基于5G的緊急便攜式智能心肺復蘇機設計方案的研究

王浩文，陳宏文，竇建洪，王雙衛(wèi)，王婷婷，胡榜

1. 南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院 醫(yī)學工程科，廣東 廣州 510515；2. 中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 麻醉科，廣東 廣州 510000；3. 深圳市安?？萍加邢薰?研發(fā)部，廣東 深圳 518052

引言

心肺復蘇是一種用于搶救心搏驟?；颊叩募本却胧?，心肺復蘇機（Cardiopulmonary Resuscitation Machine，CRM）是患者心臟驟停時搶救生命的有效醫(yī)療設備，特別是在災難救援時更是發(fā)揮著巨大作用。為了實現心肺復蘇的及時性[1-3]、灌注血流量[4-7]等要求，其經歷了漫長的發(fā)展歷程。如圖1 所示為第1 代自動心肺復蘇機工作原理，其主要模擬徒手心肺復蘇原理，通過氧氣氣動，可實現連續(xù)不間斷的點式按壓，但不便攜帶，耗氧量大，不能保證患者的通氣質量，且胸骨骨折率高于人工心肺復蘇[8-9]。如圖2 所示為第2 代心肺復蘇機的工作原理，其突破了第1代心肺復蘇機單點按壓的方式，通過綁帶讓整個胸腔均勻受力[10]。如圖3 所示為第3 代自動心肺復蘇機的工作原理，其采用全胸腔包裹式的3D 按壓方式，在做點式按壓的基礎上，同時擠壓胸腔，模擬心臟工作機理[11]，該設備符合2010 版AHA 心肺復蘇指南的要求，具有體積較小、易攜帶、肋骨骨折率低等優(yōu)勢[12]。雖然目前我國已可自主生產常規(guī)醫(yī)療使用的心肺復蘇機，但尚無能夠滿足搭載航天器進行災難救援的心肺復蘇設備。基于此，本研究融合5G 通訊[13-14]、機載航空設備電磁兼容設計[15]，以及最新的3D按壓技術設計一款可用于緊急救援的便攜式心肺復蘇機，以期提升我國緊急救援水平。

圖1 第1代心肺復蘇機按壓原理示意圖

圖2 第2代心肺復蘇機按壓原理示意圖

圖3 第3代心肺復蘇機按壓原理示意圖

2 設計方案

本研究應用5G、深度傳感器、智能控制算法等技術，并綜合考慮電磁兼容性和航空適航等要求進行新一代緊急便攜式智能心肺復蘇機的設計。

2.1 整體設計

如圖4 所示，本系統(tǒng)主要包含按壓傳動模塊、電源模塊、二氧化碳模塊、5G 通信模塊、液晶顯示屏、深度傳感器和主控板等。其中按壓傳動模塊用于執(zhí)行按壓動作，并實時監(jiān)測和反饋按壓深度信息到主控板；電源模塊包含大容量蓄電池組，為整機提供電能供應，并實時反饋電池狀態(tài)到主控板；二氧化碳模塊實時監(jiān)測患者呼出氣體中二氧化碳含量，并反饋到主控板；5G 通信模塊用于將設備工作情況和救援狀態(tài)實時上傳至遠程服務器；液晶顯示屏和薄膜按鍵用于人機交互；主控板用于整體控制整機各模塊協(xié)調運作。

圖4 緊急便攜式智能心肺復蘇機系統(tǒng)圖

2.2 硬件設計

2.2.1 按壓傳動模塊

為了提高患者的存活率，減少心肺復蘇機的重量和體積，增長心肺復蘇機持續(xù)工作時間，該設備采用了電動電控的3D 胸外按壓模式，有效地節(jié)約了氧氣，提高救治成功率。3D 按壓技術綜合了心泵理論和胸泵原理的優(yōu)勢，相比于單點按壓和分布式按壓有更好的治療效果。①3D 按壓50%的按壓深度就能超過單點按壓的灌注效果；②3D按壓胸腔內正負壓絕對值均高于單點按壓，更有利于血液回流和灌注；③3D 按壓造成肋骨骨折概率更小，可減少并發(fā)癥和損傷；④3D 按壓腦部灌注血流量遠高于單點按壓腦部灌注血流量；⑤3D 按壓有更好的復蘇后神經系統(tǒng)表現。此外3D 按壓用綁帶固定患者，無需按壓背板，方便操作[16]。

圖5 緊急便攜式智能心肺復蘇機工作示意圖

按壓深度根據《2020 年美國心臟協(xié)會心肺復蘇和心血管急救指南》[17]設計：成人按壓深度至少為5 cm，并使胸廓完全回彈；兒童按壓深度應≥1/3 胸部前后徑，且按壓深度不可過大（應＜6 cm），避免增加損傷。該設備的按壓深度為0～60 mm，按壓深度連續(xù)可調，在按壓頭處裝有深度傳感器，方便及時做出調整。按壓位置主要為胸骨的下半部。

驅動電機采用無刷直流電機對患者實施胸外按壓。無刷直流電機相比于其他電機的優(yōu)勢如下：具有更好的控制精度、轉速與轉矩特性、工作效率高、工作時間長、噪聲較小、轉速范圍更大、體積和重量較小。在運行中，采用脈沖寬度調節(jié)的驅動方式結合深度傳感器反饋情況，實時調節(jié)控制信號輸出占空比，控制無刷直流電機帶動整個模塊，電機的回轉運動轉化為按壓頭的垂直運動，實現對患者胸部均速穩(wěn)定按壓。為提高工作效率保證設備安全，在電機的對應位置設置散熱孔和散熱扇。

2.2.2 電源模塊

在應急醫(yī)療救援場景下，尤其是在野外等缺乏基礎設施的場所，缺少供電系統(tǒng)，因此要選擇一種便捷耐用的可移動電源來支持心肺復蘇機正常工作。該心肺復蘇機選用可充電鋰離子電池為按壓模塊和控制模塊供電，電池容量為3 000 mAh，最長工作時間可達8 h，最長充電時間（22 ℃）小于5 h，使用壽命可達200 次（每次工作時長在10 min以上），同時在對應位置安裝散熱扇保證電池正常工作。

2.2.3 呼吸末CO2模塊

呼 吸 末CO2（End-tidal of Carbon Dioxide，EtCO2）模塊組裝在心肺復蘇機內可以實時監(jiān)測患者呼出氣體中的CO2濃度。研究表明，如果PEtCO2持續(xù)小于10 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），成功復蘇概率較低。在心搏驟?；颊逤PR 過程中實施PEtCO2監(jiān)測，可提高CPR 質量，以提高存活率，對預測和評估臨床預后有重要意義，具有較高的推廣價值[17]。

測量呼出氣中的CO2的方法很多，臨床常用的一種方法是紅外線分析法，這種分析法原理是讓紅外光透過待測氣體樣本，而CO2分子能夠吸收特定波長（4.26 μm）的紅外光，使紅外光照射待測氣體樣本，紅外光的能量因被代測氣體中的CO2吸收而衰減，其衰減程度可用光電換能元件探測并將之轉換成電信號。根據紅外光衰減的能量可以推算出CO2濃度，并根據CO2濃度波形確定呼吸頻率[18]。

圖6 C200型呼吸末CO2模塊

2.2.4 5G通信模塊

基于5G 網絡的生理信號監(jiān)測系統(tǒng)有較低延遲、更高速度和超大連接密度的優(yōu)點，可以在更低的成本下組建一個遠程醫(yī)療服務平臺。通過5G 模塊將監(jiān)測到的生理數據和設備設置等參數傳輸至公用或專用網絡，經處理后將監(jiān)測結果提供給遠程醫(yī)生或專家對病情進行判斷，同時醫(yī)生和專家也可以根據數據實時反饋和調整治療計劃、參數設置等[19]。其工作模式如圖7 所示。

圖7 5G通信模塊工作模式示意圖

2.2.5 航空適應性設計

面對突發(fā)性事件，急救人員要盡快趕往急救現場，用航空飛行器可以排除交通擁堵等影響，縮短到達現場和搶救運轉時間，增加患者生存率。航空醫(yī)學救援不僅對醫(yī)務人員的身心素質、專業(yè)水平有嚴格的要求，也對醫(yī)療裝備提出了更高的標準。目前航空醫(yī)學救援以直升機為主，其優(yōu)點是機動性強，但空間有限[20]，電子設備集成度高，醫(yī)療設備與原載機設備之間的力學與電磁干擾為影響飛行與使用的主要問題。發(fā)動機振動是飛機主要振源，機載設備的振動是發(fā)動機引起的受迫振動[21]；電磁干擾源主要有雷達發(fā)射機、通信發(fā)射機、導航發(fā)射機等[22]。針對航空醫(yī)療救援的特點，需要對該心肺復蘇機進行航空適航和電磁兼容性設計，監(jiān)護屏幕采用內凹式設計防止飛機振動；對設備供電線纜、高頻信號線纜進行屏蔽和磁環(huán)濾波處理，抑制干擾源，阻斷耦合途徑。電路板設計過程中避免航空特殊頻段元器的使用，對于無法避免的器件，如晶振等采取接地和屏蔽的方式避免空間輻射泄漏，整機主機部分如圖8 所示。

圖8 整機主機樣機示意圖

2.3 軟件設計

2.3.1 按壓傳動模塊

按壓頻率根據《2020 年美國心臟協(xié)會心肺復蘇和心血管急救指南》[17]，對于成人和兒童都應當以100～120 次/min的頻率進行設計。按壓-通氣比的設計：如果沒有高級氣道，成人應采用30 ∶2 的按壓-通氣比率，兒童應采用15 ∶2的按壓-通氣比率。在有高級通道的情況下，每6 s 給予1次呼吸。該設備設計三種按壓模式：15 ∶2 按壓通氣比模式、30 ∶2 按壓通氣比模式以及連續(xù)按壓模式。

2.3.2 監(jiān)護界面

為使按壓過程可視化，設計了一種簡潔的人機交互界面。人機交互界面選用TFT 彩色2.4 英寸非觸摸屏，屏幕分辨率320×240 像素。屏幕的主界面如圖9 所示，顯示按壓模式、按壓深度、按壓時間以及EtCO2水平。設置界面如圖10 所示，可以設置按壓模式，查看工作日志，設置通訊參數等。通過上述監(jiān)護界面急救人員可以及時得到心肺復蘇質量反饋，提高搶救效率。

圖9 主界面

圖10 設置界面

3 結果

為驗證設計的性能，本團隊采用模型人作為實驗對象進行心肺復蘇效果測試。實驗數據如圖11～13 和表1 所示，分別進行了30 ∶2 模式、15 ∶2 模式和連續(xù)按壓模式的實驗。經實驗測試，實際按壓深度與設置值偏差僅為1.3%，且在按壓深度參考區(qū)間內。按壓-通氣比也與設置值一致，實驗結果全部合格，滿足設計要求。

圖11 30∶2模式模型人測試數據

圖12 15∶2模式模型人測試數據

圖13 連續(xù)按壓模式模型人測試數據

表1 測試數據

圖14 模式模型人測試場景

4 討論

綜合以上測試數據顯示，首先，本設計所采用結合電動電控的3D 按壓心肺復蘇方式無須攜帶氧氣瓶，減小設備體積的同時也極大地降低了設備重量，整個設備的重量僅為8.9 kg，相比上一代氣動電控按壓技術，減輕重量約2.5 kg，進一步提升了設備的便攜特性[23]。

其次，在按壓通氣精度方面，30 ∶2 模式、15 ∶2 模式和連續(xù)按壓模式均達到設計要求，按壓深度偏差也在合理范圍內。這一按壓通氣比例是根據美國心臟協(xié)會最新的心肺復蘇指南[17]進行設計，根據以往研究顯示，85.6%的醫(yī)院急救人員均采用這一比例的按壓通氣比[24]，相對于現有心肺復蘇機4 ∶1 模式[25]、3 ∶1 模式[26]、5 ∶1 模式[27]，這一設計更有利于對于提高心肺復蘇的成功率。

再次，EtCO2模塊和5G 通信模塊的加入，使設備實現了對患者呼出CO2的實時監(jiān)測和遠程救援協(xié)助。以“心肺復蘇機”為關鍵詞檢索百度學術數據庫，得到歷年生物醫(yī)學工程類文獻636 篇，其中關于心肺復蘇機研發(fā)設計的文章14 篇，均未提及對患者呼出CO2的監(jiān)測，然而這對于提高心肺復蘇效率卻起著十分重要的作用[16]。隨著通信技術的發(fā)展和醫(yī)療行業(yè)正逐步朝著無線化、智能化和遠程化的方向發(fā)展，醫(yī)療與通信技術的跨界融合已成趨勢，醫(yī)療終端的通信能力、通信技術是當前智能化醫(yī)療設備研發(fā)的熱點和重點。利用5G 進行醫(yī)療數據的傳輸精確度可達99.2%[19]，這為遠程救援的數據準確性、實時性提供了保障；同時，5G 模塊的搭載對于診前、診中、診后均具有重要的意義：診前后臺救援調度平臺可以統(tǒng)一管理救援設備的電池情況，發(fā)布培訓信息，提供救援建議、決策等；診中后臺可以實時獲取救援情況，提供救援指導；診后還便于統(tǒng)一收集救援信息，避免數據的丟失或遺漏，方便進行數據統(tǒng)計、分析。

此外，在航空適航方面，本設計從元器件選型、電路設計到結構設計均采用電磁兼容性能良好的配件或方案，使得整機能順利通過《RTCA DO-160G 機載設備環(huán)境條件標準》[28]和《EN BS 13718 空中救援使用的醫(yī)療設備的要求》[29]的測試要求。

4 結論

隨著我國經濟與科技的不斷發(fā)展，人民對生命保障能力的需求更加迫切，而當下我國緊急醫(yī)學救援的精準化、智能化、信息化和便捷度和應急救援能力仍存在不足。為解決應急醫(yī)療救援場景下的便捷式智能救援和生命支持設備等關鍵技術，提升緊急醫(yī)學救援隊伍的裝備保障和遠程投送能力，本研究設計了一款基于5G 的緊急便攜式智能心肺復蘇機。該心肺復蘇機采用電動電控的方式，無須壓縮氧氣，既保證了特殊環(huán)境下設備的持續(xù)工作，又可滿足體積小、重量輕、方便操作的需求；經實驗測試，實際按壓深度與設置值偏差僅為1.3%，且在按壓深度參考區(qū)間內；按壓-通氣比也與設置值一致，實驗結果全部合格，滿足設計要求；同時將5G 技術應用到其中，并滿足航空適航要求，可實現救援現場、醫(yī)院實時互聯(lián)和滿足航空緊急救援使用條件。