可穿戴式单兵生理、心理监测系统

可穿戴式单兵生理、心理监测系统

一、团队简介

    本团队以中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室（北方基地）为平台，多年来从事医疗电子技术及健康物联网技术研究，目前的主要研究方向包括穿戴式多生理参数集成监测技术，医疗健康数据管理平台技术，无袖带式逐拍血压监测技术等。团队成员均为在读硕士研究生和博士研究生，具备嵌入式软件开发，生理信号处理，机器学习，移动端软件开发等方面的研发能力。团队先后购置了FLUKE ProSim 8生命体征模拟器，Suntech Oscar2动态血压监测仪，迈瑞BeneView T5医用监护仪等设备，为测试所研制的健康监护系统提供了良好的实验条件，另外，和中国人民解放军陆军总医院，中国人民解放军海军总医院等三甲医院建立合作，对设备和算法准确度进行进一步测试和验证，相关成果已在该领域的专业学术期刊和国际会议上发表。

二、技术和产品介绍

    本作品为可穿戴式单兵生理、心理监测系统。该系统可实现对心电、呼吸、血氧、血压和脉率等关键生命指标在复杂环境下的多参数集成化、便携式、全天候动态实时监测，为单兵生理、心理状态快速监测、评估和急救提供保障,可广泛应用于陆军野外作战,空军飞行员生理、心理状态监测以及海上舰船、岛礁等伤病员的医疗救治。同时，监测系统还融合了情绪感知的功能，可以实时便捷地监测士兵的心理健康，及时发现问题，促进基层官兵心理健康，提高部队战斗力。

    该系统设计成适合战场上使用的胸带方式进行穿戴式监测，或者将干电极放入织物内部或嵌入整套硬件系统，测量时将放置有电极的衣服穿在身上即可，还可以根据具体的应用场景进行改装应用。

主要技术指标如下：

（1）设备体积： 15cm×10cm×3cm；

（2）设备重量： ≤200g； 

（3）血氧测量测量范围：70-100%血氧饱和度，测量准确度：±1% ；

（4）脉率测量范围：30-254bpm，测量准确度：±1 BPM；

（5）呼吸率测量范围：4-120bpm，测量准确度：±1 BPM；

（6）可实现动脉血压的无袖带式实时连续测量，初步测试结果表明，测量的血压和有创血压的误差SBP（收缩压）：3.9 ± 3.3mmHg，DBP（舒张压）：4.7 ± 3.8mmHg，符合AAMI标准。

（7）MIST 应激实验范式诱发被试者产生平静、轻微与高度压力三种不同程度压力状态，分类准确率84%。

三、核心技术

    3.1 创新性的监测节点设计

    通过对硬件和软件进行大量的优化，很好地将心电、呼吸、血氧、血压和脉率等多个参数测量模块集成在系统中。设计了滤波降噪算法对原始信号进行处理，消除基线漂移和高频噪声干扰。为延长设备续航能力，从硬件和软件两个方面进行处理。硬件方面主要是使用功耗低的集成芯片设计ECG、PPG联合检测电路，优化节点的电源管理模式和睡眠机制等；软件处理方面主要从中央处理单元对子功能模块电流的控制、采用实时轻量级算法及中央处理单元自身低功耗设计三个方面着手。

    3.2 无袖带连续血压测量

    目前测量血压的方法大多基于示波法原理，存在舒适度差，效率低，无法连续、逐拍监测的问题。有鉴于此，我们研究实现了基于脉搏波传播时间（PTT）的逐拍、无创血压评估方法。针对经典的线性模型存在校准操作复杂，实用性差的问题，经过多次试验和对比，优选了基于脉搏强度比（PIR）和PTT的模型，使得血压校准简单易操作。另外，结合基于信号质量的Kalman滤波算法，有效提升了日常移动环境下测量结果的准确度。 

    3.3 人体心理状态评估

    我们以所测量的ECG与呼吸信号作为基准，实现了对人体心理状态的评估。我们对原始信号进行特征提取后，使用随机森林算法，进行了数据的优化，除去了其中相关性最差的五个特征值，组成最优特征子集。最后使用SVM算法，得到基于SVM的三类压力分类器准确率在84%，实现了以较少的特征种类得到较高的预测准确率。横向对比其他人的测试分类结果，我们的系统使用简单，穿戴便捷，分类结果准确度较高。

四、应用领域

    军用领域上，可穿戴式生理信息监测系统可以通过对单兵生理、心理参数的同步监测与评估，平时指导科学训练，提高训练效率，在战时有利于实现快速检伤分类，有效利用黄金救治时间，可广泛应用于陆军和火箭军野外驻训,空军飞行员生理、心理状态监测以及海上舰船、岛礁等伤病员的医疗救治。在民用领域上，该系统通过生理与心理健康状态的全面监测与评估，服务于人口老龄化、慢性病与亚健康管理等健康领域。

五、应用案例

    依托传感技术国家重点实验室平台以及和医院、部队的合作，我们对本套系统进行了大量测试。完成了海军总医院的临床测试和“和平方舟”号医院船的海上示范应用，连续工作时间不低于三个月，有效验证了本系统的准确性、可靠性和实用性。