军车乘员生理状态在途监控干预指导系统研究

万红，王延琦，考希宾，夏宝清，姬丽静，闫金海，陈亚妮，郭孝文

(兵器工业卫生研究所 中国兵器工业集团人-机-环境重点实验室，西安 710065)

1 引言

坦克装甲车辆作为相对独立的作战单元，在全地域、全天候环境下作战，作战半径大、时间长，乘员面临着高强度持续、独立作战及高温、高原等特殊环境，生理心理都会产生影响，造成紧张、身心疲惫、疾病等不良状态，影响作业能力的发挥[1]。另外在战场上坦克装甲车辆一旦被击中，乘员受伤的几率较高[2]，需要及时开展救治。通过对乘员生理状态的评估判定，并给予干预指导，指导乘员采取措施，进行高效的自我干预和自救互救，对保障乘员战斗力具有重要意义。随着坦克装甲车辆信息化、智能化的不断发展，乘员与车辆的融合愈加紧密，乘员状态与车辆状态一样受到重视，美军的“斯特赖克”装甲车已计划已将乘员状态纳入其车辆健康状态管理系统中[3]，我军乘员状态监控研究也势在必行，利用车辆信息化平台，开展了乘员生理状态监控干预指导系统设计研究。

2 系统设计思路

军车乘员生理状态监控干预指导系统为软件系统，包括生理参数接受模块、生理参数处理模块、状态显示模块和干预指导模块，安装在车内终端上，在终端上设置相应的按钮，点击该按钮进入系统。系统通过乘员端的生理监测装置和车内总线获取每位乘员生理参数信息，根据设定的参数预警值，自动将乘员的生理状态判定为正常和关注。在关注状态下可提示应采取的针对性措施，车长根据车辆所处状态，组织采取措施有效地进行自我干预防护(见图1)。

图1 系统设计框图

系统实现的功能包括：

(2)实时判定、显示各乘载员生理状态，通过设定的每项参数预警值，自动判定为正常、关注两种状态，以文字及绿色、黄色指示灯指示。

(3)点击每个乘载员图标能够显示单人的每项实时生理参数及是否异常。

(4)如果超过预警值处于关注状态，可启动干预指导，以文字显示需要采取的相应措施。

3 预警值的设定

军车乘员在作战过程中，心率、呼吸速率、体温等生理参数的变化可以反映应激、感染或中暑、缺氧(高原)、战伤等状态，当这些生理参数发生异常变化超过了预警值时，说明乘员处于需要关注的状态。生理参数预警值的设定需综合各参数的正常范围值及乘员特点。

正常成人在安静状态下心率为50～100次/min，平均72次/min。乘员为身体健康的青年人，可以排除因心血管疾病导致的心率异常，心率变化主要是受精神、体力活动及战伤等因素影响，在预警值的设定上，需要排除正常作业带来的影响。乘员作业以坐姿和信息处理为主，为轻到中劳动，正常作业心率一般不超过116次/min[4]；另外由于乘员为常年训练的青年人，因此安静时有人心率可在每分钟50次以下。在作训时乘员出现心动过速更多是高强度的负荷使乘员处于应激状态，如两栖车驾驶员在发动下海、海中驾驶、海中转弯、抢滩登陆训练中的心率分别为106.1、98.8、103.1、118.9次/min[5],长时间的应激状态会加速疲劳，降低作业能力。另外导致心动过速常见于高温环境下作训时中暑、感染性发热和战伤时大出血所致血容量不足等，综合分析，当心率持续超过120次/min时应高限预警，低于45次/min时应低限预警。

正常成人安静状态下呼吸率为12～18次/min。呼吸率和心率之间存在比例关系，因此心率改变时，呼吸率也随之改变。在战场上士兵呼吸率改变的原因与心率相近，一般超过30次/min时应高限预警，低于10次/min时应低限预警。

正常成人安静状态下的血压范围为收缩压100～120mmHg(13.3～16.0kPa)，舒张压60～80mmHg(8～10.6Pa)。在战场环境中，收缩压更有意义，与应激和战伤失血密切相关，特别是战伤失血，当失血量达到全血量的20%～40%时，收缩压可降至90mmHg以下，为轻度到中度休克，因此血压的低限预警值可定为90 mmHg[6]，高限值可定为140 mmHg。

我腿脚发软地跟着他们走上咿咿呀呀作响的小木桥。我该怎么办？我该怎么办？我一遍又一遍地问惊慌失措的自己。平时我自信自己是一个挺有主见的主儿，但在那天的那一刻，我才发现，自己其实很不怎么样的。

体温的正常值为37℃左右，波动的范围很小。一般体温上升超过正常值0.5℃，即为体温升高；体温低于35℃为低体温。乘员出现体温过高主要是两种情况，一是装甲车辆在湿热、沙漠等高温地区作训时，车内温度可达到50℃以上，长时间作业时可能导致乘员体温升高，严重的引起热痉挛等中暑情况，有人主张用平均体温37.7℃为生理安全上限[7]；再就是由病原体引起各种感染性发热。乘员出现体温过低情况，一是在寒区作训时，长时间暴露在低温环境中，机体散热过多、过快导致体温下降；再者严重战伤时，体温调节中枢受损和产热减少，导致体温下降。因此体温高限预警值可定为37.5℃，低限可定为35℃。

血氧饱和度平原地区正常值为95%～99%，低于90%为低氧血症。在高原地区从生理和作业安全角度考虑，乘员作业时的血氧饱和度应不低于85%[8]。因此血氧饱和度平原地区限值为90%，高原地区为85%。

通过分析，五项参数的预警值设定见表1。

表1 生理参数预警值

心率(Hr)、呼吸速率(Br)、体温(T)、血压(SBP)、血氧饱和度(SpO2)的预警模型分别为：

4 干预指导设计

在战场上，高强度作业、应激、恶劣作业环境、战伤都可引起心率、呼吸、血压、血氧参数的持续变化，感染、舱室内高温中暑会引起体温的变化。干预指导就是根据乘员生理参数出现的异常变化，提示可能的情况和应采取的针对措施。干预措施考虑乘员在单车一线作战，指导内容以自我干预、自救互救为主。

例如针对心率的异常变化，分析乘员可能出现的情况一是高强度的负荷使乘员处于紧张的应激状态；二是高温环境下作训时中暑，三是战伤时大出血。对应的干预指导内容包括：

(1)感觉紧张焦虑，深呼吸，保持放松。

(2)高温环境下查看是否中暑，开启通风、空调装置，服用抗中暑药。

(3)有大量出血，立即进行止血包扎处理。

血压的异常变化，主要就是战场应激和战伤大出血、休克。对应的干预指导包括：

(1)感觉紧张焦虑，深呼吸，保持放松。

(2)有大量出血，立即进行止血包扎处理。

(3)有烦躁、出汗、意识模糊，应进行保暖，让伤员平躺，适当抬高下肢。

生理参数的变化有相互关联性，如心率和呼吸速率有比例关系；体温升高1℃，心率升高10次左右。因此生理状态改变很可能引起多个参数共同变化，例如战伤大出血时，心率、呼吸速率、血压都会出现异常变化，血压下降，心率和呼吸速率升高，这种相对状态指向明确的情况下，干预指导就以血压的止血包扎、抗休克为主。

5 系统运行流程设计

系统运行流程见图2。

图 2 系统运行图

6 系统界面设计

6.1 系统主界面

系统主界面如图3所示。进入系统后，接入乘载员的生理参数监测装置，开始不断接收并存储生理参数监测数据。系统主界面会点亮当前所接入乘载员的生理状态指示灯并显示生理状态。当断开连接已在线的乘载员连接线时，状态指示灯恢复到初值。

图3 系统主界面

6.2 参数显示界面

单击相应乘载员的生理状态指示灯，则进入其生理参数监测显示界面，如图 4所示。界面会显示该乘员的实时参数值，及正常和异常判定，当某一生理参数超过预警值时，会出现异常的指示状态，

图4 参数显示界面

6.3 干预指导界面

当有异常状态出现时，单击干预指导图标，则进入其干预指导信息提示界面，如图5所示，乘载员可根据提示采取相应措施。

图5 干预指导界面

7 讨论

装甲车辆由于要在不同地域、天候环境下进行作业，舱内环境狭小、作业环境恶劣、作业强度高、面临生命威胁等因素对乘员生理状态、作业能力都有明显影响。在战场环境下通过监测乘员的生理状态，使乘员自身及指挥员能够及时掌握其作战能力并予以干预防护，对战斗部署、协同作战、行动安排具有重要意义。心率、呼吸率、体温、血压、血氧饱和度等参数与人体的生理状态密切相关，如精神负荷、作业负荷增加处于应激状态时，心率、呼吸率、血压都会发生改变[9]；战伤休克时，呼吸率和血压是快速评估的指标，同时这五项指标具有可实时采集分析、信号采集简单易行、受干扰少、对操作影响小等优点而适用于乘员生理状态的监测评估。

目前的大部分研究只关注于生理参数采集的实现[10]，而很少进行状态的评估预警，针对参数变化及时提出应急干预指导更是鲜见报道。本研究通过对乘员在战场环境下生理参数变化的系统分析，提出了预警值，并通过预警进行针对性的干预指导，使乘员能够快速采取急救、防护措施。在干预指导设计上考虑乘员单车一线作战，指导内容以自救互救、自我干预为主，突出干预重点，简单明了，易于操作。

系统在实际应用时可利用各类车辆的信息化平台，安装在车内终端上，与乘员端的生理参数监测装置[11]共同实现乘员的实时生理状态监控及应急干预指导，将乘员状态纳入了车辆信息状态的管理中。系统通过接受乘员的生理参数信息，通过预警值判定及对应的干预指导，采用文字、指示灯等相结合的方式实时显示在终端上，给乘员明确的提示，并可通过车际信息平台将状态信息发送给指挥车。系统还可以给车内其他装置提供控制指令，如通风空调、供氧等装置，及时改善舱室环境，稳定乘员的生理心理状态。

8 结论

军车乘员生理状态监控干预系统通过获取五项生理参数进行乘员生理状态的实时监控，并提供应急干预指导，有效地保障了乘员的持续作战能力，使装备和作业者能够更好的融合，充分发挥装备的作战效能。系统在预警值的设定方面还需进一步优化，由于乘员个体初始状态、耐受程度存在差异，因此监测生理参数的动态变化，以及多个指标相互关联后的综合变化趋势可能会更有意义，需要通过建立模型进行预警值的设定，提升预警的准确率。