Diode)灯的驱动电路、电流控制电路和光电二极管信号的检测及采集电路，并通过 MCU(Microcontroller Unit)的串行 SPI(Serial Peripheral Interface)接口实现数据的传输及模块的控制。LED 的电流可以通过上位机的指令进行调节，TIA(Trans-Impedance Amplifier)的增益也可以通过上位机的指令进行调节。通过时序控制，可以实现红/红外光 PPG 信号的 AC(Alternating Current)、DC(Direct Current)值及环境光值的检测，从而可以精确计算出血氧饱和度。PPG 心率采集方案是一种近距离非接触式方案，允许水存在于皮肤与传感器之间。其中，水对 PPG 采集的影响仅限于 PPG 信号的 DC 值部分，而水对人体内的血流影响较小，几乎不会引起 AC 值部分的变化，故 PPG 心率采集方案适合水下心率的采集。本文设计的 PPG 检测电路采用一体化集成芯片，以减小检测电路的体积和功耗。该模块的红/红外 LED 和光电二极管集成于指套中，具体如图 5 所示。

2.1.2 CPU＋FPGA 模块

图4 可穿戴生理参数采集芯片以及织物电极运动衫Fig. 4 Wearable physiological parameter acquisition chip and fabric electrode sweatshirt

通常地，无线通信(水声、光、电磁波)、调制解调和网络协议都是由硬件完成的，本文水声通信部分借鉴软件无线电平台的设计特点，采用开放性、可扩展、可重构的通用平台，不再使用硬件对通信的调制解调以及将来组网的网络协议部分进行固化，而由 FPGA 和 CPU 系统软件完成。系统采用 CPU＋FPGA 的硬件结构，借鉴软件无线电技术的研究设计方案，结合水声通信技术，优化水声通信软件部分，可构建自主研发的水声通信软件无线通信技术。该结构可使得水声通信能快速地在数字通信平台上进行结合，进而在数字通信层面构建各类水声通信技术。

图5 红/红外光电容积脉搏波采集原理以及电路结构体Fig. 5 Acquisition principle and circuit structure of the photoplethysmo graphic with red light and infrared light

CPU 电路是整个系统的控制中心，控制着前端生理信号采集模块的参数设置和数据接收，并与 FPGA 连接，将需要发送的数据采用 FPGA 进行数据转换后通过水声通讯的发射电路发射出去，同时也接收并处理接收电路接收到的数据与命令。FPGA 电路实现 CPU 电路与收发机之间的接口，产生相关控制时序和数据转换。电源电路实现单一电池供电的不同电压转换。

CPU 电路采用 ST 公司的 H 系列高性能控制器，型号为 STM32H743[11]。该系列 CPU 的主频可以达到 460 MHz，外围接口丰富，具有较高的性能指标。FPGA 采用 Xilinx 公司 Spartan-6 系列的 X6CLX9[12]芯片。CPU 与 FPGA 连接如图 6 所示。

2.1.3 水声通信收发机

图6 CPU 与 FPGA 信号连接图Fig. 6 Circuit diagram of CPU and FPGA

水声通信收发机模块由水声信号发射机和接收机两部分组成。接收机由 LNA(Low Noise Amplifier)放大电路、模拟滤波电路、PGA(Programmable Gain Amplifier)增益控制电路(均衡电路)和多路 ADC(Analog-to-Digital Converter)模块组成。其中 LNA 放大电路、模拟滤波电路、PGA 增益控制电路进行模块化设计后，由 4 组模块组成 4 路并行阵列结构，加强接收电路的抗噪能力。接收机电路如图 7 所示。 LNA 电路采用 ADI 公司的 AD8422[13]，该放大器为差分输入，有效提高输入信号抗干扰能力。滤波电路采用 ADI 公司的 ADA4841-2[14]双路运放搭建的有源低通滤波电路，根据系统要求，设计 3 dB 带宽为 50 kHz。均衡电路包括 PGA 电路与 ADC 驱动电路。其中，PGA 采用 TI 公司的 PGA113[15]，可以通过 CPU 的 SPI 接口对输入信号进行放大控制；ADC 驱动电路采用 ADI 公司的 ADA4941[16]芯片，为 ADC 芯片提供所需的差分输入信号，可有效提高电路抗干扰能力。ADC 电路采用芯片为 TI 公司的 ADS1274[17]，该芯片可以对 4 路差分输入信号进行同步模数转化，其多路信号同步可精确到 1 μs，满足水声通信设计需求，采样率可达 144 kHz。采用串行 SPI 输出模式能与多种 CPU 平台连接。

发射机电路由 DAC(Digital-to-Analog Converter)电路、模拟滤波电路和功放电路组成，其中 DAC 选择 16 位的数模转换芯片，能高效地还原水声信道频率。功放部分采用模拟 AB 类功放(甲乙类功率放大器也称为 AB 类功率放大器)，增加模拟滤波电路以提高输出发射信号的信噪比，具体如图 8 所示。

图7 四路水听接收电路图Fig. 7 Receiving circuit diagram of 4-channel hydrophone

图8 水声发射电路图Fig. 8 Circuit diagram for underwater acoustic transmitter

发射 DAC 采用 TI 公司的 DAC8831[18]芯片，通过 FPGA 进行逻辑控制，能大幅提高输出信号的灵活性。发射滤波电路采用美信公司的模拟滤波器 MAX7424[19]芯片，通过 FPGA 产生的时钟输入不同频率进行截止频率设置，方便输出信号调节。信号输入前，采用 MAX4475[20]运放进行缓冲。发射功放电路采用 TI 公司的 AB 类放大器 TPA1517[21]芯片，其功率可达 6 W，在工作线性度和对称性上都有优秀的表现。阻抗变换由变压器完成，阻抗匹配由电感完成，能够有效满足换能器输入参数要求。

2.2 水下通信方案设计

水下通信技术种类较多，比较成熟的远距离传输是水声通信技术。目前主要有 4 种水声通信技术：用于传输图像的高速相干通信，调制解调主要是 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，但误码率较高；传输文字和数据的非相干水声通信，调制解调主要是 FSK(Frequency Shift Keying)、MFSK(M-ary Frequency Shift Keying)，速率 0.1～10 kbps，误码率适中；用于发送指令的扩频水声通信，主要编码方式有 DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum)，速率低、误码率低；采用单边带调制技术来传播语音，主要用于模拟语音通信。为兼顾通信速率和误码率，本文设计采用基于自主研发的水声通信收发机平台设计的非相干 FSK 调制解调的水声通信。

本文设计的水声通信模块性能如下：声波信道的载波频率可调范围为 7～30 kHz、DAC 的精度 16 bit、输出功率 0～6 W；接收通道 4 路、采样率为 144 kHz、分辨率为 24 bit；通信速率 1 kbps、通信距离 100 m。

2.2.1 非相干 FSK 调制解调设计

综合水下作业安全生理信号实时监测设备的硬件平台、以及系统的运算资源，本文所研制设备采用非相干 FSK 调制解调的水声通信技术实现数据传输，确保通信数据的可靠性。水声通信信号处理系统流程如图 9 所示。

2.2.2 水声通信 FSK 调制解调原理

水声通信 FSK 载波频率的正弦波信号计算原理，如公式(1)所示：

图9 水声通信调制解调示意图Fig. 9 Block diagram of modulation and demodulation of underwater acoustic communication

结合本文设计的硬件平台，对调制部分的关键参数设计如下：fclk对应系统的实际物理量是数模转换模块的输出频率，将其设定为 fclk＝480 kHz、A＝215、C＝32768。通过改变 fout可获得不同的调制频率，因此程序可构建成频率生成函数，通过设置频率参数即可获得需要的调制频率。设定逻辑“0”和逻辑“1”对应的调制频率，将需要发送的数据转换成数字基带，根据设定的频率调制成水声信号从水声发射机输出。

图10 水声通信调制解调程序流程图Fig. 10 The flowchart of modulation and demodulation of underwater acoustic communication

2.3 生理信号分析及预警

图11 预警分析示意图 Fig. 11 Block diagram of warning analysis

3 讨论与分析

本文水下作业安全生理信号实时监测设备原型样机构成如下：水下生理参数采集模块采用的 BE2018 为国内首款具有心律失常分析功能的智能心电芯片(9 mm×9 mm×2 mm)，可实时输出心率值，能实现 6 种心律失常算法及结果输出。该芯片具有简洁、高效和低功耗的特点，是一款专门为可穿戴设备采集心电信号获取心电医学信息而打造的运算芯片，且能缩短其开发周期。处理器结构 STM32H743＋Spartan-6。水声通信采用自主研发的水声软件无线通信收发机，最大发射功率 6 W、通信距离 100 m、通信速率1 kbps。在实验室测试环境下，水下发射机功放的供电电压为 16 V，实测电流峰值约为 300 mA，功率实测为 4.8 W，接近设计最大功率值。心率 PPG 的采样频率为 100 Hz，采样精度 12 bit，每秒的数据为 100 byte，数据位 800 bit，实测水下终端与甲板单元数据传输速率 800 bps，基本达到水声通信的最大数据传输率。需要说明的是，因实验室环境限制，没有对通信距离进行实测。水下终端以及甲板单元整体样机如图 12 所示。

本文所研制设备在实验室环境中的测试过程如下：水下终端在水面下从人体指端采集 PPG 信号，对信号进行预处理后，通过水下声通模块发射出去。甲板单元通过水听器接收水下终端的生理信号，通过计算分析出医学信息，其中甲板单元数据接收展示的是连续的心率信号。甲板单元接收和处理分析后的数据将传输给生理数据分析以及预警处理端。设备的稳定性测试方法为：将水下终端在水面下连续运行、甲板单元实时监测水下终端传回的数据、间歇性测试人体指端 PPG 信号，设备连续运行时间大于 8 h，具体过程如图 13 所示。

图12 水下作业安全生理信号实时监测设备原型样机Fig. 12 The prototype of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety

图13 水下作业安全生理信号实时监测设备测试Fig. 13 Testing process of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety

相比 Istepanian 等[5]研制的 Microcontroller Based Underwater Acoustic ECG Telemetry System 与 Slater 等[2]研究制的 Instrumentation for Telemetering the Electrocardiogram from Scuba Divers，本文所研制设备使用光电传感器采集心率信号相比电极采集的方法更适合湿式水下作业，并且数字式的水声通信以及预警分析能力具有绝对的优势。海军特种医学研究所设计的潜水员水下心率实时监测系统[8]，使用电磁波通信和线缆通信作为通信方式，其中电磁波通信在水下的衰减巨大，需要使用大的功率输出设备才能传出较远的距离。第四军医大学基于毫米波的呼吸和心率非接触检测系统[7]，使用微波检测方案对心电进行采集，仅用于干式水下作业，且不具备无线传输能力，没有实时监测功能。这两款系统都不具备预警分析功能。本文设备使用的光电传感器采集、水声通信、实时监测与预警分析都有较大的优势。总体来看，本文研制的设备具有体积小、功耗低的优势，能实现水下光电生理信号采集、水声通信、实时监测以及预警分析能力。本文所研制设备与其他同类设备/系统的主要参数对比如表 1 所示。

4 结束语

本文研制的水下作业安全生理信号实时监测设备已经实现原理样机的制作，并在 2020 年第二十二届中国国际高新技术成果交易会上进行了现场功能演示。在实验室测试环境静置 2 m×2 m×2 m 的水体中实现水下 PPG 数据实时传输。生理采集数据传输到健康大数据平台后，依托中国科学院深圳先进技术院生物医学信息技术研究中心的心脏健康智能监测与分析系统能够还原出 3 个层级的生理信号：(1)原始生理模拟信号数据、环境数据、时间数据、时域心率曲线等；(2)基于医学标准的心率、血压以及血氧等医学生理信息参数；(3)分析生理状态的情绪状态、疲劳度等预警/报警信息。水声通信在 2 m×1 m×10 m 水体环境中实现水下移动物体模拟心率信号与甲板单元的 PPG 数据实时传输。在后续研究中，将对现有功能样机改进并加装耐压仓，以实现大压力下的防水性能，并实现 100 m 水深环境下的水下作业安全生理信号实时监测。同时研究水下声学通信在低速率情况下的组网能力，构建水下集群作业的生理信号实时监测。

表1 水下作业安全生理信号实时监测设备与其他设备/系统对比Table 1 Comparison of real-time monitoring equipment for physiological signals of underwater operation safety and other similar equipments