基于航空生理训练的多人生理参数实时监测系统的研制

基于航空生理训练的多人生理参数实时监测系统的研制

蒋科;葛宏;刘威;张永宝;胡晓林

【摘要】目的:设计实现一种多人生理参数实时监测系统,满足航空生理训练环境的特殊要求.方法:使用自主研制的多生理参数检测板作为生理信号提取装置,运用TCP3P网络传输技术以及多线程编程技术实现多人生理参数实时监测系统.结果:该系统工作稳定,可以实时准确地分析得到航空生理训练相关的生理检测参数结果.结论:该监测系统可以满足航空生理训练特殊环境的要求,且具有小型化、信息化、智能化和模块化的特点,有一定的推广应用价值.

【期刊名称】《医疗卫生装备》

【年(卷),期】2014(035)009

【总页数】4页(P22-24,93)

【关键词】航空生理训练;航空生理环境;生理参数监测

【作者】蒋科;葛宏;刘威;张永宝;胡晓林

【作者单位】100142北京,空军航空医学研究所;100142北京,空军航空医学研究所;100142北京,空军航空医学研究所;100142北京,空军航空医学研究所;100142北京,空军航空医学研究所

【正文语种】中文

【中图分类】R318;TH772.2

目前，用于航空生理训练、科研试验的生理参数监测、记录、分析装置主要分为3类：一是航空生理训练装备配备的生理监测系统；二是由于训练装备本身没有配备

生理监测装置，而购买成品生理监护系统；三是使用由我所研制的飞行员生理参数记录检测仪（以下简称“生参仪”）。然而，这3类监测系统在飞行员航空生理训练的应用上存在诸多问题。

（1）航空生理训练装备配备的生理监测系统在应用上主要有3个方面的问题：一是配备的生理监测装置大多从国外进口，本土化程度不够，使用不方便；二是当初引进该设备时功能、指标等方面的要求与现在航空生理训练的要求不相适应，导致设备不能充分发挥作用或者弃之不用；三是引进的生理参数监测系统一般存在技术壁垒，无法获取更底层的技术细节，导致训练要求、需求发生变化的情况下无法对该设备进行升级改造，无法满足实际需求。

（2）购买的成品生理监护系统在应用上也存在诸多问题：一是购买的大多数生理参数监测设备的应用对象为医院监护和家庭保健，从功能指标需求或环境适应性上不能满足航空生理训练的要求；二是这些设备对数据分析缺乏针对性，不具备航空生理训练辅助评价的功能。

（3）生参仪的使用存在的主要问题包括：一是检测生理指标与航空训练的需要不完全适应；二是生参仪以记录卡式的非实时分析应用为主[1-3]。

所以，根据上述存在的问题还需要研制一种为航空生理训练专用的飞行员生理监测装置。

1.1 系统总体设计

系统主要由多生理参数信号提取装置、多人实时生理参数监测计算机终端以及搭载在该终端计算机上的中心监测管理软件构成。系统结构如图1所示。

多参数生理信号提取装置的研制首先应尽量涵盖所有航空生理训练所要求监测的生理参数，该装置所监测的生理参数包括5导联心电、血氧、血压、温度。除了监测常规的生理参数外，还为航空生理训练加入专有的氧气呼吸面罩压力及呼吸率参数监测。

其次，需考虑航空生理训练环境的特殊要求，比如在低压舱环境下进行航空生理训练需要考虑低气压、高低温的因素。特殊条件下使用常规的生理参数采集传感器、电子元器件不仅影响采集装置的传感器精度、测量范围，进而降低整个设备的性能，而且影响元器件的寿命，造成该设备的故障率高，维修不方便。所以，在多生理参数采集板的开发过程中尽量选取满足一定航空适应性要求的传感器、元器件作集成开发。该生理采集装置还遵循小型化的设计原则，在满足航空生理训练环境适应性的条件下选取尺寸小、质量轻的元器件、传感器。

最后，应考虑航空生理训练往往存在多人同时展开训练，而且有些训练项目有一定风险，所以，要求该监测装置具备同时多人生理参数的准确实时监测功能。各个生理数据的采集、算法设计全部在硬件芯片上实现，数据传输包括原始数据以及生理参数的相关指标结果，不用中心监测终端计算后再显示，提高监测的实时性。

1.2 硬件设计与实现

系统硬件设备主要包括生理参数检测装置和中心监测终端计算机2个部分。

生理参数检测装置集成了一块多生理参数采集电路板，包括心电、血氧、血压和温度（2通道）的常规生理参数传感器以及氧气呼吸面罩压力及呼吸参数传感器电路、袖带血压充气泵、电源模块、网络传输模块，其硬件接口关系如图2所示。各个

采集模块通过硬件算法计算得到相关波形参数（ECG、SpO2等）、数字参数（心率、血氧浓度、血压等），使用预先定义的数据协议包封装成IP数据包，通过IP 网络传输到中心监测计算机终端。该数据协议也包括对采集装置的各种参数设置命令，利用中心监测计算机终端软件来控制生理参数采集装置[4-6]。

多参数测量电路板中对于血压的测量所需的部件最多，也最为复杂，它由压力传感器、气泵、气阀（快阀和慢阀）、设备接口血压插座以及连接这些部件的三通转接头、四通转接头组成。其连接方式如图3所示。拔下气阀的橡胶管路，查看气阀

的出气孔，孔径小的是慢阀，孔径大的是快阀；慢阀的供电电线插头连接电路板

J17插座，快阀连接J18插座，充气泵的供电线插头连接J15插座。安装管路时不可皱折，以确保压力传感器与器官尽量保持良好通气。

另外，氧气呼吸面罩压力及呼吸参数传感器是本设备实现的另一个难点问题。它选用的霍尼韦尔TruStability高精度硅压力传感器可提供在制定满量程压力范围和温度范围内读取压力的比率模拟输出，可通过使用板载专用集成电路针对传感器零点、灵敏度、温度影响和非线性进行充分校准和温度补偿。该传感器的工作电压较低、功耗极小，可在-20～85℃范围内工作，测量范围在60 mbar～10 bar（1

bar=1×105Pa），完全符合航空训练环境适应性的要求，呼吸面罩压力测量精确稳定，传感器封装形式如图4所示。

多人实时多生理参数中心监测终端载体可选用商用服务器或便携式计算机等，通过网络设备将中心监测计算机终端与各个生理监测设备互联，实时获取监测数据。中心监测设备完成生理参数数据的显示、存储以及数据管理等。

1.3 软件设计与实现

多人实时多生理参数监测软件采用模块化设计，将软件根据不同的功能需求分为4个功能模块，如图5所示。

（1）数据管理功能模块：主要用来创建航空生理训练项目、创建人员基本信息、训练人员信息与实验项目绑定，还包括已完成实验项目人员信息和训练数据的管理。（2）实时监测分析功能：将实时采集的生理参数信息进行分析显示，主要显示的波形有心电波形、呼吸波形、血氧波形，主要显示的参数有心率、呼吸率、血压、体表温度、脉率和呼吸面罩压力参数，其他还包括硬件故障或检测装置佩戴不正确等参数显示。

（3）数据回顾功能：实时回顾训练监测数据；形成统计分析报告，报告内容包括心搏总数，正常、异常心搏数，最快、最慢心率，呼吸率，体表温度，血压及时点，异常心电事件及其关联参数统计等。