基于計(jì)算機(jī)與鼠標(biāo)的智能化疲勞健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王琪+梁栗炎+楊琳+呂晨亮+劉碩+張碩晨

摘 要： 針對(duì)長(zhǎng)期使用計(jì)算機(jī)造成的視力下降、腰頸椎疾病等問題，設(shè)計(jì)基于鼠標(biāo)的生理信息采集硬件與配套計(jì)算機(jī)軟件，通過算法設(shè)計(jì)與理論研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)用戶的日常健康評(píng)價(jià)及疲勞休息提示功能。采用嵌入式設(shè)計(jì)方法使計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)具備脈搏采集功能。基于MFC進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，綜合用戶輸入信息、采集脈搏信息、用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的操作信息設(shè)計(jì)算法，對(duì)用戶健康狀況及疲勞狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)部分選定30例健康受試者，設(shè)計(jì)疲勞實(shí)驗(yàn)。在疲勞實(shí)驗(yàn)前后，分別采集被試者指端容積脈搏波信息，并對(duì)被試者進(jìn)行疲勞癥狀問卷調(diào)查。對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和波形特征分析，提取心率及變異性參數(shù)、波形特征量K′及對(duì)波形進(jìn)行歸一化處理。采用健康鼠標(biāo)可實(shí)時(shí)采集用戶脈搏數(shù)據(jù)，軟件可實(shí)時(shí)更新用戶計(jì)算機(jī)有效操作時(shí)間、疲勞指數(shù)、健康指數(shù)。系統(tǒng)可及時(shí)反映用戶健康狀況，并在用戶較為疲勞時(shí)提示用戶休息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，心率及RMSSD、SDNN兩項(xiàng)變異性指標(biāo)在計(jì)算機(jī)操作疲勞實(shí)驗(yàn)前后有顯著性差異（P<0.01）。疲勞實(shí)驗(yàn)后的脈搏波波形較實(shí)驗(yàn)前趨于圓滑。擬合后的疲勞指數(shù)可直觀反映用戶疲勞狀態(tài)。該設(shè)計(jì)為市場(chǎng)上不多見的疲勞健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在技術(shù)與應(yīng)用層面具有較高的創(chuàng)新性，在計(jì)算機(jī)使用者的保健與養(yǎng)生方面具有一定應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 健康監(jiān)測(cè)； 疲勞監(jiān)測(cè)； 脈搏波； 智能化

中圖分類號(hào)： TN710?34； R3l8.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）14?0146?04

Intelligent fatigue monitoring system based on computer with mouse

WANG Qi， LIANG Li?yan， YANG Lin， L? Chen?liang， LIU Shuo， ZHANG Shuo?chen

（College of Life Science and Bio?engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： To avoid vision diminishing and lumbar cervical vertebra disease caused by long?term computer application， the biological information acquisition system based on the mouse and the matched computer software was designed to realize daily health evaluation and fatigue prompt to computer users. The embedded design method was adopted to enable the mouse to collect the pulse wave. The software was developed by means of MFC. It can analyze users basic information， collect users pulse and operation information. In addition， it can analyze the users health status and evaluate the current fatigue situation. In the theoretical research， 30 healthy people were randomly selected to join the fatigue experiment. The mouse can realize the real?time pulse data acquisition. The software can timely update the information of the computer effectively operation time， fatigue index and healthy index. The system can reflect the users health state in time and remind the users that they should rest when they are tired. The experiment results show that HR and its variant parameters （RMSSD and SDNN） have significant difference （P<0.01）. The pulse wave of testers after fatigue experiment was smoother than that before fatigue experiment. The fatigue index after fitting can reflect the users fatigue state visually. The design has high innovativeness in the technical and application level. It can be applied to the computer users health care.

Keyword： health monitoring； fatigue monitoring； pulse wave； intellectualization

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量中年輕人長(zhǎng)期坐在計(jì)算機(jī)前，缺乏鍛煉與健康觀念，亞健康問題悄然而來[1]。亞健康是處于健康和疾病之間的過渡狀態(tài)。世界衛(wèi)生組織的一項(xiàng)全球調(diào)查表明：真正意義上“健康”的人只有5%，患病的人占20%，而75%的人處于亞健康狀態(tài)[2]。

視屏顯示終端已經(jīng)廣泛用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域。它在給人們帶來便利的同時(shí)也引發(fā)了一系列的健康問題。長(zhǎng)時(shí)間的視計(jì)算機(jī)使用可能會(huì)導(dǎo)致VDT綜合征（計(jì)算機(jī)視覺綜合征）[3?6]。世界衛(wèi)生組織調(diào)查表明，計(jì)算機(jī)工作人員視疲勞發(fā)生率在10%～40%，有的甚至可達(dá)40%～92%；經(jīng)常連續(xù)擊鍵的操作人員骨骼肌慢性損傷發(fā)生率達(dá)10%以上[7]。計(jì)算機(jī)旁的亞健康正嚴(yán)重威脅著大眾的身體健康。然而目前亞健康檢測(cè)采用問卷分析的方法居多，該方法帶有主觀色彩。量化檢測(cè)方法中有 “皮膚電阻與疾病”、“一滴血”檢查等。以上方法對(duì)亞健康的檢測(cè)具有較可觀的準(zhǔn)確性，但均需要在醫(yī)院采用較昂貴的設(shè)備綜合分析，難于普及。從脈搏波中提取心血管生理病理信息作為臨床診斷和治療依據(jù)的相關(guān)研究，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視[8]。脈搏波蘊(yùn)含豐富的人體健康狀況信息，因此通過對(duì)脈搏信號(hào)的特征分析有望能客觀地反映健康與疲勞狀況。

此外，移動(dòng)終端的普及使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的生理狀況成為可能，遠(yuǎn)程醫(yī)療與物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療保健方面也越來越受到人們的重視。為此本課題設(shè)計(jì)基于脈搏、用戶操作、用戶生理信息的計(jì)算機(jī)疲勞健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏及用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的操作，系統(tǒng)可提示用戶休息，并給出一個(gè)相對(duì)的健康指數(shù)，使用戶對(duì)自身的健康狀況有一個(gè)主觀上的把握。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過鼠標(biāo)采集用戶脈搏信息，設(shè)計(jì)程序監(jiān)測(cè)用戶計(jì)算機(jī)操作，結(jié)合用戶輸入生理信息可為用戶提供實(shí)時(shí)的健康評(píng)價(jià)與智能化疲勞休息提示功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

系統(tǒng)主要研究工作包括實(shí)時(shí)采集脈搏參數(shù)的健康鼠標(biāo)硬件制作、基于脈搏與用戶信息的疲勞及健康評(píng)價(jià)方法研究、與硬件實(shí)時(shí)通信且具備監(jiān)測(cè)用戶計(jì)算機(jī)操作功能的軟件制作三部分。

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件為一種可采集人體脈搏參數(shù)的健康鼠標(biāo)，結(jié)構(gòu)共分為：反射式脈搏波光電傳感器、脈搏波信號(hào)濾波電路、脈搏波信號(hào)放大模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、鼠標(biāo)控制模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊、串口轉(zhuǎn)換USB模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊以及Micro USB接口9個(gè)部分。其特征為：將反射式脈搏波光電傳感器安裝在鼠標(biāo)外殼的手握部位采集到包含人體多種生理參數(shù)的信號(hào)如圖2所示，隨后由脈搏波信號(hào)濾波電路與脈搏波信號(hào)放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，并和鼠標(biāo)自身數(shù)據(jù)在單片機(jī)控制模塊匯集，經(jīng)過進(jìn)一步處理之后通過串口轉(zhuǎn)USB模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，以做進(jìn)一步處理[9]。模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 鼠標(biāo)整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)算法

系統(tǒng)算法主要包括脈搏波參數(shù)提取、健康指數(shù)算法、疲勞指數(shù)算法三部分。

3.1 脈搏波參數(shù)提取

為實(shí)現(xiàn)基于脈搏的健康及疲勞狀態(tài)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)在前人的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)脈搏波單波的參數(shù)提取功能。算法流程如圖4所示。

圖4 脈搏波單波識(shí)別機(jī)參數(shù)提取算法流程圖

系統(tǒng)定時(shí)記錄5 s內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行差分計(jì)算，通過尋址零點(diǎn)記錄為脈搏波單波預(yù)起始點(diǎn)，進(jìn)一步通過上升閾值法判斷預(yù)起點(diǎn)后是否為單波上升主支，如果滿足閾值條件，則記錄預(yù)起點(diǎn)為單波起點(diǎn)，由此找到相鄰兩起點(diǎn)間的所有數(shù)據(jù)即為一個(gè)脈搏波單波。得到脈搏波單波后通過尋址最值點(diǎn)，結(jié)合采樣率即可計(jì)算出實(shí)時(shí)心率，采用積分面積法得出波形特征量K′，根據(jù)理論公式結(jié)合用戶輸入信息可計(jì)算心輸出量、外周阻力等大量血流參數(shù)。

3.2 健康指數(shù)算法

系統(tǒng)采用多參數(shù)分析法設(shè)計(jì)用戶健康指數(shù)算法，該指數(shù)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置指標(biāo)的健康分值，乘以該指標(biāo)的權(quán)重并累加得出。所有權(quán)重總和為1，健康指數(shù)H最大值為100。如下列公式所示：

[健康指數(shù)H=參數(shù)1×權(quán)重1+參數(shù)2×權(quán)重2+…+ 參數(shù)n×權(quán)重n]

健康指數(shù)算法結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示，參數(shù)來源分為用戶輸入基礎(chǔ)生理參數(shù)和血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

圖5 健康指數(shù)算法結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 用戶輸入基礎(chǔ)生理參數(shù)

基礎(chǔ)生理參數(shù)包括身高、體重、腰圍、血壓、血糖、血脂等常見健康指標(biāo)。用戶可根據(jù)需求輸入相應(yīng)數(shù)值，輸入信息越全面，系統(tǒng)評(píng)估越準(zhǔn)確。

3.2.2 用戶血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)

血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)分4部分：心臟功能參數(shù)、血管功能參數(shù)、微循環(huán)能力參數(shù)、血液性能參數(shù)。其中心臟功能參數(shù)又包括心率、平均動(dòng)脈壓、心搏出量、心輸出量、心搏指數(shù)、心臟指數(shù)6項(xiàng)。血管功能參數(shù)包括波形特征量、體表面積、外周阻力、血管順應(yīng)性4項(xiàng)。微循環(huán)能力參數(shù)包括血流半更新率、血流半更新時(shí)間、血流平均滯留時(shí)間3項(xiàng)。血液性能參數(shù)包括總血容量、血液粘度3項(xiàng)[10]。

3.3 疲勞算法

系統(tǒng)疲勞評(píng)估算法結(jié)構(gòu)如圖6所示。

疲勞的評(píng)價(jià)算法系統(tǒng)初步提出有效操作時(shí)間的概念，同時(shí)設(shè)計(jì)疲勞實(shí)驗(yàn)開展了基于脈搏的計(jì)算機(jī)使用疲勞研究。其中有效操作時(shí)間分為計(jì)算機(jī)直接操作、間接操作兩部分，脈搏疲勞評(píng)估值3部分。

圖6 疲勞值算法結(jié)構(gòu)圖

3.3.1 有效操作時(shí)間

此部分功能設(shè)計(jì)為將用戶操作區(qū)分為鼠標(biāo)鍵盤的直接操作時(shí)間、無(wú)直接操作狀態(tài)下視頻播放的時(shí)間接操作時(shí)間及無(wú)操作狀態(tài)下的剩余開機(jī)時(shí)間3部分。采用全局鉤子的形式捕捉鼠標(biāo)鍵盤操作，采用分類統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)播放器及瀏覽器進(jìn)程的CPU占用量進(jìn)行分析，從而對(duì)使用與未使用狀態(tài)建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行區(qū)分，最終通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)各部分時(shí)間進(jìn)行權(quán)重累加得出有效操作時(shí)間評(píng)估值。

3.3.2 脈搏疲勞評(píng)估值

針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用，課題設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)疲勞作業(yè)實(shí)驗(yàn)，以得到基于脈搏波的疲勞評(píng)價(jià)方法。

（1） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用Power Lab四通道生理信號(hào)采集系統(tǒng)及透射式血氧探頭對(duì)脈搏波進(jìn)行采集，選取30名身體健康的學(xué)生受試者。在實(shí)驗(yàn)前：?jiǎn)柧頊y(cè)評(píng)受試者完成疲勞前疲勞量表、視覺疲勞量表。采集受試者2 min完整指端容積脈搏波數(shù)據(jù)。隨后開始疲勞實(shí)驗(yàn)，受試者用右手操作鼠標(biāo)全屏玩電腦游戲蒙特祖瑪?shù)膶毑? h，期間[12]h采集2 min完好指脈搏波波形。實(shí)驗(yàn)后，受試者再次填寫疲勞量表、視覺疲勞量表，并進(jìn)行2 min指脈搏波波形采集。

圖7 實(shí)驗(yàn)前、4 h后脈搏波數(shù)據(jù)歸一化后的波形圖

（2） 分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在計(jì)算機(jī)疲勞實(shí)驗(yàn)過程中，受試者隨著操作時(shí)間的延長(zhǎng)，脈率呈顯著性（P<0.01）下降趨勢(shì)、脈率變異性RMSSD，SDNN呈顯著性（P<0.01）上升趨勢(shì)。波形特征量K′有上升趨勢(shì)。且由疲勞量表測(cè)得受試者在實(shí)驗(yàn)后精神及視覺均處于疲勞狀態(tài)。

表1 VDT操作疲勞前后脈搏參數(shù)變化表

注：*P<0.05， **P<0.01

圖7為將30名受試者在疲勞實(shí)驗(yàn)前后采集的脈搏波進(jìn)行歸一化處理后取平均的波形圖。從圖中可看出疲勞試驗(yàn)后指端容積脈搏波出現(xiàn)潮波，且潮波逐漸抬高。重搏波波谷呈上升趨勢(shì)。最終整體波形在實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前更加圓滑，重搏波波谷上升明顯，指端容積脈搏波出現(xiàn)了較為明顯的潮波。表征受試者在疲勞實(shí)驗(yàn)過程中脈搏波波形質(zhì)量變差，逐漸由中阻型波形變?yōu)楦咦栊筒ㄐ巍?/p>

4 系統(tǒng)軟件

Visual C++中MFC包含強(qiáng)大的基于Windows的應(yīng)用框架，大大簡(jiǎn)化用戶的編程工作， 提高代碼的可重用性，使得用戶可以進(jìn)行快速軟件開發(fā)，已成為開發(fā) Windows 應(yīng)用程序的主流框架結(jié)構(gòu)。故本軟件的開發(fā)環(huán)境選為MFC。制作界面如圖8所示。

圖8 軟件主界面

主界面由3部分構(gòu)成，分別為左側(cè)的參數(shù)狀態(tài)區(qū)（圖8中①區(qū)）、中部的信息展示區(qū)（圖8中②區(qū)）、右側(cè)的用戶信息與設(shè)置區(qū)（圖8中③區(qū)）。

（1） 參數(shù)狀態(tài)區(qū)。左側(cè)為參數(shù)顯示欄，顯示系統(tǒng)評(píng)估疲勞值、健康值及監(jiān)測(cè)心率的3項(xiàng)參數(shù)，由于大眾對(duì)大部分生理參數(shù)了解有限，左側(cè)參數(shù)顯示欄未對(duì)系統(tǒng)測(cè)算的大量健康參數(shù)進(jìn)行顯示，僅以權(quán)重評(píng)估所得的健康值的方式呈現(xiàn)給用戶。此外，軟件通過定時(shí)掃描接口接入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件鏈接狀態(tài)的識(shí)別。如圖8中①區(qū)所示。

（2） 信息展示區(qū)。中部為波形繪制區(qū)，可對(duì)脈搏波波形的實(shí)時(shí)繪制，通過接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取硬件數(shù)據(jù)，設(shè)置坐標(biāo)系可實(shí)現(xiàn)與脈搏波波形的實(shí)時(shí)繪制。在波形繪制上方顯示為基于健康值高低及疲勞狀態(tài)的評(píng)價(jià)語(yǔ)，健康評(píng)價(jià)語(yǔ)分為：您身體狀況良好，繼續(xù)保持；您的身體狀況一般，建議您多加運(yùn)動(dòng)；您的身體狀態(tài)偏弱，建議您減少計(jì)算機(jī)使用；您的身體狀況較差，建議您注意運(yùn)動(dòng)飲食及休息。此外，在波形繪制區(qū)域下方將顯示系統(tǒng)對(duì)有效操作時(shí)間的累計(jì)值，并實(shí)時(shí)更新給用戶。如圖8中②區(qū)所示。

（3） 用戶信息與設(shè)置區(qū)。右側(cè)為設(shè)置與信息欄，用戶可在該欄對(duì)個(gè)人基本信息及進(jìn)行輸入與修改，其中身高、體重、血壓參數(shù)的輸入將大幅度提高系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的可信度。此外，可通過按鈕實(shí)現(xiàn)全屏顯示控制及開機(jī)自啟動(dòng)設(shè)置。如圖8中③區(qū)所示。

（4） 休息提示。軟件初始設(shè)置有效操作時(shí)間累計(jì)達(dá)1 h觸發(fā)休息條件，軟件將提示用戶休息10 min，使用戶得以調(diào)整自身狀況。休息提示界面如圖9所示。用戶可隨時(shí)關(guān)閉休息界面，或待進(jìn)度條讀完后界面自行關(guān)閉，軟件將根據(jù)用戶休息時(shí)間對(duì)觸發(fā)休息閾值條件做出調(diào)整。休息時(shí)間長(zhǎng)閾值將提高，休息時(shí)間短閾值將降低。

圖9 休息提示界面

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試選取10名健康學(xué)生進(jìn)行，通過在Windows XP、Win7 32位與64位、Win8等不同操作系統(tǒng)上進(jìn)行連續(xù)1 h的使用，測(cè)試系統(tǒng)的可移植性與穩(wěn)定性。通過對(duì)不同參數(shù)特征狀態(tài)的脈搏波數(shù)據(jù)以TXT數(shù)據(jù)讀取的方式，測(cè)試軟件單波提取算法準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)算法穩(wěn)定性的測(cè)試。

6 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)具脈搏檢測(cè)、健康評(píng)價(jià)、疲勞休息提示功能于一體，結(jié)合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)及用戶交互設(shè)計(jì)，可在不干擾用戶正常計(jì)算機(jī)使用情況下完成以上功能，倡導(dǎo)健康計(jì)算機(jī)使用理念，為長(zhǎng)期計(jì)算機(jī)操作人群提供了日常保健便利。平臺(tái)操作方法簡(jiǎn)便易懂，界面設(shè)計(jì)友好、數(shù)據(jù)計(jì)算精確，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。隨著移動(dòng)終端與社交網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步普及，基于大數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療保健將成為新的熱點(diǎn)。系統(tǒng)的研究工作一方面將進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)算法，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。另一方面，系統(tǒng)將擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能，并將軟件嵌入平板電腦與手機(jī)，進(jìn)一步擴(kuò)大可應(yīng)用范圍。

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3.3.2 脈搏疲勞評(píng)估值

針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用，課題設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)疲勞作業(yè)實(shí)驗(yàn)，以得到基于脈搏波的疲勞評(píng)價(jià)方法。

（1） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用Power Lab四通道生理信號(hào)采集系統(tǒng)及透射式血氧探頭對(duì)脈搏波進(jìn)行采集，選取30名身體健康的學(xué)生受試者。在實(shí)驗(yàn)前：?jiǎn)柧頊y(cè)評(píng)受試者完成疲勞前疲勞量表、視覺疲勞量表。采集受試者2 min完整指端容積脈搏波數(shù)據(jù)。隨后開始疲勞實(shí)驗(yàn)，受試者用右手操作鼠標(biāo)全屏玩電腦游戲蒙特祖瑪?shù)膶毑? h，期間[12]h采集2 min完好指脈搏波波形。實(shí)驗(yàn)后，受試者再次填寫疲勞量表、視覺疲勞量表，并進(jìn)行2 min指脈搏波波形采集。

圖7 實(shí)驗(yàn)前、4 h后脈搏波數(shù)據(jù)歸一化后的波形圖

（2） 分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在計(jì)算機(jī)疲勞實(shí)驗(yàn)過程中，受試者隨著操作時(shí)間的延長(zhǎng)，脈率呈顯著性（P<0.01）下降趨勢(shì)、脈率變異性RMSSD，SDNN呈顯著性（P<0.01）上升趨勢(shì)。波形特征量K′有上升趨勢(shì)。且由疲勞量表測(cè)得受試者在實(shí)驗(yàn)后精神及視覺均處于疲勞狀態(tài)。

表1 VDT操作疲勞前后脈搏參數(shù)變化表

注：*P<0.05， **P<0.01

圖7為將30名受試者在疲勞實(shí)驗(yàn)前后采集的脈搏波進(jìn)行歸一化處理后取平均的波形圖。從圖中可看出疲勞試驗(yàn)后指端容積脈搏波出現(xiàn)潮波，且潮波逐漸抬高。重搏波波谷呈上升趨勢(shì)。最終整體波形在實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前更加圓滑，重搏波波谷上升明顯，指端容積脈搏波出現(xiàn)了較為明顯的潮波。表征受試者在疲勞實(shí)驗(yàn)過程中脈搏波波形質(zhì)量變差，逐漸由中阻型波形變?yōu)楦咦栊筒ㄐ巍?/p>

4 系統(tǒng)軟件

Visual C++中MFC包含強(qiáng)大的基于Windows的應(yīng)用框架，大大簡(jiǎn)化用戶的編程工作， 提高代碼的可重用性，使得用戶可以進(jìn)行快速軟件開發(fā)，已成為開發(fā) Windows 應(yīng)用程序的主流框架結(jié)構(gòu)。故本軟件的開發(fā)環(huán)境選為MFC。制作界面如圖8所示。

圖8 軟件主界面

主界面由3部分構(gòu)成，分別為左側(cè)的參數(shù)狀態(tài)區(qū)（圖8中①區(qū)）、中部的信息展示區(qū)（圖8中②區(qū)）、右側(cè)的用戶信息與設(shè)置區(qū)（圖8中③區(qū)）。

（1） 參數(shù)狀態(tài)區(qū)。左側(cè)為參數(shù)顯示欄，顯示系統(tǒng)評(píng)估疲勞值、健康值及監(jiān)測(cè)心率的3項(xiàng)參數(shù)，由于大眾對(duì)大部分生理參數(shù)了解有限，左側(cè)參數(shù)顯示欄未對(duì)系統(tǒng)測(cè)算的大量健康參數(shù)進(jìn)行顯示，僅以權(quán)重評(píng)估所得的健康值的方式呈現(xiàn)給用戶。此外，軟件通過定時(shí)掃描接口接入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件鏈接狀態(tài)的識(shí)別。如圖8中①區(qū)所示。

（2） 信息展示區(qū)。中部為波形繪制區(qū)，可對(duì)脈搏波波形的實(shí)時(shí)繪制，通過接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取硬件數(shù)據(jù)，設(shè)置坐標(biāo)系可實(shí)現(xiàn)與脈搏波波形的實(shí)時(shí)繪制。在波形繪制上方顯示為基于健康值高低及疲勞狀態(tài)的評(píng)價(jià)語(yǔ)，健康評(píng)價(jià)語(yǔ)分為：您身體狀況良好，繼續(xù)保持；您的身體狀況一般，建議您多加運(yùn)動(dòng)；您的身體狀態(tài)偏弱，建議您減少計(jì)算機(jī)使用；您的身體狀況較差，建議您注意運(yùn)動(dòng)飲食及休息。此外，在波形繪制區(qū)域下方將顯示系統(tǒng)對(duì)有效操作時(shí)間的累計(jì)值，并實(shí)時(shí)更新給用戶。如圖8中②區(qū)所示。

（3） 用戶信息與設(shè)置區(qū)。右側(cè)為設(shè)置與信息欄，用戶可在該欄對(duì)個(gè)人基本信息及進(jìn)行輸入與修改，其中身高、體重、血壓參數(shù)的輸入將大幅度提高系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的可信度。此外，可通過按鈕實(shí)現(xiàn)全屏顯示控制及開機(jī)自啟動(dòng)設(shè)置。如圖8中③區(qū)所示。

（4） 休息提示。軟件初始設(shè)置有效操作時(shí)間累計(jì)達(dá)1 h觸發(fā)休息條件，軟件將提示用戶休息10 min，使用戶得以調(diào)整自身狀況。休息提示界面如圖9所示。用戶可隨時(shí)關(guān)閉休息界面，或待進(jìn)度條讀完后界面自行關(guān)閉，軟件將根據(jù)用戶休息時(shí)間對(duì)觸發(fā)休息閾值條件做出調(diào)整。休息時(shí)間長(zhǎng)閾值將提高，休息時(shí)間短閾值將降低。

圖9 休息提示界面

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試選取10名健康學(xué)生進(jìn)行，通過在Windows XP、Win7 32位與64位、Win8等不同操作系統(tǒng)上進(jìn)行連續(xù)1 h的使用，測(cè)試系統(tǒng)的可移植性與穩(wěn)定性。通過對(duì)不同參數(shù)特征狀態(tài)的脈搏波數(shù)據(jù)以TXT數(shù)據(jù)讀取的方式，測(cè)試軟件單波提取算法準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)算法穩(wěn)定性的測(cè)試。

6 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)具脈搏檢測(cè)、健康評(píng)價(jià)、疲勞休息提示功能于一體，結(jié)合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)及用戶交互設(shè)計(jì)，可在不干擾用戶正常計(jì)算機(jī)使用情況下完成以上功能，倡導(dǎo)健康計(jì)算機(jī)使用理念，為長(zhǎng)期計(jì)算機(jī)操作人群提供了日常保健便利。平臺(tái)操作方法簡(jiǎn)便易懂，界面設(shè)計(jì)友好、數(shù)據(jù)計(jì)算精確，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。隨著移動(dòng)終端與社交網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步普及，基于大數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療保健將成為新的熱點(diǎn)。系統(tǒng)的研究工作一方面將進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)算法，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。另一方面，系統(tǒng)將擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能，并將軟件嵌入平板電腦與手機(jī)，進(jìn)一步擴(kuò)大可應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅仁.亞健康評(píng)估與干預(yù)[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2010.

[2] 第三屆國(guó)際創(chuàng)新設(shè)計(jì)與教育論壇組委會(huì).第三屆國(guó)際創(chuàng)新設(shè)計(jì)與教育論壇論文集[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

[3] 陳成明，王慧，周健，等.VDT 視覺疲勞及其測(cè)量方法綜述[J]. 人類工效學(xué)，2013，19（2）：92?95.

[4] YAN Z， HU L， CHEN H， et al. Computer vision syndrome： a widely spreading but largely unknown epidemic among computer users [J]. Computers in Human Behavior， 2008， 24（5）： 2026?2042.

[5] 趙亮亮，張恒東.視屏顯示終端作業(yè)對(duì)眼睛損傷及防護(hù)探討[J].中國(guó)職業(yè)醫(yī)學(xué)，2012，39（4）：348?349.

[6] 張愛華，王業(yè)泰，趙治月.視屏顯示終端視覺疲勞對(duì)脈搏信號(hào)的影響[J].中國(guó)工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，2010，23（3）：166?169.

[7] 許永杰.高科技時(shí)代的職業(yè)?。篤DT 綜合癥[J].勞動(dòng)安全與健康，2001（5）：16.

[8] BERNSTEIN D P. Pressure pulse contour?derived stroke volume and cardiac output in the morbidly obese patient [J]. Obesity surgery， 2008， 18（8）： 1015?1021.

[9] 柴波，邵常哲，黃淼，等.一種可監(jiān)測(cè)人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（5）：170?172.

[10] 羅志昌.脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

3.3.2 脈搏疲勞評(píng)估值

針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用，課題設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)疲勞作業(yè)實(shí)驗(yàn)，以得到基于脈搏波的疲勞評(píng)價(jià)方法。

（1） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用Power Lab四通道生理信號(hào)采集系統(tǒng)及透射式血氧探頭對(duì)脈搏波進(jìn)行采集，選取30名身體健康的學(xué)生受試者。在實(shí)驗(yàn)前：?jiǎn)柧頊y(cè)評(píng)受試者完成疲勞前疲勞量表、視覺疲勞量表。采集受試者2 min完整指端容積脈搏波數(shù)據(jù)。隨后開始疲勞實(shí)驗(yàn)，受試者用右手操作鼠標(biāo)全屏玩電腦游戲蒙特祖瑪?shù)膶毑? h，期間[12]h采集2 min完好指脈搏波波形。實(shí)驗(yàn)后，受試者再次填寫疲勞量表、視覺疲勞量表，并進(jìn)行2 min指脈搏波波形采集。

圖7 實(shí)驗(yàn)前、4 h后脈搏波數(shù)據(jù)歸一化后的波形圖

（2） 分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在計(jì)算機(jī)疲勞實(shí)驗(yàn)過程中，受試者隨著操作時(shí)間的延長(zhǎng)，脈率呈顯著性（P<0.01）下降趨勢(shì)、脈率變異性RMSSD，SDNN呈顯著性（P<0.01）上升趨勢(shì)。波形特征量K′有上升趨勢(shì)。且由疲勞量表測(cè)得受試者在實(shí)驗(yàn)后精神及視覺均處于疲勞狀態(tài)。

表1 VDT操作疲勞前后脈搏參數(shù)變化表

注：*P<0.05， **P<0.01

圖7為將30名受試者在疲勞實(shí)驗(yàn)前后采集的脈搏波進(jìn)行歸一化處理后取平均的波形圖。從圖中可看出疲勞試驗(yàn)后指端容積脈搏波出現(xiàn)潮波，且潮波逐漸抬高。重搏波波谷呈上升趨勢(shì)。最終整體波形在實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前更加圓滑，重搏波波谷上升明顯，指端容積脈搏波出現(xiàn)了較為明顯的潮波。表征受試者在疲勞實(shí)驗(yàn)過程中脈搏波波形質(zhì)量變差，逐漸由中阻型波形變?yōu)楦咦栊筒ㄐ巍?/p>

4 系統(tǒng)軟件

Visual C++中MFC包含強(qiáng)大的基于Windows的應(yīng)用框架，大大簡(jiǎn)化用戶的編程工作， 提高代碼的可重用性，使得用戶可以進(jìn)行快速軟件開發(fā)，已成為開發(fā) Windows 應(yīng)用程序的主流框架結(jié)構(gòu)。故本軟件的開發(fā)環(huán)境選為MFC。制作界面如圖8所示。

圖8 軟件主界面

主界面由3部分構(gòu)成，分別為左側(cè)的參數(shù)狀態(tài)區(qū)（圖8中①區(qū)）、中部的信息展示區(qū)（圖8中②區(qū)）、右側(cè)的用戶信息與設(shè)置區(qū)（圖8中③區(qū)）。

（1） 參數(shù)狀態(tài)區(qū)。左側(cè)為參數(shù)顯示欄，顯示系統(tǒng)評(píng)估疲勞值、健康值及監(jiān)測(cè)心率的3項(xiàng)參數(shù)，由于大眾對(duì)大部分生理參數(shù)了解有限，左側(cè)參數(shù)顯示欄未對(duì)系統(tǒng)測(cè)算的大量健康參數(shù)進(jìn)行顯示，僅以權(quán)重評(píng)估所得的健康值的方式呈現(xiàn)給用戶。此外，軟件通過定時(shí)掃描接口接入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件鏈接狀態(tài)的識(shí)別。如圖8中①區(qū)所示。

（2） 信息展示區(qū)。中部為波形繪制區(qū)，可對(duì)脈搏波波形的實(shí)時(shí)繪制，通過接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取硬件數(shù)據(jù)，設(shè)置坐標(biāo)系可實(shí)現(xiàn)與脈搏波波形的實(shí)時(shí)繪制。在波形繪制上方顯示為基于健康值高低及疲勞狀態(tài)的評(píng)價(jià)語(yǔ)，健康評(píng)價(jià)語(yǔ)分為：您身體狀況良好，繼續(xù)保持；您的身體狀況一般，建議您多加運(yùn)動(dòng)；您的身體狀態(tài)偏弱，建議您減少計(jì)算機(jī)使用；您的身體狀況較差，建議您注意運(yùn)動(dòng)飲食及休息。此外，在波形繪制區(qū)域下方將顯示系統(tǒng)對(duì)有效操作時(shí)間的累計(jì)值，并實(shí)時(shí)更新給用戶。如圖8中②區(qū)所示。

（3） 用戶信息與設(shè)置區(qū)。右側(cè)為設(shè)置與信息欄，用戶可在該欄對(duì)個(gè)人基本信息及進(jìn)行輸入與修改，其中身高、體重、血壓參數(shù)的輸入將大幅度提高系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的可信度。此外，可通過按鈕實(shí)現(xiàn)全屏顯示控制及開機(jī)自啟動(dòng)設(shè)置。如圖8中③區(qū)所示。

（4） 休息提示。軟件初始設(shè)置有效操作時(shí)間累計(jì)達(dá)1 h觸發(fā)休息條件，軟件將提示用戶休息10 min，使用戶得以調(diào)整自身狀況。休息提示界面如圖9所示。用戶可隨時(shí)關(guān)閉休息界面，或待進(jìn)度條讀完后界面自行關(guān)閉，軟件將根據(jù)用戶休息時(shí)間對(duì)觸發(fā)休息閾值條件做出調(diào)整。休息時(shí)間長(zhǎng)閾值將提高，休息時(shí)間短閾值將降低。

圖9 休息提示界面

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試選取10名健康學(xué)生進(jìn)行，通過在Windows XP、Win7 32位與64位、Win8等不同操作系統(tǒng)上進(jìn)行連續(xù)1 h的使用，測(cè)試系統(tǒng)的可移植性與穩(wěn)定性。通過對(duì)不同參數(shù)特征狀態(tài)的脈搏波數(shù)據(jù)以TXT數(shù)據(jù)讀取的方式，測(cè)試軟件單波提取算法準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)算法穩(wěn)定性的測(cè)試。

6 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)具脈搏檢測(cè)、健康評(píng)價(jià)、疲勞休息提示功能于一體，結(jié)合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)及用戶交互設(shè)計(jì)，可在不干擾用戶正常計(jì)算機(jī)使用情況下完成以上功能，倡導(dǎo)健康計(jì)算機(jī)使用理念，為長(zhǎng)期計(jì)算機(jī)操作人群提供了日常保健便利。平臺(tái)操作方法簡(jiǎn)便易懂，界面設(shè)計(jì)友好、數(shù)據(jù)計(jì)算精確，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。隨著移動(dòng)終端與社交網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步普及，基于大數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療保健將成為新的熱點(diǎn)。系統(tǒng)的研究工作一方面將進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)算法，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。另一方面，系統(tǒng)將擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能，并將軟件嵌入平板電腦與手機(jī)，進(jìn)一步擴(kuò)大可應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

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[10] 羅志昌.脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.