跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 晶，張 廣，陳 鋒，余 明，宋振興，王運(yùn)斗，田 瑾，班明莉

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津300161）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外頻繁發(fā)生地震、洪災(zāi)、泥石流等自然災(zāi)害，給公眾的生命安全帶來(lái)較大的影響和威脅，且造成了大量的人員傷亡[1]。自然災(zāi)害中傷員的生命狀態(tài)與常規(guī)情況相比更為惡劣，需要盡快后送至有條件的救治機(jī)構(gòu)。但傷員所處的氣候、地理環(huán)境通常較復(fù)雜，交通不便，傷員空間分布分散，這些為傷員的后送帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，增加了傷員后送時(shí)間[2]。后送途中的傷員通常處于孤立失能狀態(tài)，加之錯(cuò)失黃金急救時(shí)間窗口，因此對(duì)傷員后送途中的生命支持裝備有較高的要求。由于傷員所處的地理、氣候環(huán)境和交通情況的復(fù)雜性，在實(shí)施轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)可能需要利用不同的后送手段和轉(zhuǎn)運(yùn)工具，如可能會(huì)采用單人/雙人托運(yùn)、多人搬運(yùn)，以及直升機(jī)、車輛、固定翼飛機(jī)、船艇轉(zhuǎn)運(yùn)等方式，因此要求生命支持系統(tǒng)能夠減少轉(zhuǎn)運(yùn)處理環(huán)節(jié)，并在各個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)盡可能的無(wú)縫銜接，提高救治效率。現(xiàn)有的生命支持裝備只能固定于有特定接口的專用車輛，缺乏多平臺(tái)的適應(yīng)能力[3]；內(nèi)部的呼吸機(jī)、復(fù)蘇器等均為氣動(dòng)型，需要依靠壓縮氧氣才能驅(qū)動(dòng)，在全功能作業(yè)條件下氧氣消耗量極大，難以長(zhǎng)時(shí)間工作[4-5]；系統(tǒng)內(nèi)部嵌入的模塊體積大，未實(shí)現(xiàn)微型化，裝備本身也未經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，質(zhì)量、精度等指標(biāo)都不理想[6]。本文根據(jù)緊急醫(yī)學(xué)救援傷員運(yùn)送途中“無(wú)縫”連續(xù)救治的需求，開展了非高壓氧源依賴呼吸通氣、多模式通氣、微量精準(zhǔn)輸注、典型重癥傷情評(píng)估、救治與監(jiān)護(hù)設(shè)備小型化/便攜化/集成化、微渦輪呼吸通氣、結(jié)構(gòu)建模等關(guān)鍵技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)。

1 功能需求

跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)需要具有如下功能：

(1)呼吸、通氣功能：可對(duì)傷員進(jìn)行呼吸循環(huán)支持，呼吸頻率10～40次/min可調(diào)，潮氣量200～1200 mL，分鐘通氣量≥40 L/min，具備控制、輔助等通氣模式，呼氣末正壓(positive end expiratory pressure，PEEP)為0～30 cmH2O(1 cmH2O=98．06 Pa)。

(2)基本生命體征監(jiān)護(hù)功能：可對(duì)傷員的心電、血壓、體溫、呼吸頻率、血氧飽和度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)自動(dòng)輸液功能：輸液速度1～1200 mL/h連續(xù)可調(diào)，輸液通道數(shù)≥1個(gè)，對(duì)輸液完成、漏液、空瓶、氣泡、阻塞等情況具有報(bào)警功能。

(4)可跨平臺(tái)使用的特性：可與各種通用后送工具進(jìn)行適配，實(shí)現(xiàn)后送轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的無(wú)縫銜接。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)需滿足小型化、便攜化、集成化的要求。利用系統(tǒng)建模、結(jié)構(gòu)仿真、有限元分析等方法，對(duì)系統(tǒng)框架、各功能模塊的集成結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量、力學(xué)性能、人機(jī)交互等進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)。研制的跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)不含外擴(kuò)部件時(shí)主機(jī)長(zhǎng)255 mm、寬550 mm、高145 mm，質(zhì)量8 kg，主機(jī)展收時(shí)間小于2 min。前面板主要用于人機(jī)交互，兩側(cè)分布監(jiān)護(hù)、呼吸通氣、液體輸注等功能模塊的接口；后面板設(shè)有可拆卸蓋板，方便電池更換。為保證跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)在低溫條件下能夠正常使用，人機(jī)交互界面選用在-40℃能夠工作的低溫液晶屏；為了方便醫(yī)務(wù)人員觀察和操作，將操作系統(tǒng)與呼吸機(jī)設(shè)計(jì)為共屏顯示，且設(shè)計(jì)了向上8°的傾角。由于跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)在緊急醫(yī)學(xué)救援使用過程中使用條件惡劣，因此在人機(jī)交互屏幕上粘貼一層電磁防護(hù)透明絲網(wǎng)膜，在液晶屏的外側(cè)設(shè)置可翻轉(zhuǎn)的透明防護(hù)蓋，確保液晶屏幕在使用過程中的安全。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)整機(jī)外觀效果圖

2.1.2 分模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)采用模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括生命體征監(jiān)護(hù)模塊、呼吸模塊、輸液模塊、控制模塊等功能模塊，內(nèi)部布局如圖2所示。

圖2 跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局圖

(1)生命體征監(jiān)護(hù)模塊：該模塊的主要功能包括傷員生命體征監(jiān)測(cè)與依據(jù)生命體征監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行智能傷情辨識(shí)2個(gè)部分。傷員生命體征監(jiān)測(cè)功能主要對(duì)傷員轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度、體溫等基本生命體征指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。智能傷情辨識(shí)部分的處理流程如圖3所示，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的生命體征信息，首先利用自適應(yīng)濾波、時(shí)頻域分析等方法，抑制監(jiān)測(cè)過程中的噪聲干擾，挖掘出準(zhǔn)確反應(yīng)原始多參數(shù)信號(hào)特征的時(shí)頻域信息，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾環(huán)境下多參數(shù)生命體征信號(hào)的準(zhǔn)確提取。其次利用主成分分析技術(shù)對(duì)心電幅度頻率功率譜面積、呼吸中值頻率、血氧尺度指數(shù)等生命體征參數(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)與優(yōu)化組合，提取關(guān)鍵信息，進(jìn)而應(yīng)用支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)及其他人工智能方法，對(duì)傷員的傷情、傷勢(shì)進(jìn)行快速辨識(shí)與判斷，為傷員的救治提供決策支持。

圖3 智能傷情辨識(shí)處理流程

(2)呼吸模塊：跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)中集成的呼吸模塊采用電動(dòng)電控方式工作，具有控制、輔助、同步間歇指令通氣(synchronized intermittent mandatory ventilation，SIMV)、氣道持續(xù)正壓通氣(continue positive airway pressure，CPAP)等通氣模式。呼吸模塊的氣路結(jié)構(gòu)如圖4所示，由調(diào)壓閥、負(fù)壓泵、控制閥、比例閥、風(fēng)機(jī)、二位三通閥、氧傳感器、流量傳感器組成。呼吸模塊內(nèi)置微渦輪增壓系統(tǒng)，不需外接氣源即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通氣，解決了傳統(tǒng)呼吸機(jī)依靠壓縮氧氣才能驅(qū)動(dòng)以及全功能作業(yè)條件下氧消耗量大、難以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的難題。由于微渦輪增壓系統(tǒng)的氣源為渦輪風(fēng)機(jī)制造的壓縮空氣，在制造壓縮空氣的過程中，渦輪風(fēng)機(jī)葉片的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。為增強(qiáng)呼吸模塊氣路的使用舒適性，需要對(duì)振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力噪聲進(jìn)行減振降噪隔音處理。

圖4 呼吸模塊氣路結(jié)構(gòu)布局圖

(3)輸液模塊：輸液模塊用于在轉(zhuǎn)運(yùn)后送過程中為傷員提供液體輸注，至少包含1個(gè)輸液通道，輸液速度1～1200 mL/h連續(xù)可調(diào)。輸液模塊設(shè)計(jì)為半擠壓式結(jié)構(gòu)[7-8]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，在一根凸輪軸上分布有進(jìn)口開關(guān)閥凸輪、出口開關(guān)閥凸輪、擠壓凸輪和補(bǔ)償凸輪，每個(gè)凸輪與一個(gè)滑塊相對(duì)應(yīng)，4個(gè)凸輪以一定的相位差間隔運(yùn)動(dòng)。輸液時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過減速裝置驅(qū)動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊按一定的運(yùn)動(dòng)順序擠壓彈性輸液管，由于液體的流速與凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度基本呈線性關(guān)系，而輸液量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)數(shù)成正比，因此，可以通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)輸液量與輸液速度的精確控制。輸液模塊還可對(duì)輸液完成、漏液、空瓶、氣泡、阻塞等異常情況進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)自動(dòng)停止輸注，確保傷員安全。

圖5 輸液模塊半擠壓式結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 適配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足生命支持系統(tǒng)跨平臺(tái)使用的要求，設(shè)計(jì)了可卡接在擔(dān)架兩側(cè)使系統(tǒng)與通用制式擔(dān)架快速連接的專用連接支撐架，用于固定生命支持系統(tǒng)。該支撐架包括托板和卡鎖機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)，能夠在各種轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)境下有效地支撐與保護(hù)儀器設(shè)備，可解決生命支持系統(tǒng)隨傷病員擔(dān)架轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的安放和固定問題。專用設(shè)備連接支撐架與通用制式擔(dān)架桿及生命支持系統(tǒng)連接的示意如圖6所示。

圖6 連接支撐架連接方式示意圖

2.2 電氣系統(tǒng)

2.2.1 控制電路設(shè)計(jì)

跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)呼吸、監(jiān)護(hù)、液體輸注模塊管理，數(shù)據(jù)處理/顯示和人機(jī)交互等，總體控制電路框圖如圖7所示。電源板為整機(jī)供電，允許接入DC 12～30 V的適配電壓。適配器、內(nèi)置電池及外置電池3路直流電壓經(jīng)路徑管理電路選擇后，為控制模塊、生命體征監(jiān)護(hù)模塊、呼氣末CO2模塊、呼吸模塊、輸液模塊進(jìn)行供電?？刂齐娐凡捎肦S232串口通信方式與各功能模塊進(jìn)行通信，控制讀取、顯示生命體征信息、呼氣末CO2體積分?jǐn)?shù)信息等數(shù)值，并能對(duì)呼吸模塊的呼吸潮氣量、呼吸頻率、呼吸模式等進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液模塊的輸液速度、輸液量等的閉環(huán)控制。

圖7 跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)總體控制電路框圖

2.2.2 分模塊電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸液模塊：輸液模塊通過將微控制器作為核心控制器，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)半擠壓式輸液結(jié)構(gòu)，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可能存在振蕩或失步現(xiàn)象，因此采用閉環(huán)控制的方式，確保對(duì)輸液速度和輸液量的精確控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制原理框圖如圖8所示，控制系統(tǒng)微控制單元(microcontroller unit，MCU)接收時(shí)序脈沖信號(hào)CLK，將其放大后送往步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，并以脈沖形式反饋給控制單元進(jìn)行計(jì)數(shù)；MCU將編碼器反饋的脈沖和接收到的脈沖進(jìn)行比較，如出現(xiàn)丟步，MCU可根據(jù)差值繼續(xù)發(fā)送脈沖，補(bǔ)償丟步，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。在故障報(bào)警方面，利用編碼器實(shí)時(shí)反饋的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)或通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)阻塞報(bào)警功能，利用非接觸式超聲波氣泡檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)氣泡檢測(cè)報(bào)警功能。

圖8 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制原理框圖

呼吸模塊：呼吸模塊采用閉環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)潮氣量的精確控制(如圖9所示)，利用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)渦輪風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過流量傳感器檢測(cè)渦輪風(fēng)機(jī)送出的空氣流量并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將流量傳感器反饋回的空氣流量與預(yù)設(shè)流量進(jìn)行比較并利用高精度PID(proportional integral derivative)控制算法對(duì)渦輪風(fēng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)潮氣量的精確控制[9-10]。通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)主氣路閥體進(jìn)行控制，決定通氣主氣路在某一時(shí)刻氣源的通斷。在空氧混合模式下，高壓氧氣通過減壓閥進(jìn)入主氣路，通過二位三通閥控制空氧混合氣路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)不同的空氧混合濃度。

電源管理模塊：為保證跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)中控制、監(jiān)護(hù)、輸液、呼吸等功能模塊采用單獨(dú)供電的模式進(jìn)行供電。電源管理電路原理框圖如圖10所示。220 V的交流輸入電源經(jīng)AC-DC適配器后轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)直流濾波器后送至充電電路。充電電路負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)/外電池組進(jìn)行充電，適配器轉(zhuǎn)換后的電壓、內(nèi)置電池電壓、外置電池電壓3路直流電壓經(jīng)路徑管理電路選擇后輸出電壓V1，為系統(tǒng)各功能模塊供電。為保證整機(jī)不間斷工作，當(dāng)3路電壓中有任意一路滿足供電要求時(shí)，路徑管理電路可實(shí)現(xiàn)電源路徑的自動(dòng)切換。單片機(jī)的供電由V1經(jīng)低壓差線性穩(wěn)壓器[11](low dropout regulator，LDO)后供給，且設(shè)計(jì)有一鍵開關(guān)電路：在有外接網(wǎng)電源時(shí)自動(dòng)對(duì)單片機(jī)電路上電，用于充電狀態(tài)指示；在沒有外接網(wǎng)電源時(shí)，可實(shí)現(xiàn)按鍵開關(guān)自鎖，實(shí)現(xiàn)整機(jī)上電；已開機(jī)狀態(tài)下，可通過長(zhǎng)按按鍵的方式實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)?？刂颇K的供電由V1經(jīng)過DC-DC降壓后供給；生命體征監(jiān)護(hù)模塊、輸液模塊、呼氣末CO2模塊的供電由V1經(jīng)過DC-DC降壓后再經(jīng)LDO后供給；呼吸模塊和風(fēng)扇的供電由V1經(jīng)受控開關(guān)后直接供給。

圖10 電源管理電路原理框圖

通信管理模塊：在通信構(gòu)架中，以控制模塊為中央控制器。生命體征監(jiān)護(hù)模塊、輸液模塊、呼吸模塊、呼氣末CO2模塊及單片機(jī)這5個(gè)部分與控制模塊之間采用RS232串口方式通信；飛梭、按鍵電路與控制模塊之間采用通用型輸入/輸出(general purpose input output，GPIO)方式通信；觸屏、外部USB接口這2個(gè)部分與控制模塊之間采用USB方式通信；外部局域網(wǎng)(local area network，LAN)接口與控制模塊之間采用以太網(wǎng)方式通信。充電管理及聲光報(bào)警電路與單片機(jī)之間采用GPIO方式通信。通信管理電路原理框圖如圖11所示。

圖11 通信管理電路原理框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 鑒定檢驗(yàn)結(jié)果

跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)已在國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局天津醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢查中心進(jìn)行了鑒定檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)結(jié)果詳見表1，結(jié)果表明跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)滿足預(yù)設(shè)的功能要求。

表1 跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)鑒定檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 示范應(yīng)用結(jié)果

跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)已分別于2020年1月在吉林省長(zhǎng)春市、遼寧省沈陽(yáng)市，2020年8月在廣東省廣州市，2020年9月在浙江省湖州市進(jìn)行了寒區(qū)、熱區(qū)及溫區(qū)的示范應(yīng)用(如圖12所示)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了全面系統(tǒng)的檢驗(yàn)。示范應(yīng)用結(jié)果表明，跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)功能完備、實(shí)用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)呼吸通氣支持、生命體征監(jiān)護(hù)、液體精準(zhǔn)輸注等功能，可與多種后送轉(zhuǎn)運(yùn)工具進(jìn)行快速卡接，實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)運(yùn)工具間的無(wú)縫銜接；系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，在3種環(huán)境條件下均可正常使用，未出現(xiàn)故障、死機(jī)、失靈等情況。此外，跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、展收方便、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，較適合在突發(fā)自然災(zāi)害、公共安全事件現(xiàn)場(chǎng)急救、院外急救等情況下使用。

圖12 跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)寒區(qū)、溫區(qū)、熱區(qū)示范應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

突發(fā)自然災(zāi)害及公共安全事件造成的大量傷員往往不能在第一時(shí)間得到有效救治，且具有所處氣候及交通條件惡劣、后送時(shí)間長(zhǎng)、后送工具多樣等特點(diǎn)，為保證傷員在后送過程中能夠得到有效的生命維持與救治，需要途中生命支持系統(tǒng)具有便攜化、智能化的特點(diǎn)，能夠與汽車、火車、直升機(jī)等多種后送工具進(jìn)行適配卡接。本研究利用系統(tǒng)建模、結(jié)構(gòu)仿真、有限元分析等方法，對(duì)跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、各功能模塊的結(jié)構(gòu)、適配結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制出的跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)具有呼吸通氣支持、生命體征監(jiān)護(hù)、液體精準(zhǔn)輸注等功能，能夠與多種后送轉(zhuǎn)運(yùn)工具進(jìn)行快速卡接，實(shí)現(xiàn)多種后送工具間的無(wú)縫銜接，提高了突發(fā)事件中傷員的救治效率，有效減少了傷亡率。但跨平臺(tái)生命支持系統(tǒng)還存在一定的不足，呼吸模塊的智能化程度有待進(jìn)一步優(yōu)化提升，通過智能化辨識(shí)患者的氧合程度、智能調(diào)整通氣模式，可在后送途中為患者提供更高質(zhì)量的通氣支持。