軍車乘員生理狀態(tài)在途監(jiān)控干預(yù)指導(dǎo)系統(tǒng)研究

萬(wàn)紅，王延琦，考希賓，夏寶清，姬麗靜，閆金海，陳亞妮，郭孝文

(兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)人-機(jī)-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

1 引言

坦克裝甲車輛作為相對(duì)獨(dú)立的作戰(zhàn)單元，在全地域、全天候環(huán)境下作戰(zhàn)，作戰(zhàn)半徑大、時(shí)間長(zhǎng)，乘員面臨著高強(qiáng)度持續(xù)、獨(dú)立作戰(zhàn)及高溫、高原等特殊環(huán)境，生理心理都會(huì)產(chǎn)生影響，造成緊張、身心疲憊、疾病等不良狀態(tài)，影響作業(yè)能力的發(fā)揮[1]。另外在戰(zhàn)場(chǎng)上坦克裝甲車輛一旦被擊中，乘員受傷的幾率較高[2]，需要及時(shí)開(kāi)展救治。通過(guò)對(duì)乘員生理狀態(tài)的評(píng)估判定，并給予干預(yù)指導(dǎo)，指導(dǎo)乘員采取措施，進(jìn)行高效的自我干預(yù)和自救互救，對(duì)保障乘員戰(zhàn)斗力具有重要意義。隨著坦克裝甲車輛信息化、智能化的不斷發(fā)展，乘員與車輛的融合愈加緊密，乘員狀態(tài)與車輛狀態(tài)一樣受到重視，美軍的“斯特賴克”裝甲車已計(jì)劃已將乘員狀態(tài)納入其車輛健康狀態(tài)管理系統(tǒng)中[3]，我軍乘員狀態(tài)監(jiān)控研究也勢(shì)在必行，利用車輛信息化平臺(tái)，開(kāi)展了乘員生理狀態(tài)監(jiān)控干預(yù)指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

軍車乘員生理狀態(tài)監(jiān)控干預(yù)指導(dǎo)系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)，包括生理參數(shù)接受模塊、生理參數(shù)處理模塊、狀態(tài)顯示模塊和干預(yù)指導(dǎo)模塊，安裝在車內(nèi)終端上，在終端上設(shè)置相應(yīng)的按鈕，點(diǎn)擊該按鈕進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)乘員端的生理監(jiān)測(cè)裝置和車內(nèi)總線獲取每位乘員生理參數(shù)信息，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)預(yù)警值，自動(dòng)將乘員的生理狀態(tài)判定為正常和關(guān)注。在關(guān)注狀態(tài)下可提示應(yīng)采取的針對(duì)性措施，車長(zhǎng)根據(jù)車輛所處狀態(tài)，組織采取措施有效地進(jìn)行自我干預(yù)防護(hù)(見(jiàn)圖1)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：

(2)實(shí)時(shí)判定、顯示各乘載員生理狀態(tài)，通過(guò)設(shè)定的每項(xiàng)參數(shù)預(yù)警值，自動(dòng)判定為正常、關(guān)注兩種狀態(tài)，以文字及綠色、黃色指示燈指示。

(3)點(diǎn)擊每個(gè)乘載員圖標(biāo)能夠顯示單人的每項(xiàng)實(shí)時(shí)生理參數(shù)及是否異常。

(4)如果超過(guò)預(yù)警值處于關(guān)注狀態(tài)，可啟動(dòng)干預(yù)指導(dǎo)，以文字顯示需要采取的相應(yīng)措施。

3 預(yù)警值的設(shè)定

軍車乘員在作戰(zhàn)過(guò)程中，心率、呼吸速率、體溫等生理參數(shù)的變化可以反映應(yīng)激、感染或中暑、缺氧(高原)、戰(zhàn)傷等狀態(tài)，當(dāng)這些生理參數(shù)發(fā)生異常變化超過(guò)了預(yù)警值時(shí)，說(shuō)明乘員處于需要關(guān)注的狀態(tài)。生理參數(shù)預(yù)警值的設(shè)定需綜合各參數(shù)的正常范圍值及乘員特點(diǎn)。

正常成人在安靜狀態(tài)下心率為50～100次/min，平均72次/min。乘員為身體健康的青年人，可以排除因心血管疾病導(dǎo)致的心率異常，心率變化主要是受精神、體力活動(dòng)及戰(zhàn)傷等因素影響，在預(yù)警值的設(shè)定上，需要排除正常作業(yè)帶來(lái)的影響。乘員作業(yè)以坐姿和信息處理為主，為輕到中勞動(dòng)，正常作業(yè)心率一般不超過(guò)116次/min[4]；另外由于乘員為常年訓(xùn)練的青年人，因此安靜時(shí)有人心率可在每分鐘50次以下。在作訓(xùn)時(shí)乘員出現(xiàn)心動(dòng)過(guò)速更多是高強(qiáng)度的負(fù)荷使乘員處于應(yīng)激狀態(tài)，如兩棲車駕駛員在發(fā)動(dòng)下海、海中駕駛、海中轉(zhuǎn)彎、搶灘登陸訓(xùn)練中的心率分別為106.1、98.8、103.1、118.9次/min[5],長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)激狀態(tài)會(huì)加速疲勞，降低作業(yè)能力。另外導(dǎo)致心動(dòng)過(guò)速常見(jiàn)于高溫環(huán)境下作訓(xùn)時(shí)中暑、感染性發(fā)熱和戰(zhàn)傷時(shí)大出血所致血容量不足等，綜合分析，當(dāng)心率持續(xù)超過(guò)120次/min時(shí)應(yīng)高限預(yù)警，低于45次/min時(shí)應(yīng)低限預(yù)警。

正常成人安靜狀態(tài)下呼吸率為12～18次/min。呼吸率和心率之間存在比例關(guān)系，因此心率改變時(shí)，呼吸率也隨之改變。在戰(zhàn)場(chǎng)上士兵呼吸率改變的原因與心率相近，一般超過(guò)30次/min時(shí)應(yīng)高限預(yù)警，低于10次/min時(shí)應(yīng)低限預(yù)警。

正常成人安靜狀態(tài)下的血壓范圍為收縮壓100～120mmHg(13.3～16.0kPa)，舒張壓60～80mmHg(8～10.6Pa)。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，收縮壓更有意義，與應(yīng)激和戰(zhàn)傷失血密切相關(guān)，特別是戰(zhàn)傷失血，當(dāng)失血量達(dá)到全血量的20%～40%時(shí)，收縮壓可降至90mmHg以下，為輕度到中度休克，因此血壓的低限預(yù)警值可定為90 mmHg[6]，高限值可定為140 mmHg。

我腿腳發(fā)軟地跟著他們走上咿咿呀呀作響的小木橋。我該怎么辦？我該怎么辦？我一遍又一遍地問(wèn)驚慌失措的自己。平時(shí)我自信自己是一個(gè)挺有主見(jiàn)的主兒，但在那天的那一刻，我才發(fā)現(xiàn)，自己其實(shí)很不怎么樣的。

體溫的正常值為37℃左右，波動(dòng)的范圍很小。一般體溫上升超過(guò)正常值0.5℃，即為體溫升高；體溫低于35℃為低體溫。乘員出現(xiàn)體溫過(guò)高主要是兩種情況，一是裝甲車輛在濕熱、沙漠等高溫地區(qū)作訓(xùn)時(shí)，車內(nèi)溫度可達(dá)到50℃以上，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)可能導(dǎo)致乘員體溫升高，嚴(yán)重的引起熱痙攣等中暑情況，有人主張用平均體溫37.7℃為生理安全上限[7]；再就是由病原體引起各種感染性發(fā)熱。乘員出現(xiàn)體溫過(guò)低情況，一是在寒區(qū)作訓(xùn)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫環(huán)境中，機(jī)體散熱過(guò)多、過(guò)快導(dǎo)致體溫下降；再者嚴(yán)重戰(zhàn)傷時(shí)，體溫調(diào)節(jié)中樞受損和產(chǎn)熱減少，導(dǎo)致體溫下降。因此體溫高限預(yù)警值可定為37.5℃，低限可定為35℃。

血氧飽和度平原地區(qū)正常值為95%～99%，低于90%為低氧血癥。在高原地區(qū)從生理和作業(yè)安全角度考慮，乘員作業(yè)時(shí)的血氧飽和度應(yīng)不低于85%[8]。因此血氧飽和度平原地區(qū)限值為90%，高原地區(qū)為85%。

通過(guò)分析，五項(xiàng)參數(shù)的預(yù)警值設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 生理參數(shù)預(yù)警值

心率(Hr)、呼吸速率(Br)、體溫(T)、血壓(SBP)、血氧飽和度(SpO2)的預(yù)警模型分別為：

4 干預(yù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)

在戰(zhàn)場(chǎng)上，高強(qiáng)度作業(yè)、應(yīng)激、惡劣作業(yè)環(huán)境、戰(zhàn)傷都可引起心率、呼吸、血壓、血氧參數(shù)的持續(xù)變化，感染、艙室內(nèi)高溫中暑會(huì)引起體溫的變化。干預(yù)指導(dǎo)就是根據(jù)乘員生理參數(shù)出現(xiàn)的異常變化，提示可能的情況和應(yīng)采取的針對(duì)措施。干預(yù)措施考慮乘員在單車一線作戰(zhàn)，指導(dǎo)內(nèi)容以自我干預(yù)、自救互救為主。

例如針對(duì)心率的異常變化，分析乘員可能出現(xiàn)的情況一是高強(qiáng)度的負(fù)荷使乘員處于緊張的應(yīng)激狀態(tài)；二是高溫環(huán)境下作訓(xùn)時(shí)中暑，三是戰(zhàn)傷時(shí)大出血。對(duì)應(yīng)的干預(yù)指導(dǎo)內(nèi)容包括：

(1)感覺(jué)緊張焦慮，深呼吸，保持放松。

(2)高溫環(huán)境下查看是否中暑，開(kāi)啟通風(fēng)、空調(diào)裝置，服用抗中暑藥。

(3)有大量出血，立即進(jìn)行止血包扎處理。

血壓的異常變化，主要就是戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)激和戰(zhàn)傷大出血、休克。對(duì)應(yīng)的干預(yù)指導(dǎo)包括：

(1)感覺(jué)緊張焦慮，深呼吸，保持放松。

(2)有大量出血，立即進(jìn)行止血包扎處理。

(3)有煩躁、出汗、意識(shí)模糊，應(yīng)進(jìn)行保暖，讓傷員平躺，適當(dāng)抬高下肢。

生理參數(shù)的變化有相互關(guān)聯(lián)性，如心率和呼吸速率有比例關(guān)系；體溫升高1℃，心率升高10次左右。因此生理狀態(tài)改變很可能引起多個(gè)參數(shù)共同變化，例如戰(zhàn)傷大出血時(shí)，心率、呼吸速率、血壓都會(huì)出現(xiàn)異常變化，血壓下降，心率和呼吸速率升高，這種相對(duì)狀態(tài)指向明確的情況下，干預(yù)指導(dǎo)就以血壓的止血包扎、抗休克為主。

5 系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行流程見(jiàn)圖2。

圖 2 系統(tǒng)運(yùn)行圖

6 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

6.1 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面如圖3所示。進(jìn)入系統(tǒng)后，接入乘載員的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，開(kāi)始不斷接收并存儲(chǔ)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主界面會(huì)點(diǎn)亮當(dāng)前所接入乘載員的生理狀態(tài)指示燈并顯示生理狀態(tài)。當(dāng)斷開(kāi)連接已在線的乘載員連接線時(shí)，狀態(tài)指示燈恢復(fù)到初值。

圖3 系統(tǒng)主界面

6.2 參數(shù)顯示界面

單擊相應(yīng)乘載員的生理狀態(tài)指示燈，則進(jìn)入其生理參數(shù)監(jiān)測(cè)顯示界面，如圖 4所示。界面會(huì)顯示該乘員的實(shí)時(shí)參數(shù)值，及正常和異常判定，當(dāng)某一生理參數(shù)超過(guò)預(yù)警值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)異常的指示狀態(tài)，

圖4 參數(shù)顯示界面

6.3 干預(yù)指導(dǎo)界面

當(dāng)有異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，單擊干預(yù)指導(dǎo)圖標(biāo)，則進(jìn)入其干預(yù)指導(dǎo)信息提示界面，如圖5所示，乘載員可根據(jù)提示采取相應(yīng)措施。

圖5 干預(yù)指導(dǎo)界面

7 討論

裝甲車輛由于要在不同地域、天候環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，艙內(nèi)環(huán)境狹小、作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)強(qiáng)度高、面臨生命威脅等因素對(duì)乘員生理狀態(tài)、作業(yè)能力都有明顯影響。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下通過(guò)監(jiān)測(cè)乘員的生理狀態(tài)，使乘員自身及指揮員能夠及時(shí)掌握其作戰(zhàn)能力并予以干預(yù)防護(hù)，對(duì)戰(zhàn)斗部署、協(xié)同作戰(zhàn)、行動(dòng)安排具有重要意義。心率、呼吸率、體溫、血壓、血氧飽和度等參數(shù)與人體的生理狀態(tài)密切相關(guān)，如精神負(fù)荷、作業(yè)負(fù)荷增加處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，心率、呼吸率、血壓都會(huì)發(fā)生改變[9]；戰(zhàn)傷休克時(shí)，呼吸率和血壓是快速評(píng)估的指標(biāo)，同時(shí)這五項(xiàng)指標(biāo)具有可實(shí)時(shí)采集分析、信號(hào)采集簡(jiǎn)單易行、受干擾少、對(duì)操作影響小等優(yōu)點(diǎn)而適用于乘員生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)評(píng)估。

目前的大部分研究只關(guān)注于生理參數(shù)采集的實(shí)現(xiàn)[10]，而很少進(jìn)行狀態(tài)的評(píng)估預(yù)警，針對(duì)參數(shù)變化及時(shí)提出應(yīng)急干預(yù)指導(dǎo)更是鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)乘員在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下生理參數(shù)變化的系統(tǒng)分析，提出了預(yù)警值，并通過(guò)預(yù)警進(jìn)行針對(duì)性的干預(yù)指導(dǎo)，使乘員能夠快速采取急救、防護(hù)措施。在干預(yù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)上考慮乘員單車一線作戰(zhàn)，指導(dǎo)內(nèi)容以自救互救、自我干預(yù)為主，突出干預(yù)重點(diǎn)，簡(jiǎn)單明了，易于操作。

系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可利用各類車輛的信息化平臺(tái)，安裝在車內(nèi)終端上，與乘員端的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置[11]共同實(shí)現(xiàn)乘員的實(shí)時(shí)生理狀態(tài)監(jiān)控及應(yīng)急干預(yù)指導(dǎo)，將乘員狀態(tài)納入了車輛信息狀態(tài)的管理中。系統(tǒng)通過(guò)接受乘員的生理參數(shù)信息，通過(guò)預(yù)警值判定及對(duì)應(yīng)的干預(yù)指導(dǎo)，采用文字、指示燈等相結(jié)合的方式實(shí)時(shí)顯示在終端上，給乘員明確的提示，并可通過(guò)車際信息平臺(tái)將狀態(tài)信息發(fā)送給指揮車。系統(tǒng)還可以給車內(nèi)其他裝置提供控制指令，如通風(fēng)空調(diào)、供氧等裝置，及時(shí)改善艙室環(huán)境，穩(wěn)定乘員的生理心理狀態(tài)。

8 結(jié)論

軍車乘員生理狀態(tài)監(jiān)控干預(yù)系統(tǒng)通過(guò)獲取五項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行乘員生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供應(yīng)急干預(yù)指導(dǎo)，有效地保障了乘員的持續(xù)作戰(zhàn)能力，使裝備和作業(yè)者能夠更好的融合，充分發(fā)揮裝備的作戰(zhàn)效能。系統(tǒng)在預(yù)警值的設(shè)定方面還需進(jìn)一步優(yōu)化，由于乘員個(gè)體初始狀態(tài)、耐受程度存在差異，因此監(jiān)測(cè)生理參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，以及多個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)后的綜合變化趨勢(shì)可能會(huì)更有意義，需要通過(guò)建立模型進(jìn)行預(yù)警值的設(shè)定，提升預(yù)警的準(zhǔn)確率。