《Biosensors》：Wearable and Invisible ECG Quality and Usability Assessment in Cockpit Monitoring
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连续生理监测可支持飞行员状态评估，但常规座舱使用要求感知方法既非侵入性又具有生理可靠性。可穿戴ECG（wECG）通过皮肤接触电极提供稳定的心脏记录，而座舱集成的隐形ECG（iECG）可通过仪表化操纵装置获取信号以减少使用者负担。然而，iECG依赖于间歇性手部接
连续生理监测可支持飞行员状态评估，但常规座舱使用要求感知方法既非侵入性又具有生理可靠性。可穿戴ECG（wECG）通过皮肤接触电极提供稳定的心脏记录，而座舱集成的隐形ECG（iECG）可通过仪表化操纵装置获取信号以减少使用者负担。然而，iECG依赖于间歇性手部接触，即使心脏计时信息得以保留，也可能表现出不完整的ECG形态。本研究提出一种基于窗口的框架，用于评估模拟飞行期间同步采集的wECG和iECG的质量及任务特异性可用性。ECG数据在空客A320模拟器中采集自14名志愿者，包括经验丰富的飞行员和新手。该框架将接触可用性、R峰可靠性、PQRST形态及互补信号质量指数相结合，划分为面向心率（HR）监测的分级可用性类别。iECG通道在大部分分析记录时间内保持可访问，93.8%的窗口显示完全或部分接触。若干被单个SQI判定为低质量的窗口，在接触和R峰计时保持可靠时被保留为HR可用，表明单指标剔除对于外部接触ECG可能过于保守。HR一致性支持所提议类别的生理相关性：一致的wECG–iECG窗口显示平均绝对误差（MAE）为1.1 bpm，而不一致窗口为7.1 bpm。对分类为可用于HR估计的iECG窗口进行的Bland–Altman分析显示平均偏倚为1.4 bpm。这些发现表明，不完整的ECG形态并不一定意味着HR可用性的丧失，且接触感知的、任务特异性分类可从非侵入式座舱接口中保留有用的生理信息。
**论文解读：基于多层级证据融合的座舱隐形心电信号质量与任务特异性可用性评估框架**
**一、研究背景与问题提出**
在安全关键环境中，实时生理监测可为主观操作者状态评估提供客观支持，尤其在民用航空领域，飞行员在飞行各阶段（尤其是手动起降等高认知负荷阶段）面临疲劳、工作负荷、压力及决策等多重挑战。虽然商业航空整体事故率极低，但近期国际航空运输协会（IATA）与国际民用航空组织（ICAO）的安全报告显示，事故率仍存在年度波动，凸显人为因素研究的持续必要性。心电图（Electrocardiography, ECG）因其能提供心脏计时信息（如心率（Heart Rate, HR）、R-R间期及心率变异性（Heart Rate Variability, HRV））且与任务执行兼容，成为飞行员状态监测的重要生理信号。然而，传统临床ECG采用预凝胶Ag/AgCl电极，虽能提供稳定低阻抗记录，但其配置需皮肤准备、粘贴电极及导线连接，增加准备时间并降低舒适度，不适用于常规操作环境。为此，研究者逐步发展出织物电极、印刷电极等可穿戴ECG（wearable ECG, wECG）方案。进一步的非侵入式监测理念是隐形ECG（invisible ECG, iECG），即将电极集成于使用者自然接触的物体表面（如座椅、操纵杆）。然而，iECG不同于传统wECG，其身体与传感界面间的接触不具持续性，接触状态可为完全、部分或暂时缺失，取决于姿势、压力及与仪表化表面的互动。因此，在评估iECG信号质量前，必须先判断所采集窗口是否包含真实生理信息。此外，ECG波形结构决定信号质量需依据目标分析任务进行解释：形态学分析要求P波、QRS波群及T波的可靠识别，而HR估计主要依赖连续R峰间的时间距离，即使PQRST形态部分退化，R峰检测稳定且RR间期生理合理时，信号仍可支持HR监测。现有单指标信号质量指数（Signal Quality Index, SQI）难以全面描述外部接触ECG的复杂退化模式，迫切需要一种任务特异性的ECG可用性评估框架，而非简单的二元质量分类。本研究正是针对这一需求展开。
**二、研究目标与方法概述**
该研究发表于《Biosensors》，其核心目标是提出一种基于窗口的框架，综合接触可用性、R峰可靠性、PQRST形态证据及互补SQI支持，对模拟飞行期间同步采集的wECG与iECG进行分级可用性评估，确定每个ECG片段是否保留足够的生理信息以支持面向HR的座舱监测，同时避免不必要地剔除HR可用窗口并排除生理不可靠片段。
研究方法主要包括以下关键技术：（1）信号采集与预处理系统：基于BITalino (r)evolution Core BT板搭建双通道同步采集系统，wECG采用商业预凝胶Ag/AgCl电极（三电极配置，双锁骨放置加C6/C7参考），iECG则采用嵌入座舱操纵杆和油门台的3D打印导电聚乳酸（PLA）电极，原始数据以1000 Hz采样率实时传输至OpenSignals平台。（2）多层级证据提取框架：依次提取四层证据——接触可用性子评分（基于平坦段检测，区分完全接触、部分接触与无接触）、R峰可靠性与候选HR估计子评分（采用QRS增强希尔伯特包络R峰检测，结合RR间期生理合理性及R峰幅度稳定性评估）、形态证据子评分（以动态信号质量指数（dSQI）结合PQRST间期生理边界界定形态完整性）以及SQI支持子评分（综合信噪比（SNR）、功率谱SQI（pSQI）、峰度SQI（kSQI）和心跳一致性SQI（bSQI）四项互补指标，通过多数投票分级）。受试者队列包括14名志愿者（4名经验飞行员和10名新手），在空客A320模拟器中按标准化航线（从贝雅机场LPBJ至法鲁机场LPFR）执行飞行任务。（3）评分融合与分类输出：四层子评分相加得到全局评分G，依据接触门控及G评分阈值映射至五个任务特异性可用性等级U1–U5。该框架完全确定性，无需标注训练数据。样本队列为14名来自里斯本高等技术研究所（IST）的志愿者，包括4名经验飞行员和10名新手，数据采集经IST伦理委员会批准（ref. 17/2025 CE-IST）。
**三、主要研究结果**
**1. 接触可用性与信号可访问性：** wECG因粘性凝胶电极维持全程连续接触，所有窗口均为完全接触。iECG通道表现出高但受试者依赖的信号可访问性：总体上775/826个窗口（93.8%）可访问（完全或部分接触）。基于窗口水平，679个（82.2%）为完全接触，96个（11.6%）为部分接触，51个（6.2%）为无接触。存在明显分组差异：飞行员的完全接触窗口占比（56.5%）显著低于新手（90.0%），部分或缺失接触在飞行员中占43.5%而新手仅占10.0%。探索性置换检验支持完全接触和无接触的组间差异（精确p值分别为0.017和0.008，Holm校正后均小于0.05），效应量大。该结果表明iECG可用性主要受外部接触界面及使用者与仪表化控制装置互动方式影响，而非单纯由ECG信号质量决定。
**2. ECG形态分析：** wECG保持明显更稳定的形态，仅150个心跳被归入Low-dSQI组，而iECG中Low-dSQI心跳数达3545个，是wECG的二十倍以上。但iECG Low-dSQI组平均波形仍保留可见R峰成分，仅P波和T波表现较不一致。基于最终可用性分类的排列显示，iECG中虽然仅2881个心跳归入U1，但12111个和8993个心跳分别被分类为U2和U3，说明大部分iECG心跳虽未保持完整PQRST形态，仍可保留用于HR估计的可靠或可接受信息。
**3. 可用性分类与一致性：** 配对窗口水平上，wECG与iECG类别一致性仅为26.0%。主要的非对角线组合为wECG-U1/iECG-U2（35.1%的配对窗口），表明iECG通道常丢失完整形态质量但保留可靠HR信息。SQI水平一致性分析显示各指标差异显著，从dSQI的25.8%至kSQI的64.0%，证实单一SQI无法全面描述外部接触ECG的可用性。
**4. 单指标剔除的恢复分析：** 单个SQI剔除将丢失大量仍具生理可用性的窗口。在新手组中，仅dSQI单独判定为Low的416个iECG窗口中，322个（77.4%）被框架恢复为U2或U3；pSQI判定的514个Low窗口中398个被恢复。相比之下，飞行员组恢复率较低（dSQI：32/126；pSQI：46/168），表明框架并非无条件恢复低质量窗口，而是仅保留受接触可用性、R峰可靠性和SQI支持支撑的窗口，当低SQI值关联真实接触缺失或不稳定R峰计时时，窗口被正确归入低置信或不可用类别。
**5. RR一致性与心率一致性：** 一致的wECG–iECG配对窗口显示MAE为1.1 bpm（n=215），不一致窗口MAE为7.1 bpm（n=611），表明类别不一致不仅是一种分类差异，更与iECG衍生HR估计可靠性降低相关。Bland–Altman分析显示，对分类为U1–U3的iECG窗口（581个配对HR估计），平均偏倚为1.4 bpm，95%一致性界限为?12.8至15.5 bpm，大部分误差集中在零附近。
**四、讨论与结论总结**
讨论部分指出，ECG质量与ECG可用性在面向HR监测的应用目标下不应视为等同概念。对于外部接触接口，信号退化不仅源于经典ECG伪迹，还来自间歇性手部接触、握持压力变化等界面层因素。接触可用性应作为界面层条件在信号质量评估之前判定。当前框架通过分级可用性评估，支持U1和U2为可靠HR估计类别，U3为可接受但不稳定类别，U4为低置信，U5为信号缺失。全局评分G的单调性与HR误差呈负相关（Spearman ρ=?0.86），进一步支持其作为任务特异性HR可用性的有序度量。研究局限包括模拟器环境、样本量有限、飞行员与新手年龄非平衡及非标准胸前导联配置等。研究结论为：当信号可用性、R峰可靠性、形态证据和SQI支持被综合考量时，从座舱控制装置获取的隐形ECG可提供具有生理意义的HR信息。该框架将单指标质量决策转变为分级可用性评估，代表了航空领域向非侵入性、可解释且应用感知的生理监测迈出的重要一步。
