一种应用于非接触式心率、呼吸频率监测研究的模拟器设计

冯逸飞，徐 伟，孙文业，何 颖，张 娜，李 靖，余长泉

1. 海军军医大学（第二军医大学）海军特色医学中心海洋生物医药与极地医学研究室，上海 200433

2. 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119

3. 苏州大学附属第二医院信息处，苏州 215000

4. 苏州安莱光电科技有限公司，苏州 215123

5. 浙江清华长三角研究院海纳-智能光子系统研究中心，嘉兴 341006

伤病员生命体征的有效监测是医疗救治和健康维护的重要前提，心率和呼吸频率作为最重要的2 个基本参数，通常需要在皮肤表面粘贴电极或戴血氧指夹来获取心率信号，在胸腔捆绑一个呼吸传感器来监测呼吸运动，这种传统的接触式体感监测存在易引发交叉感染、用户不友好、无法动态长时监测等缺点。因此，越来越多的研究致力于探索新的解决方案，即通过非接触式监测技术，无须穿戴或粘贴任何传感器即可实现伤病员呼吸和心率监测［1-4］。当前非接触式监测技术的研究重点主要集中在测量范围、测量精度、响应时间等性能指标监测的专业化设计与验证方面［4-5］。

在非接触式生命体征监测技术设计研究阶段，由于无法应用于伤病员临床测试，缺乏监测对象模型，对应的各项性能指标的验证面临着较大的困难。当前针对各类生命体征信号的模拟手段主要以数学模型分析和计算机仿真为主，个别高端模拟人也采用机械电子结构实现了生命体征的物理模拟，主要应用于临床医疗设备检修、临床培训等领域［6-9］。因此，本研究专门设计了应用于非接触式无感生命体征监测研究的高稳定性、大量程、快速响应的心率和呼吸模拟器，通过设置不同的心率、呼吸频率参数模拟不同伤病状态下的人体生理信号，以期为开展非接触式无体感心率、呼吸频率监测技术研究提供工具和验证手段。

1 材料和方法

1.1 模拟器设计

1.1.1 材料与仪器电磁栓（广州赛瑞电子有限公司），直流推杆（深圳亿星科技有限公司），H 桥驱动模块（深圳科比电子科技有限公司），无体感心率、呼吸频率传感器（苏州安莱光电有限公司），4.3 英寸（1 英寸=2.54 cm）触摸屏（深圳淘晶驰电子有限公司），STM32F429 开发板（苏州安莱光电有限公司），船用床垫（江阴滨江舰船设备有限公司）。

1.1.2 系统架构心率模拟器和呼吸模拟器的硬件设计架构如图1 所示。对于心率模拟器，通过STM32F429 开发板的串口（PA2、PA3）连接触摸屏并实现控制通信，研究人员可以根据实验设计需求设定模拟心率值；当设定模拟心率值后，可按下“锁定”防止误触，保证模拟器稳定输出。对于呼吸模拟器，通过STM32F429 开发板的串口（PA2、PA3）连接触摸屏幕通信，另外通过输入/输出（input/output，IO）口（PB0、PB1、PA5）连接H桥驱动电路的控制信号端口，H 桥驱动电路连接直流推杆。开发板利用PB0、PB1 驱动H 桥驱动电路进一步控制直流推杆的推进方向，同时利用PA5控制直流推杆的推进速度。呼吸模拟器的使用方法和心率模拟器一致，通过触摸屏实现模拟值设定和“锁定”防止误触，保证模拟器稳定。

图1 心率模拟器（A）和呼吸模拟器（B）的硬件设计架构示意图Fig 1 Schematic diagram of hardware design architecture of heart rate simulator (A) and breath simulator (B)

1.1.3 软件开发软件开发主要包括3 个部分，分别为人机交互触摸屏软件、心率模拟器内开发板的嵌入式软件、呼吸模拟器内开发板的嵌入式软件。

针对人机交互触摸屏的软件开发，心率模拟器的界面设定心率范围为25～255 min－1，呼吸模拟器的界面设定呼吸频率范围为1～60 min－1。触摸屏幕和心率、呼吸模拟器内部的开发板通过串口进行高速通信，且两者都具有频率锁定功能，能有效防止误触导致输出频率发生变化。

针对心率模拟器内开发板的嵌入式软件，根据研究人员输入的心率值，利用STM32F429 开发板内部的定时器模块精确计算并控制相邻2 次触发电磁栓的时间间隔，从而精准控制心率模拟器产生的心率值。

针对呼吸模拟器内开发板的嵌入式软件，根据研究人员输入的呼吸频率值，利用STM32F429开发板［10］内部的定时器模块精确计算并控制相邻2 次触发直流推杆的时间间隔及控制直流推杆的推进方向，从而精准控制呼吸模拟器产生的呼吸频率值。直流推杆的推进方向和速度通过STM32F429开发板的IO 口和H 桥驱动电路［11］来精确控制；H 桥驱动模块真值表见图2，可以实现自由控制并实现前进、后退、停止、调速等功能，并可利用脉宽幅度调制实现可变的行进或后退速度［12］。

图2 H 桥驱动模块真值表Fig 2 H-bridge driver module truth table

1.2 性能测试测试过程中，将模拟器放置于本课题组研制的非接触式生命体征监测床垫正上方，分别调节心率、呼吸模拟器的设定值，采集数据并进行分析。参照医疗监护设备行业标准要求，设定模拟器性能参数如下：（1）心率测试范围为30～250 min－1（误差±2 min－1）；（2）心率变化响应测试，从80 到120 min－1的响应时间不超过30 s，从80 到40 min－1的响应时间也在30 s 内；（3）呼吸频率测试范围为1～40 min－1（误差±1 min－1）；（4）呼吸频率变化响应测试，呼吸频率从25 到15 min－1的响应时间不超过30 s，从25 到35 min－1的响应时间也不超过30 s。

2 结 果

2.1 心率测试随机设定心率模拟器发生器在测试范围内的5 个心率值（36、71、102、194、245 min－1），分别在5 个心率值情况下采集的原始信号、滤波信号、包络信号见图3A，对应的快速傅里叶变换结果见图3B。原始信号先经过1 个2 Hz的高通滤波器得到滤波信号，接着进行希尔伯特变换得到包络信号［13］；针对包络信号进行快速傅里叶变换得到傅里叶变换结果，在0～5 Hz 范围内寻找最大值及最大值对应的频率，简单换算后即为计算得到的心率。从傅里叶变换结果可以看出，心率的测试结果误差都在±2 min－1内，满足性能要求。

图3 随机心率测试（A）及快速傅里叶变换结果（B）Fig 3 Random heart rate test (A) and fast Fourier transform results (B)

2.2 心率变化响应测试心率从80 到120 min－1和从80 到40 min－1的短时傅里叶变换图见图4，响应时间均在15 s 内，远小于30 s 的指标值，因此该心率模拟器具有较快的响应速度，符合测试标准，能够达到应用于非接触式生命体征监测设备心率研究应用的要求。

图4 心率变化响应测试结果Fig 4 Test results of heart rate change response

2.3 呼吸频率测试随机设定呼吸模拟器发生器在测试范围内的5 个呼吸频率值（6、11、19、27、40 min－1），在5 个呼吸频率值情况下采集的原始信号、滤波信号、包络信号见图5A，对应的快速傅里叶变换结果见图5B。原始信号先经过1 个0.1～2 Hz 的带通滤波器得到滤波信号，接着进行希尔伯特变换得到包络信号；针对包络信号进行快速傅里叶变换得到傅里叶变换结果，在0～1 Hz 内寻找最大值及最大值对应的频率，简单换算后即为计算得到的呼吸频率；从傅里叶变换结果可以看出，呼吸频率的测试结果误差都在±1 min－1内，满足性能要求。

图5 随机呼吸频率测试（A）及快速傅里叶变换结果（B）Fig 5 Random respiratory rate test (A) and fast Fourier transform results (B)

2.4 呼吸频率变化响应测试呼吸频率从25 到35 min－1和从25 到15 min－1的短时傅里叶变换图见图6，响应时间均在15 s 内，远小于30 s 的指标值，因此该呼吸模拟器具有较快的响应速度，符合测试标准，能够达到应用于非接触式生命体征监测设备呼吸频率研究应用的要求。

图6 呼吸频率变化响应测试结果Fig 6 Test results of respiratory rate change response

3 讨 论

根据性能测试结果，本研究设计的心率、呼吸模拟器可以有效且高精度地模拟人体不同心率和呼吸频率的信号，符合临床呼吸、心率医疗监测设备应用对象的信号采集指标要求，解决了非接触式生命体征监测设备的技术研究和性能验证工具缺失的困难；同时，心率和呼吸模拟器模拟信号的响应时间也符合测试性能要求，可以为相关非接触式生命体征监测设备提供大量、不同的模拟心率和呼吸频率信号。该模拟器可为部队特种伤病救治提供研究数据基础，为开发相关人工智能算法模型积累数据量，提高监测算法精度，支持非接触式生命体征监测技术应用于不同的救治场景，包括平时健康管理监测、战时批量伤员快速检伤分类、重伤救治监护等卫勤保障工作。