班曉江，劉海濤，申宏興，蒙萌康，叢明軒，陳志彬

（遼寧科技大學(xué)電信學(xué)院，遼寧 鞍山 114000）

心臟驟停在生活中時(shí)有發(fā)生，每年約有54 萬(wàn)人發(fā)生心臟驟停，且有向青年化、低齡化的方向發(fā)展的趨勢(shì)，能否在4 min 內(nèi)實(shí)施有效的心肺復(fù)蘇術(shù)是保障發(fā)病者生命健康的前提?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)仍以人工心肺復(fù)蘇為主，極少見(jiàn)自動(dòng)、智能的心肺復(fù)蘇儀，加之中國(guó)人口基數(shù)大，人工心肺復(fù)蘇的普及率與心臟驟停發(fā)病率不成正比，在心肺復(fù)蘇術(shù)普及過(guò)程中普通民眾對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的掌握也參差不齊，由此導(dǎo)致一般在緊急情況下已有的條件不足以支持發(fā)病者能夠接受到有效的心肺復(fù)蘇治療，導(dǎo)致此類病人的生還概率大大減小。所以，筆者決定研發(fā)一款專業(yè)、規(guī)范化的心肺復(fù)蘇設(shè)備，在緊急情況下對(duì)危重病人進(jìn)行急救。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

該儀器定位為傻瓜式一鍵啟動(dòng)，內(nèi)置參數(shù)不可調(diào)，以提高其穩(wěn)定性、易用性，以此降低該心肺復(fù)蘇儀的使用門檻，提高普及率和救助的成功率。在使用儀器前應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵照心肺復(fù)蘇術(shù)的基本要求對(duì)患病者進(jìn)行處理，救助者幫助患病者穿戴好儀器。當(dāng)儀器啟動(dòng)時(shí)，往復(fù)按壓模塊、自動(dòng)求救模塊、壓力監(jiān)測(cè)記錄模塊同時(shí)開始工作。

其中，往復(fù)按壓模塊包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置、無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)，按壓頭與人體接觸處采用軟質(zhì)材料包裹，并且裝有電阻應(yīng)變片檢測(cè)按壓力。自動(dòng)求救模塊包括衛(wèi)星定位模塊ATGM336H 和支持GSM/GPRS的SⅠM900A 通信模塊。壓力監(jiān)測(cè)模塊包括電阻轉(zhuǎn)電壓信號(hào)模塊等。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 主控芯片

采用STM32F103ZET6 芯片作為主控，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，內(nèi)置高達(dá)128 K 字節(jié)的Flash 存儲(chǔ)器，具有豐富的通用端口，同時(shí)具有一流的外設(shè)資源。

2.2 往復(fù)按壓模塊

心搏驟停不同于任何慢性病終末期的心臟停搏，若及時(shí)采取正確有效的復(fù)蘇措施，病人能被挽回生命并得到康復(fù)，有效的心肺復(fù)蘇要求成人按壓幅度5～6 cm，按壓頻率為100～120 次/min。選取如圖1 所示的往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置。往復(fù)按壓運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其固定于胸骨正上方。按壓動(dòng)力來(lái)源采用直流無(wú)刷電機(jī)搭配PLF060-L1 緊密行星減速機(jī)。PLF060-L1 擁有 1.5 倍的額定輸出轉(zhuǎn)矩和3 倍額定輸出轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可選3～100 的減速比，而質(zhì)量?jī)H為1.35 kg。

圖1 往復(fù)裝置尺寸圖（單位：mm）

2.3 自動(dòng)求救模塊

定位模塊采用ATGM336H-5N 進(jìn)行輸入，經(jīng)過(guò)STM32 處理后由SⅠM900A 發(fā)送一條包含求救信號(hào)和經(jīng)緯度的信息給上位機(jī)。ATGM336H-5N 模塊支持現(xiàn)存的4 種定位系統(tǒng)，定位精度在空曠地能達(dá)2.5 m，板載E2PROM 可設(shè)置保存波特率等信息、加速熱啟動(dòng)搜星，連續(xù)運(yùn)行功耗小于25 mA，強(qiáng)大和全面的功能契合設(shè)計(jì)要求。SⅠM900A 采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻段為雙頻GSM/GPRS，通過(guò)AT 命令控制，供應(yīng)電壓范圍為3.3～5 V，在待機(jī)模式下功耗為1.5 mA，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息傳輸，能滿足各類設(shè)計(jì)需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.4 傳感器模塊

以MD30-60 薄膜壓力傳感器為壓力變化采集端，接壓力轉(zhuǎn)電壓模塊放大信號(hào)后與STM32F 連接可以直接用于重力高精度的測(cè)量，屬于自行設(shè)計(jì)制造的一種小型測(cè)量?jī)x器。首先利用OP07 運(yùn)算放大器將傳感器檢測(cè)輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，經(jīng)過(guò)多路模擬開關(guān)MC14051B 進(jìn)行分時(shí)選通。然后經(jīng)OP07 放大電路將該信號(hào)進(jìn)行二次放大，放大后的電壓信號(hào)送入STM32 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32 單片機(jī)進(jìn)行防脈沖干擾平均值濾波、自校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合處理后存儲(chǔ)到非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Flash 中。存儲(chǔ)的壓力數(shù)據(jù)可作為憑證，減少因?yàn)樨?zé)任認(rèn)定不清而產(chǎn)生的糾紛。壓力閾值為340～350 N。

3 系統(tǒng)程序

3.1 輸出部分設(shè)計(jì)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)其扭矩恒定，可以得到一個(gè)較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，加入了以電流反饋的PⅠD 閉環(huán)控制使電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，減少飛車現(xiàn)象的發(fā)生。以定時(shí)器做無(wú)刷電機(jī)編碼器接口配置，采取卡爾曼濾波，使得輸出更加平滑、穩(wěn)定。設(shè)定上下限閾值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超標(biāo)后緊急停車，同時(shí)將轉(zhuǎn)速存入Flash。

3.2 求救信號(hào)發(fā)送

定位模塊啟動(dòng)之后將定位信息以幀格式NMEA0183 協(xié)議與主控芯片進(jìn)行通信，選取$GPRMC格式進(jìn)行解碼以得到地理信息。以遼寧科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)樓的定位數(shù)據(jù)為例，解碼后得UCT 時(shí)間為111240.000，A，N4 105.916 76，E12 303.855 89，數(shù)據(jù)處理后得北京時(shí)間19：24：40，地點(diǎn)為北緯41.098 613°，東經(jīng)123.064 265°?；蜣D(zhuǎn)為度分秒格式N：41°05'55.006″，E：123°03'51.353″。TENNA OK*35 為結(jié)束標(biāo)志位。將以上信息裝載完成后以SⅠM900A 發(fā)送給救援隊(duì)。

遼寧科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)樓定位數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 遼寧科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)樓定位數(shù)據(jù)

3.3 壓力數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)信號(hào)采集放大電路傳入數(shù)據(jù)后，經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)為壓力數(shù)據(jù)，存入Flash。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 工作流程設(shè)計(jì)思路與調(diào)試

自動(dòng)心肺復(fù)蘇儀器工作流程如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)心肺復(fù)蘇儀器工作流程

4.2 無(wú)刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)

Proteus 中無(wú)刷電機(jī)模型可以顯示其轉(zhuǎn)速，在調(diào)試中將期望值設(shè)置為200 r/min，并先后導(dǎo)入開環(huán)和閉環(huán)控制程序，進(jìn)行對(duì)比察，顯示開環(huán)達(dá)成率為98.2%，閉環(huán)達(dá)成率為99.95%。開環(huán)運(yùn)行與閉環(huán)運(yùn)行相比，設(shè)定期望和實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的誤差差距大，在按壓過(guò)程中轉(zhuǎn)速不受控制。由此，選擇閉環(huán)控制無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行。且在軟件仿真中，電機(jī)的實(shí)時(shí)性降低也會(huì)存在偏差，在實(shí)際應(yīng)用中閉環(huán)控制對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制與期望值相比波動(dòng)在可控范圍內(nèi)。

4.3 定位和信號(hào)發(fā)送

以遼寧科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)樓作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，定位模塊在室內(nèi)通常搜索不到衛(wèi)星信號(hào)，并且當(dāng)設(shè)備從開闊地移動(dòng)到室內(nèi)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)也會(huì)丟失，導(dǎo)致下次搜索衛(wèi)星信號(hào)所需時(shí)間變長(zhǎng)。出現(xiàn)該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是墻體的隔斷作用，安裝室外接受天線，或者在家用心肺復(fù)蘇儀中預(yù)先輸入患者家庭的住址和聯(lián)系方式，在衛(wèi)星定位信息不可用時(shí)自動(dòng)發(fā)送信息。心肺復(fù)蘇儀發(fā)出救助信息后，急救中心能夠及時(shí)接收到事發(fā)地的經(jīng)緯度定位信息。在實(shí)際應(yīng)用中，急救中心需要借助特定軟件確定救助者的具體位置，并規(guī)劃快速到達(dá)救助點(diǎn)的線路。

4.4 壓力傳感器

在調(diào)試中，讀取AD 值模擬壓力變化，轉(zhuǎn)化為壓力顯示，通過(guò)串口打印，調(diào)試完畢后更改串口輸出為Flash 存儲(chǔ)。處理器在接收到壓力值后與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如果檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值，則按壓電機(jī)立即停止。

4.5 結(jié)構(gòu)

人機(jī)連接處的按壓杠頭處用面積較大塑料片減小壓強(qiáng)，再裹上一個(gè)球形膠套，既可以增大受力面積減小壓強(qiáng)以保護(hù)人體少受傷害，又能傳達(dá)足夠的壓力使胸廓下陷，各個(gè)模塊排版后以往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置為中心，將模塊固定于往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置的周圍，形成按壓主體，而后構(gòu)建外殼模型，利用3D 打印機(jī)無(wú)模具成型的特點(diǎn)，打印出按壓主體外殼。按壓外殼整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)倒三角形，便于放置在患者胸骨上方，在患者背部搭配一塊帶有2 個(gè)背包插扣的硬質(zhì)塑料板，通過(guò)背包帶連接按壓主體和硬質(zhì)塑料板。對(duì)于不同體型的患者利用背包扣利于調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，由施救者調(diào)節(jié)背包帶長(zhǎng)度。患者和按壓頭緊密貼合的，只需控制往復(fù)按壓模塊的沖程便可調(diào)節(jié)按壓深度。調(diào)試中利用加速度傳感器的校正、基于速度曲線修正的綜合修正方法獲得的2 次修正的加速度信號(hào)，再通過(guò)二次積分獲得加速度傳感器的位移，即心肺復(fù)蘇的按壓深度，為心肺復(fù)蘇施救者提供更精確的參考和輔助，保證心肺復(fù)蘇的質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)心肺復(fù)蘇儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心臟驟停病人的急救且附帶求救功能。將一項(xiàng)具有個(gè)體差異化的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范化。有研究表明，在按壓開始1～2 min 后，施救者的按壓質(zhì)量開始下降，表現(xiàn)為頻率和幅度以及胸壁復(fù)位情況均不理想，導(dǎo)致此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是救助者的體力不支，自動(dòng)心肺復(fù)蘇儀可解決這個(gè)問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，該心肺復(fù)蘇儀可穩(wěn)定使胸腔穩(wěn)定下陷5 cm，能節(jié)省施救者的體力，使其能夠更好地對(duì)患者進(jìn)行救助。