空中生理数据获取技术

在航空医学基础理论研究、飞行人员医学鉴定、航空防护救生装备评价以及人机系统设计等工作中，都需要记录飞行条件下飞行人员的生理与医学数据，以便与地面观察研究结果互相验证，从而得出正确结论。为实现空中生理记录，可采用机载光线示波器记录法、机载或人佩带式磁带记录法及无线电遥测法等。此项技术研究工作，我国于五十年代后期即已开始，现正进入数字化遥测和数字磁带记录阶段。
生理与物理参数 飞行条件下常记录的生理指标有心电图、心率、耳壳阻光度搏动(“耳脉搏”)、呼吸频率、脑电图等。需经常记录的飞行环境参数有飞行高度 （座舱绝对压力）、加速度(G值)及飞行状态等。根据飞行试验目的，还可记录呼吸气体容积流率、肺换气量、氧分压、体温、动脉血压、飞行人员语声等。
心电图 为防止肢体活动的肌电干扰，常用胸部导联，如ABC、MV5、CC5导联等。ABC导联有利于心电轴的测量；MV5导联对心脏缺血性变化较敏感，波形类似标准Ⅱ导联；CC₅导联则类似标准Ⅰ导联。
心率 为最易获得的空中生理数据之一，可反映飞行劳动负荷等情况。通常由心电图记录的R-R间期转换得出心率数据。其途径有二：
❶脉冲平均法。每个R波产生一宽度和幅度皆为恒定的脉冲，再积分平均得出。
❷求倒数法，即60/T法，其中T为R-R间期。
耳壳阻光度搏动 又称“耳脉搏”，它反映左心室收缩时耳壳组织血液充盈度的波动，可由光电传感器获取波动信息。+Gz作用时，耳脉搏幅度改变可反映头部血量变化。根据国内、外一些资料，在+Gz作用下，当耳脉搏的相对幅度减低25%时，80%以上的飞行人员已出现视力障碍。故可以此作为飞行中判断加速度耐力的指标之一。
呼吸频率 可用长度-电阻变换器、温敏电阻、阻抗法等记录。后者还能给出半定量的肺换气量数据，唯空中应用难度较大。此外，还可从心电图R波幅度的变化中提取呼吸频率信息。
脑电图 能相对反映飞行中脑的功能状态，其技术较成熟，故常作此项记录。如飞行疲劳时可有α波指数下降，出现低振幅慢波变化；脑供血不足时可出现高幅慢波及中心频率偏移等。结合实时快速傅里叶变换 (FFT)，对脑电图记录进行频谱分析，可进一步扩展其在空中测试的用途。为了能在飞行中得到稳定的脑电图记录基线，常选择枕部导联(可减少睁、闭眼电位的干扰)，电极用粘胶固定。
技术途径 有三种可供选择的途径：
机载光线示波器记录法 此法最为简单。各种生理、物理参数经传感器换能（或经放大器）即可直接输入光线示波器记录之。应注意光线示波器须适于在航空条件下使用，其振子应能在低气压和加速度影响下正常工作。此法主要缺点是：不能在飞行时进行监视，记录结果再处理难度较大，体积大，使用不便等。
机载或人佩带式磁带记录法 低频的生理、物理信号只有经过调制以后才能进行磁带记录。调制的方法有调频(FM)、调宽(PDM)和编码(PCM)三种。
调频制磁记录法较常用。其主要缺点为运带机构瞬时速度不稳（抖动）所带来的调频噪声干扰较大。可采用大频偏和抖动补偿电路补救。
调宽制磁记录法对运带机构瞬时不稳所造成的抖动干扰具有自补偿能力，故在信噪比方面有明显改善。航空医学研究所已经研制成功调宽制四道飞行检查用磁带记录器，佩带于飞行人员腰部，能同时录下飞行过程中心电、脑电、耳脉搏和加速度等变化。
编码制磁记录法，又称“数字磁记录法”，精度最高。在此法中，保存于磁带上的仅是数字代码，回放时须对所记代码的符号进行识别。其结果可直接输入数字计算机进行数据处理。
无线电遥测法 应用此法可在地面对空中的飞行人员作实时的生理与医学监视。常采用的制度有频率分割制、脉冲调幅制(PAM)、脉冲调宽制 (PDM) 和编码制(PCM)等。其差别主要在于多路复用设备 （调制和解调）。最好选用遥测与磁带记录兼容的制度，以便于用磁带储存数据。脉冲调宽制适用于各种模拟量生物医学遥测。因其能与磁带记录相容，而且发射部分可制作得很小，佩带于飞行人员身上。近年由于CMOS数字集成电路的发展，编码制的传输方式已应用于医学遥测中。其优越性与编码制磁带记录相同。属于编码制的航空医学遥测系统我国亦已研制成功。
特殊问题 仪器设备和技术方法应结合航空特点：(1) 机载或飞行人员佩带的测试设备必须是体积小、重量轻，且适于在低气压和加速度等航空条件下工作。

无线电遥测法方框图

(2) 电极和传感器的固定必须牢靠，导联的选择也应注意避开肌电干扰，但不得妨碍操纵动作或其他飞行活动。
(3)抗400Hz共模干扰问题。飞机上许多设备由400Hz交流源供电。400Hz信号虽已落在大部分生物电信号频谱之外，但在作时分制采样测量时，仍可造成所谓“频率混叠”干扰。故所用生物电放大器之共模抑制比(CMRR) 应符合一定要求。脑电放大器之共模抑制比应大于60dB，而心电放大器则应大于50dB。
(4)抗高频干扰问题。高频干扰来自无线电遥测时大功率发射机的射频干扰，以及机上通讯发射机的射频干扰。前者呈持续性，设法使发射天线安装位置适当远离人体和传感器即可克服。后者随飞行人员发话呈脉冲式变化，且天线距离人体多不到1m，是高频干扰的主要来源，应当从高频干扰引入的通路着手克服。通常射频场强通过两个途径进入生物电测试通道。其一是，由于人体组织对射频呈现非线性阻抗特性，因而被人体吸收的射频部分地被转化为低频或直流成分，后者通过电极对生物电信号造成干扰。其二是，射频信号直接从电极进入生物电放大器，通过生物电放大器内的非线性转化为低频，造成干扰。克服高频干扰的方法主要有以下几种：
❶尽可能远离天线。
❷采用差分式生物电放大器。因转化为低频的干扰成分，在两个电极上大致相等，故可由差分放大器抵消。
❸生物电放大器用铜皮屏蔽，所有输入引线须经过能阻止高频的低通滤波器方能引入放大器。
❹克服接地干扰问题。使用飞机的刀形天线及直流电源时，在各生物电引导电极和飞机金属体之间即形成一系列固定极化电势。此种情况下，若身体某部分再次接触飞机任何金属体时，必将引起极化电势重新分配，而造成基线不稳的干扰。在手套、皮靴、飞行服，甚至喉头送话器等处，由于人体出汗而绝缘不良时亦可造成此种接地干扰。在机上进行生物电测量时可采用浮地技术克服此种干扰。所谓“浮地技术”，是指同人体联系的一切电路和飞机金属体之间的绝缘技术。如机载仪器部分均由电池供电，且仪器电路的任何部分均不与飞机的金属体连通，则可实现生物电的浮地测量。但在远距离遥测和必须使用飞机直流电源时，则需采取专门的浮地测量技术。
展望 为适应航空医学发展的需要，还须进一步完善空中生理数据获取技术。首先，应扩展可以记录的生理指标范围。其次，在技术途径方面还应探讨新的更为简便可靠的方法，如大规模集成电路的应用等。再者，微型计算机系统的应用将使此项技术根本改观。如应用微处理机系统预选信息中的有意义部分，进行传输，则通道容量和记录容量可大为节省。又如记录结果的自动化处理，不仅可提高效率，且由记录提取的信息量也大为增加。