载人离心机无创连续血压监测系统设计与实现

蒋 科，李毅峰，张莉莉，张小雪，徐 艳，李宝辉，金 朝，杨明浩，卫晓阳

（空军特色医学中心，北京 100142）

0 引言

载人离心机作为大型卫生装备被广泛应用于飞行员高载荷条件下的医学选拔、检查鉴定以及航空医学研究中[1]。在高载荷条件下，人体在正加速度（+Gz）作用下随着液体静压梯度的增加，血液分布改变，血液沿着惯性力方向向下半身转移，导致头（眼）水平动脉血压降低，大脑缺血、缺氧，出现视力甚至意识的改变、丧失[2]。当脑血流下降到临界点以下时，脑组织发生急性缺血缺氧，突然出现对客观现实丧失感知及反应能力的状态称为+Gz引起的意识丧失（G-induced lose of consciousness，G-LOC）[3]。外军报道飞行训练中的G-LOC发生率为7.7%～9.0%[4]，载人离心机训练中的G-LOC发生率为6.40%～34.9%[3，5-6]。据统计，我军飞行员载人离心机训练中的G-LOC发生率为5%[7]。因此，针对载人离心机训练中飞行员的G-LOC，如何采取对策进行预警及判定成为当前航空医学研究的重点、热点问题[8-10]。

在G-LOC预警方面，美国、俄罗斯等国家进行了大量的研究和初步的飞行试验，虽然取得了一定成果，但仍然存在亟待解决的问题，其中核心的问题是如何寻找可行、可靠的G-LOC预警指标和方法[8，11-15]。目前，我国也在开展这方面的研究，通过载人离心机产生高载荷作用于人体，观察人体出现G-LOC反应症状时的一些生理指标参数变化，探讨监测和判断G-LOC反应症状出现的指征和方法，但仍未研制出可靠、可行的监测装备[16-17]。有研究表明，无创连续血压监测具有G-LOC预警的可能性[17-18]。美国阿姆斯特朗技术实验室研究了在高+Gz载荷条件下人体左心室血压、眼水平血压、中枢静脉血压的变化[19]，在+Gz作用下，人体各血压参数都呈现不同程度的降低，无创连续血压的监测有可能成为飞行员加速度耐力评估或预测G-LOC反应发生的敏感指标[20]。传统的血压测量设备测量速度慢、周期长，而载人离心机高载荷训练仅仅持续十余秒，人体产生的血压变化转瞬即逝，传统血压测量设备无法捕获连续血压的趋势变化。因此，亟须在离心机座舱内加装一台无创连续血压监测装置，以实时采集人体血压变化。但是一般医用级别的无创连续血压监测设备内外结构缺乏有效加固和减振手段，在载人离心机高载荷运行环境下容易造成电路板变形、断裂，连接线缆松动、脱落等问题，导致无法获得稳定的血压信号。鉴于此，本研究设计一种载人离心机无创连续血压监测系统，通过填充、捆扎、点胶固定等多种加固减振处理方法，解决无创连续血压监测设备内部电路、线缆的固定问题，并在设备外部附加刚性连接件，固定于载人离心机座舱地面，使其在高载荷环境下不产生晃动，从而可以获取稳定的连续血压信号。

1 总体设计

如图1所示，无创连续血压监测系统主要由无创连续血压监测设备主机、前端传感器单元和上位机生理参数监测软件3个部分组成。

图1 无创连续血压监测系统结构组成

前端传感器单元主要包括指套、袖带、高度校正单元。为适应受试者的体位变动，提供更准确的肱动脉血压信号，由手指动脉压重建肱动脉血压和手臂肱动脉血压数据。通过指套采集手指端血压数据，使用袖带测量上臂袖带压，利用高度校正单元对手指血压数据进行调节、校正，得到与手臂肱动脉血压相当的数据，经过无创连续血压监测设备主机解析计算后获得血流动力学参数和连续血压波形。

无创连续血压监测设备主机采集、分析得到血流动力学参数和连续血压波形数据后，进行滤波算法处理以消除干扰，再经串口通信和传输控制协议/因特网互联协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）通信实时传输至上位机生理参数监测软件。

上位机生理参数监测软件实现血流动力学参数和连续血压波形等数据的显示、存储、回放、设备远程配置等功能。

2 硬件设计

2.1 设备选型

当前国内外成熟的无创连续血压监测设备较少，测量方式主要有2种：一是指端血压测量，二是桡动脉血压测量。指端血压探头无需固定于手腕，佩戴方式对载人离心机受试者手部活动影响较小，测量探头质量轻，受离心场影响也相对较小，并且可重复使用。桡动脉血压测量需将托板固定于手腕和手掌，采集探头较大，需要固定手的方向以减小对测量的影响，对飞行员手的活动操作限制较大且需要一次性耗材。比较以上2种血压测量方式，指端血压测量更适合载人离心机的使用环境，且无一次性耗材，可降低使用维护成本。另外，由于无创连续血压监测设备主机安置于座舱，在载人离心机运转情况下，需要开放远程通信接口来实时获取连续血压监测参数。因此，为满足载人离心机的使用要求，设备主机必须具备数据实时发送及参数接收功能。综合上述要求，本研究选取荷兰FMS公司的FMS-8C无创连续血压测量仪。

前端传感器单元采用荷兰FMS公司的NanoCore传感器模块，其指套和袖带的压力测量范围为0～300 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），在升压或降压量程范围内指套和袖带的测量误差＜±3 mmHg，量程和测量精度都满足实际使用需求。

2.2 技术原理

无创连续血压监测设备主机采用容积补偿的方法，利用动脉外部加压气囊、检测动脉脉搏的光电传感器和控制气囊压力的反馈控制系统连续测量血压。由于被测动脉血管壁外部压力的波形变化在形态及幅值上都与该动脉内血压周期性变化的波形完全相同，这时只要用压力传感器连续测出气囊的压力值，即可实现连续血压波形和血压值的测量[20-22]。

2.3 硬件改造

本研究对于硬件改造充分考虑载人离心机加速度、振动等特殊力学环境，采用机壳内部局部和整体框架加固的方式对无创连续血压监测设备主机进行改造，以满足其在载人离心机离心场下的正常工作要求。对设备主机的内部加固主要采取以下3种方式（如图2所示）：（1）对设备主机内部结构脆弱部位采用中等弹力、耐高温220℃的防火硅胶棉进行填充、补强。防火硅胶棉拉伸性良好、拉裂强度高，在+Gz的作用下可以起到很好的缓冲减振效果，且该材料耐高温，有很好的密封防火效果。（2）对内部线缆采用捆扎固定的方式加固。在加速度作用下，电气线缆容易受到离心力作用的拉扯，作用时间长会导致线缆接插件脱落，更严重的则会造成线缆断裂，因此通过捆扎将线缆与设备主机内部承重结构部分进行固定。（3）对紧固螺钉及线缆接插件使用胶水进行防松加固。紧固螺钉和线缆接插件在长时间离心力和振动的作用下会松动、脱落，因此对紧固螺钉和线缆接插件涂装高强度厌氧固定胶。

图2 无创连续血压监测设备主机内部加固示意图

在离心机座舱内采用高强度角钢制作半包式承载支架包裹无创连续血压监测设备主机，利用承载支架自带安装耳孔及4颗M6防松螺钉固定于舱内地板，以减少座舱运转对其的影响，保证在离心场环境下的稳固性。无创连续血压监测设备主机外部加固示意图如图3所示。

图3 无创连续血压监测设备主机外部加固示意图

3 软件设计

上位机生理参数监测软件通过重新定制数据接口协议进行开发，以获取数据以及实现对无创连续血压监测设备主机的控制。本软件基于Windows系统、使用Visual Studio 2015软件开发，由于需要同时处理多个任务，故采用多线程模型开发[23-26]，集成多参数的显示及存储。前端传感器单元采集到手指动脉血压、上臂肱动脉血压后，通过无创连续血压监测设备主机分析处理输出连续的血流动力学参数和血压波形数据到本软件，软件收到数据后利用高速缓存在计算机终端上显示和同步存储。本软件还可以实现设备主机远程开启/关闭测试、开启反馈校正、下发受试人员基本信息、回放、生成特定报告等功能。本软件主界面可显示连续舒张压、收缩压、脉率等参数的实时值及波形，如图4所示。

图4 连续血压监测主界面

4 加速度验证试验

改造完无创连续血压监测设备主机后，对其进行加速度验证试验，检验设备主机是否满足正常监测的性能要求，试验场景如图5所示。首先开启无创连续血压监测设备主机进行血压测量，记录人体血压、心率值。之后将无创连续血压监测设备主机固定于承载支架上，将承载支架分别以正负X、Y、Z6个方向固定于离心机上，启动离心机，达到15g后保持15 min，然后停止运行离心机进行血压测量，每个轴向测量2次，记录人体血压、心率值。加速度验证试验结果详见表1。

表1 无创连续血压监测设备主机加速度验证试验结果单位：mmHg

图5 无创连续血压监测设备主机加速度验证试验场景

分别对试验前后的收缩压、舒张压和平均压进行配对样本t检验，检验结果详见表2。通过数据分析发现在加速度试验前后测量的人体收缩压、舒张压和平均压均没有显著性变化（P＞0.05），即无创连续血压监测设备主机在加速度试验前后的设备性能没有发生显著变化，证明其满足可靠性使用要求。

表2 加速度验证试验前后血压测量数据t检验统计结果单位：mmHg

5 结语

载人离心机无创连续血压监测系统的设计充分考虑了加速度、振动力学环境下的要求，在加速度验证试验中，在正负X、Y、Z6个方向的15g加速度作用下，测得的收缩压、舒张压和平均压没有发生异常波动或偏离正常测试值。这表明无创连续血压监测系统的功能及性能满足高载荷条件下的应用需求，可以在15g严酷力学环境下对人体的连续动态血压进行采集监测，能够实时获取飞行员整个高过载训练过程中伴随抗荷动作的连续血压变化，为下一步利用多模态数据联合对G-LOC预警及拓展飞行员抗荷能力评估方法的研究奠定了基础。

目前，载人离心机无创连续血压监测系统还存在以下问题：（1）目前设备主机选用的是成熟产品，经过适应性改造后安装在载人离心机座舱内，主机体积较大，因座舱空间有限，对设备的安装、拆卸和维护造成一定的困难；（2）由于设备主机不具备监测载荷值的能力，目前无创连续血压监测与高载荷值的同步一致性存在微小偏差。下一步工作将在以下3个方面展开：一是利用现有产品的电路板重新设计主机外壳，充分考虑线缆和电路板的整体加固、减振以及安装、拆卸、工装一体化设计；二是在电路板上扩充加装加速度传感器，实现过载值与连续血压值同步采集监测；三是结合耳脉搏波、脑电、无创连续血压等多个生理参数进行基于多模态的人工智能加速度耐力评估和G-LOC预警研究。