一種多功能便攜式心肺復(fù)蘇輔助器的設(shè)計(jì)

黎健釗，紀(jì)栩文，葉炳旭，陳耀文

（汕頭大學(xué)工學(xué)院電子信息工程系，廣東 汕頭 515063）

一種多功能便攜式心肺復(fù)蘇輔助器的設(shè)計(jì)

黎健釗，紀(jì)栩文，葉炳旭，陳耀文

（汕頭大學(xué)工學(xué)院電子信息工程系，廣東 汕頭 515063）

為便于操作者在心肺復(fù)蘇的胸外按壓過程中較好地把握按壓深度和頻率，本文設(shè)計(jì)了一種多功能便攜式心肺復(fù)蘇輔助器.本輔助器是以微處理器進(jìn)行控制單元，采用壓力最值檢測(cè)加速度二次積分算法獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)按壓力度，并根據(jù)患者體型判斷按壓力度是否滿足要求，力度過大或過小都會(huì)通過led燈和聲報(bào)警提示.本輔助器設(shè)計(jì)布局合理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)按壓深度、心電、血氧、脈搏同時(shí)采集和定量檢測(cè).本輔助器的研制將實(shí)現(xiàn)心肺復(fù)蘇器性能的全面、快速檢測(cè)，對(duì)提高心肺復(fù)蘇器的生產(chǎn)、流通及應(yīng)用等環(huán)節(jié)的檢測(cè)能力具有重要意義.

心肺復(fù)蘇；胸外按壓；二次積分；多功能

0 引言

心肺復(fù)蘇對(duì)于胸外按壓的力度和頻率都有一定的要求，按壓力度過小則不能有效地促進(jìn)血流循環(huán)，然而按壓力度過大又會(huì)造成患者骨折，進(jìn)而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的二次傷害.因此對(duì)實(shí)施心肺復(fù)蘇的人員有很高的專業(yè)要求[1-2].目前，我國大多數(shù)人都沒有接受過正規(guī)的心肺復(fù)蘇訓(xùn)練.本文研制了一種多功能便攜式心肺復(fù)蘇輔助器，用于輔助心肺復(fù)蘇時(shí)的胸外按壓操作.在胸外按壓過程中，通過對(duì)壓力最小值與最大值之間采樣的加速度數(shù)值進(jìn)行二次積分獲取按壓深度，從而實(shí)現(xiàn)按壓深度、頻率顯示反饋.根據(jù)反饋結(jié)果，施救者可以隨時(shí)改變自己的按壓力度，既保證了按壓力度達(dá)到有效復(fù)蘇的要求，又防止了因壓力過大而造成骨折等二次傷害.同時(shí)本設(shè)計(jì)還具有搶救流程顯示、GPS定位撥打120急救電話、心電波形監(jiān)測(cè)、血氧波形監(jiān)測(cè)、脈搏測(cè)量、Android產(chǎn)品介紹等其他功能，全面監(jiān)測(cè)患者健康狀況，從而大大提高搶救成功率.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

一種多功能便攜式心肺復(fù)蘇輔助器的設(shè)計(jì)主要由按壓墊、主控箱以及Android上位機(jī)三大部分組成，其中，按壓墊模塊是一個(gè)獨(dú)立的電路結(jié)構(gòu)，主要包括STM32最小處理系統(tǒng)、電源電路、加速度測(cè)量模塊和壓力最值檢測(cè)模塊.在搶救時(shí)用來蓋在患者胸部，完成對(duì)按壓位置、深度及頻率的確認(rèn)；主控箱模塊主要包括電源電路、信號(hào)前置放大電路、高低通濾波電路、液晶顯示器以及SIM900A模塊，主要完成對(duì)搶救流程的顯示、定位撥打120急救電話以及對(duì)心電信號(hào)、血氧信號(hào)、脈搏信號(hào)等多種生理指標(biāo)信號(hào)的提取、濾波及放大，并通過液晶屏顯示波形和數(shù)值計(jì)算結(jié)果；Android上位機(jī)主要接收主控箱發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行定位，以便找到附近的產(chǎn)品.系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 整體系統(tǒng)框圖

2 按壓墊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

按壓墊是一個(gè)獨(dú)立的電路結(jié)構(gòu)，主控電路是基于STM32最小系統(tǒng)的信號(hào)軟件處理器，主要完成對(duì)壓力信號(hào)的模擬采集到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，通過壓力最小值與最大值之間采樣的加速度進(jìn)行二重積分，獲取位移信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字濾波處理、信號(hào)的分析，最后反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示.按壓墊系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 按壓墊系統(tǒng)框圖

2.1 按壓深度檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

假設(shè)測(cè)試得到的加速度信號(hào)為a（t），則經(jīng)過一次時(shí)域積分得到的速度信號(hào)為：

經(jīng)過兩次時(shí)域積分得到的位移信號(hào)為：

其中，v0、s0分別為初速度和初位移，v（t）、s（t）為待求速度和位移，v'（t）、s'（t）為速度和位移的原函數(shù).

根據(jù)以上兩個(gè)公式，隨著加速度的采樣，不斷的遞歸計(jì)算，可得到任意時(shí)刻的速度和位移.由于加速度是矢量，在胸外按壓過程中，即存在正向加速度，也存在負(fù)向加速度，因此在實(shí)際工程測(cè)量中得到的加速度信號(hào)，包含由各種干擾因素引起的直流誤差項(xiàng)δ，即：

對(duì)上述的加速度信號(hào)進(jìn)行一次積分，得到的速度信號(hào)表達(dá)式為：

通過二次積分所得位移信號(hào)的表達(dá)式為：

誤差δ在積分中被逐漸放大，同時(shí)由于積分初值無法確定，而加速度時(shí)域一次積分結(jié)果中含有一次誤差項(xiàng)δt+ε，二次積分得到位移信號(hào)時(shí)含有誤差趨勢(shì)項(xiàng)0.5δt2+εt+e.隨著積分過程中而進(jìn)行不斷累積，造成的誤差直接影響信號(hào)的正確性.本文中采用多項(xiàng)式最小二乘法進(jìn)行消除趨勢(shì)項(xiàng).具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

假設(shè)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)為{xk}（k＝1，2，3，…，n），由于采樣數(shù)據(jù)是等時(shí)間間隔的，所以令采樣時(shí)間間隔Δt＝1，設(shè)一個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)：

滿足E有極值的條件為：

依次取E對(duì)ai求偏導(dǎo)，可以產(chǎn)生一個(gè)m+1元線性方程組：

解方程組，求出m+1個(gè)待定系數(shù)aj（j＝0，1，…，m）.上面各式中，m為設(shè)定的多項(xiàng)式階次，其值范圍為0≤j≤m.

當(dāng)m＝0時(shí)求得的趨勢(shì)項(xiàng)為常數(shù)，有：

當(dāng)m＝1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，有

解方程組，得：

消除線性趨勢(shì)項(xiàng)的計(jì)算公式為：

m≥2時(shí)為曲線趨勢(shì)項(xiàng).在實(shí)際振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)處理中，通常取m＝1～3來對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式趨勢(shì)項(xiàng)消除的處理.以下是通過最小二乘法消除趨勢(shì)項(xiàng)結(jié)果圖，如圖3所示，可以看出，在沒有按壓的時(shí)候，未處理時(shí)有直流分量的影響，處理后趨勢(shì)項(xiàng)消除，得到的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確.

圖3 最小二乘法消除趨勢(shì)項(xiàng)（MALTAB）對(duì)比圖

2.2 數(shù)據(jù)平滑處理算法的實(shí)現(xiàn)

通過加速度傳感器獲得的加速度值并不是完全精確到，往往疊加了許多噪聲信號(hào)，除了有50 Hz的工頻機(jī)器倍頻等周期性的干擾信號(hào)外，還有不規(guī)則的隨機(jī)干擾信號(hào)，由于隨機(jī)干擾信號(hào)的頻帶較寬，有些高頻成分所占比例很大，使得采集到離散數(shù)據(jù)繪成的曲線呈現(xiàn)許多毛刺，很不光滑，因此我們對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑處理，即消除信號(hào)的不規(guī)則趨勢(shì)項(xiàng)，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

公式（15）中，x為采樣數(shù)據(jù)，y為平滑處理后的結(jié)果；m為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，2N+1為平均點(diǎn)數(shù)，h為加權(quán)因子，其中加權(quán)因子必須滿足以下關(guān)系：

對(duì)于簡(jiǎn)單平均法hn＝1/（2N-1）（n＝0，1，2，…，N），即

對(duì)于加權(quán)平均法，若作五點(diǎn)加權(quán)平均（N＝2），可取

利用最小二乘法原理對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性平滑的方法稱為直線滑動(dòng)平均法，五點(diǎn)滑動(dòng)平均（N＝2）的計(jì)算公式為：

利用該方法處理的結(jié)果如圖4所示.

圖4 Z軸加速度五點(diǎn)滑動(dòng)平均法平滑處理（平滑次數(shù)：5）

3 主控箱的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

主控箱主要包含硬件采集電路、STM32F1軟件處理器、SIM900A、OLED液晶顯示屏、TFT-LCD等模塊，其中，硬件采集電路包括電源電路、信號(hào)前置放大電路、高低通濾波電路等模塊，主要完成心電、血氧、脈搏信號(hào)的提取以及濾波和放大；而主控電路采用了STM32為主控芯片，完成對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)的數(shù)字濾波處理以及信號(hào)的分析與液晶屏的波形顯示；安卓上位機(jī)接收主機(jī)上的位置信息，并進(jìn)行定位.如圖5所示.

圖5 主控箱系統(tǒng)框圖

3.1 搶救流程的設(shè)計(jì)

搶救顯示流程采用了TFT-LCD液晶，通過STM32的FSMC（靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）模塊控制液晶.將搶救流程以手繪圖的方式形象的表達(dá)出來，并存于SD卡中，開機(jī)時(shí)，先檢測(cè)字庫，檢查SD卡是否存在，然后讀取圖片，進(jìn)行解碼，利用FSMC訪問液晶屏并顯示出來，具體解碼流程如圖6所示.

圖6 主控箱系統(tǒng)框圖

3.2 心電檢測(cè)設(shè)計(jì)

人體心電信號(hào)非常微弱，信噪比低，在采集心電信號(hào)時(shí)，易受外界的影響，所以采集的心電信號(hào)需要進(jìn)行抑制干擾處理，本研究中采用放大器對(duì)獲取的微弱心電信號(hào)進(jìn)行放大，并用高通、低通濾波器的方法抑制干擾，提高信噪比.

信號(hào)的放大電路主要有前置放大、屏蔽電路、后置放大.前置放大可對(duì)整個(gè)幅度范圍的心電信號(hào)進(jìn)行線性放大，將信號(hào)提升到足夠克服后續(xù)放大級(jí)和濾波級(jí)的噪聲電平的高度，通過高通濾波器濾出一些干擾信號(hào).后置放大電路將信號(hào)幅度提升到可讓信號(hào)處理電路工作的程度，通過頻率濾波對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行控制.

由于心電信號(hào)的能量大部分集中QRS期間，因此，可靠的QRS波檢測(cè)是心率正常與否的重要依據(jù).本研究中QRS波檢測(cè)電路主要由跟隨器、QRS濾波器、整波電路、峰值保持器和比較器構(gòu)成.

3.3 脈搏檢測(cè)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法主要有三種：一是從心電信號(hào)中提取；二是檢測(cè)脈搏波；三是采用光電容積法.前兩種方法提取信號(hào)都會(huì)限制病人的運(yùn)動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)增加病人生理和心理上的不舒適感.故而本設(shè)計(jì)中采用的是光電容積法進(jìn)行脈搏測(cè)量.

由于人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同，因此，本設(shè)計(jì)采用由光源和光電變換器組成傳感器，當(dāng)患者手指觸碰光源，光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出.

本設(shè)計(jì)中由低通濾波器和由運(yùn)放MCP6001構(gòu)成的放大器將信號(hào)放大330倍，同時(shí)采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使放大后的信號(hào)可以很好的被單片機(jī)AD采集.

3.4 血氧檢測(cè)設(shè)計(jì)

在脈搏血氧計(jì)中，通過測(cè)量脈搏血氧飽和度（SpO2）來判斷人體血液中的含氧量.SpO2的計(jì)算是基于被人體組織減弱的光強(qiáng)度的測(cè)量得到的，它被定義為組織中氧合血紅蛋白濃度CHBO2占總血紅蛋白（含氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，脫氧血紅蛋白即還原血紅蛋白）濃度的比率，即：其中，CHBO2、CHb分別表示人體組織中的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的濃度.身體組織也可根據(jù)血液的含氧量水平來吸收不同總量的光計(jì)算血氧飽和度，即：其中A、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，IAC為透射光強(qiáng)脈動(dòng)成分，IDC為透射光強(qiáng)非脈動(dòng)成分，為入射光波長(zhǎng).

在本設(shè)計(jì)中，采用了第二種方法，通過STM32連接兩個(gè)背靠背的雙波長(zhǎng)LED燈，分別為660 nm波長(zhǎng)的紅光和940 nm波長(zhǎng)的紅外光.光敏二極管從接收到的光中產(chǎn)生電流，電流信號(hào)經(jīng)過一個(gè)跨阻放大器被放大，轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，該信號(hào)由一個(gè)大的直流部分和一個(gè)小的交流部分，其中交流部分為有用信號(hào).由于有用信號(hào)比較微弱，交流信號(hào)要經(jīng)過三運(yùn)放提取和放大.提取和放大后的信號(hào)由STM32單片機(jī)內(nèi)含的A/D轉(zhuǎn)換器采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到連續(xù)、穩(wěn)定的隨光強(qiáng)變化的脈搏血氧信號(hào).

4 Android上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

Android上位機(jī)主要由GPS定位模塊、權(quán)限設(shè)置、功能設(shè)置、用戶界面四大部分組成（如圖7所示），其中GPS定位模塊主要用于發(fā)生危情時(shí)，將當(dāng)前實(shí)時(shí)位置和地圖信息發(fā)給救援者；權(quán)限設(shè)置主要用到GPS與網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)限和短信使用權(quán)限，若該權(quán)限缺失任何一項(xiàng)都可能造成某個(gè)功能的缺失，甚至軟件無法運(yùn)行；功能設(shè)置主要包括產(chǎn)品的介紹、搶救流程介紹以及附近產(chǎn)品的搜索；用戶界面可以讓用戶方便的調(diào)節(jié)產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)以及提醒功能.

圖7 Android上位機(jī)系統(tǒng)框圖

5 測(cè)試結(jié)果分析

5.1 按壓深度測(cè)試數(shù)據(jù)分析

本研究在一個(gè)模擬人上進(jìn)行測(cè)試，該模擬人內(nèi)置有一款線性的胸部按壓深度電位器，模擬電位器輸出為實(shí)際按壓深度，可以作為本研究積分深度的參考信號(hào).當(dāng)確信其按壓姿勢(shì)調(diào)整正確后，開始按壓，根據(jù)按壓數(shù)據(jù)以及燈光顏色進(jìn)行直觀的反饋信息，以便有效地對(duì)非專業(yè)醫(yī)護(hù)人員的救助者進(jìn)行積極、正確的引導(dǎo).如圖8～10所示，當(dāng)按壓深度在5-6 cm之間時(shí)，按壓有效，按壓墊綠燈閃爍.當(dāng)按壓深度大于6 cm之間時(shí)，按壓過重，按壓墊紅燈閃爍，給予警告.

圖8 按壓時(shí)加速度、位移、壓力曲線圖

圖9 按壓深度對(duì)比圖a

圖10 按壓深度對(duì)比圖b

5.2 心電波形測(cè)試

在進(jìn)行心肺復(fù)蘇時(shí)，若每次按壓有效，頸動(dòng)脈會(huì)搏動(dòng)一次，心電波形會(huì)出現(xiàn)波峰，若停止按壓，搏動(dòng)停止，證明還需要按壓；若搏動(dòng)繼續(xù)，說明自主心搏已恢復(fù)，可停止按壓.根據(jù)以上原理，在本設(shè)計(jì)中，將三個(gè)電極的一端分別接到模擬人體的左右臂和右腳，令一端加入采集電路的IO口輸入端，測(cè)試結(jié)果顯示如圖11所示.從圖11中OLED顯示的波形可以看出，波形顯示清晰、穩(wěn)定，波形特征明顯，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要.

圖11 液晶顯示的心電波形圖

5.3 血氧波形測(cè)試

將手輕輕搭到血氧傳感器上，OLED液晶屏上顯示出血氧采集波形，從圖12波形可以看出，波形顯示清晰、穩(wěn)定.

5.4 脈搏數(shù)據(jù)測(cè)試

將手輕輕搭到脈搏傳感器上，OLED液晶屏上顯示出心率值，如圖13所示，脈搏一分鐘搏動(dòng)83下，處于60-100正常范圍內(nèi)，心跳正常.

圖12 液晶顯示的血氧波形圖

圖13 液晶顯示的脈搏數(shù)據(jù)

5.5 急救流程顯示測(cè)試

按下開機(jī)鍵后，主控箱上的TFT-LCD屏開始顯示搶救步驟.具體流程如圖14所示.

6 結(jié)論

多功能便攜式心肺復(fù)蘇輔助器充分吸收先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，通過自主研究的胸外按壓算法，能夠準(zhǔn)確的反饋按壓力度的大小，加上圖片以及聲音指示，能快速幫助施救者有效的對(duì)患者進(jìn)行搶救.與此同時(shí)，本設(shè)計(jì)也采用了自主設(shè)計(jì)的軟件和分模塊進(jìn)行串行通信，可實(shí)現(xiàn)心電、脈搏、血氧濃度等多參數(shù)同時(shí)采集，可通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)的顯示，也可以通過Andriod手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)心肺復(fù)蘇器性能的全面檢測(cè)，具有很好的發(fā)展前景.

圖14 急救步驟流程圖

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Design of a Multifunction Portable Cardiopulmonary Resuscitation Machine Device

LI Jianzhao,JI Xuwen,YE Bingxu,CHEN Yaowen
（Department of Electronic and Information Engineering,College of Engineering,Shantou University 515063,Guangdong,China）

Anewmulti-functional portable cardiopulmonaryresuscitation（CPR）device is designed for the correct depth and optimal timing during the external cardiac compression.The control unit of this device is made up of a microprocessor.The pressure of the most value for real-time monitoring of two times according to the pressure integral algorithm is used to measure the acceleration.The patient body pressure is used to check if it meets the requirements.If the force is too large or too low,the device will give an alarm with audible beep and visible flashing light.The design and layout of the auxiliary device is reasonable,which can achieve the simultaneous acquisition and quantitative detection of pressing depth,ECG,blood oxygen and pulse.The development of the auxiliary device will realize the fast and overall detection of the CPR machines,which remains vital important in improving the detecting abilities of the CPR machines during the links of registration,production, circulation and functioning.

cardiopulmonary resuscitation;measurement of chest compression;double integration; multifunctional

1001-4217（2017）04-0064-10

TP249

A

2016-11-29

黎健釗（1995—），男（漢族），廣東省佛山市人，本科生，專業(yè)方向：電子信息工程．E-mail：14jzli@stu.edu.cn；

陳耀文（1964—），男，江西修水人，研究方向：生物信號(hào)處理與分析.E-mail：ywchen@stu.edu.cn基目項(xiàng)目：廣東高校省級(jí)重大科研項(xiàng)目（2016KZDXM013）