馮逸飛，徐 偉，孫文業(yè)，何 穎，張 娜，李 靖，余長泉

1. 海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）海軍特色醫(yī)學(xué)中心海洋生物醫(yī)藥與極地醫(yī)學(xué)研究室，上海 200433

2. 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所，西安 710119

3. 蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院信息處，蘇州 215000

4. 蘇州安萊光電科技有限公司，蘇州 215123

5. 浙江清華長三角研究院海納-智能光子系統(tǒng)研究中心，嘉興 341006

傷病員生命體征的有效監(jiān)測是醫(yī)療救治和健康維護的重要前提，心率和呼吸頻率作為最重要的2 個基本參數(shù)，通常需要在皮膚表面粘貼電極或戴血氧指夾來獲取心率信號，在胸腔捆綁一個呼吸傳感器來監(jiān)測呼吸運動，這種傳統(tǒng)的接觸式體感監(jiān)測存在易引發(fā)交叉感染、用戶不友好、無法動態(tài)長時監(jiān)測等缺點。因此，越來越多的研究致力于探索新的解決方案，即通過非接觸式監(jiān)測技術(shù)，無須穿戴或粘貼任何傳感器即可實現(xiàn)傷病員呼吸和心率監(jiān)測［1-4］。當(dāng)前非接觸式監(jiān)測技術(shù)的研究重點主要集中在測量范圍、測量精度、響應(yīng)時間等性能指標監(jiān)測的專業(yè)化設(shè)計與驗證方面［4-5］。

在非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)設(shè)計研究階段，由于無法應(yīng)用于傷病員臨床測試，缺乏監(jiān)測對象模型，對應(yīng)的各項性能指標的驗證面臨著較大的困難。當(dāng)前針對各類生命體征信號的模擬手段主要以數(shù)學(xué)模型分析和計算機仿真為主，個別高端模擬人也采用機械電子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了生命體征的物理模擬，主要應(yīng)用于臨床醫(yī)療設(shè)備檢修、臨床培訓(xùn)等領(lǐng)域［6-9］。因此，本研究專門設(shè)計了應(yīng)用于非接觸式無感生命體征監(jiān)測研究的高穩(wěn)定性、大量程、快速響應(yīng)的心率和呼吸模擬器，通過設(shè)置不同的心率、呼吸頻率參數(shù)模擬不同傷病狀態(tài)下的人體生理信號，以期為開展非接觸式無體感心率、呼吸頻率監(jiān)測技術(shù)研究提供工具和驗證手段。

1 材料和方法

1.1 模擬器設(shè)計

1.1.1 材料與儀器電磁栓（廣州賽瑞電子有限公司），直流推桿（深圳億星科技有限公司），H 橋驅(qū)動模塊（深圳科比電子科技有限公司），無體感心率、呼吸頻率傳感器（蘇州安萊光電有限公司），4.3 英寸（1 英寸=2.54 cm）觸摸屏（深圳淘晶馳電子有限公司），STM32F429 開發(fā)板（蘇州安萊光電有限公司），船用床墊（江陰濱江艦船設(shè)備有限公司）。

1.1.2 系統(tǒng)架構(gòu)心率模擬器和呼吸模擬器的硬件設(shè)計架構(gòu)如圖1 所示。對于心率模擬器，通過STM32F429 開發(fā)板的串口（PA2、PA3）連接觸摸屏并實現(xiàn)控制通信，研究人員可以根據(jù)實驗設(shè)計需求設(shè)定模擬心率值；當(dāng)設(shè)定模擬心率值后，可按下“鎖定”防止誤觸，保證模擬器穩(wěn)定輸出。對于呼吸模擬器，通過STM32F429 開發(fā)板的串口（PA2、PA3）連接觸摸屏幕通信，另外通過輸入/輸出（input/output，IO）口（PB0、PB1、PA5）連接H橋驅(qū)動電路的控制信號端口，H 橋驅(qū)動電路連接直流推桿。開發(fā)板利用PB0、PB1 驅(qū)動H 橋驅(qū)動電路進一步控制直流推桿的推進方向，同時利用PA5控制直流推桿的推進速度。呼吸模擬器的使用方法和心率模擬器一致，通過觸摸屏實現(xiàn)模擬值設(shè)定和“鎖定”防止誤觸，保證模擬器穩(wěn)定。

圖1 心率模擬器（A）和呼吸模擬器（B）的硬件設(shè)計架構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of hardware design architecture of heart rate simulator (A) and breath simulator (B)

1.1.3 軟件開發(fā)軟件開發(fā)主要包括3 個部分，分別為人機交互觸摸屏軟件、心率模擬器內(nèi)開發(fā)板的嵌入式軟件、呼吸模擬器內(nèi)開發(fā)板的嵌入式軟件。

針對人機交互觸摸屏的軟件開發(fā)，心率模擬器的界面設(shè)定心率范圍為25～255 min－1，呼吸模擬器的界面設(shè)定呼吸頻率范圍為1～60 min－1。觸摸屏幕和心率、呼吸模擬器內(nèi)部的開發(fā)板通過串口進行高速通信，且兩者都具有頻率鎖定功能，能有效防止誤觸導(dǎo)致輸出頻率發(fā)生變化。

針對心率模擬器內(nèi)開發(fā)板的嵌入式軟件，根據(jù)研究人員輸入的心率值，利用STM32F429 開發(fā)板內(nèi)部的定時器模塊精確計算并控制相鄰2 次觸發(fā)電磁栓的時間間隔，從而精準控制心率模擬器產(chǎn)生的心率值。

針對呼吸模擬器內(nèi)開發(fā)板的嵌入式軟件，根據(jù)研究人員輸入的呼吸頻率值，利用STM32F429開發(fā)板［10］內(nèi)部的定時器模塊精確計算并控制相鄰2 次觸發(fā)直流推桿的時間間隔及控制直流推桿的推進方向，從而精準控制呼吸模擬器產(chǎn)生的呼吸頻率值。直流推桿的推進方向和速度通過STM32F429開發(fā)板的IO 口和H 橋驅(qū)動電路［11］來精確控制；H 橋驅(qū)動模塊真值表見圖2，可以實現(xiàn)自由控制并實現(xiàn)前進、后退、停止、調(diào)速等功能，并可利用脈寬幅度調(diào)制實現(xiàn)可變的行進或后退速度［12］。

圖2 H 橋驅(qū)動模塊真值表Fig 2 H-bridge driver module truth table

1.2 性能測試測試過程中，將模擬器放置于本課題組研制的非接觸式生命體征監(jiān)測床墊正上方，分別調(diào)節(jié)心率、呼吸模擬器的設(shè)定值，采集數(shù)據(jù)并進行分析。參照醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備行業(yè)標準要求，設(shè)定模擬器性能參數(shù)如下：（1）心率測試范圍為30～250 min－1（誤差±2 min－1）；（2）心率變化響應(yīng)測試，從80 到120 min－1的響應(yīng)時間不超過30 s，從80 到40 min－1的響應(yīng)時間也在30 s 內(nèi)；（3）呼吸頻率測試范圍為1～40 min－1（誤差±1 min－1）；（4）呼吸頻率變化響應(yīng)測試，呼吸頻率從25 到15 min－1的響應(yīng)時間不超過30 s，從25 到35 min－1的響應(yīng)時間也不超過30 s。

2 結(jié) 果

2.1 心率測試隨機設(shè)定心率模擬器發(fā)生器在測試范圍內(nèi)的5 個心率值（36、71、102、194、245 min－1），分別在5 個心率值情況下采集的原始信號、濾波信號、包絡(luò)信號見圖3A，對應(yīng)的快速傅里葉變換結(jié)果見圖3B。原始信號先經(jīng)過1 個2 Hz的高通濾波器得到濾波信號，接著進行希爾伯特變換得到包絡(luò)信號［13］；針對包絡(luò)信號進行快速傅里葉變換得到傅里葉變換結(jié)果，在0～5 Hz 范圍內(nèi)尋找最大值及最大值對應(yīng)的頻率，簡單換算后即為計算得到的心率。從傅里葉變換結(jié)果可以看出，心率的測試結(jié)果誤差都在±2 min－1內(nèi)，滿足性能要求。

圖3 隨機心率測試（A）及快速傅里葉變換結(jié)果（B）Fig 3 Random heart rate test (A) and fast Fourier transform results (B)

2.2 心率變化響應(yīng)測試心率從80 到120 min－1和從80 到40 min－1的短時傅里葉變換圖見圖4，響應(yīng)時間均在15 s 內(nèi)，遠小于30 s 的指標值，因此該心率模擬器具有較快的響應(yīng)速度，符合測試標準，能夠達到應(yīng)用于非接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備心率研究應(yīng)用的要求。

圖4 心率變化響應(yīng)測試結(jié)果Fig 4 Test results of heart rate change response

2.3 呼吸頻率測試隨機設(shè)定呼吸模擬器發(fā)生器在測試范圍內(nèi)的5 個呼吸頻率值（6、11、19、27、40 min－1），在5 個呼吸頻率值情況下采集的原始信號、濾波信號、包絡(luò)信號見圖5A，對應(yīng)的快速傅里葉變換結(jié)果見圖5B。原始信號先經(jīng)過1 個0.1～2 Hz 的帶通濾波器得到濾波信號，接著進行希爾伯特變換得到包絡(luò)信號；針對包絡(luò)信號進行快速傅里葉變換得到傅里葉變換結(jié)果，在0～1 Hz 內(nèi)尋找最大值及最大值對應(yīng)的頻率，簡單換算后即為計算得到的呼吸頻率；從傅里葉變換結(jié)果可以看出，呼吸頻率的測試結(jié)果誤差都在±1 min－1內(nèi)，滿足性能要求。

圖5 隨機呼吸頻率測試（A）及快速傅里葉變換結(jié)果（B）Fig 5 Random respiratory rate test (A) and fast Fourier transform results (B)

2.4 呼吸頻率變化響應(yīng)測試呼吸頻率從25 到35 min－1和從25 到15 min－1的短時傅里葉變換圖見圖6，響應(yīng)時間均在15 s 內(nèi)，遠小于30 s 的指標值，因此該呼吸模擬器具有較快的響應(yīng)速度，符合測試標準，能夠達到應(yīng)用于非接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備呼吸頻率研究應(yīng)用的要求。

圖6 呼吸頻率變化響應(yīng)測試結(jié)果Fig 6 Test results of respiratory rate change response

3 討 論

根據(jù)性能測試結(jié)果，本研究設(shè)計的心率、呼吸模擬器可以有效且高精度地模擬人體不同心率和呼吸頻率的信號，符合臨床呼吸、心率醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用對象的信號采集指標要求，解決了非接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)研究和性能驗證工具缺失的困難；同時，心率和呼吸模擬器模擬信號的響應(yīng)時間也符合測試性能要求，可以為相關(guān)非接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備提供大量、不同的模擬心率和呼吸頻率信號。該模擬器可為部隊特種傷病救治提供研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為開發(fā)相關(guān)人工智能算法模型積累數(shù)據(jù)量，提高監(jiān)測算法精度，支持非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于不同的救治場景，包括平時健康管理監(jiān)測、戰(zhàn)時批量傷員快速檢傷分類、重傷救治監(jiān)護等衛(wèi)勤保障工作。