教學(xué)用智能心肺復(fù)蘇模擬人的設(shè)計(jì)

于 洋，高源清，高宇晨，丁 瑤，敖虎山*

（1.北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院，北京100037；2.中國心胸血管麻醉學(xué)會，北京100037）

0 引言

院外心臟驟停人數(shù)的增長已成為全球性問題[1]。我國每年有54.4 萬人發(fā)生心源性猝死，幸存率＜1%（美國為12%）[2]。旁觀者及時(shí)進(jìn)行心肺復(fù)蘇術(shù)，患者生存率會提高2～4 倍，因此，全民心肺復(fù)蘇術(shù)培訓(xùn)非常關(guān)鍵[3-4]。目前中國心肺復(fù)蘇術(shù)培訓(xùn)率不到1%，而美國為33%，法國為40%[5]。美國心臟學(xué)會建議學(xué)校將心肺復(fù)蘇術(shù)作為強(qiáng)制性培訓(xùn)[6]?！督】抵袊袆樱?019—2030）》中提出：“鼓勵(lì)開展群眾性應(yīng)急救護(hù)培訓(xùn)，到2022 年和2030 年取得培訓(xùn)證書的人員比例分別提高到1%及以上和3%及以上?！痹诶碚撝R向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化過程中，實(shí)際操作練習(xí)應(yīng)占較大比重[7]，因而在全民普及心肺復(fù)蘇術(shù)時(shí)，合適的模擬人選擇非常重要。醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)是利用現(xiàn)代模擬技術(shù)設(shè)計(jì)出高度仿真患者和模擬真實(shí)臨床場景的教學(xué)方式，因其具有高度仿真性，被廣泛應(yīng)用于多種疾病的臨床教學(xué)中[8]。有研究表明，心肺復(fù)蘇術(shù)培訓(xùn)中采用具有實(shí)時(shí)按壓反饋的教學(xué)模具可提高學(xué)員操作質(zhì)量[9]。

國外模擬人研發(fā)起步較早，德國3B 公司、挪威Laerdal 公司、日本株式會社、美國納斯公司等均研發(fā)了心肺復(fù)蘇模擬人，這些模擬人具備監(jiān)測按壓深度、按壓頻率及通氣情況的功能[10]。此外，國外還有配合iPhone 使用的iCPR 軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直觀顯示心肺復(fù)蘇術(shù)的按壓情況，改善按壓質(zhì)量[11]。近年來，國內(nèi)天津天堰公司、深圳安保公司在心肺復(fù)蘇模擬人研發(fā)方面不斷發(fā)展，目前可實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)用模擬人的基本功能[12]。但由于價(jià)格因素，大規(guī)模公眾心肺復(fù)蘇術(shù)培訓(xùn)時(shí)多采用充氣或海綿材質(zhì)模擬人，僅起到流程化教學(xué)的作用，難以實(shí)現(xiàn)仿真性練習(xí)。

本研究基于目前國內(nèi)現(xiàn)狀以及快速提高心肺復(fù)蘇術(shù)普及率的需求，設(shè)計(jì)一款可走進(jìn)家庭、校園、面向公眾且具有反饋裝置的智能心肺復(fù)蘇模擬人。

1 設(shè)計(jì)

1.1 外觀結(jié)構(gòu)

本模擬人主要使用群體為公眾，外觀設(shè)計(jì)打破傳統(tǒng)心肺復(fù)蘇術(shù)模擬教具的半身人或全身人形象，采用布娃娃外觀，具有親和力，易于被家庭所接受，更易激發(fā)中小學(xué)生對于急救技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣，延長專注時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。心肺復(fù)蘇術(shù)中的2 個(gè)重要環(huán)節(jié)為人工呼吸及胸外按壓，設(shè)計(jì)模擬人外觀時(shí)同時(shí)考慮了這2 項(xiàng)操作模擬訓(xùn)練的仿真性。

模擬人的口部設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)模擬人工呼吸的功能，鼻部向外凸起，可完成進(jìn)行人工呼吸時(shí)的“捏鼻”動作。模擬人的頭部設(shè)計(jì)為頸部預(yù)留了充分的活動區(qū)間，可模擬“仰頭提頜法”開放氣道的動作。為了便于模擬人氣道的清洗消毒，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的兼具通氣監(jiān)測功能及消毒功能的吹氣結(jié)構(gòu)。而且考慮到模擬人的整體美觀性，將吹氣結(jié)構(gòu)的出氣口設(shè)計(jì)在模擬人獨(dú)特發(fā)型頂端，并配有阻氣塞模擬氣道內(nèi)壓力。如圖1 所示，為保證胸外按壓位置的準(zhǔn)確性，模擬人前胸部有3 處標(biāo)記用以定位，分別為兩側(cè)乳頭及兩乳頭連線中點(diǎn)。模擬人皮殼及內(nèi)部填充物采用聚酯纖維材料，通過機(jī)械縫合制成。

圖1 智能心肺復(fù)蘇模擬人外觀設(shè)計(jì)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

模擬人硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由人工呼吸傳感器組件和機(jī)芯2 個(gè)部分組成。

圖2 智能心肺復(fù)蘇模擬人硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 人工呼吸傳感器組件設(shè)計(jì)

人工呼吸傳感器組件位于模擬人頭部內(nèi)，收集人工呼吸時(shí)所產(chǎn)生的通氣數(shù)據(jù)，并上傳到微控制單元（microcontroller unit，MCU）中。人工呼吸傳感器組件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由具有固定作用的進(jìn)氣口、進(jìn)氣軟管、霍爾渦輪傳感器、出氣軟管、具有固定作用的出氣口和硅膠阻氣塞組成。進(jìn)氣口和出氣口用于將傳感器組件固定在模擬人皮殼上，使用時(shí)氣體經(jīng)進(jìn)氣口流入，經(jīng)過霍爾渦輪傳感器后從出氣口排出。阻氣塞插入出氣口內(nèi)部，用于減小出氣口孔徑使組件產(chǎn)生背壓。需要對模擬人氣道進(jìn)行消毒時(shí)，可將模擬人平放，拔出阻氣塞，將出氣口略放低，用燒杯從其口部灌入消毒液，廢液將從頭頂出氣口部位流出，從而達(dá)到消毒效果（如圖4 所示）。

圖3 人工呼吸傳感器組件結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 機(jī)芯設(shè)計(jì)

模擬人機(jī)芯由控制電路板、可充電電池、壓力傳感器、機(jī)芯背板、彈簧蓋板、按壓彈簧組成。如圖5 所示，機(jī)芯背板是機(jī)芯的骨架，控制電路板、壓力傳感器均安裝在機(jī)芯背板正面，可充電電池安裝在電池保護(hù)倉中。機(jī)芯背板側(cè)面的固定槽用于機(jī)芯與模擬人皮殼的固定，并增加背板強(qiáng)度。因?yàn)閷φ３赡耆诉M(jìn)行心肺復(fù)蘇操作時(shí)，所需壓力通常在320～500 N之間[12]，因此按壓彈簧選用定制的壓力為400～500 N的鍍鋅防銹彈簧。按壓彈簧上下均裝有彈簧蓋板，下部蓋板安裝在壓力傳感器上，將按壓彈簧、壓力傳感器、機(jī)芯背板組裝為模擬人機(jī)芯整體。

圖5 智能心肺復(fù)蘇模擬人機(jī)芯結(jié)構(gòu)圖

機(jī)芯背板和彈簧蓋板采用高性能工程塑料材質(zhì)，保證按壓時(shí)平穩(wěn)、不易變形。背板和彈簧蓋板內(nèi)面設(shè)計(jì)有力傳遞結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。通過軟件進(jìn)行受力分析（如圖7 所示），機(jī)芯在受到500 N 按壓力量時(shí)，最大變形僅為0.15 mm。

圖6 智能心肺復(fù)蘇模擬人的力傳遞結(jié)構(gòu)

圖7 智能心肺復(fù)蘇模擬人機(jī)芯背板受力分析圖

控制電路板安裝在機(jī)芯內(nèi)側(cè)，機(jī)芯結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)控制電路板和板上的電子元件，電源按鍵、指示燈和充電接口位于控制電路板背面?？刂齐娐钒逵梢訤R-4 環(huán)氧樹脂為基材的具有4 層電信號層的高密度印制電路板（printed circuit board，PCB）和電子器件通過無鉛焊接制作而成。為了盡量減小體積，控制電路板的電子器件除開關(guān)按鍵、線對板連接器、蜂鳴器外，其他器件均為表面貼裝技術(shù)（surface mounted technology，SMT）的器件（占比達(dá)到98%）。模擬人控制電路由MCU 數(shù)據(jù)處理電路、供電電路、數(shù)據(jù)采集電路、藍(lán)牙傳輸電路4 個(gè)部分組成，如圖8 所示。MCU數(shù)據(jù)處理電路以ST 公司的ARM 32-bit CortexTM-M4 MCU 作為核心控制器，還包括MCU 外圍器件、晶體時(shí)鐘器件等。供電電路包括鋰電池電源管理芯片、充電控制芯片、低壓差線性穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDO）、去耦電容、USB Type C 電源接口和受MCU 控制的電子開關(guān)等器件。數(shù)據(jù)采集電路由24 bit A/D轉(zhuǎn)換芯片、放大器芯片、緩沖器芯片和外圍器件組成，作用是采集模擬人的按壓壓力數(shù)據(jù)和吹氣量數(shù)據(jù)。模擬人按壓數(shù)據(jù)通過壓力傳感器采集，按壓開始后，MCU 每秒鐘進(jìn)行300 次壓力數(shù)據(jù)采集，傳感器壓力數(shù)值模擬量實(shí)時(shí)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入MCU 進(jìn)行計(jì)算，得到每一時(shí)刻的按壓壓力。吹氣量數(shù)據(jù)通過MCU 采集霍爾渦輪傳感器渦輪的轉(zhuǎn)速得到，該傳感器是一個(gè)基于直接測量封閉管道中滿管流速原理的速度流量計(jì)，根據(jù)傳感器腔體截面積和體積計(jì)算出流量和流速，再根據(jù)吹氣時(shí)間得到具有參考性的吹氣量數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)吹氣次數(shù)。藍(lán)牙傳輸電路由藍(lán)牙控制芯片、晶體時(shí)鐘器件、濾波器件和電路板上的信號天線組成，MCU 計(jì)算得到的每一時(shí)刻的按壓壓力和吹氣數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)小程序中。

圖8 智能心肺復(fù)蘇模擬人電路框圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本研究依托微信平臺，采用輕量級的小程序開發(fā)語言WXML、WXSS 和JavaScript 開發(fā)“121 心肺復(fù)蘇”小程序作為模擬人的操作軟件。小程序具有心肺復(fù)蘇術(shù)訓(xùn)練（練習(xí)模式、測試模式）、在線學(xué)習(xí)、模擬人設(shè)置、模擬人空中下載（over the air，OTA）升級、用戶登錄等功能。在心肺復(fù)蘇術(shù)訓(xùn)練中，小程序?qū)崟r(shí)接收模擬人藍(lán)牙傳遞的按壓深度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再追加渲染到ECharts 曲線圖中。

心肺復(fù)蘇術(shù)訓(xùn)練的測試模式是實(shí)現(xiàn)在線考核的主要部分，小程序中心肺復(fù)蘇術(shù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。當(dāng)使用者完成心肺復(fù)蘇術(shù)模擬測試后，小程序?qū)?dāng)前接收到的藍(lán)牙數(shù)據(jù)（包括每次按壓的數(shù)據(jù)、時(shí)間、模擬人硬件參數(shù)等）上傳到服務(wù)器端，再由服務(wù)器計(jì)算出測試結(jié)果數(shù)據(jù)并在小程序中生成測試報(bào)告，測試報(bào)告內(nèi)容包括測試結(jié)果（合格、不合格）、按壓頻率、按壓深度、胸廓完全回彈合格率、人工呼吸次數(shù)。

圖9 小程序心肺復(fù)蘇術(shù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)流程圖

2 在線學(xué)習(xí)及遠(yuǎn)程測試具體實(shí)現(xiàn)

2.1 在線學(xué)習(xí)

在“121 心肺復(fù)蘇”小程序中，首頁“急救學(xué)堂”板塊內(nèi)有心肺復(fù)蘇術(shù)精品課程，包括心肺復(fù)蘇術(shù)相關(guān)的理論教學(xué)及操作演示，學(xué)員可自學(xué)完成。心肺復(fù)蘇術(shù)訓(xùn)練板塊包括練習(xí)模式（提供按壓頻率語音提示）和測試模式（無教學(xué)提示，倒計(jì)時(shí)1 min，按照30次按壓、2 次人工呼吸的比例進(jìn)行，結(jié)束后給出測試報(bào)告）。選擇模式后將模擬人開機(jī)，根據(jù)模擬人編號完成匹配后即可開始操作。在心肺復(fù)蘇術(shù)培訓(xùn)界面內(nèi)可直觀顯示按壓深度、按壓次數(shù)及通氣情況，而且在測試模式下可生成簡易版測試報(bào)告，如圖10 所示。

圖10 按壓操作及測試報(bào)告顯示

2.2 遠(yuǎn)程測試

心肺復(fù)蘇術(shù)的考核主要包括理論考核及操作考核兩方面。其中操作考核成績由“121 心肺復(fù)蘇”小程序給予的客觀成績及專家評估的主觀成績組成。心肺復(fù)蘇術(shù)線上理論課程及操作自學(xué)完成后，可于小程序內(nèi)完成理論考核，考核合格后，可上傳測試模式下生成的報(bào)告截圖及完整操作視頻，報(bào)告內(nèi)所顯示的按壓深度、按壓頻率及胸廓完全回彈合格率作為客觀成績；后臺考核團(tuán)隊(duì)邀請專家對學(xué)員上傳的操作視頻進(jìn)行線上評估，重點(diǎn)考察學(xué)員操作流程及動作的規(guī)范性，作為主觀成績。綜合以上內(nèi)容由專家最后評估學(xué)員是否通過考核。

3 應(yīng)用測試

模擬人于心燈醫(yī)療科技轉(zhuǎn)化平臺完成應(yīng)用測試，經(jīng)多次調(diào)校后各功能運(yùn)行穩(wěn)定，暫無故障發(fā)生。應(yīng)用測試主要包括對按壓深度、壓力及頻率的測試。

3.1 按壓深度測試

本實(shí)驗(yàn)采用位移光柵尺測量在按壓作用下模擬人的胸廓位移變化。選用量程為150 mm、分度值為0.01 mm 的韋度位移光柵尺，該光柵尺的誤差為0.06 mm，測量精度較高，可滿足對位移的測量要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)將位移光柵尺與模擬按壓的位移及壓力測量的試驗(yàn)臺固定連接，如圖11（a）所示。當(dāng)試驗(yàn)臺下壓時(shí)，位移光柵尺的活動部分隨試驗(yàn)臺的下降而向下移動，其數(shù)顯儀表實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)臺的位移數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖11（b）所示，位移光柵尺測量的位移與小程序顯示的按壓深度曲線基本重合。

圖11 測量場景及結(jié)果

3.2 按壓力測試

按壓力測試選用HZC-H1-100 壓力傳感器，直徑為46 mm，厚度為22.5 mm，精度為0.1%，靈敏度為1.0～1.5 mV/V。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用與圖11（a）相同連接方式，當(dāng)按壓模擬人時(shí)，壓力傳感器與按壓位置緊密接觸，隨試驗(yàn)臺向下的壓力變化，數(shù)顯儀表實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)臺的壓力數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖11（b）所示。經(jīng)多次測試取平均值后得出，當(dāng)按壓深度達(dá)到50～60 mm時(shí)，所需壓力在410～500 N 之間。

3.3 按壓頻率測試

按壓頻率測試由2 名計(jì)數(shù)員及1 名操作人員共同完成。操作人員在測試模式下完成1 min 按壓，2名計(jì)數(shù)員使用秒表分別記錄操作人員的按壓次數(shù)。操作結(jié)束后，核對2 名計(jì)數(shù)員所記錄的數(shù)據(jù)及模擬人后臺收集到的按壓頻率數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬人所記錄的按壓頻率基本準(zhǔn)確。

表1 按壓頻率測試結(jié)果單位：次/min

4 醫(yī)務(wù)人員試用評價(jià)

為測試模擬人的使用效果，2022 年5 月31 日于蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院麻醉科進(jìn)行內(nèi)部測試。共招募來自于麻醉科及手術(shù)室的30 名志愿者，其中麻醉科醫(yī)生18 名、護(hù)士12 名，年齡范圍為25～48 歲，平均為（32.87±6.07）歲。測試流程主要包括練習(xí)模式試用及測試模式試用，并填寫滿意度調(diào)研問卷。

共回收30 份問卷，其中73.33%的志愿者認(rèn)為線上培訓(xùn)模式新穎實(shí)用，46.67%的志愿者認(rèn)為模擬人功能豐富，6.67%的志愿者提出按壓深度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等，詳見表2。由此可見，醫(yī)務(wù)人員對線上培訓(xùn)的理念認(rèn)同度較高。但目前模擬人還有很多細(xì)節(jié)問題需要完善，例如個(gè)別模擬人出現(xiàn)按壓數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，經(jīng)多次驗(yàn)證后認(rèn)為與模擬人出廠時(shí)傳感器標(biāo)定不準(zhǔn)確有關(guān)。在大范圍試用后，還將對模擬人的硬件、軟件及生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步完善，以提高使用滿意度。

表2 智能心肺復(fù)蘇模擬人內(nèi)部試用評價(jià)結(jié)果

5 結(jié)語

為促進(jìn)急救走進(jìn)校園、走進(jìn)家庭，同時(shí)解決大規(guī)模心肺復(fù)蘇術(shù)線下培訓(xùn)難以進(jìn)行的問題，本研究設(shè)計(jì)了一款智能心肺復(fù)蘇模擬人。對比市面上現(xiàn)有設(shè)備，該模擬人具有以下優(yōu)勢：（1）外觀憨態(tài)可掬，中小學(xué)生培訓(xùn)時(shí)更容易集中注意力；（2）體積小、質(zhì)量輕，學(xué)生可獨(dú)立移動，減少培訓(xùn)期間搬運(yùn)教學(xué)道具造成的意外傷害；（3）具備反饋裝置及語音提示功能，可實(shí)時(shí)反饋按壓效果，提高培訓(xùn)效率；（4）匹配線上急救課程及考核系統(tǒng)；（5）價(jià)格低于具備同等功能的模擬人，適合在心肺復(fù)蘇術(shù)培訓(xùn)廣泛普及中使用。

目前，第一代智能心肺復(fù)蘇模擬人和“121 心肺復(fù)蘇”小程序的測試模式尚不完善，出廠前標(biāo)定流程不穩(wěn)定，下一步將選取試點(diǎn)單位進(jìn)行流程模擬，明晰線上考核流程，同時(shí)軟件部分根據(jù)考核流程增加相應(yīng)模塊及改進(jìn)算法，并改進(jìn)出廠前標(biāo)定流程。傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足快速提高心肺復(fù)蘇術(shù)普及率、保證按壓質(zhì)量的需求。伴隨5G 等新技術(shù)的發(fā)展和公民健康意識的提高，線上培訓(xùn)將成為未來心肺復(fù)蘇術(shù)新的培訓(xùn)模式，該模擬人也將相應(yīng)增設(shè)遠(yuǎn)程培訓(xùn)模塊以及線上質(zhì)量評估體系。