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

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

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TCP/IP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。

航空生理训练；航空生理环境；生理参数监测

0 引言

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 系统设计与实现

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。

图1 系统构成示意图

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。

图2 硬件接口关系示意图

图3 血压测量气泵、气阀和电路板连接示意图

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。

图4 呼吸面罩压力传感器封装示意图

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。

图5 多人实时多生理参数监测软件功能结构示意图

（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。

（4）参数设置功能：参数主要分为2部分内容。第一部分主要是对生理采集装置进行硬件设置，如网络IP、端口设置、时钟校准等；第二部分主要是对生理参数报警阈值进行设置，如设置正常心率上下限、正常呼吸率上下限、心电异常事件报警等。参数报警设置与训练项目绑定主要是满足不同训练内容，侧重不同的生理参数，并且对异常生理参数要求的阈值也不一样，所以，需要训练项目进行绑定。

多人实时生理参数监测软件在Virtual Studio 2005开发平台下，使用C++语言编写，运用面向对象的技术思想分别实现各功能模块[7-11]；数据协议进行了模块化封装，方便今后协议修改和升级。该软件界面如图6所示。

图6 多人实时多生理参数监测软件界面

2 应用效果

基于航空生理训练的多人实时生理监测系统的研制任务来源于我所的低压舱实验室建设，目前的设计和实现主要是针对我所低压舱高空缺氧训练、高空加压呼吸训练等航空生理训练设计实现的。该设备可同时支持4人次以上的训练监测，已经进行了20多人次（含飞行员、锻炼员）验证试验及环境试验测试（主要包括高空缺氧体验训练、高空缺氧耐力检查和评定训练、加压呼吸训练），累计达200多条试验数据。经试验证明，该系统软、硬件工作稳定，数据传输完整，可靠性良好且软件处理实时性、数据分析准确性、监测异常报警情况良好。

3 结论

基于航空生理训练的多人生理监测系统具备小型化、信息化、智能化和模块化的特点。（1）小型化：设计实现的生理参数监测设备体积小、质量轻，在航空生理训练试验时方便佩戴、安装，不受场地空间、试验条件等因素的影响。（2）信息化：数据传输采用IP网络传输的方式同时对多人进行实时监测，使用方式灵活多变。（3）智能化：在实时监测过程中按设定的不同训练科目自动调整报警条件和判据。（4）模块化：各个生理参数采集的开发采用模块化设计，方便调试维护。

目前，该系统的数据传输采用有线传输的方式。这种方式的优点是网络传输稳定，受环境因素影响小；缺点是采用有线的方式对于设备安装部署有一定的困难，拟在现有设备的基础上扩充无线连接模块，使设备在空间安装部署更为苛刻的情况下使用

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）无线数据传输的模式。

该系统的设计实现目前主要立足于航空生理训练生理参数的监测报警，而对于生理参数数据有针对性的分析以及对训练效果的自动判定还未涉及。下一个阶段的工作是根据不同训练项目的要求和标准扩展相应的数据分析、训练绩效自动判定和评价，将该系统的应用纳入到航空生理训练的所有科目，使其成为航空生理训练的专有装备。

[1] 葛宏，吕晓东，范军，等．飞行员飞行生理参数记录检测仪数据分析系统的研制[J]．医疗卫生装备，2009，30（2）：15-16．

[2] 吕晓东，范军，刘威，等．一体化动态生理参数监测记录装置：中国，03100274．9[P]．2004-06-30．

[3] 蒋科，葛宏，张永宝，等．多人运动实时生理参数监测系统的设计与实现[J]．医疗卫生装备，2013，34（7）：21-23．

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[10]Jim B，Robert W．Win32多线程程序设计[M]．侯捷，译．武汉：华中科技大学出版社，2002．

[11]Jeffery R，Christophe N．Windows核心编程[M]．葛子民，周靖，廖敏，译．5版．北京：清华大学出版社，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

蒋 科（1980—），男，工程师，主要从事计算机数据通信和移动数据通信、生物医学信号检测与处理方面的研究工作，E-mail：tommy_jk@163. com。

100142北京，空军航空医学研究所（蒋 科，葛 宏，刘 威，张永宝，胡晓林）