CN114176542A - 一种飞行员瞬间生理状态评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种飞行员瞬间生理状态评估方法，采用一种飞行员可穿戴生理心理监测装置，对飞行员头部与腹部的多项生理参数进行采集与实时监测，以实现在G‑LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，为飞行安全评估提供保障。

Description

一种飞行员瞬间生理状态评估方法
技术领域
本发明涉及状态评估技术领域，尤其涉及一种飞行员瞬间生理状态评估方法。
背景技术
飞行员生理与心理信息监测记录装置由飞行员穿戴，主要在驾驶舱内使用。目前市面上采用的可穿戴的技术形式，包括腰带式和帽式可穿戴生理参数监测装备，生理腰带用于实时测量和记录心电、呼吸、三相加速度等参数，帽式可穿戴设备用于测量和记录头部脉搏信号和血氧饱和度，但均存在一定的局限性，未考虑采集综合生理与心理数据，进而对飞行员瞬间生理状态评估效果不佳。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种飞行员瞬间生理状态评估方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种飞行员瞬间生理状态评估方法，采用一种飞行员可穿戴生理心理监测装置，对飞行员头部与腹部的多项生理参数进行采集与实时监测，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，具体步骤如下：
（1）将飞行员可穿戴生理心理监测装置中的腰带式检测器戴在飞行员腹部，通过采集板采集呼吸信号、通过心电电极采集心电信号及通过三轴加速度传感器采集三相加速度信号；头带式检测器戴在飞行员头部，用于采集脉搏信号与血氧饱和度；且腰带式检测器和头带式检测器之间通过无线方式连接，并通过腰带式检测器进行数据传输与供电；
（2）腰带式检测器利用PVDF材料的压电特性，实现呼吸信号的测量，其接口电路采用电荷-电压转换技术，以去除引线长度、位置变化和空间电磁波带来的干扰；心电检测采用如锌白铜的材料制作接触式心电电极，采用抗极化电势的前级电路设计，以实现非黏贴接触式的心电测量；
呼吸信号处理电路包括放大电路、低通滤波电路、同向放大电路及无源低通电路，采集板采集的呼吸信号通过放大电路进入低通滤波电路，在低通滤波电路中经滤波后由同向放大电路进行信号放大，再进入无源低通电路处理后进行信号输出至数据采集电路；
心电信号处理电路包括有源电极、仪表放大电路、50Hz工频陷波电路、低通滤波电路、同向放大电路及无源低通电路，心电电极采集的心电信号经有源电极输入至仪表放大电路，再经50Hz工频陷波电路与低通滤波电路处理后由同向放大电路进行信号放大，通过无源低通电路将信号输出至数据采集电路；
三相加速度信号通过三轴加速度传感器采集，加速信号处理电路由三轴加速度传感器、同向放大电路及低通滤波电路组成，三轴加速度传感器采集三相加速度信号后将三相加速度信号传输至同向放大电路进行信号放大，再由低通滤波电路进行滤波后将信号输出至数据采集电路；
（3）储存生理信号数据，采用SD卡实现低功耗、大容量生理信号数据实时存储，SD卡数据存储处理电路包括数据采集电路、数据分析电路、数据存储器，数据采集电路用于采集生理信号数据，数据采集电路一端与呼吸信号处理电路、心电信号处理电路及加速信号处理电路连接，数据采集电路另一端与数据分析电路连接，用于将生理信号数据发送至数据分析电路，嵌入式处理器模块与数据分析电路连接，数据分析电路对生理信号数据进行分析后储存在数据存储器内；
（4）嵌入式处理器模块利用ARM11芯片作为控制单元，DSP芯片作为执行机构，构建生理参数实时检测组件，心率、呼吸率的检测及血氧饱和度的计算算法固化于DSP芯片中；数据分析电路以心率、呼吸率、心电及呼吸波信号的特征点检测为基础进行生理信号数据分析，特征点的检测采取小波分析结合模板匹配算法；
（5）上位机中设置有数据回放分析程序与数据管理程序，且数据回放分析程序、数据管理程序分别与嵌入式处理器模块连接，数据回放分析程序利用VB结合C语言动态链接库进行数据回放分析，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，主要进行数据读取和波形显示，生理参数变化的趋势图及统计图的生成、心率变异性分析及结果的打印输出等；而后利用Excess软件编写数据管理程序，管理生理数据和分析结果；并在数据管理程序内设置有加密狗功能，只有在授权状态下，才能正常使用程序以及读取和分析数据，防止失泄密。
在本发明中，飞行员可穿戴生理心理监测装置包括腰带式检测器、头带式检测器、嵌入式处理器模块、SD卡数据存储处理电路及电源模块，其中，所述腰带式检测器戴在飞行员腹部，所述头带式检测器戴在飞行员头部，且所述腰带式检测器内设置有用于采集呼吸信号的采集板、用于采集心电信号的心电电极、用于采集三相加速度信号的三轴加速度传感器、呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路及嵌入式处理器模块，所述采集板与呼吸信号处理电路连接，所述心电电极与心电信号处理电路连接，所述三轴加速度传感器与加速信号处理电路连接；所述头带式检测器包括反射式脉搏波传感器、血氧信号处理电路及弹性尼龙带，所述弹性尼龙带上安装有反射式脉搏波传感器与血氧信号处理电路，所述反射式脉搏波传感器与血氧信号处理电路连接；所述SD卡数据存储处理电路包括数据采集电路、数据分析电路、数据存储器，所述呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路及血氧信号处理电路分别通过数据采集电路与数据分析电路连接，所述数据分析电路与数据分析电路连接，所述数据分析电路与数据存储器连接；所述电源模块与嵌入式处理器模块、呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路、血氧信号处理电路及SD卡数据存储处理电路连接。
在本发明中，头带式检测器核心为反射式脉搏波传感器，反射式脉搏波传感器采用额头光反射式方法以及数字滤波技术动态测量头部脉搏波信号，并利用朗伯-比尔定律计算血氧饱和度，所述反射式脉搏波传感器由一个发射极和两个接收极组成，以提高信号的信噪比，头带式检测器信号处理路径：由发射二极管采集头部脉搏波信号并发送至接收二极管，而后由接收二极管将头部脉搏波信号发送至光电转换电路进行转换，转换后的信号传输至仪表放大电路进行放大，放大后的信号再由A/D转换电路转换后传输至数字滤波电路，经过滤波处理后计算SaO2得到血氧饱和度，后经数据传输至腰带式检测器；血氧饱和度标定采用SmartSet的血氧模拟仪，并用Masimo Radical-7血氧仪作比对，进行分段校正。
有益效果：本发明采用腰带式检测器和头带式检测器对飞行员头部与腹部的多项生理参数进行采集与实时监测，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，为飞行安全评估提供保障。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中的飞行员可穿戴生理心理监测装置框图。
图2为本发明的较佳实施例中的呼吸信号处理电路示意图。
图3为本发明的较佳实施例中的心电信号处理电路示意图。
图4为本发明的较佳实施例中的加速信号处理电路示意图。
图5为本发明的较佳实施例中的SD卡数据存储处理电路示意图。
图6为本发明的较佳实施例中的头带式检测信号处理电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
一种飞行员瞬间生理状态评估方法，采用一种飞行员可穿戴生理心理监测装置，如图1所示，对飞行员头部与腹部的多项生理参数进行采集与实时监测，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，具体步骤如下：
（1）将飞行员可穿戴生理心理监测装置中的腰带式检测器戴在飞行员腹部，通过采集板采集呼吸信号、通过心电电极采集心电信号及通过三轴加速度传感器采集三相加速度信号；头带式检测器戴在飞行员头部，用于采集脉搏信号与血氧饱和度；腰带式检测器和头带式检测器联合工作，共同组成一体化飞行员可穿戴生理心理监测装置，且腰带式检测器和头带式检测器之间通过无线方式连接，并通过腰带式检测器进行数据传输与供电；
（2）腰带式检测器利用PVDF材料的压电特性，实现呼吸信号的测量，其接口电路采用电荷-电压转换技术，以去除引线长度、位置变化和空间电磁波带来的干扰；心电检测采用如锌白铜的材料制作接触式心电电极，采用抗极化电势的前级电路设计，以实现非黏贴接触式的心电测量；
呼吸信号处理电路包括放大电路、低通滤波电路、同向放大电路及无源低通电路，如图2所示，PVDF采集板采集的呼吸信号通过放大电路进入低通滤波电路，在低通滤波电路中经滤波后由同向放大电路进行信号放大，再进入无源低通电路处理后进行信号输出至数据采集电路；
心电信号处理电路包括有源电极、仪表放大电路、50Hz工频陷波电路、低通滤波电路、同向放大电路及无源低通电路，如图3所示，心电电极采集的心电信号经有源电极输入至仪表放大电路，再经50Hz工频陷波电路与低通滤波电路处理后由同向放大电路进行信号放大，通过无源低通电路将信号输出至数据采集电路；
三相加速度信号通过三轴加速度传感器采集，加速信号处理电路由三轴加速度传感器、同向放大电路及低通滤波电路组成，如图4所示，三轴加速度传感器采集三相加速度信号后将三相加速度信号传输至同向放大电路进行信号放大，再由低通滤波电路进行滤波后将信号输出至数据采集电路；
（3）储存生理信号数据，采用SD卡实现低功耗、大容量生理信号数据实时存储，SD卡数据存储处理电路包括数据采集电路、数据分析电路、数据存储器，如图5所示，数据采集电路用于采集生理信号数据，数据采集电路一端与呼吸信号处理电路、心电信号处理电路及加速信号处理电路连接，数据采集电路另一端与数据分析电路连接，用于将生理信号数据发送至数据分析电路，嵌入式处理器模块与数据分析电路连接，数据分析电路对生理信号数据进行分析后储存在数据存储器内；
（4）嵌入式处理器模块利用ARM11芯片作为控制单元，DSP芯片作为执行机构，构建生理参数实时检测组件，心率、呼吸率的检测及血氧饱和度的计算算法固化于DSP芯片中；数据分析电路以心率、呼吸率、心电及呼吸波信号的特征点检测为基础进行生理信号数据分析，特征点的检测采取小波分析结合模板匹配算法；
（5）上位机中设置有数据回放分析程序与数据管理程序，且数据回放分析程序、数据管理程序分别与嵌入式处理器模块连接，数据回放分析程序利用VB结合C语言动态链接库进行数据回放分析，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，主要进行数据读取和波形显示，生理参数变化的趋势图及统计图的生成、心率变异性分析及结果的打印输出等；而后利用Excess软件编写数据管理程序，管理生理数据和分析结果；并在数据管理程序内设置有加密狗功能，只有在授权状态下，才能正常使用程序以及读取和分析数据，防止失泄密。
在本实施例中，飞行员可穿戴生理心理监测装置包括腰带式检测器、头带式检测器、嵌入式处理器模块、SD卡数据存储处理电路及电源模块，其中，所述腰带式检测器戴在飞行员腹部，用于采集呼吸信号、心电信号及三相加速度信号，所述头带式检测器戴在飞行员头部，用于检测脉搏信号与血氧饱和度，且所述腰带式检测器内设置有用于采集呼吸信号的PVDF采集板、用于采集心电信号的心电电极、用于采集三相加速度信号的三轴加速度传感器、呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路及嵌入式处理器模块，所述PVDF采集板与呼吸信号处理电路连接，所述心电电极与心电信号处理电路连接，所述三轴加速度传感器与加速信号处理电路连接；所述头带式检测器包括反射式脉搏波传感器、血氧信号处理电路及弹性尼龙带，所述弹性尼龙带上安装有反射式脉搏波传感器与血氧信号处理电路，所述反射式脉搏波传感器与血氧信号处理电路连接；所述SD卡数据存储处理电路包括数据采集电路、数据分析电路、数据存储器，所述呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路及血氧信号处理电路分别通过数据采集电路与数据分析电路连接，所述数据分析电路与数据分析电路连接，所述数据分析电路与数据存储器连接；所述电源模块与嵌入式处理器模块、呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路、血氧信号处理电路及SD卡数据存储处理电路连接。
在本实施例中，头带式检测器核心为反射式脉搏波传感器，反射式脉搏波传感器采用额头光反射式方法以及数字滤波技术动态测量头部脉搏波信号，并利用朗伯-比尔定律计算血氧饱和度，所述反射式脉搏波传感器由一个发射极和两个接收极组成，以提高信号的信噪比，头带式检测器信号处理路径，如图6所示，由发射二极管采集头部脉搏波信号并发送至接收二极管，而后由接收二极管将头部脉搏波信号发送至光电转换电路进行转换，转换后的信号传输至仪表放大电路进行放大，放大后的信号再由A/D转换电路转换后传输至数字滤波电路，经过滤波处理后计算SaO2得到血氧饱和度，后经数据传输至腰带式检测器；血氧饱和度标定采用SmartSet的血氧模拟仪，并用Masimo Radical-7血氧仪作比对，进行分段校正。

Claims (9)

1.一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，采用一种飞行员可穿戴生理心理监测装置，对飞行员头部与腹部的多项生理参数进行采集与实时监测，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估，具体步骤如下：
（1）将飞行员可穿戴生理心理监测装置中的腰带式检测器戴在飞行员腹部，通过采集板采集呼吸信号、通过心电电极采集心电信号及通过三轴加速度传感器采集三相加速度信号；头带式检测器戴在飞行员头部，用于采集脉搏信号与血氧饱和度；所述腰带式检测器与头带式检测器连接；
（2）用于处理呼吸信号的呼吸信号处理电路包括放大电路、低通滤波电路、同向放大电路及无源低通电路，采集板采集的呼吸信号通过放大电路进入低通滤波电路，在低通滤波电路中经滤波后由同向放大电路进行信号放大，再进入无源低通电路处理后进行信号输出至数据采集电路；
用于处理心电信号的心电信号处理电路包括有源电极、仪表放大电路、50Hz工频陷波电路、低通滤波电路、同向放大电路及无源低通电路，心电电极采集的心电信号经有源电极输入至仪表放大电路，再经50Hz工频陷波电路与低通滤波电路处理后由同向放大电路进行信号放大，通过无源低通电路将信号输出至数据采集电路；
用于处理三相加速度信号的加速信号处理电路包括三轴加速度传感器、同向放大电路及低通滤波电路，三轴加速度传感器采集三相加速度信号后将三相加速度信号传输至同向放大电路进行信号放大，再由低通滤波电路进行滤波后将信号输出至数据采集电路；
（3）采用SD卡储存生理信号数据，SD卡数据存储处理电路包括数据采集电路、数据分析电路、数据存储器，数据采集电路用于采集生理信号数据，数据采集电路一端与呼吸信号处理电路、心电信号处理电路及加速信号处理电路连接，数据采集电路另一端与数据分析电路连接，嵌入式处理器模块与数据分析电路连接，数据分析电路对生理信号数据进行分析后储存在数据存储器内；
（4）嵌入式处理器模块设置有控制单元、执行机构，通过控制单元与执行机构构建生理参数实时检测组件；数据分析电路以心率、呼吸率、心电信号及呼吸波信号的特征点检测为基础进行生理信号数据分析；
（5）上位机中设置有数据回放分析程序与数据管理程序，且数据回放分析程序、数据管理程序分别与嵌入式处理器模块连接，数据回放分析程序利用VB结合C语言动态链接库进行数据回放分析，以实现在G-LOC、部分空间定向障碍发生时，对飞行员瞬间生理状态进行评估；而后利用Excess软件编写数据管理程序，管理生理数据与分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，步骤（1）中，所述腰带式检测器和头带式检测器之间通过无线方式连接。
3.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，步骤（2）中，所述采集板的制备材料为PVDF材料。
4.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，步骤（2）中，所述呼吸信号处理电路的接口电路采用电荷-电压转换技术。
5.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，步骤（2）中，所述心电电极采用抗极化电势的前级电路设计。
6.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，步骤（4）中，嵌入式处理器模块采用ARM11芯片作为控制单元，DSP芯片作为执行机构。
7.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，步骤（4）中，特征点的检测采取小波分析结合模板匹配算法。
8.根据权利要求1所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，飞行员可穿戴生理心理监测装置包括腰带式检测器、头带式检测器、嵌入式处理器模块、SD卡数据存储处理电路及电源模块，其中，所述腰带式检测器戴在飞行员腹部，所述头带式检测器戴在飞行员头部，且所述腰带式检测器内设置有用于采集呼吸信号的采集板、用于采集心电信号的心电电极、用于采集三相加速度信号的三轴加速度传感器、呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路及嵌入式处理器模块，所述采集板与呼吸信号处理电路连接，所述心电电极与心电信号处理电路连接，所述三轴加速度传感器与加速信号处理电路连接；所述头带式检测器包括反射式脉搏波传感器、血氧信号处理电路及弹性尼龙带，所述弹性尼龙带上安装有反射式脉搏波传感器与血氧信号处理电路，所述反射式脉搏波传感器与血氧信号处理电路连接；所述SD卡数据存储处理电路包括数据采集电路、数据分析电路、数据存储器，所述呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路及血氧信号处理电路分别通过数据采集电路与数据分析电路连接，所述数据分析电路与数据分析电路连接，所述数据分析电路与数据存储器连接；所述电源模块与嵌入式处理器模块、呼吸信号处理电路、心电信号处理电路、加速信号处理电路、血氧信号处理电路及SD卡数据存储处理电路连接。
9.根据权利要求8所述的一种飞行员瞬间生理状态评估方法，其特征在于，所述反射式脉搏波传感器由一个发射极和两个接收极组成。
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