水下超声心率遥测技术的历史及现状
作者：姜峰
单位：姜峰(海军医学研究所，上海 200433)
关键词：潜水；心率；水下遥测；超声遥测
海军医学杂志000338 [摘要] 阐述了水下超声心率遥测技术的发展史，介绍了目前该 技术的发展状况，并对其发展趋势及应用前景作了探讨。
[中图分类号] R443.8；TP873 [文 献标识码] A
[文章编号] 1009-0754(2000)03-0273-04
水下心率实时遥测是水下生理监测的主要内容之一，它是了解生物体对水下 环境适应性及在水下生存能力的重要手段。人由陆地进入严酷的水下环境中活动，对这一环 境的适应能力直接关系到其安全与现场作业能力，因此这一技术倍受国内外学者关注。本文 就国内外在该领域发展的历史与现状作一简要综述。
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1 发展历史
水下心率监测大体经历了有线测量→非实时遥测→无线电遥测→超声遥测这几个阶段。最早 采用有线测量方法，运用硬质电线技术，让信号通过一根脐带式电缆从潜水者身上传送到水 面，可以在整个潜水过程中即时跟踪心率信号。但这种方法要带一根笨重的电缆，严重影响 水下活动，且信号易受干扰[1]。后来采用纤维光学系统，虽然避免了电磁干扰， 但仍带有笨重的水下电缆线[2]。70年代采用带防水外壳的水下磁录设备在水下记 录，这是一种非时监测[3]，其缺点是必须在水下暴露完成后方可施行。因此，水 下实时遥测技术便受到关注。首先有人尝试 在有限的短距离内运用无线电遥测从潜于水中的受试者身上获取数据。然而，水的传导特性 (尤其是海水)会导致电磁辐射大幅衰减。当距离增加时，所需的发射功率必须大大增加，实 际效果很不理想[4]。另一种遥测方法是采用电感耦合技术，但是为了保证接收 的可靠性，同样需要很高的发射功率，因而造成仪器笨重。而超声波能量可以在特定的功 率下发射最远的距离[5]，因而国外学者开始转而研制利用超声波进行传输的水 声遥测系统。
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早在1964年，国外就有人将超声遥测用于自由游动的水生动物，作为常规的生理监测 [6]。1965年，A.Slafer等将此技术运用于人体，研制出能检测潜水者心率信号的水 下遥测仪[7]，并于1969年加以改进，选用中心频率为55 kHz的超声能，水下 遥 测距离达180 m，遥测深度63 m[5]。1971年，美国通用电气公司为海军提供了一 套生 理监测系统，能测定心率等生理指标，遥测距离超过200 m，实验深度21～70 m[8] 。1984年，B Roger等将技术进一步向多通道发展，研制出四通道获取海洋潜水者心率数 据的超声遥测系统，可同时对多个潜水员实施监测[9]。1990年，J Braun和JA S terba将IBM个人电脑的强大功能结合运进来，研制了带固态数据存储器的监测系统，能够连 续进行12 h的心率记录，并能打印数据及时间。程序采用菜单控制，界面较好，操作方便， 并带有软驱和硬盘，便于文件的存取[10]。1993年，HM Hanish研制的多通道 水下遥测系统采用宽频带技术和高纠错能力软件，使得在水下噪声环境中数据的传输准确率 大大提高，并且在超过60 m深水下超声发射距离可达450 m 以上[11]。1996年，RD Schmidt等人在心率信号的发送及接收处理方式上作 了改进，研制的宽频带全向遥测系统能将从水声器接收的宽带模拟信号转换成宽带数字信号 ，大大提高了数据传输的可靠性及抗噪声能力[12]。1998年，RD Andrews采用 商用单板计算机设计了多通道超声遥测装置，传感器在集成信号板上，并带有小型数据记 录器，可监测心率、体温等生理指标[13]。国内在水下生物医学工程领域的研究 起 步较晚，80年代之后才开始出现了一些研究和报道，但数量较少。1983年，卢光英等人对水 下超声遥测技术作了比较全面的研究和讨论[14]。后来王保华主编的《生物医学 电子学》一书对超声遥测技术也做过一些阐述。在实践上，海军医学研究所于1986年研制了 水下超声遥测心率系统[2]。此后直至今日，国内在这方面未见进一步的文献报道 。
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2 技术现状
水下超声遥测心率系统大致可分为二个主要部分：(1)水下发射系统；(2)水面接收及监测系 统。基本原理框图参见图1与图2所示。
图1 水下发射系统原理框图
图2 水上接收系统原理框图
2.1 水下发射系统
水下发射系统一般由传感器、前置放大器、滤波器、心率脉冲形成电路、超声晶体振荡器、 调制器、功率放大器及超声发射换能器等环节组成，它是水下超声心率遥测装置的中心部分 。
2.1.1 传感器 心率信号可通过对心电图QRS波群或血流脉动信号的检出得到，相应地，传 感器采用心电极或脉搏波传感器[2，15]。在水下，潜水员的身体活动或水的侵 入都可能干扰甚至中断心率信号的检测，所以传感器与皮肤的接触表面是需要考虑的重要因 素。目前一般在靠近其引线处装一圆形橡胶薄片。使用时，先用医用粘合片将电极固定，然 后在橡胶薄片外用双面粘合片贴牢，使电极和人体皮肤有最佳的接触和相对的稳定，确保海 水和电极的可靠隔离[11]。
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2.1.2 前置放大器 传感器在水下拾取的R波信号、心博信号或脉搏信号一般都比较微弱， 易受背景噪声的干扰，因此首先要经过前置放大器进行放大。由于信号较小，经放大后信噪 比差，所以不但要求传感器的灵敏度高，还要求前放级具有高增益、高输入阻抗、高共模抑 制比、低噪声和低漂移。在水下进行心率遥测时，各类干扰(包括背景噪声及生理噪声等)极 易相随有用信号进入放大器通道，为此前放级共模抑制比要大于80 dB[16]。此 外，由于心率信号频谱范围的要求，一般采用通频带在0.2～40 Hz左右的低频交流放大器 [12]。
2.1.3 滤波器 通过心电信号的频谱分析可知QRS波的中心频率在17 Hz左右，带宽约为6 H z，而T波、P波、基线漂移等都是低频噪声，频率均在7 Hz以下[17]。肌电伪迹 的频率成分比较高，一般认为集中在20～500 Hz的范围内。运动伪迹的频率成分比较低，多 在0.2～2 Hz的范围内[18]。在滤波器的设计中，要充分考虑到这些主要的干扰 因素。目前，利用心电信号的R波检测来获取心率的水下遥测装置一般采取中心频率为10～2 0 Hz，通带宽度为20 Hz的有源滤波器[10]。有些装置是通过检测脉搏的方法来 获取心率信号，由于脉搏波的中心频率为0.5～4 Hz，故此时一般将滤波器电路设计成为一 个通带、增益可调的电路，可直接提高滤波电路的抗干扰能力[12]。
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2.1.4 心率脉冲形成电路 该电路由微分器、全波整流和单稳触发电路组成，使产生与心 搏同步的心率脉冲。微分器将放大、滤波后的波形劈成双极性的三角波，这可保证整个检出 电路不受极性影响。此外，微分器还将其他一些干扰波微分，因而大大衰减了干扰噪声。由 于个体差异和运动状态带来的信号波形宽度及幅度不同的影响，会使微分器输出高度不等的 正负向的三角波，给触发电路的触发电平带来困难。为此，在触发电路前加一级全波整流， 以得到同一的触发电平。然后，通过单稳触发电路得到方波脉冲序列[2，14]。
2.1.5 振荡晶体 水下远距离遥测采用超声作为传播煤介。因为超声在水中衰减很小，而 无线电波及光波则很快被吸收[19]。就水的声传导特性来讲，低频比高频传播距 离远，频率太高则过度的衰减导致距离减小。如果要达到几百米以上的距离，频率需低于10 0 kHz；如果要传到几公里以外的路程，则频率需低于20 kHz。然而低频波给设备的小型化 造成困难，而且人耳的敏感性也限制了过低频率的选择，研究表明人体不能忍受30 kHz以下 频率的声音。所以，水下心率遥测装置选用的频率范围应在30～80 kHz之间[20 ]。目前，国外的仪器多采用55 kHz的中心频率，国内采用41.7 kHz。
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2.1.6 调制电路 目前水下心率信号调制方式主要采用幅度调制和频率调制[16] 。幅度调制在硬件上相对来说较为简单，将心率脉冲形成电路产生的与心搏同步的脉冲信 号和超声晶体振荡信号通过与门逻辑电路即可实现。但调幅信号易受各种外部及内部噪声干 扰，特别是在水下传播时存在多通道畸变的影响。最简单的解决办法就是运用频率调制方式 。这种方法对设备的功率利用率高，信号的抗干扰能力强，但硬件电路的实现较复杂，且传 播的距离不及调幅信号。所以，两种方式各有优劣，应用选择时要统筹考虑。
2.1.7 功率放大器及超声发射换能器 超声换能器(又称水声器)是一个外有透声橡胶密封 的圆柱形无指向压电陶瓷换能器。调制信号经功率放大器放大后加到超声发射换能器发射出 去。发射距离是由功放的功率、水声器性能、水体几何形状及环境噪声等因素决定的。例如 Flether等人在相对嘈杂的Schuylkill河流遥测距离仅为180 m，而同样的仪器在巴拿马海湾 遥测距离可达到1.6 km[21]。
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2.2 水面接收及监测系统
该系统原理见框图2，包括超声接收换能器、信号放大器、滤波器、解调器、微分电路、 单稳电路及记录与显示电路等。解调器将载波为30～80 kHz的脉冲调制信号恢复成心搏信号 ，该信号经过处理后，形成锯齿波电压，其直流电平反映了心率值，经低通放大器输出至显 示与记录装置或计算机进行处理。根据需要，还可加设心率低限、高限、停搏报警电路及心 率音响电路等[13]。
3 探讨与展望
3.1 问题探讨
目前国内外水下超声心率遥测装置的发展仍存在一些问题有待进一步研究完善。
3.1.1 体积问题 国内研制的心率遥测仪发射筒直径8 cm，高4.5 cm，重约2.5 kg，附加 负荷大，对潜水员活动影响较大[2]。国外的设备情况稍好，但体积也不小[ 10～13]。造成仪器笨重的原因主要有三点：(1)电池组体积大；(2)产生超声频率的 振荡晶体体积大；(3)仪器的主功能电路板占用空间大。正是这三个因素共同作用，使得系 统庞大，携带不便，极大地限制了推广应用。目前各种型号的电池组已具有大容量、小型化 特点，而且随着高集成芯片技术的发展，许多基本功能电路都做成小型化集成块；再加上振 荡晶体、超声换能器等关键器件产品的更新换代及硬件线路制作工艺的发展，上述三个影响 因素可以得到解决，使水下遥测系统的小型化、便携式完全可行。
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3.1.2 电极的安置问题 目前国内外多采用三导联心电极的安置，增加了潜水现场的繁琐 环节，对潜水员的水下活动造成了一定程度的制约；而且在潜水作业过程中，可能产生心电 极的位移而中断心电信号的拾取[21]。为此，改进措施可考虑根据脉搏或心博在 水下实时检测心率指标，同时通过采用优质滤波器及其他抗干扰措施提高信噪比，使信号可 靠稳定地传输。
3.1.3 信号处理问题 现在水面信号处理及显示技术还比较简单。心率信号解调后，有的 馈 至心率计量显示电路以LED显示数值，直观性不好，无法观测到心率变化曲线，不利于掌握 生理规律[9]；有的采用记录仪或示波器记录或显示，这要求在潜水现场再外带笨 重的示波器或记录仪，使用不方便[21]；有的虽采用计算机或单板机技术，但 并没有充分利用计算机的数据分析处理的功能[10～13]。目前可考虑采用现代 微 型控制器系统来实现智能化数据处理，集显示、存储、打印于一体，而且仪器本身轻巧，携 带方便，适合在潜水现场使用。
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3.1.4 工作稳定性问题 现在水下心率遥测仪器抗干扰能力还不够，工作稳定性、可靠性 还有待加强。例如有的仪器在现场使用时带有方向性，即一个方向信号很强，其他方向信号 弱，甚至没有，直接限制了仪器的推广应用，这也是今后水下超声遥测应该致力解决的关键 技术。
3.2 发展趋势
综上所述，水下超声心率遥测技术发展趋势大致归纳如下：
(1)寻求更加简单、可靠的水下信号检测方法，必须重点解决合适的传感器问题。传感器应 为潜水员所接受，不影响工作；传感器的安放位置、与皮肤的接触表面是否牢靠及受水下活 动的影响减小等都是应致力解决的问题。
(2)仪器实现便携式、小型化是今后的发展方向。使电子组件及硬件线路超小型化，便于携 带，机动性好；也使其尽可能容易与潜水员随身携带的原有装备结合在一起，不增加潜水员 过多负担，更好地满足潜水现场的实用性特点。
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(3)进一步提高仪器的灵敏度和可靠性，无论潜水员处于何种姿势，做何种活动都能保证信 号可靠地发射与接收。
(4)进一步加大遥测深度和遥测水平距离，使仪器能在更深的海底应用。因为今后水下遥测 仪不仅运用于轻潜水，如应用于更大深度的潜水(如饱和潜水、钟式潜水等)，将大大简化操 作程序。
(5)丰富与优化水面接收监测系统的功能。将微型控制系统(如单片微型计算机系统)结合运 用进来，进行智能化数据处理，实现仪器实时监测、数据存储、打印、语音提示、阈值报警 等多功能于一体，优化人机界面，使仪器易操作、更实用。
(6)对现场水面监护人员、潜水干部、潜水员进行水下生理监测专业训练，教会他们识别、 评价和使用所获生理信息。此外，评价标准应能用于自动数据处理识别系统，由仪器自动作 出判断。
3.3 应用前景
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水下超声心率遥测技术是水下生理监测技术的重要组成部分，它可及时了解潜水员在水下的 状态，有利于及早发现事故苗头，防止事故的发生，对潜水员的安全有很大帮助[22 ]。心率作为体力应激和代谢活动的重要指标，在潜水现场实际应用中有自身独特的优势 。特别是在负荷活动期间(如运动或水下作业期间)，它是影响心肌氧消耗的重要因素。水下 各种应激因素，如热应激、工作应激和心理应激等因素对潜水员的影响都反映在其心率指标 变动之中[23]。检测心率及相关各项指标可用以评估潜水员水下作业能力及实施 水下医学监护，并能为选拔潜水员、检验潜水员训练效果提供客观依据。同时该技术也可为 进行水下实时生理研究提供更为便捷的手段[24，25]。因此，该技术无论在海 军军事应用上，还是在科研应用上都有着广阔的应用前景，而且随着我国商业潜水事业的飞 速发展，其社会效益也必将越来越显著。
[参考文献]
[1] Unsworth IP, Williams J, Tayler R. A simple technique of u nderwater hardwire ECG recording[J]. Bio Med Engr, 1969, 4:74.
, 百拇医药
[2] 唐永兴，王卫华，唐治维.水下超声遥测心率系统的研制[J].医疗器械， 1986，10(3)：22.
[3] Pilmanis AA, Given RR, Pilmanils VM. Physiological and bi ological studies from Hydrolab[J]. Hydrolab J, 1972, 1:20.
[4] Steadman JW. A short range underwater biotelemetry sytem[C]. In tern Telemetering Conf, 1967, 3:316.
[5] Slater A. Instrumentation for telemetering the electrocardiogram from scuba divers[J]. IEEE Trans on BME, 1969, 16(2):148.
, http://www.100md.com
[6] Mackay RS. Aquatic animals[J]. New York Wiley Biomedical Telemetry, 1968, 14:296.
[7] Sladter A, Bellet S, Kilpatrick DG. Telemetering the human electrocard iogram underwater[C]. Proc 18th Ann Conf on Engrg in Medicine and Biology, 1965:143.
[8] Kennedy RS. A diver monitor system[R]. AD A071 920, 1979.
[9] Roger B. A four-channel ultrasonic telemetry system for obtaining physiological data from ocean divers[J]. Bio-telemetry, 1984, 1(1):50.
, 百拇医药
[10] Braun J, Sterba JA. Diver monitoring systems[R] . AD-A268 405, 1993.
[11] Hanish HM. A multi-channel telemetry system to m onitor divers[R]. AD-A268 405, 1993.
[12] Schmidt RD, Gannon JM, Sttriffler FL. Wide-band omni-tel emetry system[J]. AD-D018 426, 1996.
[13] Andrews RD. Instrumentation for the remote monitoring of physiolo gical and behavioral variables[J]. J Appl Physiol, 1998, 85(5):1874.
, 百拇医药
[14] 梁文亚，李 栩，吴晓力，等.脉率监护电话装置的研究[J].北京生物 医学工程，1998，17(1)：6.
[15] Bocconcelli A, Berteaux HO, Frye DE, et al. Long-t erm evaluation of new monitoring components and underwater telemetry techniq ues[R]. AD-A251 695, 1992.
[16] 王 磊，郑崇勋，叶继伦，等.一种高效的QRS波实时检测方法[J].北京 生物医学工程，1998，17(4)：217.
[17] 王兆琪.运动心电图干扰的分析及R波检出电路[J].医疗器械，1982，6( 5)：1.
[18] 卢光英.水声遥测[M].北京：海洋出版社，1983.
, 百拇医药
[19] Kesellbrener L, Baharav A, Akselrod S. Estimation of fast vagal respo nse by time-dependent analysis of heart rate variability in normal subjects[ J]. Clin Auton Res, 1996, 6(6):321.
[20] Catipovic JA, Performance limitations in underw ater acoustic telemetry[R]. AD-A239 048, 1990.
[21] Reimers SP. Towards internet protocol over seawat er (IP/SW): Forward e rror correction (FEC) using hamming codes for reliable acousitc telemetr y[R]. AD-A306 010, 1995.
, http://www.100md.com
[22] Johnson M, Herold D, Catipovic J. Report on the acousitc network arctic deployment[R]. AD-A296 503, 1995.
[23] Yamazaki F, Shiraki K, Sagawa S, et al. Assessment of c ardiac autonomic nervous activites during heliox exposure at 24 atm abs[J]. A viat Space Environ Med, 1998, 69(7):643.
[24] Catipovic JA, Von Der Heydt K, Merriam JS, et al. M ulti ple convergence zone acoustic telemetry frasibility test report[R]. AD-A265 147, 1991.
[25] Fletcher S, Le Boeuf BJ, Costa DP, et al.[ WT6BZ] Onboard acoust ic recording from diving northern elephant seals[J]. J Acoust Soc Am, 19 96, 100(4):2531.
(收稿：2000-02-21), 百拇医药
单位：姜峰(海军医学研究所，上海 200433)
关键词：潜水；心率；水下遥测；超声遥测
海军医学杂志000338 [摘要] 阐述了水下超声心率遥测技术的发展史，介绍了目前该 技术的发展状况，并对其发展趋势及应用前景作了探讨。
[中图分类号] R443.8；TP873 [文 献标识码] A
[文章编号] 1009-0754(2000)03-0273-04
水下心率实时遥测是水下生理监测的主要内容之一，它是了解生物体对水下 环境适应性及在水下生存能力的重要手段。人由陆地进入严酷的水下环境中活动，对这一环 境的适应能力直接关系到其安全与现场作业能力，因此这一技术倍受国内外学者关注。本文 就国内外在该领域发展的历史与现状作一简要综述。
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1 发展历史
水下心率监测大体经历了有线测量→非实时遥测→无线电遥测→超声遥测这几个阶段。最早 采用有线测量方法，运用硬质电线技术，让信号通过一根脐带式电缆从潜水者身上传送到水 面，可以在整个潜水过程中即时跟踪心率信号。但这种方法要带一根笨重的电缆，严重影响 水下活动，且信号易受干扰[1]。后来采用纤维光学系统，虽然避免了电磁干扰， 但仍带有笨重的水下电缆线[2]。70年代采用带防水外壳的水下磁录设备在水下记 录，这是一种非时监测[3]，其缺点是必须在水下暴露完成后方可施行。因此，水 下实时遥测技术便受到关注。首先有人尝试 在有限的短距离内运用无线电遥测从潜于水中的受试者身上获取数据。然而，水的传导特性 (尤其是海水)会导致电磁辐射大幅衰减。当距离增加时，所需的发射功率必须大大增加，实 际效果很不理想[4]。另一种遥测方法是采用电感耦合技术，但是为了保证接收 的可靠性，同样需要很高的发射功率，因而造成仪器笨重。而超声波能量可以在特定的功 率下发射最远的距离[5]，因而国外学者开始转而研制利用超声波进行传输的水 声遥测系统。
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早在1964年，国外就有人将超声遥测用于自由游动的水生动物，作为常规的生理监测 [6]。1965年，A.Slafer等将此技术运用于人体，研制出能检测潜水者心率信号的水 下遥测仪[7]，并于1969年加以改进，选用中心频率为55 kHz的超声能，水下 遥 测距离达180 m，遥测深度63 m[5]。1971年，美国通用电气公司为海军提供了一 套生 理监测系统，能测定心率等生理指标，遥测距离超过200 m，实验深度21～70 m[8] 。1984年，B Roger等将技术进一步向多通道发展，研制出四通道获取海洋潜水者心率数 据的超声遥测系统，可同时对多个潜水员实施监测[9]。1990年，J Braun和JA S terba将IBM个人电脑的强大功能结合运进来，研制了带固态数据存储器的监测系统，能够连 续进行12 h的心率记录，并能打印数据及时间。程序采用菜单控制，界面较好，操作方便， 并带有软驱和硬盘，便于文件的存取[10]。1993年，HM Hanish研制的多通道 水下遥测系统采用宽频带技术和高纠错能力软件，使得在水下噪声环境中数据的传输准确率 大大提高，并且在超过60 m深水下超声发射距离可达450 m 以上[11]。1996年，RD Schmidt等人在心率信号的发送及接收处理方式上作 了改进，研制的宽频带全向遥测系统能将从水声器接收的宽带模拟信号转换成宽带数字信号 ，大大提高了数据传输的可靠性及抗噪声能力[12]。1998年，RD Andrews采用 商用单板计算机设计了多通道超声遥测装置，传感器在集成信号板上，并带有小型数据记 录器，可监测心率、体温等生理指标[13]。国内在水下生物医学工程领域的研究 起 步较晚，80年代之后才开始出现了一些研究和报道，但数量较少。1983年，卢光英等人对水 下超声遥测技术作了比较全面的研究和讨论[14]。后来王保华主编的《生物医学 电子学》一书对超声遥测技术也做过一些阐述。在实践上，海军医学研究所于1986年研制了 水下超声遥测心率系统[2]。此后直至今日，国内在这方面未见进一步的文献报道 。
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2 技术现状
水下超声遥测心率系统大致可分为二个主要部分：(1)水下发射系统；(2)水面接收及监测系 统。基本原理框图参见图1与图2所示。
图1 水下发射系统原理框图
图2 水上接收系统原理框图
2.1 水下发射系统
水下发射系统一般由传感器、前置放大器、滤波器、心率脉冲形成电路、超声晶体振荡器、 调制器、功率放大器及超声发射换能器等环节组成，它是水下超声心率遥测装置的中心部分 。
2.1.1 传感器 心率信号可通过对心电图QRS波群或血流脉动信号的检出得到，相应地，传 感器采用心电极或脉搏波传感器[2，15]。在水下，潜水员的身体活动或水的侵 入都可能干扰甚至中断心率信号的检测，所以传感器与皮肤的接触表面是需要考虑的重要因 素。目前一般在靠近其引线处装一圆形橡胶薄片。使用时，先用医用粘合片将电极固定，然 后在橡胶薄片外用双面粘合片贴牢，使电极和人体皮肤有最佳的接触和相对的稳定，确保海 水和电极的可靠隔离[11]。
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2.1.2 前置放大器 传感器在水下拾取的R波信号、心博信号或脉搏信号一般都比较微弱， 易受背景噪声的干扰，因此首先要经过前置放大器进行放大。由于信号较小，经放大后信噪 比差，所以不但要求传感器的灵敏度高，还要求前放级具有高增益、高输入阻抗、高共模抑 制比、低噪声和低漂移。在水下进行心率遥测时，各类干扰(包括背景噪声及生理噪声等)极 易相随有用信号进入放大器通道，为此前放级共模抑制比要大于80 dB[16]。此 外，由于心率信号频谱范围的要求，一般采用通频带在0.2～40 Hz左右的低频交流放大器 [12]。
2.1.3 滤波器 通过心电信号的频谱分析可知QRS波的中心频率在17 Hz左右，带宽约为6 H z，而T波、P波、基线漂移等都是低频噪声，频率均在7 Hz以下[17]。肌电伪迹 的频率成分比较高，一般认为集中在20～500 Hz的范围内。运动伪迹的频率成分比较低，多 在0.2～2 Hz的范围内[18]。在滤波器的设计中，要充分考虑到这些主要的干扰 因素。目前，利用心电信号的R波检测来获取心率的水下遥测装置一般采取中心频率为10～2 0 Hz，通带宽度为20 Hz的有源滤波器[10]。有些装置是通过检测脉搏的方法来 获取心率信号，由于脉搏波的中心频率为0.5～4 Hz，故此时一般将滤波器电路设计成为一 个通带、增益可调的电路，可直接提高滤波电路的抗干扰能力[12]。
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2.1.4 心率脉冲形成电路 该电路由微分器、全波整流和单稳触发电路组成，使产生与心 搏同步的心率脉冲。微分器将放大、滤波后的波形劈成双极性的三角波，这可保证整个检出 电路不受极性影响。此外，微分器还将其他一些干扰波微分，因而大大衰减了干扰噪声。由 于个体差异和运动状态带来的信号波形宽度及幅度不同的影响，会使微分器输出高度不等的 正负向的三角波，给触发电路的触发电平带来困难。为此，在触发电路前加一级全波整流， 以得到同一的触发电平。然后，通过单稳触发电路得到方波脉冲序列[2，14]。
2.1.5 振荡晶体 水下远距离遥测采用超声作为传播煤介。因为超声在水中衰减很小，而 无线电波及光波则很快被吸收[19]。就水的声传导特性来讲，低频比高频传播距 离远，频率太高则过度的衰减导致距离减小。如果要达到几百米以上的距离，频率需低于10 0 kHz；如果要传到几公里以外的路程，则频率需低于20 kHz。然而低频波给设备的小型化 造成困难，而且人耳的敏感性也限制了过低频率的选择，研究表明人体不能忍受30 kHz以下 频率的声音。所以，水下心率遥测装置选用的频率范围应在30～80 kHz之间[20 ]。目前，国外的仪器多采用55 kHz的中心频率，国内采用41.7 kHz。
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2.1.6 调制电路 目前水下心率信号调制方式主要采用幅度调制和频率调制[16] 。幅度调制在硬件上相对来说较为简单，将心率脉冲形成电路产生的与心搏同步的脉冲信 号和超声晶体振荡信号通过与门逻辑电路即可实现。但调幅信号易受各种外部及内部噪声干 扰，特别是在水下传播时存在多通道畸变的影响。最简单的解决办法就是运用频率调制方式 。这种方法对设备的功率利用率高，信号的抗干扰能力强，但硬件电路的实现较复杂，且传 播的距离不及调幅信号。所以，两种方式各有优劣，应用选择时要统筹考虑。
2.1.7 功率放大器及超声发射换能器 超声换能器(又称水声器)是一个外有透声橡胶密封 的圆柱形无指向压电陶瓷换能器。调制信号经功率放大器放大后加到超声发射换能器发射出 去。发射距离是由功放的功率、水声器性能、水体几何形状及环境噪声等因素决定的。例如 Flether等人在相对嘈杂的Schuylkill河流遥测距离仅为180 m，而同样的仪器在巴拿马海湾 遥测距离可达到1.6 km[21]。
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2.2 水面接收及监测系统
该系统原理见框图2，包括超声接收换能器、信号放大器、滤波器、解调器、微分电路、 单稳电路及记录与显示电路等。解调器将载波为30～80 kHz的脉冲调制信号恢复成心搏信号 ，该信号经过处理后，形成锯齿波电压，其直流电平反映了心率值，经低通放大器输出至显 示与记录装置或计算机进行处理。根据需要，还可加设心率低限、高限、停搏报警电路及心 率音响电路等[13]。
3 探讨与展望
3.1 问题探讨
目前国内外水下超声心率遥测装置的发展仍存在一些问题有待进一步研究完善。
3.1.1 体积问题 国内研制的心率遥测仪发射筒直径8 cm，高4.5 cm，重约2.5 kg，附加 负荷大，对潜水员活动影响较大[2]。国外的设备情况稍好，但体积也不小[ 10～13]。造成仪器笨重的原因主要有三点：(1)电池组体积大；(2)产生超声频率的 振荡晶体体积大；(3)仪器的主功能电路板占用空间大。正是这三个因素共同作用，使得系 统庞大，携带不便，极大地限制了推广应用。目前各种型号的电池组已具有大容量、小型化 特点，而且随着高集成芯片技术的发展，许多基本功能电路都做成小型化集成块；再加上振 荡晶体、超声换能器等关键器件产品的更新换代及硬件线路制作工艺的发展，上述三个影响 因素可以得到解决，使水下遥测系统的小型化、便携式完全可行。
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3.1.2 电极的安置问题 目前国内外多采用三导联心电极的安置，增加了潜水现场的繁琐 环节，对潜水员的水下活动造成了一定程度的制约；而且在潜水作业过程中，可能产生心电 极的位移而中断心电信号的拾取[21]。为此，改进措施可考虑根据脉搏或心博在 水下实时检测心率指标，同时通过采用优质滤波器及其他抗干扰措施提高信噪比，使信号可 靠稳定地传输。
3.1.3 信号处理问题 现在水面信号处理及显示技术还比较简单。心率信号解调后，有的 馈 至心率计量显示电路以LED显示数值，直观性不好，无法观测到心率变化曲线，不利于掌握 生理规律[9]；有的采用记录仪或示波器记录或显示，这要求在潜水现场再外带笨 重的示波器或记录仪，使用不方便[21]；有的虽采用计算机或单板机技术，但 并没有充分利用计算机的数据分析处理的功能[10～13]。目前可考虑采用现代 微 型控制器系统来实现智能化数据处理，集显示、存储、打印于一体，而且仪器本身轻巧，携 带方便，适合在潜水现场使用。
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3.1.4 工作稳定性问题 现在水下心率遥测仪器抗干扰能力还不够，工作稳定性、可靠性 还有待加强。例如有的仪器在现场使用时带有方向性，即一个方向信号很强，其他方向信号 弱，甚至没有，直接限制了仪器的推广应用，这也是今后水下超声遥测应该致力解决的关键 技术。
3.2 发展趋势
综上所述，水下超声心率遥测技术发展趋势大致归纳如下：
(1)寻求更加简单、可靠的水下信号检测方法，必须重点解决合适的传感器问题。传感器应 为潜水员所接受，不影响工作；传感器的安放位置、与皮肤的接触表面是否牢靠及受水下活 动的影响减小等都是应致力解决的问题。
(2)仪器实现便携式、小型化是今后的发展方向。使电子组件及硬件线路超小型化，便于携 带，机动性好；也使其尽可能容易与潜水员随身携带的原有装备结合在一起，不增加潜水员 过多负担，更好地满足潜水现场的实用性特点。
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(3)进一步提高仪器的灵敏度和可靠性，无论潜水员处于何种姿势，做何种活动都能保证信 号可靠地发射与接收。
(4)进一步加大遥测深度和遥测水平距离，使仪器能在更深的海底应用。因为今后水下遥测 仪不仅运用于轻潜水，如应用于更大深度的潜水(如饱和潜水、钟式潜水等)，将大大简化操 作程序。
(5)丰富与优化水面接收监测系统的功能。将微型控制系统(如单片微型计算机系统)结合运 用进来，进行智能化数据处理，实现仪器实时监测、数据存储、打印、语音提示、阈值报警 等多功能于一体，优化人机界面，使仪器易操作、更实用。
(6)对现场水面监护人员、潜水干部、潜水员进行水下生理监测专业训练，教会他们识别、 评价和使用所获生理信息。此外，评价标准应能用于自动数据处理识别系统，由仪器自动作 出判断。
3.3 应用前景
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水下超声心率遥测技术是水下生理监测技术的重要组成部分，它可及时了解潜水员在水下的 状态，有利于及早发现事故苗头，防止事故的发生，对潜水员的安全有很大帮助[22 ]。心率作为体力应激和代谢活动的重要指标，在潜水现场实际应用中有自身独特的优势 。特别是在负荷活动期间(如运动或水下作业期间)，它是影响心肌氧消耗的重要因素。水下 各种应激因素，如热应激、工作应激和心理应激等因素对潜水员的影响都反映在其心率指标 变动之中[23]。检测心率及相关各项指标可用以评估潜水员水下作业能力及实施 水下医学监护，并能为选拔潜水员、检验潜水员训练效果提供客观依据。同时该技术也可为 进行水下实时生理研究提供更为便捷的手段[24，25]。因此，该技术无论在海 军军事应用上，还是在科研应用上都有着广阔的应用前景，而且随着我国商业潜水事业的飞 速发展，其社会效益也必将越来越显著。
[参考文献]
[1] Unsworth IP, Williams J, Tayler R. A simple technique of u nderwater hardwire ECG recording[J]. Bio Med Engr, 1969, 4:74.
, 百拇医药
[2] 唐永兴，王卫华，唐治维.水下超声遥测心率系统的研制[J].医疗器械， 1986，10(3)：22.
[3] Pilmanis AA, Given RR, Pilmanils VM. Physiological and bi ological studies from Hydrolab[J]. Hydrolab J, 1972, 1:20.
[4] Steadman JW. A short range underwater biotelemetry sytem[C]. In tern Telemetering Conf, 1967, 3:316.
[5] Slater A. Instrumentation for telemetering the electrocardiogram from scuba divers[J]. IEEE Trans on BME, 1969, 16(2):148.
, http://www.100md.com
[6] Mackay RS. Aquatic animals[J]. New York Wiley Biomedical Telemetry, 1968, 14:296.
[7] Sladter A, Bellet S, Kilpatrick DG. Telemetering the human electrocard iogram underwater[C]. Proc 18th Ann Conf on Engrg in Medicine and Biology, 1965:143.
[8] Kennedy RS. A diver monitor system[R]. AD A071 920, 1979.
[9] Roger B. A four-channel ultrasonic telemetry system for obtaining physiological data from ocean divers[J]. Bio-telemetry, 1984, 1(1):50.
, 百拇医药
[10] Braun J, Sterba JA. Diver monitoring systems[R] . AD-A268 405, 1993.
[11] Hanish HM. A multi-channel telemetry system to m onitor divers[R]. AD-A268 405, 1993.
[12] Schmidt RD, Gannon JM, Sttriffler FL. Wide-band omni-tel emetry system[J]. AD-D018 426, 1996.
[13] Andrews RD. Instrumentation for the remote monitoring of physiolo gical and behavioral variables[J]. J Appl Physiol, 1998, 85(5):1874.
, 百拇医药
[14] 梁文亚，李 栩，吴晓力，等.脉率监护电话装置的研究[J].北京生物 医学工程，1998，17(1)：6.
[15] Bocconcelli A, Berteaux HO, Frye DE, et al. Long-t erm evaluation of new monitoring components and underwater telemetry techniq ues[R]. AD-A251 695, 1992.
[16] 王 磊，郑崇勋，叶继伦，等.一种高效的QRS波实时检测方法[J].北京 生物医学工程，1998，17(4)：217.
[17] 王兆琪.运动心电图干扰的分析及R波检出电路[J].医疗器械，1982，6( 5)：1.
[18] 卢光英.水声遥测[M].北京：海洋出版社，1983.
, 百拇医药
[19] Kesellbrener L, Baharav A, Akselrod S. Estimation of fast vagal respo nse by time-dependent analysis of heart rate variability in normal subjects[ J]. Clin Auton Res, 1996, 6(6):321.
[20] Catipovic JA, Performance limitations in underw ater acoustic telemetry[R]. AD-A239 048, 1990.
[21] Reimers SP. Towards internet protocol over seawat er (IP/SW): Forward e rror correction (FEC) using hamming codes for reliable acousitc telemetr y[R]. AD-A306 010, 1995.
, http://www.100md.com
[22] Johnson M, Herold D, Catipovic J. Report on the acousitc network arctic deployment[R]. AD-A296 503, 1995.
[23] Yamazaki F, Shiraki K, Sagawa S, et al. Assessment of c ardiac autonomic nervous activites during heliox exposure at 24 atm abs[J]. A viat Space Environ Med, 1998, 69(7):643.
[24] Catipovic JA, Von Der Heydt K, Merriam JS, et al. M ulti ple convergence zone acoustic telemetry frasibility test report[R]. AD-A265 147, 1991.
[25] Fletcher S, Le Boeuf BJ, Costa DP, et al.[ WT6BZ] Onboard acoust ic recording from diving northern elephant seals[J]. J Acoust Soc Am, 19 96, 100(4):2531.
(收稿：2000-02-21), 百拇医药