基于航空生理訓(xùn)練的多人生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

蔣 科，葛 宏，劉 威，張永寶，胡曉林

基于航空生理訓(xùn)練的多人生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

蔣 科，葛 宏，劉 威，張永寶，胡曉林

目的：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種多人生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，滿足航空生理訓(xùn)練環(huán)境的特殊要求。方法：使用自主研制的多生理參數(shù)檢測(cè)板作為生理信號(hào)提取裝置，運(yùn)用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)以及多線程編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多人生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地分析得到航空生理訓(xùn)練相關(guān)的生理檢測(cè)參數(shù)結(jié)果。結(jié)論：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足航空生理訓(xùn)練特殊環(huán)境的要求，且具有小型化、信息化、智能化和模塊化的特點(diǎn)，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

航空生理訓(xùn)練；航空生理環(huán)境；生理參數(shù)監(jiān)測(cè)

0 引言

目前，用于航空生理訓(xùn)練、科研試驗(yàn)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)、記錄、分析裝置主要分為3類：一是航空生理訓(xùn)練裝備配備的生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；二是由于訓(xùn)練裝備本身沒(méi)有配備生理監(jiān)測(cè)裝置，而購(gòu)買成品生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；三是使用由我所研制的飛行員生理參數(shù)記錄檢測(cè)儀（以下簡(jiǎn)稱“生參儀”）。然而，這3類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在飛行員航空生理訓(xùn)練的應(yīng)用上存在諸多問(wèn)題。

（1）航空生理訓(xùn)練裝備配備的生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用上主要有3個(gè)方面的問(wèn)題：一是配備的生理監(jiān)測(cè)裝置大多從國(guó)外進(jìn)口，本土化程度不夠，使用不方便；二是當(dāng)初引進(jìn)該設(shè)備時(shí)功能、指標(biāo)等方面的要求與現(xiàn)在航空生理訓(xùn)練的要求不相適應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備不能充分發(fā)揮作用或者棄之不用；三是引進(jìn)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般存在技術(shù)壁壘，無(wú)法獲取更底層的技術(shù)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致訓(xùn)練要求、需求發(fā)生變化的情況下無(wú)法對(duì)該設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，無(wú)法滿足實(shí)際需求。

（2）購(gòu)買的成品生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在應(yīng)用上也存在諸多問(wèn)題：一是購(gòu)買的大多數(shù)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用對(duì)象為醫(yī)院監(jiān)護(hù)和家庭保健，從功能指標(biāo)需求或環(huán)境適應(yīng)性上不能滿足航空生理訓(xùn)練的要求；二是這些設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)分析缺乏針對(duì)性，不具備航空生理訓(xùn)練輔助評(píng)價(jià)的功能。

（3）生參儀的使用存在的主要問(wèn)題包括：一是檢測(cè)生理指標(biāo)與航空訓(xùn)練的需要不完全適應(yīng)；二是生參儀以記錄卡式的非實(shí)時(shí)分析應(yīng)用為主[1-3]。

所以，根據(jù)上述存在的問(wèn)題還需要研制一種為航空生理訓(xùn)練專用的飛行員生理監(jiān)測(cè)裝置。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由多生理參數(shù)信號(hào)提取裝置、多人實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)終端以及搭載在該終端計(jì)算機(jī)上的中心監(jiān)測(cè)管理軟件構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

多參數(shù)生理信號(hào)提取裝置的研制首先應(yīng)盡量涵蓋所有航空生理訓(xùn)練所要求監(jiān)測(cè)的生理參數(shù)，該裝置所監(jiān)測(cè)的生理參數(shù)包括5導(dǎo)聯(lián)心電、血氧、血壓、溫度。除了監(jiān)測(cè)常規(guī)的生理參數(shù)外，還為航空生理訓(xùn)練加入專有的氧氣呼吸面罩壓力及呼吸率參數(shù)監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

其次，需考慮航空生理訓(xùn)練環(huán)境的特殊要求，比如在低壓艙環(huán)境下進(jìn)行航空生理訓(xùn)練需要考慮低氣壓、高低溫的因素。特殊條件下使用常規(guī)的生理參數(shù)采集傳感器、電子元器件不僅影響采集裝置的傳感器精度、測(cè)量范圍，進(jìn)而降低整個(gè)設(shè)備的性能，而且影響元器件的壽命，造成該設(shè)備的故障率高，維修不方便。所以，在多生理參數(shù)采集板的開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡量選取滿足一定航空適應(yīng)性要求的傳感器、元器件作集成開(kāi)發(fā)。該生理采集裝置還遵循小型化的設(shè)計(jì)原則，在滿足航空生理訓(xùn)練環(huán)境適應(yīng)性的條件下選取尺寸小、質(zhì)量輕的元器件、傳感器。

最后，應(yīng)考慮航空生理訓(xùn)練往往存在多人同時(shí)展開(kāi)訓(xùn)練，而且有些訓(xùn)練項(xiàng)目有一定風(fēng)險(xiǎn)，所以，要求該監(jiān)測(cè)裝置具備同時(shí)多人生理參數(shù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。各個(gè)生理數(shù)據(jù)的采集、算法設(shè)計(jì)全部在硬件芯片上實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸包括原始數(shù)據(jù)以及生理參數(shù)的相關(guān)指標(biāo)結(jié)果，不用中心監(jiān)測(cè)終端計(jì)算后再顯示，提高監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。

1.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括生理參數(shù)檢測(cè)裝置和中心監(jiān)測(cè)終端計(jì)算機(jī)2個(gè)部分。

生理參數(shù)檢測(cè)裝置集成了一塊多生理參數(shù)采集電路板，包括心電、血氧、血壓和溫度（2通道）的常規(guī)生理參數(shù)傳感器以及氧氣呼吸面罩壓力及呼吸參數(shù)傳感器電路、袖帶血壓充氣泵、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，其硬件接口關(guān)系如圖2所示。各個(gè)采集模塊通過(guò)硬件算法計(jì)算得到相關(guān)波形參數(shù)（ECG、SpO2等）、數(shù)字參數(shù)（心率、血氧濃度、血壓等），使用預(yù)先定義的數(shù)據(jù)協(xié)議包封裝成IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行谋O(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)終端。該數(shù)據(jù)協(xié)議也包括對(duì)采集裝置的各種參數(shù)設(shè)置命令，利用中心監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)終端軟件來(lái)控制生理參數(shù)采集裝置[4-6]。

多參數(shù)測(cè)量電路板中對(duì)于血壓的測(cè)量所需的部件最多，也最為復(fù)雜，它由壓力傳感器、氣泵、氣閥（快閥和慢閥）、設(shè)備接口血壓插座以及連接這些部件的三通轉(zhuǎn)接頭、四通轉(zhuǎn)接頭組成。其連接方式如圖3所示。拔下氣閥的橡膠管路，查看氣閥的出氣孔，孔徑小的是慢閥，孔徑大的是快閥；慢閥的供電電線插頭連接電路板J17插座，快閥連接J18插座，充氣泵的供電線插頭連接J15插座。安裝管路時(shí)不可皺折，以確保壓力傳感器與器官盡量保持良好通氣。

圖2 硬件接口關(guān)系示意圖

圖3 血壓測(cè)量氣泵、氣閥和電路板連接示意圖

另外，氧氣呼吸面罩壓力及呼吸參數(shù)傳感器是本設(shè)備實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。它選用的霍尼韋爾TruStability高精度硅壓力傳感器可提供在制定滿量程壓力范圍和溫度范圍內(nèi)讀取壓力的比率模擬輸出，可通過(guò)使用板載專用集成電路針對(duì)傳感器零點(diǎn)、靈敏度、溫度影響和非線性進(jìn)行充分校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。該傳感器的工作電壓較低、功耗極小，可在-20～85℃范圍內(nèi)工作，測(cè)量范圍在60 mbar～10 bar（1 bar=1×105Pa），完全符合航空訓(xùn)練環(huán)境適應(yīng)性的要求，呼吸面罩壓力測(cè)量精確穩(wěn)定，傳感器封裝形式如圖4所示。

圖4 呼吸面罩壓力傳感器封裝示意圖

多人實(shí)時(shí)多生理參數(shù)中心監(jiān)測(cè)終端載體可選用商用服務(wù)器或便攜式計(jì)算機(jī)等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將中心監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)終端與各個(gè)生理監(jiān)測(cè)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。中心監(jiān)測(cè)設(shè)備完成生理參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)管理等。

1.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多人實(shí)時(shí)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將軟件根據(jù)不同的功能需求分為4個(gè)功能模塊，如圖5所示。

圖5 多人實(shí)時(shí)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)管理功能模塊：主要用來(lái)創(chuàng)建航空生理訓(xùn)練項(xiàng)目、創(chuàng)建人員基本信息、訓(xùn)練人員信息與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綁定，還包括已完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目人員信息和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的管理。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析功能：將實(shí)時(shí)采集的生理參數(shù)信息進(jìn)行分析顯示，主要顯示的波形有心電波形、呼吸波形、血氧波形，主要顯示的參數(shù)有心率、呼吸率、血壓、體表溫度、脈率和呼吸面罩壓力參數(shù)，其他還包括硬件故障或檢測(cè)裝置佩戴不正確等參數(shù)顯示。

（3）數(shù)據(jù)回顧功能：實(shí)時(shí)回顧訓(xùn)練監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；形成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括心搏總數(shù)，正常、異常心搏數(shù)，最快、最慢心率，呼吸率，體表溫度，血壓及時(shí)點(diǎn)，異常心電事件及其關(guān)聯(lián)參數(shù)統(tǒng)計(jì)等。

（4）參數(shù)設(shè)置功能：參數(shù)主要分為2部分內(nèi)容。第一部分主要是對(duì)生理采集裝置進(jìn)行硬件設(shè)置，如網(wǎng)絡(luò)IP、端口設(shè)置、時(shí)鐘校準(zhǔn)等；第二部分主要是對(duì)生理參數(shù)報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置，如設(shè)置正常心率上下限、正常呼吸率上下限、心電異常事件報(bào)警等。參數(shù)報(bào)警設(shè)置與訓(xùn)練項(xiàng)目綁定主要是滿足不同訓(xùn)練內(nèi)容，側(cè)重不同的生理參數(shù)，并且對(duì)異常生理參數(shù)要求的閾值也不一樣，所以，需要訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行綁定。

多人實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件在Virtual Studio 2005開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，運(yùn)用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)思想分別實(shí)現(xiàn)各功能模塊[7-11]；數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行了模塊化封裝，方便今后協(xié)議修改和升級(jí)。該軟件界面如圖6所示。

圖6 多人實(shí)時(shí)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件界面

2 應(yīng)用效果

基于航空生理訓(xùn)練的多人實(shí)時(shí)生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制任務(wù)來(lái)源于我所的低壓艙實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，目前的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要是針對(duì)我所低壓艙高空缺氧訓(xùn)練、高空加壓呼吸訓(xùn)練等航空生理訓(xùn)練設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)備可同時(shí)支持4人次以上的訓(xùn)練監(jiān)測(cè)，已經(jīng)進(jìn)行了20多人次（含飛行員、鍛煉員）驗(yàn)證試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試（主要包括高空缺氧體驗(yàn)訓(xùn)練、高空缺氧耐力檢查和評(píng)定訓(xùn)練、加壓呼吸訓(xùn)練），累計(jì)達(dá)200多條試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)軟、硬件工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸完整，可靠性良好且軟件處理實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性、監(jiān)測(cè)異常報(bào)警情況良好。

3 結(jié)論

基于航空生理訓(xùn)練的多人生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備小型化、信息化、智能化和模塊化的特點(diǎn)。（1）小型化：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，在航空生理訓(xùn)練試驗(yàn)時(shí)方便佩戴、安裝，不受場(chǎng)地空間、試驗(yàn)條件等因素的影響。（2）信息化：數(shù)據(jù)傳輸采用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞酵瑫r(shí)對(duì)多人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用方式靈活多變。（3）智能化：在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中按設(shè)定的不同訓(xùn)練科目自動(dòng)調(diào)整報(bào)警條件和判據(jù)。（4）模塊化：各個(gè)生理參數(shù)采集的開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便調(diào)試維護(hù)。

目前，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸?shù)姆绞?。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定，受環(huán)境因素影響??；缺點(diǎn)是采用有線的方式對(duì)于設(shè)備安裝部署有一定的困難，擬在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上擴(kuò)充無(wú)線連接模塊，使設(shè)備在空間安裝部署更為苛刻的情況下使用

（????）（????）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ健?/p>

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目前主要立足于航空生理訓(xùn)練生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)報(bào)警，而對(duì)于生理參數(shù)數(shù)據(jù)有針對(duì)性的分析以及對(duì)訓(xùn)練效果的自動(dòng)判定還未涉及。下一個(gè)階段的工作是根據(jù)不同訓(xùn)練項(xiàng)目的要求和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、訓(xùn)練績(jī)效自動(dòng)判定和評(píng)價(jià)，將該系統(tǒng)的應(yīng)用納入到航空生理訓(xùn)練的所有科目，使其成為航空生理訓(xùn)練的專有裝備。

[1] 葛宏，呂曉東，范軍，等．飛行員飛行生理參數(shù)記錄檢測(cè)儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研制[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009，30（2）：15-16．

[2] 呂曉東，范軍，劉威，等．一體化動(dòng)態(tài)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)記錄裝置：中國(guó)，03100274．9[P]．2004-06-30．

[3] 蔣科，葛宏，張永寶，等．多人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（7）：21-23．

[4] Anliker U，Ward J A，Lukowiez P，et al．AMON：a wearable multiparameter medical monitoring and alert system[J]．IEEE Trans Inform Tech Biomed，2004，8（4）：415-427．

[5] Pandian P S，Mohanavelu K，Safeer K P，et al．Smart vest：wearable multi-parameter remote physiological monitoring system[J]．Med Eng Phys，2008，30（4）：466-477．

[6] Sagahyroon A，Raddy H，Ghazy A，et al.Design and implementation of a wearable healthcare monitoring system[J]．Int J Electron Healthe，2009，5（1）：68-86．

[7] William H P，William T V．Numerical recipes in C++[M]．胡健偉，趙志勇，薛運(yùn)華，等，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

[8]Stanley B L，Barbara E M．C++Primer中文版[M]．李師賢，蔣愛(ài)軍，梅曉勇，等，譯．北京：人民郵電出版社，2006．

[9]Grady B，James R，Ivar J．UML用戶指南[M]．邵維忠，麻志毅，張文娟，等，譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

[10]Jim B，Robert W．Win32多線程程序設(shè)計(jì)[M]．侯捷，譯．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002．

[11]Jeffery R，Christophe N．Windows核心編程[M]．葛子民，周靖，廖敏，譯．5版．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

（收稿：2014-01-15 修回：2014-05-09）

Development of multi-person physiological parameters monitoring system based on aviation physiological training

JIANG Ke,GE Hong,LIU Wei,ZHANG Yong-bao,HU Xiao-lin
（Institute of Aviation Medicine of Air Force,Beijing 100142,China）

ObjectiveTo design and implement a multi-person physiological parameters monitoring system to adapt to special requirements of aviation physiological training.MethodsMulti-physiological parameters detecting device developed by ourselves,TCP/IP network transmission technology,and multi-thread programming technology were used to achieve this multi-people monitoring system.ResultsThis system could analyze and obtain the results of aviation physiological training parameters accurately at real time.ConclusionThe monitoring device not only can adapt to special requirements of aviation physiological training,but also has the characteristics of miniaturization,informatization，intelligence and modularization,and thus is worth popularizing practically.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：97-99]

aviation physiological training;aviation physiological environment;physiological parameters monitoring

R318；TH772.2

A

1003-8868（2014）09-0022-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.022

蔣 科（1980—），男，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)數(shù)據(jù)通信、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理方面的研究工作，E-mail：tommy_jk@163. com。

100142北京，空軍航空醫(yī)學(xué)研究所（蔣 科，葛 宏，劉 威，張永寶，胡曉林）