CN103284705A

CN103284705A - 穿戴式救援人员生理特征动态监测设备、系统及方法

Info

Publication number: CN103284705A
Application number: CN2012100443265A
Authority: CN
Inventors: 吴健康; 冀连营; 黄志蓓; 魏建明; 章炜; 田欣
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明是有关一种穿戴式救援人员生理特征动态监测设备、系统及方法。该动态监测设备包括：能够被测试者穿戴的穿戴件；以及安装在穿戴件的信号采集部，该信号采集部包括生理特征测量单元、运动状态测量单元、通信接口、微处理器以及电能供应单元；该生理特征测量单元、运动状态测量单元、通信接口分别与微处理器信号连接，该电能供应单元提供所需电能。该动态监测系统还包括通信单元，与穿戴式救援人员生理特征动态监测设备通信连接；及指挥中心服务器，与通信单元无线连接。本发明的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备、系统及方法使用方便、监测准确。

Description

穿戴式救援人员生理特征动态监测设备、系统及方法

技术领域

本发明涉及生理信号采集与监测领域，尤其涉及救援人员的生理特征动态监测设备、系统及方法。

背景技术

在危险化学品泄漏发生现场，为了保证救援人员的生命健康和救援工作的顺利进行，需要对救援人员的生命体征进行实时监测，以便及时发现中毒、劳累等危险情况，并采取报警和撤离等措施。

“救援人员生理特征动态监测系统”是指在救援现场，对救援人员的生理信号及其它信息随时随地完成采集、处理和监测的系统。从系统所处的应用环境角度看，救援人员生理特征动态监测系统面临的挑战包括：1)监测系统中的被监测对象不是静态的，而可能在进行各种各样的活动，这会给很多生理参数的采集带来极大的影响，即引入运动虚假和噪声。2)监测系统应该给个体的生活带来尽可能小的影响，这给传感节点的大小、重量、以及佩戴方式都带来极大的约束。另外系统应该不能约束个体的活动范围。3)监测系统所处的环境是各种复杂的生活、工作现场，环境对数据采集和传输带来很多不确定性因素，除了各种可能干扰设备工作和通信的因素外，还带来了非常多的需要被记录和观测的引发生理反应的“情景”。

发明内容

有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种使用方便、监测准确的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备、系统和方法。

为了实现上述目的，依据本发明提出的一种穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其包括：能够被测试者穿戴的穿戴件；以及安装在穿戴件的信号采集部，该信号采集部包括生理特征测量单元、运动状态测量单元、通信接口、微处理器以及电能供应单元；该生理特征测量单元、运动状态测量单元、通信接口分别与微处理器信号连接，该电能供应单元提供所需电能。

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其中所述的。

前述的生理特征动态监测设备，其中所述的生理特征测量单元包括心电图和呼吸测量组件、体温测量组件及血压测量组件；该生理特征测量单元与该微处理器信号连接，将测量的生理特征信号传递给该微处理器。

前述的生理特征动态监测设备，其中所述的心电图和呼吸测量组件包括心电图和呼吸前端芯片和与前端芯片信号连接的三个电极。

前述的生理特征动态监测设备，其中所述的体温测量组件包括铂电阻温度传感器和与铂电阻温度传感器电连接的信号调整，与电阻测量电路。

前述的生理特征动态监测设备，其中所述的血压测量组件包括具有脉搏波光电描记的探头和与其相连的后端信号调理电路。

前述的生理特征动态监测设备，其中所述的运动状态测量单元是加速度传感器。

本发明还提出一种救援人员生理特征动态监测系统，其包括：

如前所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备；通信单元，与穿戴式救援人员生理特征动态监测设备通信连接；以及指挥中心服务器，与通信单元无线连接；其中，该穿戴式救援人员生理特征动态监测设备实时监测救援人员的生理特征信号和运动状态信号；该通信单元将该穿戴式救援人员生理特征动态监测设备监测的数据传递给该指挥中心服务器；该指挥中心服务器接收数据并根据运动状态信号判断生理特征信号是否异常。

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的救援人员生理特征动态监测系统，其中所述的通信单元是手机。

前述的救援人员生理特征动态监测系统，其中所述的指挥中心服务器是具备网络连接的计算机。

本发明还提出一种利用前述的救援人员生理特征动态监测系统监测救援人员心率的方法，包括以下步骤：步骤S1，获取救援人员在不同运动强度时的心率参数，并存储于指挥中心服务器；步骤S2，设定心率参数的门限；步骤S3，监测救援人员救援时的运动强度信号和心电图信号；以及步骤S4，将监测到的心率与所述的心率参数门限比对。

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的监测救援人员心率的方法，其中所述的将监测到的心率与所述的心率参数门限比对包括，首先根据监测到的运动强度信息判断运动强度，调取存储在指挥中心服务器的对应运动强度的心率特征信息，然后将监测到的心率与所述心率特征信息比对。

本发明的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备适用于危险化学品事故现场，可以快速采集和分析人体生理特征、位置和运动数据。该装备可以直接穿戴在防化服内部，方便救援人员穿脱。本发明的救援人员生理特征动态监测系统能够实时、动态、智能地检测、融合和分析救援人员的生理、位置和运动数据。采集的信息包括心电图、呼吸、体温和脉搏容积率、加速度信号，同时使用智能手机作为终端，采集GPS定位信息。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备、系统和方法，使用方便、监测准确

附图说明

图1是本发明救援人员生理特征动态监测系统示意图。

图2是本发明救援人员生理特征动态监测设备的结构示意图。

图3是本发明救援人员生理特征动态监测设备的方框示意图。

图4是利用本发明的救援人员生理特征动态监测系统监测救援人员心率的心率动态监测方法流程示意图。

图5是人体心率随运动的变化示意图。

图6是由静止到运动时心电图与加速度的变化示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。

请参阅图1至图3所示，分别是本发明救援人员生理特征动态监测系统示意图，救援人员生理特征动态监测设备的结构示意图，救援人员生理特征动态监测设备的方框示意图。本发明较佳实施例的救援人员生理特征动态监测系统包括穿戴式信号采集设备100、通信单元200、指挥中心服务器300。

该穿戴式信号采集设备100实时采集被测试者的生理特征信号以及被测试者的运动信号，并传输到近端的通信单元200(或叫网关)。

通信单元200接收穿戴式信号采集设备100的数据对数据进行预处理，并以无线方式(例如WIFI或者2G、3G网络)发送到指挥中心服务器300。本实施例中通信单元200是智能手机，还具有GPS模块能采集被测试者的位置信息，并与该穿戴式信号采集设备100的测试数据一起发送到指挥中心服务器300；该智能手机能够接收指挥中心服务器300的命令，完成声光报警。

该指挥中心服务器300与通信单元200无线连接，接收穿戴式信号采集设备100的监测数据，并根据运动信号判断生理特征信号是否异常，如果异常向该通信单元200发送报警命令。该指挥中心服务器300存储接收的数据，可以向医护人员显示原始数据和处理结果。本实施例中该指挥中心服务器300是一台具备网络连接的计算机，可以通过网络与多个被测试者的手机连接，该指挥中心服务器300解析接收到数据包，计算救援人员的心率、呼吸率、血压、体温、运动状态，处理后在显示设备上显示救援人员的各种生理信号波形。

该穿戴式信号采集设备100包括能够被测试者穿戴的穿戴件120以及安装在穿戴件120的信号采集部110。该信号采集部110包括生理特征测量单元113、运动状态测量单元115、通信接口117、微处理器111以及电能供应单元119。该穿戴件120，例如是衬衫、无袖背心、短袖背心，但不以此为限。

该生理特征测量单元113包括心电图和呼吸测量组件1131、体温测量组件1135及血压测量组件1133。该生理特征测量单元113与该微处理器111信号连接，将测量的人体生理特征信号传递给该微处理器111。

该心电图和呼吸测量组件1131可以采用市场销售的公知产品，例如美国TI公司的ADS1294R型号心电图和呼吸前端芯片和三个测试探头(或称为测试电极)。该心电图和呼吸前端芯片完成心电图信号调理、差分、可调增益信号放大、模拟到数字转换等功能。该心电图和呼吸前端芯片同时完成基于胸阻抗测量的功能，即提供调制的恒定幅度的电流源激励到人体并测量电流产生的电压，得到人体的胸部阻抗，该阻抗随着人体呼吸而变化。该三个测试探头中两个测试探头放置在左右锁骨处或左右臂处，构成标准心电图的肢体导联II(Lead II)；另外一个测试探头放置在右腹部，用于抑制共模干扰。

该体温测量组件1135可以采用市场销售的公知产品，例如铂电阻温度传感器和信号调整电路。

该血压测量组件1133包括脉搏波容积率电路和探头；脉搏波容积率探头是通过采用某一特定波长的光照射人体动脉，并测量透射或者反射光的强度，基于血液对光的吸收，分析血液容积的变化，从而产生脉搏波的间接测量；脉搏波容积率电路包含一个横电流产生单元，激励LED灯发射定波长的光，和广电感应器件的电流到电压的转化，以及电压的滤波、放大、直流调整、限幅。

该运动状态测量单元115是运动传感器，例如可以采用美国AD I公司ADXL345的加速度传感器芯片，该芯片可以测量3轴加速度，测量范围可调，并具有SPI总线。该运动状态测量单元115与微处理器111信号连接，将测试的运动信号传递给微处理器111。该加速度传感器芯片采样率是100Hz每轴，量化位数为8bit。加速度计的测量范围是±2g(g为重力加速度)。加速度计、微处理器111、通信接口117、电能供应单元119放置在电路板(未图示)上，由于电路板在人体的驱赶上固定在胸口，这样可以测量人体运动时的驱赶运动情况。同时，加速度计还可以测量重力加速度，为静止时刻的人体姿态识别提供信息。

该通信接口117将测试得到的人体生理特征信号、运动信号以无线或有线方式传输。本实施例中该通信接口117是CSR公司的蓝牙芯片，支持蓝牙协议2.1EDR扩展，通过串口与微处理器111通信，并将数据传输给通信单元200。

该电能供应单元119为该信号采集部110提供电能，包括电池、对电池进行变换的DC/DC转换模块、控制电能开关的开关机电路以及充电电路。该微处理器111监测电池的电能信息，显示电池电量。所述电池可以是锂电池。

该微处理器111可以采用TI公司的MSP430F247单片机，其接收生理特征信号和运动状态信号并对数据进行打包，通过通信接口117发送采集到的数据。

本实施例的信号采集部110还具有防水防爆外壳(未图示)，所有接口都有防水胶垫。

前述的穿戴式信号采集设备100采用穿戴式设计，将采集所需的探头、贴片连接线内嵌于穿戴件内，可以有效防止线缆的晃动带来的信号干扰和运动虚假。同时方便救援人员穿戴，不影响救援人员的活动，并且不影响防化服的穿戴与使用。监测系统采用智能手机作为通信单元，与信号采集部、中心服务器都是无线连接，减少了线缆。另外利用了智能手机的通信功能，可以选择WIFI或者2G，3G传输。同时利用了智能手机的发声发光功能，可以及时报警。利用了智能手机的GPS功能提供定位。系统还专门采集了救援人员的加速度信号，可以判定救援人员的活动状态，并辅助判断救援人员生理状态变化是由运动引起的正常变化，还是其它原因引起的危险情况。

请参阅图4所示，是利用本发明的救援人员生理特征动态监测系统监测救援人员心率的心率动态监测方法流程示意图。本实施例中，救援人员心率动态监测方法包括，步骤S1，获取救援人员在不同运动强度时的心率参数，并存储于指挥中心服务器300；步骤S2，设定心率参数的门限；步骤S3，监测救援人员救援时的运动强度信号(运动强度信号由加速度信号计算得来)和心电图信号；步骤S4，判断救援人员的心率是否异常。

步骤S1，获取救援人员在不同运动强度时的心率参数，并存储于指挥中心服务器300。

所述的心率参数包括静止心率、靶心率、靶心率与运动强度的比值k、心率的漂移速率a_l、心率从静止心率上升到靶心率所需要的时间T_rec，心率从靶心率下降到静止心率所需要的时间T_tar、最大心率等等。

下面对心率参数加以说明。请参阅图5所示，是人体心率随运动的变化示意图。横轴从左至右分为静止阶段、以一定强度连续运动阶段、恢复静止阶段；在静止阶段，心率一般是在某一恒定数值内小范围变化，此时为静止心率。对应连续运动阶段，前期心率会快速上升称为上升期，后期心率缓慢上升称为漂移期，上升期和漂移期转折点的心率称为靶心率；在漂移期心率增加的速率称为漂移速率a_l。最大心率与年龄、性别有关系，且个体之间有区别，最大心率可以通过实验测试得到，也可以通过公式计算得到。

获取所述心率参数有多种方法，例如可以让测试人员在跑步机上以3千米/小时连续运动，同时记录加速度数据和心电图数据；再以6千米/小时连续运动，同时记录加速度数据和心电图数据；以此类推，让测试人员在多种运动强度下进行运动，同时记录加速度数据和心电图数据；再以该测试数据获取不同运动强度下的对应心率参数。

请参阅图6所示，是由静止到运动时心电图与加速度的变化示意图。图6中虚线60的左侧为静止，右侧为运动(固定速度跑步)；波形图40是心电图示意图；波形图51是X轴加速度变化示意图；波形图52是Y轴加速度变化示意图；波形图53是Z轴加速度变化示意图。此处的X轴是测试者的左右方向、Y轴是测试者的上下方向、Z轴是测试者的前后方向。

所述运动强度使用加速度信号的波动程度(TFA)来表示，即

其中N是表示某一时间间隔内的加速度样本数，这一个时间间隔一般与心率计算的间隔相等，比如一分钟更新一次心率，那么这个数值就是一分钟加速度数据的个数。a_x表示x轴的加速度数据，a_y表示y轴的加速度数据，a_z表示z轴的加速度数据，

表示N个x轴加速度数据的平均值，

表示N个y轴加速度数据的平均值。

表示N个z轴加速度数据的平均值。

心率的计算是指通过检测心电图数据中的QRS波位置，并通过计算一分钟内，QRS波的个数，确定一分钟心跳的次数。

前述的心率参数是与运动强度相对应的，例如表1所示，不同运动强度具有不同的心率参数。该心率参数存储于中心服务器300。

表1，运动强度与心率参数的对应示意表

运动强度TFA	靶心率	比值k	漂移速率a_l	T_rec	T_tar
						16	80	0₁	0	0	0
150	100	0.13	1.1次/分钟	0.5	0.5
						600	155	0.13	1.2次/分钟	3	3
675	178	0.14	0.3次/分钟	3	4

步骤S2，设定心率参数的门限。

在此步骤中，可以设定各心率参数的门限，例如，测试静止心率为75次/分钟，则设定静止心率门限为75±10次/分钟；心率从静止心率上升到靶心率所需要的时间T_tar可以设定±M分钟，M为小于10的整数；同样的T_rec也可以设定分钟量级的门限；心率漂移期心率上升率a_l也可以设定每分种10次量级的门限。

步骤S3，监测救援人员救援时的运动强度信号和心电图信号。具体是通过前述的救援人员生理特征动态监测系统，监测救援人员的运动强度信息和生理特征信息。生理特征信息包括心电图信息。监测数据传送到指挥中心服务器300。

步骤S4，判断救援人员的心率是否异常。

具体包括，首先根据监测到的运动强度信息判断运动强度，调取存储在指挥中心服务器300的对应运动强度的心率特征信息，然后将监测到的心率与心率特征信息比对，判断是否在心率特征信息的门限范围，监测到的心率信息不在心率特征信息的门限范围视为异常，指挥中心服务器300提出声光警报。心率异常包括如下情形，1)在静止状态下，心率出现持续的上升和下降20跳；2)违反心率各阶段的心率变化趋势，如在运动前期，心率持续下降；3)运动强度上升，心率超过T_tar时间没有达到靶心率的80％；4)运动强度下降，心率超过T_rec时间没有达到新的靶心率；5)在运动状态，心率逼近最大心率80％；6)在漂移期，心率预测值与实测值误差大于预定义门限值。

前述的心率动态监测方法通过加速度信号获取救援人员的运动状态，并参考救援人员的运动状态对心率的变化是否正常进行判断。由于心率受运动影响很大，心率的上升、下降和各种波动，如果不知道救援人员的运动状态，是无法判定是否正常的。本方法基于心率随运动变化的生理规律，考虑了心率的上升期、漂移期、恢复期心率的变化规律，通过预先的训练数据，获取救援人员心率随运动变化规律，并基于此生成的检测门限，对心率进行判断，因此该方法的准确率大大提高。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其特征在于其包括：

能够被测试者穿戴的穿戴件；以及

安装在穿戴件的信号采集部，该信号采集部包括生理特征测量单元、运动状态测量单元、通信接口、微处理器以及电能供应单元；该生理特征测量单元、运动状态测量单元、通信接口分别与微处理器信号连接，该电能供应单元提供所需电能。

2.如权利要求1所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其特征在于其中所述的生理特征测量单元包括心电图和呼吸测量组件、体温测量组件及血压测量组件；该生理特征测量单元与该微处理器信号连接，将测量的生理特征信号传递给该微处理器。

3.如权利要求2所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其特征在于其中所述的心电图和呼吸测量组件包括心电图和呼吸前端芯片和与前端芯片信号连接的三个测试电极。

4.如权利要求2所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其特征在于其中所述的体温测量组件包括铂电阻温度传感器和与铂电阻温度传感器电连接的信号调整与电阻测量电路。

5.如权利要求2所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其特征在于其中所述的血压测量组件包括具有脉搏波光电描记的探头和与其相连的后端信号调理电路。

6.如权利要求1所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备，其特征在于其中所述的运动状态测量单元是加速度传感器。

7.一种救援人员生理特征动态监测系统，其特征在于包括

如权利要求1至6中任一权利要求所述的穿戴式救援人员生理特征动态监测设备；

通信单元，与穿戴式救援人员生理特征动态监测设备通信连接；以及

指挥中心服务器，与通信单元无线连接；

其中，该穿戴式救援人员生理特征动态监测设备实时监测救援人员的生理特征信号和运动状态信号；该通信单元将该穿戴式救援人员生理特征动态监测设备监测的数据传递给该指挥中心服务器；该指挥中心服务器接收数据并根据运动状态信号判断生理特征信号是否异常。

8.如权利要求7所述的救援人员生理特征动态监测系统，其特征在于其中所述的通信单元是手机；所述的指挥中心服务器是具备网络连接的计算机。

9.一种利用如权利要求7至9中任一权利要求所述的救援人员生理特征动态监测系统监测救援人员心率的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1，获取救援人员在不同运动强度时的心率参数，并存储于指挥中心服务器；

步骤S2，设定心率参数的门限；

步骤S3，监测救援人员救援时的运动强度信号和心电图信号；以及

步骤S4，将监测到的心率与所述的心率参数门限比对。

10.如权利要求9所述的监测救援人员心率的方法，其特征在于其中所述的将监测到的心率与所述的心率参数门限比对包括，首先根据监测到的运动强度信息判断运动强度，调取存储在指挥中心服务器的对应运动强度的心率特征信息，然后将监测到的心率与所述心率特征信息比对。