CN110876623A - 一种飞行员供氧状态实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞行员供氧状态实时监测系统，包括血氧饱和度检测传感器和氧气面罩，血氧饱和度传感器的硬件电路包括发射探头、接收探头、连接线缆和处理电路；处理电路包括发射探头控制电路、AD采样电路和CPU数据处理器。发射探头和接收探头为黏附型的贴片，黏附于氧气面罩的鼻梁内表面两侧。发射探头发射660nm红光和940nm红外线经鼻翼后被接收探头接收并输出电信号给CPU数据处理器进行采集、数学计算和逻辑分析处理，得到血氧检测数据。当飞行员佩戴氧气面罩时，血氧饱和度传感器贴片紧密贴合飞行员鼻翼，保证了测量的准确性和佩戴的舒适性；该装置可实时检测飞行员的血氧检测数据并发送至供氧调节器，由供氧调节器评估供氧状态并采取相应措施。
Description
技术领域
本发明涉及防护救生技术领域，尤其涉及一种飞行员供氧状态实时监测系统。
背景技术
目前国内都是通过氧气面罩按照固定的压力制度给飞行员供氧，没有根据飞行员的实际供氧状态进行反馈调节，忽略了飞行员的实际供氧状态以及飞行员个体之间的差异，造成一些飞行员的经常性不明显缺氧，严重危害其身体健康，有时甚至造成飞行员严重缺氧，导致其在毫无知觉的情况下出现昏迷情况，造成重大事故。
血氧饱和度是血液中氧合血红蛋白的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数，因此，检测血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合血红蛋白携氧能力进行估计，是反应机体缺氧的一个重要生理指标，当机体缺氧到较重程度时，可以通过数据明显反应出来血氧饱和度的变化。目前，检测血氧饱和度的常用方法为光学法，对人体无创伤，可以连续测量而且操作简单，广泛应用于临床和科研工作中。传统测量原理是用LED和光电电晶体夹住指尖等身体半透明部位，然后测量透过身体后的吸收光谱比率；这种构造存在测量时有压迫感和血流不通等问题。外形通常为指套型，但指套型会影响飞行员作战任务的执行，专利(CN209360697 U)就公布了一种手套式血氧饱和度检测仪。
新型脉搏血氧仪是测量红外光和红光的反射光，不用夹住指尖等身体部位，只需要贴上就可以简单测量。通过测量反射光的吸收光谱就可以达到目的，彻底解决了测量时患者可能感到不适的问题。因此，黏附型更适合用于检测飞行员工作时的血氧饱和度。
正常情况下，人体动脉血的血氧饱和度的值稳定在95～99％之间，静脉血为75％左右。动脉血氧饱和度的变化可以反映机体缺氧的严重程度。人体鼻梁处有一根动脉，研制一种可检测血氧饱和度氧气面罩装置，当飞行员佩戴氧气面罩时，血氧饱和度传感器贴片可紧密贴合飞行员鼻翼，有效检测飞行员的血氧饱和度，并将检测结果传递出来，然后供氧调节器根据该数据调整供氧量。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种飞行员供氧状态实时监测系统，该装置采用贴片式的血氧饱和度检测传感器，当飞行员佩戴氧气面罩时，血氧饱和度传感器贴片可紧密贴合飞行员鼻翼，既保证了测量的准确性，也确保了飞行员佩戴的便捷性和舒适性，通过该装置可实时检测飞行员的血氧饱和度，并将结果发送至供氧调节器，由供氧调节器评估供氧状态并采取相应措施，全面提升飞行员供氧安全。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种飞行员供氧状态实时监测系统，包括血氧饱和度检测传感器和氧气面罩，所述血氧饱和度检测传感器黏附于所述氧气面罩鼻翼处的内表面；所述血氧饱和度传感器的硬件电路包括发射探头、接收探头、连接线缆和处理电路；所述处理电路包括发射探头控制电路、AD采样电路和CPU数据处理器。；
所述发射探头在一个LED里面集成了发射660nm红光的LED1和发射940nm红外线的LED2，完成波长为660nm、940nm波的发射；所述接收探头完成透过被测体的红光、红外光的接收并输出电信号；所述发射探头控制电路控制LED1和LED2探头以一定的频率轮流发射红光、红外光；所述CPU数据处理器把所述接收探头送来的电信号进行AD采集，并进行相应数学计算和逻辑分析处理后得到的血氧检测数据，通过串口输出。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的飞行员供氧状态实时监测系统进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述CPU数据处理器通过发射探头控制电路连接所述发射探头，所述CPU数据处理器通过所述AD采样电路连接所述接收探头，所述CPU数据处理器通过电源处理电路连接电源。
作为上述技术方案的改进，所述发射探头和接收探头为黏附型的贴片，通过粘扣贴黏附于所述氧气面罩的鼻梁内表面两侧；所述发射探头发射的发射红光、红外光经过佩戴者的鼻翼后被接收探头接收。
作为上述技术方案的改进，在所述发射探头和/或接收探头与粘扣贴之间设置有海绵，所述海绵的厚度可根据不同的鼻梁高度进行调整，在飞行员佩戴该面罩时，能确保贴片能刚好贴合在其鼻翼处。
作为上述技术方案的改进，所述氧气面罩将血氧检测数据输出给供氧调节器，所述供氧调节器根据血氧检测数据调整供氧量。
目前，检测血氧饱和度的常用方法为光学法，对人体无创伤，可以连续测量而且操作简单，广泛应用于临床和科研工作中。传统测量原理是用LED和光电电晶体夹住指尖等身体半透明部位，然后测量透过身体后的吸收光谱比率；这种构造存在测量时有压迫感和血流不通等问题。外形通常为指套型，但指套型会影响飞行员作战任务的执行。新型脉搏血氧仪是测量红外光和红光的反射光，不用夹住指尖等身体部位，只需要贴上就可以简单测量。通过测量反射光的吸收光谱就可以达到目的，彻底解决了测量时患者可能感到不适的问题。因此，黏附型更适合用于检测飞行员工作时的血氧饱和度。
图1为人体脑部动脉示意图。如图1所示，根据人体动脉分布位置及飞行员佩戴防护装备的舒适性要求，飞行员鼻部为血氧饱和度采集的合适位置，采用贴片的血氧饱和度传感器，结合人体工学设计，使飞行员佩戴氧气面罩时，血氧饱和度传感器可紧密贴合飞行员鼻翼，既保证了测量的准确性，也确保了飞行员佩戴的便捷性和舒适性。
采用粘扣贴、海绵将发射探头和接受探头做成黏附型的血氧饱和度传感器贴片，在面罩的鼻梁处固定粘扣贴，发射探头和接收探头通过粘扣贴固定在面罩上，探头通过粘扣贴可以调整上下左右的位置，同时在探头与粘扣贴之间加一些海绵，海绵的厚薄可根据不同的鼻梁高度进行调整，当飞行员佩戴该面罩时，能确保传感器贴片能刚好贴合在其鼻翼处。通过线缆将处理电路与传感器贴片连接起来。
血氧饱和度的测量原理如下：
血红蛋白是人体内负责运载氧的一种蛋白质(Hb或HGB)，它与氧气结合后变成氧合血红蛋白(HbO2)，氧合血红蛋白为红色，脱氧血红蛋白呈暗红色。图2是氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对红光和红外光的吸收光谱。如图2所示，氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对红光和红外光的吸收率存在很大差异，在波长为660nm的红光处，脱氧血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白强十倍以上，而在波长为940nm的红外光处，脱氧血红蛋白对光的吸收则比氧合血红蛋白弱的多。
根据比尔定律，透射光强A与入射光强A0有以下关系：
A＝A0ekcd (公式1)
其中，c为浓度；d为路径；k为吸收光的系数；
动脉血管搏动时，动脉血液对光的吸收量将随之变化，而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其它组织对光的吸收是恒定不变的。假定动脉血液最大透光强度为Amax(λ)，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白引起的最小透光强度Amin(λ)可表示为：
Amin(λ)＝Amax(λ)e-Δd(k(Hb,λ)C(Hb)+k(HbO2,λ)C(HbO2)) (公式2)
即：
△d为动脉组织体积变化引起的光程变化；C(HbO2)、C(Hb)为有氧、无氧血红蛋白浓度；k(HbO2)、k(Hb)为有氧、无氧血红蛋白吸光系数。
根据上式，如果将两个不同波长的ln(Amax(λ)/Amin(λ))相比，△d项即可通过运算去除，
推导出有氧血氧浓度为：
从图2中看出，在红光λ1处，Hb的吸收系数远大于HbO2的吸收系数，而在红外波长λ2处两者差别不大，若选择合适波长λ2，使得：
Q(k(Hb,λ2)-k(HbO2,λ2))≈0 (公式6)
则可以看出有氧血氧浓度与Q近似呈线性关系y＝ax+b。因此只需要测量两路光的最大光强Amax(λ1、λ2)与最小光强Amin(λ1、λ2)，或最大光强Amax(λ1、λ2)与脉搏引起透光变化量△Amax(λ1、λ2)即可计算出双波吸收比率Q。
透射光的变化量△Amax为交流量，是脉搏滤波后的峰值，表征了脉搏引起透光变化；Amax为直流量，是滤波前采样点的平均值，表征了皮肤、肌肉、骨骼和静脉等其它组织对光的恒定吸收。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
本发明在充分验证血氧饱和度数据采集的有效性的基础上，结合人体工学研究，确定了血氧饱和度传感器的在氧气面罩内的布局位置和放置形式，并通过有线或无线形式输出采集数据；该系统可实时检测飞行员的血氧饱和度，并将结果发送至供氧调节器，由供氧调节器评估供氧状态并采取相应措施，全面提升飞行员供氧安全，使我国飞行员缺氧监控技术达到国际先进水平。
本发明所述面罩佩戴方便、舒适，不影响飞行员的正常工作，而且测量数据准确，可靠性好，供氧调节器根据飞行员的状态及时调整供氧量，保证飞行员的安全。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是人体脑部动脉示意图；
图2是氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对红光和红外光的吸收光谱；
附图3是本发明所述氧气面罩的结构示意图一；
附图4是本发明所述氧气面罩的结构示意图二；
附图5是本发明所述氧气面罩处理电路的原理框图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
本发明所述一种飞行员供氧状态实时监测系统，包括血氧饱和度检测传感器和氧气面罩，所述血氧饱和度传感器的硬件电路包括发射探头、发射探头控制电路、接收探头、AD采样电路和CPU数据处理器。附图3、4是本发明所述氧气面罩的结构示意图，如图3所示，所述发射探头和接收探头为黏附型的贴片，通过粘扣贴黏附于所述氧气面罩的鼻梁内表面两侧。
附图5是本发明所述氧气面罩处理电路的原理框图，如图5所示，所述CPU数据处理器通过发射探头控制电路连接所述发射探头，所述CPU数据处理器通过所述AD采样电路连接所述接收探头，所述CPU数据处理器通过电源处理电路连接电源。
所述发射探头在一个LED里面集成了发射660nm红光的LED1和发射940nm红外线的LED2，完成波长为660nm、940nm波的发射；所述接收探头完成透过被测体的红光、红外光的接收并输出电信号。即所述发射探头发射的发射红光、红外光经过佩戴者的鼻翼后被接收探头接收。所述发射探头控制电路控制LED1和LED2探头以一定的频率轮流发射红光、红外光；所述CPU数据处理器把所述接收探头送来的电信号进行AD采集，并进行相应数学计算和逻辑分析处理后得到的血氧检测数据，通过串口输出。将血氧检测数据输出给供氧调节器，所述供氧调节器进而调整供氧量，防止因为氧气不足导致飞行员昏厥。
采用粘扣贴、海绵将发射探头和接受探头做成黏附型的血氧饱和度传感器贴片，在面罩的鼻梁处固定粘扣贴，发射探头和接收探头通过粘扣贴固定在面罩上，探头通过粘扣贴可以调整上下左右的位置，同时在探头与粘扣贴之间加一些海绵，海绵的厚薄可根据不同的鼻梁高度进行调整，当飞行员佩戴该面罩时，能确保传感器贴片能刚好贴合在其鼻翼处
当飞行员佩戴上该面罩后，面罩将飞行员的呼吸器官与周围介质隔离，以保证在非加压供氧高度上长时间飞行中向飞行员供氧，同时保护飞行员脸部不受迎面高速气流的伤害。接通机上电源后，处理电路中发射探头控制电路完成对发射探头的极性转换控制，在CPU数据处理器指令控制下，发射探头按照100Hz的频率进行发光，交替发射660nm的红光和940nm的红外光；同时CPU数据处理器开启定时器，按照同样的频率进行AD采样，获取接收探头感受到660nm红光和940nm的红外光后的输出信号A(λ1)和A(λ2)，当A(λ1)和A(λ2)分别达到100组数据时，分别计算出100组A(λ1)数据的平均值Amax(λ1)、最大值ΔAmax(λ1)和100组A(λ2)数据的平均值Amax(λ2)、最大值ΔAmax(λ2)，然后按照公式7和公式8计算出血氧饱和度，并将血氧饱和度数据通过串口传输给供氧调节器，由供氧调节器评估供氧状态并采取相应措施；同时CPU开启下一个周期的血氧饱和度计算。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种飞行员供氧状态实时监测系统，包括血氧饱和度检测传感器和氧气面罩，其特征在于：所述血氧饱和度检测传感器黏附于所述氧气面罩鼻翼处的内表面；所述血氧饱和度传感器的硬件电路包括发射探头、接收探头、连接线缆和处理电路；所述处理电路包括发射探头控制电路、AD采样电路和CPU数据处理器；
所述发射探头在一个LED里面集成了发射660nm红光的LED1和发射940nm红外线的LED2，完成波长为660nm、940nm波的发射；所述接收探头完成透过被测体的红光、红外光的接收并输出电信号；所述发射探头控制电路控制LED1和LED2探头以一定的频率轮流发射红光、红外光；所述CPU数据处理器把所述接收探头送来的电信号进行AD采集，并进行相应数学计算和逻辑分析处理后得到的血氧检测数据，通过串口输出。
2.如权利要求1所述的飞行员供氧状态实时监测系统，其特征在于：所述CPU数据处理器通过发射探头控制电路连接所述发射探头，所述CPU数据处理器通过所述AD采样电路连接所述接收探头，所述CPU数据处理器通过电源处理电路连接电源。
3.如权利要求1所述的飞行员供氧状态实时监测系统，其特征在于：所述发射探头和接收探头为黏附型的贴片，通过粘扣贴黏附于所述氧气面罩的鼻梁内表面两侧；所述发射探头发射的发射红光、红外光经过佩戴者的鼻翼后被接收探头接收。
4.如权利要求1所述的飞行员供氧状态实时监测系统，其特征在于：在所述发射探头和/或接收探头与粘扣贴之间设置有海绵，所述海绵的厚度可根据不同的鼻梁高度进行调整，在飞行员佩戴该面罩时，能确保贴片能刚好贴合在其鼻翼处。
5.如权利要求1所述的飞行员供氧状态实时监测系统，其特征在于：所述氧气面罩将血氧检测数据输出给供氧调节器，所述供氧调节器根据血氧检测数据调整供氧量。
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