·1216· 工程科学学报，第40卷，第10期 for these two complexities to be the same,and the waveforms to be more stable when the body is not fatigued.Therefore,the results demonstrate that the PPG signal can capture the physiological changes of the fatigue state and provide objective measurement and enable rapid judgment regarding physiological fatigue KEY WORDS physiological fatigue;photoplethysmography (PPG);confined space;observable 传统的疲劳测量方法主要依靠疲劳评价量表， 形式选取，本实验依据前期基础研究，筛选BMI指 但量表的维度、适用人群、分数计算方法以及个体差 数为21，体型符合标准体型，十日内日均基础代谢 异、情绪隐瞒等都会造成较大的测量误差.近年来， 量（女性1200±40kJ,男性1800±60k)的受试人员 随着生物电信号测量的快速发展，许多研究开始关8例，其中男性4例，年龄（平均值±标准差(M± 注生理信号与疲劳的定量关系.光电容积脉搏波 SD),22±3岁)，女性4例，年龄(M±SD,21±3岁) (PPG))作为人体最基本的生理信号包含了丰富的 进行实验.所有受试者均来自北京科技大学，无神 血液动力学[2]与自主神经系统循环)信息.并会在 经系统疾病或明显的心血管和内分泌疾病，全部为 波的形状、波幅、波速、节律]等方面综合表现出 右利手. 来，是医学中人体生理状态判断和临床诊断)的重 1.2实验流程与环境 要依据.Huiku等[6研究表明可以从光电容积脉搏 考虑到个体差异和光电容积脉搏波信号测量易 波信号中提取传导周期、形态参数和每搏上升时间 受到体位、噪音、光线等干扰以及人体潜在的生物节 作为生理评价信息和方法.王选[通过监测外科手 律的影响，实验时间设置在人体生命征候氧的摄取 术中光电容积脉搏波信号变化证实了光电容积脉搏 与体力最为活跃的14：00一17：00时间段内.并监 波形态特异度较高和其用于伤害感受监测的可 测了实验前十天该时间段内所有受试者静息状态光 行性. 电容积脉搏波数据作为个体数据经验参考.实验开 有限空间环境在工业生产和应急救援中极为常 始前，要求所有受试者静息10min,在血液动力学参 见，广泛应用于矿山、化工、冶金、建筑、航空、潜艇、 数稳定后采集超过7min的光电容积脉搏波连续信 紧急避险等领域[⑧)].其作业生存环境特点是空间狭 号作为受试者标准状态下无疲劳感的对照数据.实 小、通风不畅、缺氧、高温高湿、照明通信不佳等[]. 验过程中场景设置为全黑暗，无电磁干扰，无通风， 短时间内暴露于这种作业环境，环境负荷会通过机 实验时长l00min,受试者在舱内保持全程静息状态 体热应力与氧含量变化引起人体心率加快、血压升 坐在指定位置.实验结束后立刻采集实验人员超过 高、体温变化等生理不适[o],随着暴露时间的增加， 7min的光电容积脉搏波连续信号.实验场景如图1 人体会产生疲劳、乏力、意识模糊山等症状.大量 所示，因实验场景为全黑暗设置，所以场景图为由红 研究表明有限空间作业中80%的安全事故是由作 外成像仪拍摄的热敏图.有限空间内各项环境指标 业人员生理疲劳导致的[2] 随着实验的进行，在人体自身呼吸作用和通风不畅 因此，快速判定和客观测量生理疲劳的方法亟 条件下，发生极速变化.具体环境指标变化情况如 待提出.本研究设计有限空间极限载人实验，测量 图2和图3所示，采用K70型煤矿安全生产监控系 未疲劳与疲劳状态下人体稳定光电容积脉搏波信 统监测舱内氧气、二氧化碳、压强、相对湿度等环境 号.通过开发算法提取光电容积脉搏波形态特征参 指标的变化情况，监测频率为每分钟的次数.地球 数结合单因素方差分析和信号复杂度计算.描述了 大气约86km以下的干空气成分中0，体积分数约 疲劳状态下人体光电容积脉搏波信号的形态特征和 占20.948%，C0,约占0.0383%[1).如图2所示实 稳定性.这对通过无创方法快速测量判断人体生理 验环境的氧气含量始终低于大气氧含量，随着实验 疲劳具有重要意义， 的进行，02体积分数最低达到20.2%，如图3所示， 实验进行至19min后环境相对湿度高于80%（图3 1实验方案与方法 中绿色虚线指示)，医学中判定相对湿度≥80%，氧 1.1实验场所及人员 气含量低于空气氧含量即符合引起人体代谢功能和 本实验选取的有限空间作业环境为北京科技大 心血管系统循环功能出现障碍的条件（无生命危 学自主研发的矿用紧急避险救生舱系统，该系统设 险)，会导致人体心率加快，头昏，意识模糊，恐惧感 计使用人数为12人，设计最长使用时间为48h,屏 增加等一系列生理心理变化.由此判定，本实验 蔽电磁信号干扰功能强.受试人员通过招募志愿者 19min后有限空间内环境属于低氧高湿极端环境，工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 for these two complexities to be the same, and the waveforms to be more stable when the body is not fatigued. Therefore, the results demonstrate that the PPG signal can capture the physiological changes of the fatigue state and provide objective measurement and enable rapid judgment regarding physiological fatigue. KEY WORDS physiological fatigue; photoplethysmography (PPG); confined space; observable 传统的疲劳测量方法主要依靠疲劳评价量表, 但量表的维度、适用人群、分数计算方法以及个体差 异、情绪隐瞒等都会造成较大的测量误差. 近年来, 随着生物电信号测量的快速发展,许多研究开始关 注生理信号与疲劳的定量关系. 光电容积脉搏波 (PPG) [1]作为人体最基本的生理信号包含了丰富的 血液动力学[2]与自主神经系统循环[3]信息. 并会在 波的形状、波幅、波速、节律[4] 等方面综合表现出 来,是医学中人体生理状态判断和临床诊断[5] 的重 要依据. Huiku 等[6]研究表明可以从光电容积脉搏 波信号中提取传导周期、形态参数和每搏上升时间 作为生理评价信息和方法. 王选[7]通过监测外科手 术中光电容积脉搏波信号变化证实了光电容积脉搏 波形态特异度较高和其用于伤害感受监测的可 行性. 有限空间环境在工业生产和应急救援中极为常 见,广泛应用于矿山、化工、冶金、建筑、航空、潜艇、 紧急避险等领域[8] . 其作业生存环境特点是空间狭 小、通风不畅、缺氧、高温高湿、照明通信不佳等[9] . 短时间内暴露于这种作业环境,环境负荷会通过机 体热应力与氧含量变化引起人体心率加快、血压升 高、体温变化等生理不适[10] ,随着暴露时间的增加, 人体会产生疲劳、乏力、意识模糊[11] 等症状. 大量 研究表明有限空间作业中 80% 的安全事故是由作 业人员生理疲劳导致的[12] . 因此,快速判定和客观测量生理疲劳的方法亟 待提出. 本研究设计有限空间极限载人实验,测量 未疲劳与疲劳状态下人体稳定光电容积脉搏波信 号. 通过开发算法提取光电容积脉搏波形态特征参 数结合单因素方差分析和信号复杂度计算. 描述了 疲劳状态下人体光电容积脉搏波信号的形态特征和 稳定性. 这对通过无创方法快速测量判断人体生理 疲劳具有重要意义. 1 实验方案与方法 1郾 1 实验场所及人员 本实验选取的有限空间作业环境为北京科技大 学自主研发的矿用紧急避险救生舱系统,该系统设 计使用人数为 12 人,设计最长使用时间为 48 h,屏 蔽电磁信号干扰功能强. 受试人员通过招募志愿者 形式选取,本实验依据前期基础研究,筛选 BMI 指 数为 21,体型符合标准体型,十日内日均基础代谢 量(女性 1200 依 40 kJ,男性 1800 依 60 kJ)的受试人员 8 例,其中男性 4 例,年龄(平均值 依 标准差(M 依 SD),22 依 3 岁),女性 4 例,年龄(M 依 SD,21 依 3 岁) 进行实验. 所有受试者均来自北京科技大学,无神 经系统疾病或明显的心血管和内分泌疾病,全部为 右利手. 1郾 2 实验流程与环境 考虑到个体差异和光电容积脉搏波信号测量易 受到体位、噪音、光线等干扰以及人体潜在的生物节 律的影响,实验时间设置在人体生命征候氧的摄取 与体力最为活跃的 14:00—17:00 时间段内. 并监 测了实验前十天该时间段内所有受试者静息状态光 电容积脉搏波数据作为个体数据经验参考. 实验开 始前,要求所有受试者静息 10 min,在血液动力学参 数稳定后采集超过 7 min 的光电容积脉搏波连续信 号作为受试者标准状态下无疲劳感的对照数据. 实 验过程中场景设置为全黑暗,无电磁干扰,无通风, 实验时长 100 min,受试者在舱内保持全程静息状态 坐在指定位置. 实验结束后立刻采集实验人员超过 7 min 的光电容积脉搏波连续信号. 实验场景如图 1 所示,因实验场景为全黑暗设置,所以场景图为由红 外成像仪拍摄的热敏图. 有限空间内各项环境指标 随着实验的进行,在人体自身呼吸作用和通风不畅 条件下,发生极速变化. 具体环境指标变化情况如 图 2 和图 3 所示,采用 KJ70 型煤矿安全生产监控系 统监测舱内氧气、二氧化碳、压强、相对湿度等环境 指标的变化情况,监测频率为每分钟的次数. 地球 大气约 86 km 以下的干空气成分中 O2 体积分数约 占 20郾 948% ,CO2约占 0郾 0383% [13] . 如图 2 所示实 验环境的氧气含量始终低于大气氧含量,随着实验 的进行,O2体积分数最低达到 20郾 2% ,如图 3 所示, 实验进行至 19 min 后环境相对湿度高于 80% (图 3 中绿色虚线指示),医学中判定相对湿度逸80% ,氧 气含量低于空气氧含量即符合引起人体代谢功能和 心血管系统循环功能出现障碍的条件(无生命危 险),会导致人体心率加快,头昏,意识模糊,恐惧感 增加等一系列生理心理变化[14] . 由此判定,本实验 19 min 后有限空间内环境属于低氧高湿极端环境, ·1216·