一种低氧训练用心脏安全智能监测与强制保护系统的制作方法

本发明涉及智能监测，具体涉及一种低氧训练用心脏安全智能监测与强制保护系统。

背景技术：

1、在低氧训练领域，通过模拟高海拔环境以提升运动员心肺功能或辅助减重已成为常见手段。然而，低氧环境会显著增加训练者发生心律失常、心肌缺血甚至心源性猝死的风险。目前常规的监测手段主要依赖血氧饱和度这一单一指标，并在血氧下降至预设阈值时发出警报或由教练人工干预。但临床实践表明，恶性心脏事件往往发生迅速，且其早期电生理异常信号出现的时间远早于血氧饱和度的明显下降，单纯依赖血氧指标存在较长的生理滞后，难以实现真正及时的预警与保护。此外，现有的低氧训练设备通常仅配备手动摘除面罩或远程切断气源的应急方式，从异常识别到执行保护之间存在较长的操作延迟，且切断气路后管路内残留的低氧气体仍可能被训练者吸入，保护效果不理想。

2、低氧训练过程中，训练者通常伴随跑台运动或功率自行车骑行，这给心电信号的采集带来了严重的运动伪影干扰，表现为基线漂移和肌电噪声叠加，使得传统固定截止频率的滤波器难以在有效滤除噪声的同时保留qrs波群等关键诊断特征。同时，用于评价心脏复极风险的qt间期在心率快速变化时存在生理滞后效应，传统的心率校正公式在此类动态条件下容易产生过校正或欠校正，导致误判。另一方面，心率变异性分析中常用的时域或频域指标对非平稳信号适应性较差，难以捕捉心脏自主调节功能从有序调控向随机失序转变的早期非线性特征，而简单的室性早搏计数在运动状态下也容易因生理性早搏而产生大量假阳性报警。因此，亟需一种能够综合多维度心电特征、抗运动干扰能力强、且可提前识别心脏电风暴前兆信号的智能监测方法。

3、现有低氧训练系统的安全保护逻辑多采用硬阈值判决，即某一指标超过固定界限即触发报警或停机，这种“跳变式”判决方式容易因瞬时干扰导致误触发，也常因阈值设置过于保守而延误真正危险情况的处置。更关键的是，当判定危险发生后，如何以最快速度让训练者恢复常氧呼吸，现有方案大多仅关闭低氧气源或发出声光提示，训练者仍需主动摘除面罩或等待教练协助，这在意识可能模糊的危急时刻往往难以有效执行。因此，开发一种能够自动、柔和且强制地将训练者呼吸道与常氧环境连通的机械执行机构，并与多维度、智能化风险评估系统协同工作，对于提升低氧训练的安全性具有重要的临床意义和实用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低氧训练用心脏安全智能监测与强制保护系统，通过自适应滤波与多特征模糊融合评估心脏风险，并在危险时强制切换气路至常氧环境，消除二次吸入隐患。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种低氧训练用心脏安全智能监测与强制保护系统，包括：

4、信号采集与预处理模块，用于获取受训者的心电图信号与运动状态信号，并根据所述运动状态信号对所述心电图信号进行自适应滤波以生成重构心电图信号；

5、多维度风险特征提取模块，用于基于所述重构心电图信号，至少并行地提取受训者的动态qt偏差特征、心率变异性复杂度特征以及加权室性早搏负荷特征；

6、模糊逻辑融合推理模块，用于将所述动态qt偏差特征、心率变异性复杂度特征以及加权室性早搏负荷特征作为输入变量，依据预设的模糊规则与隶属度函数进行融合计算，生成表征心脏恶性事件风险等级的心电图风险评估指数；

7、强制干预决策模块，用于在所述心电图风险评估指数超过预设安全阈值且持续时间超过一预设的安全确认周期时，生成强制干预触发指令；以及，

8、面罩气路强制脱离单元，其设置于低氧训练面罩与低氧供气管路之间，用于响应所述强制干预触发指令，强制切断所述低氧供气管路与所述低氧训练面罩之间的气路连接，并使得所述低氧训练面罩的进气口与外部常氧环境流体连通。

9、进一步的，所述信号采集与预处理模块包括变步长子带自适应滤波器，其被配置为以所述运动状态信号作为参考输入，对所述心电图信号进行子带分解，并在每个子带内根据归一化最小均方算法更新滤波器权重，其中，所述算法的迭代步长因子由所述运动状态信号的强度动态调节，其调节关系满足：

10、

11、其中：

12、：当前离散时刻对应的自适应迭代步长因子；

13、：受训者处于静止状态下预设的初始步长因子；

14、：归一化调节系数，用于平衡步长随运动强度变化的灵敏度；

15、：当前时刻三轴加速度矢量的模长，表征受训者躯干运动剧烈程度。

16、进一步的，所述多维度风险特征提取模块在提取所述动态qt偏差特征时，被配置为：基于受训者个体的基准qt间距和基准rr间距，结合实时rr间距和心率加速度，按下式计算个体化动态qt基线：

17、

18、其中：

19、：时刻对应的个体化动态qt间期基线值；

20、：受训者在静息常氧状态下的基准qt间期；

21、：受训者在静息常氧状态下的基准rr间期；

22、：时刻实时测得的rr间期；

23、：通过系统自校准拟合得到的个体化心率变异性指数；

24、：qt间期对心率变化的滞后补偿因子；

25、：生理滞后时间常数；

26、：单位时间内心率变化率，即心率加速度；

27、并将实测qt间期相对于所述个体化动态qt基线的偏差率作为所述动态qt偏差特征。

28、进一步的，所述多维度风险特征提取模块在提取所述心率变异性复杂度特征时，被配置为对预设长度滑动窗口内的rr间期序列执行去趋势波动分析，以在4至16个心动周期的尺度范围内计算得到的标度指数作为所述心率变异性复杂度特征。

29、进一步的，所述多维度风险特征提取模块在提取所述加权室性早搏负荷特征时，被配置为根据检测到的室性早搏的形态和联律间期计算加权负荷值：

30、

31、其中：

32、：预设时间窗内累计的加权室早负荷指数；

33、：预设时间窗内检测到的室性早搏总数量；

34、：第个室性早搏对应的形态权重因子，根据qrs波形相似度赋值；

35、：第个室性早搏对应的联律权重因子，根据单发、成对、室速等联律模式赋值；

36、并且，对于多形性室早或成对/成串室早，赋予显著更高的权重因子值。

37、进一步的，所述模糊逻辑融合推理模块中包含至少一条如下联锁规则：当所述动态qt偏差特征表征为高危、且所述心率变异性复杂度特征表征为失代偿时，无论所述加权室性早搏负荷特征如何，均强制将所述心电图风险评估指数推高至对应严重风险等级的数值区间。

38、进一步的，所述强制干预决策模块还被配置为：当同时满足所述心率变异性复杂度特征低于第一危急阈值且所述动态qt偏差特征高于第二危急阈值时，将所述安全确认周期自动缩短至一秒以内。

39、进一步的，所述面罩气路强制脱离单元为电控先导式脱离阀组，其被配置为在接收到所述强制干预触发指令后，执行一次序贯动作，包括：第一阶段，先开启先导泄放阀，将所述低氧供气管路内的残余压力气体泄放至外部大气；在所述第一阶段完成泄压后，第二阶段再驱动锁止机构释放，以解除对所述低氧供气管路与所述低氧训练面罩的锁定，实现无压分离。

40、进一步的，还包括血氧饱和度采集模块，用于采集受训者的血氧饱和度值spo2；所述模糊逻辑融合推理模块将所述血氧饱和度值作为输入变量，并包含规则：当所述血氧饱和度值低于预设危险阈值时，直接将所述心电图风险评估指数设定为最高风险等级。

41、另一方面，本发明提出一种低氧训练用心脏安全智能监测与强制保护方法，包括以下步骤：

42、采集受训者的心电图信号与运动状态信号，并根据所述运动状态信号对所述心电图信号进行自适应滤波，生成重构心电图信号；

43、基于所述重构心电图信号，并行地提取受训者的动态qt偏差特征、心率变异性复杂度特征以及加权室性早搏负荷特征；

44、将所述动态qt偏差特征、心率变异性复杂度特征以及加权室性早搏负荷特征输入至预设的模糊逻辑推理机，通过模糊融合计算生成心电图风险评估指数；

45、当判断所述心电图风险评估指数超过预设安全阈值且持续时间超过预设的安全确认周期时，生成强制干预触发指令；

46、响应于所述强制干预触发指令，强制切断低氧供气管路与低氧训练面罩之间的气路连接，并使得所述低氧训练面罩的进气口与外部常氧环境流体连通。

47、本发明的有益效果：

48、本发明通过变步长子带自适应滤波器依据加速度矢量模长动态调节步长因子，配合引入心率加速度滞后补偿的动态qt基线模型，分别解决运动伪影干扰与心率骤变时qt校正失准问题，提升复极异常识别准确性。其中，滤波器步长因子随运动强度反向调节，抑制强非平稳噪声下发散，保证重构心电信号qrs形态保真度；动态qt基线模型以心率加速度项补偿生理滞后，避免因心率加速时qt未及时缩短而误判为病理性延长。二者协同确保在运动与低氧叠加条件下对复极储备耗竭的评估精度。

49、本发明以去趋势波动分析在4至16个心动周期尺度提取的标度指数α1表征自主调节非线性退化，与基于形态权重及联律权重加权计算的室早负荷指数互补，从混沌动力学与除极异常负荷维度实现恶性心律失常前兆的早期识别。α1指数下降反映自主调节由分形有序向随机无序退变，其预警时效早于血氧饱和度变化；加权室早负荷指数通过多形性室早赋予高形态权重、成对或室速赋予高联律权重，量化除极异常严重程度并抑制生理性早搏假阳性。二者并行提取形成对电风暴前驱状态的多维感知。

50、本发明通过模糊逻辑联锁规则融合多维特征输出风险评估指数，强制干预决策模块在双危急特征同时满足时自动缩短安全确认周期，配合电控先导式脱离阀组先泄压后分离的序贯动作，构成低延迟闭环保护并消除残余低氧二次吸入隐患。联锁规则在qt高危与α1失代偿并存时强制推高风险等级，避免单一阈值误判；决策模块于α1低于第一危急阈值且δqtcdynamic高于第二危急阈值时将确认周期缩至一秒内，实现高置信度场景极速响应；脱离阀组先开先导泄放阀泄去管路余压再释放锁止机构，确保分离瞬间无压力气体喷向面罩，与常氧环境连通后受训者直接吸入空气。

51、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。