蔣 科，李毅峰，張莉莉，張小雪，徐 艷，李寶輝，金 朝，楊明浩，衛(wèi)曉陽

（空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京 100142）

0 引言

載人離心機作為大型衛(wèi)生裝備被廣泛應(yīng)用于飛行員高載荷條件下的醫(yī)學(xué)選拔、檢查鑒定以及航空醫(yī)學(xué)研究中[1]。在高載荷條件下，人體在正加速度（+Gz）作用下隨著液體靜壓梯度的增加，血液分布改變，血液沿著慣性力方向向下半身轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頭（眼）水平動脈血壓降低，大腦缺血、缺氧，出現(xiàn)視力甚至意識的改變、喪失[2]。當(dāng)腦血流下降到臨界點以下時，腦組織發(fā)生急性缺血缺氧，突然出現(xiàn)對客觀現(xiàn)實喪失感知及反應(yīng)能力的狀態(tài)稱為+Gz引起的意識喪失（G-induced lose of consciousness，G-LOC）[3]。外軍報道飛行訓(xùn)練中的G-LOC發(fā)生率為7.7%～9.0%[4]，載人離心機訓(xùn)練中的G-LOC發(fā)生率為6.40%～34.9%[3，5-6]。據(jù)統(tǒng)計，我軍飛行員載人離心機訓(xùn)練中的G-LOC發(fā)生率為5%[7]。因此，針對載人離心機訓(xùn)練中飛行員的G-LOC，如何采取對策進行預(yù)警及判定成為當(dāng)前航空醫(yī)學(xué)研究的重點、熱點問題[8-10]。

在G-LOC預(yù)警方面，美國、俄羅斯等國家進行了大量的研究和初步的飛行試驗，雖然取得了一定成果，但仍然存在亟待解決的問題，其中核心的問題是如何尋找可行、可靠的G-LOC預(yù)警指標和方法[8，11-15]。目前，我國也在開展這方面的研究，通過載人離心機產(chǎn)生高載荷作用于人體，觀察人體出現(xiàn)G-LOC反應(yīng)癥狀時的一些生理指標參數(shù)變化，探討監(jiān)測和判斷G-LOC反應(yīng)癥狀出現(xiàn)的指征和方法，但仍未研制出可靠、可行的監(jiān)測裝備[16-17]。有研究表明，無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測具有G-LOC預(yù)警的可能性[17-18]。美國阿姆斯特朗技術(shù)實驗室研究了在高+Gz載荷條件下人體左心室血壓、眼水平血壓、中樞靜脈血壓的變化[19]，在+Gz作用下，人體各血壓參數(shù)都呈現(xiàn)不同程度的降低，無創(chuàng)連續(xù)血壓的監(jiān)測有可能成為飛行員加速度耐力評估或預(yù)測G-LOC反應(yīng)發(fā)生的敏感指標[20]。傳統(tǒng)的血壓測量設(shè)備測量速度慢、周期長，而載人離心機高載荷訓(xùn)練僅僅持續(xù)十余秒，人體產(chǎn)生的血壓變化轉(zhuǎn)瞬即逝，傳統(tǒng)血壓測量設(shè)備無法捕獲連續(xù)血壓的趨勢變化。因此，亟須在離心機座艙內(nèi)加裝一臺無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測裝置，以實時采集人體血壓變化。但是一般醫(yī)用級別的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備內(nèi)外結(jié)構(gòu)缺乏有效加固和減振手段，在載人離心機高載荷運行環(huán)境下容易造成電路板變形、斷裂，連接線纜松動、脫落等問題，導(dǎo)致無法獲得穩(wěn)定的血壓信號。鑒于此，本研究設(shè)計一種載人離心機無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)，通過填充、捆扎、點膠固定等多種加固減振處理方法，解決無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部電路、線纜的固定問題，并在設(shè)備外部附加剛性連接件，固定于載人離心機座艙地面，使其在高載荷環(huán)境下不產(chǎn)生晃動，從而可以獲取穩(wěn)定的連續(xù)血壓信號。

1 總體設(shè)計

如圖1所示，無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)主要由無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機、前端傳感器單元和上位機生理參數(shù)監(jiān)測軟件3個部分組成。

圖1 無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

前端傳感器單元主要包括指套、袖帶、高度校正單元。為適應(yīng)受試者的體位變動，提供更準確的肱動脈血壓信號，由手指動脈壓重建肱動脈血壓和手臂肱動脈血壓數(shù)據(jù)。通過指套采集手指端血壓數(shù)據(jù)，使用袖帶測量上臂袖帶壓，利用高度校正單元對手指血壓數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)、校正，得到與手臂肱動脈血壓相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機解析計算后獲得血流動力學(xué)參數(shù)和連續(xù)血壓波形。

無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機采集、分析得到血流動力學(xué)參數(shù)和連續(xù)血壓波形數(shù)據(jù)后，進行濾波算法處理以消除干擾，再經(jīng)串口通信和傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）通信實時傳輸至上位機生理參數(shù)監(jiān)測軟件。

上位機生理參數(shù)監(jiān)測軟件實現(xiàn)血流動力學(xué)參數(shù)和連續(xù)血壓波形等數(shù)據(jù)的顯示、存儲、回放、設(shè)備遠程配置等功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 設(shè)備選型

當(dāng)前國內(nèi)外成熟的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備較少，測量方式主要有2種：一是指端血壓測量，二是橈動脈血壓測量。指端血壓探頭無需固定于手腕，佩戴方式對載人離心機受試者手部活動影響較小，測量探頭質(zhì)量輕，受離心場影響也相對較小，并且可重復(fù)使用。橈動脈血壓測量需將托板固定于手腕和手掌，采集探頭較大，需要固定手的方向以減小對測量的影響，對飛行員手的活動操作限制較大且需要一次性耗材。比較以上2種血壓測量方式，指端血壓測量更適合載人離心機的使用環(huán)境，且無一次性耗材，可降低使用維護成本。另外，由于無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機安置于座艙，在載人離心機運轉(zhuǎn)情況下，需要開放遠程通信接口來實時獲取連續(xù)血壓監(jiān)測參數(shù)。因此，為滿足載人離心機的使用要求，設(shè)備主機必須具備數(shù)據(jù)實時發(fā)送及參數(shù)接收功能。綜合上述要求，本研究選取荷蘭FMS公司的FMS-8C無創(chuàng)連續(xù)血壓測量儀。

前端傳感器單元采用荷蘭FMS公司的NanoCore傳感器模塊，其指套和袖帶的壓力測量范圍為0～300 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），在升壓或降壓量程范圍內(nèi)指套和袖帶的測量誤差＜±3 mmHg，量程和測量精度都滿足實際使用需求。

2.2 技術(shù)原理

無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機采用容積補償?shù)姆椒ǎ脛用}外部加壓氣囊、檢測動脈脈搏的光電傳感器和控制氣囊壓力的反饋控制系統(tǒng)連續(xù)測量血壓。由于被測動脈血管壁外部壓力的波形變化在形態(tài)及幅值上都與該動脈內(nèi)血壓周期性變化的波形完全相同，這時只要用壓力傳感器連續(xù)測出氣囊的壓力值，即可實現(xiàn)連續(xù)血壓波形和血壓值的測量[20-22]。

2.3 硬件改造

本研究對于硬件改造充分考慮載人離心機加速度、振動等特殊力學(xué)環(huán)境，采用機殼內(nèi)部局部和整體框架加固的方式對無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機進行改造，以滿足其在載人離心機離心場下的正常工作要求。對設(shè)備主機的內(nèi)部加固主要采取以下3種方式（如圖2所示）：（1）對設(shè)備主機內(nèi)部結(jié)構(gòu)脆弱部位采用中等彈力、耐高溫220℃的防火硅膠棉進行填充、補強。防火硅膠棉拉伸性良好、拉裂強度高，在+Gz的作用下可以起到很好的緩沖減振效果，且該材料耐高溫，有很好的密封防火效果。（2）對內(nèi)部線纜采用捆扎固定的方式加固。在加速度作用下，電氣線纜容易受到離心力作用的拉扯，作用時間長會導(dǎo)致線纜接插件脫落，更嚴重的則會造成線纜斷裂，因此通過捆扎將線纜與設(shè)備主機內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)部分進行固定。（3）對緊固螺釘及線纜接插件使用膠水進行防松加固。緊固螺釘和線纜接插件在長時間離心力和振動的作用下會松動、脫落，因此對緊固螺釘和線纜接插件涂裝高強度厭氧固定膠。

圖2 無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機內(nèi)部加固示意圖

在離心機座艙內(nèi)采用高強度角鋼制作半包式承載支架包裹無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機，利用承載支架自帶安裝耳孔及4顆M6防松螺釘固定于艙內(nèi)地板，以減少座艙運轉(zhuǎn)對其的影響，保證在離心場環(huán)境下的穩(wěn)固性。無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機外部加固示意圖如圖3所示。

圖3 無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機外部加固示意圖

3 軟件設(shè)計

上位機生理參數(shù)監(jiān)測軟件通過重新定制數(shù)據(jù)接口協(xié)議進行開發(fā)，以獲取數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)對無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機的控制。本軟件基于Windows系統(tǒng)、使用Visual Studio 2015軟件開發(fā)，由于需要同時處理多個任務(wù)，故采用多線程模型開發(fā)[23-26]，集成多參數(shù)的顯示及存儲。前端傳感器單元采集到手指動脈血壓、上臂肱動脈血壓后，通過無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機分析處理輸出連續(xù)的血流動力學(xué)參數(shù)和血壓波形數(shù)據(jù)到本軟件，軟件收到數(shù)據(jù)后利用高速緩存在計算機終端上顯示和同步存儲。本軟件還可以實現(xiàn)設(shè)備主機遠程開啟/關(guān)閉測試、開啟反饋校正、下發(fā)受試人員基本信息、回放、生成特定報告等功能。本軟件主界面可顯示連續(xù)舒張壓、收縮壓、脈率等參數(shù)的實時值及波形，如圖4所示。

圖4 連續(xù)血壓監(jiān)測主界面

4 加速度驗證試驗

改造完無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機后，對其進行加速度驗證試驗，檢驗設(shè)備主機是否滿足正常監(jiān)測的性能要求，試驗場景如圖5所示。首先開啟無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機進行血壓測量，記錄人體血壓、心率值。之后將無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機固定于承載支架上，將承載支架分別以正負X、Y、Z6個方向固定于離心機上，啟動離心機，達到15g后保持15 min，然后停止運行離心機進行血壓測量，每個軸向測量2次，記錄人體血壓、心率值。加速度驗證試驗結(jié)果詳見表1。

表1 無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機加速度驗證試驗結(jié)果單位：mmHg

圖5 無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機加速度驗證試驗場景

分別對試驗前后的收縮壓、舒張壓和平均壓進行配對樣本t檢驗，檢驗結(jié)果詳見表2。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在加速度試驗前后測量的人體收縮壓、舒張壓和平均壓均沒有顯著性變化（P＞0.05），即無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主機在加速度試驗前后的設(shè)備性能沒有發(fā)生顯著變化，證明其滿足可靠性使用要求。

表2 加速度驗證試驗前后血壓測量數(shù)據(jù)t檢驗統(tǒng)計結(jié)果單位：mmHg

5 結(jié)語

載人離心機無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了加速度、振動力學(xué)環(huán)境下的要求，在加速度驗證試驗中，在正負X、Y、Z6個方向的15g加速度作用下，測得的收縮壓、舒張壓和平均壓沒有發(fā)生異常波動或偏離正常測試值。這表明無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)的功能及性能滿足高載荷條件下的應(yīng)用需求，可以在15g嚴酷力學(xué)環(huán)境下對人體的連續(xù)動態(tài)血壓進行采集監(jiān)測，能夠?qū)崟r獲取飛行員整個高過載訓(xùn)練過程中伴隨抗荷動作的連續(xù)血壓變化，為下一步利用多模態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)合對G-LOC預(yù)警及拓展飛行員抗荷能力評估方法的研究奠定了基礎(chǔ)。

目前，載人離心機無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)還存在以下問題：（1）目前設(shè)備主機選用的是成熟產(chǎn)品，經(jīng)過適應(yīng)性改造后安裝在載人離心機座艙內(nèi)，主機體積較大，因座艙空間有限，對設(shè)備的安裝、拆卸和維護造成一定的困難；（2）由于設(shè)備主機不具備監(jiān)測載荷值的能力，目前無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測與高載荷值的同步一致性存在微小偏差。下一步工作將在以下3個方面展開：一是利用現(xiàn)有產(chǎn)品的電路板重新設(shè)計主機外殼，充分考慮線纜和電路板的整體加固、減振以及安裝、拆卸、工裝一體化設(shè)計；二是在電路板上擴充加裝加速度傳感器，實現(xiàn)過載值與連續(xù)血壓值同步采集監(jiān)測；三是結(jié)合耳脈搏波、腦電、無創(chuàng)連續(xù)血壓等多個生理參數(shù)進行基于多模態(tài)的人工智能加速度耐力評估和G-LOC預(yù)警研究。