一種胸外按壓深度測量方法及心肺復甦急救與訓練輔助器與流程

2023-11-08 03:01:07

本專利涉及一種用於心肺復甦（cardiopulmonary resuscitation, CPR）急救操作以及CPR急救訓練的輔助器，更具體的說是一種可監測CPR復甦效果、有效提高CPR復甦質量的裝置。

背景技術：

心源性猝死是常見多發病。在我國每年死於心臟驟停的病例超過50萬人，只有不到1%的心臟驟停患者經及時有效的急救得以存活。

CPR是搶救心臟驟停患者的最有效手段。CPR急救操作要做到：胸外按壓深度5-6cm（根據美國心臟病協會最新的2015版心肺復甦指南），按壓頻率100-120次／分。

由於人群的個體差異性大（性別、年齡、胖瘦、骨骼密度等因素），即便是通過專業培訓且具備一定急救經驗的醫務工作者，在實際的急救過程中也難以始終保持正確的按壓深度與頻率。因此研發一種能夠實時對施救者按壓進行反饋的輔助裝置非常的必要，將使心肺復甦的訓練與培訓效率大幅提高，使受訓者迅速掌握心肺復甦的操作要領；同時在實際的急救中，可有效提高施救者的心肺復甦質量，增大患者的成活率。

許多專利都致力於給出滿意的解決方案。按壓頻率的監測與提示相對比較容易實現，可以通過有計時功能的設備按照固定的頻率發出聲音、燈光等類型的提示，使用者可根據提示掌握正確的按壓頻率。例如美國專利No.4,863,385可根據設定的頻率提示按壓的頻率。

按壓深度的監測與提示相對比較複雜。按壓深度的監測需要檢測胸外按壓運動的位移。採用通常的位移傳感器直接測量一般來說不可行也不是最優選擇。美國專利No.5,589,639公開了一種採用力傳感器的技術，用檢測到的按壓力來提示按壓操作。然而CPR的標準是採用按壓深度來評價按壓質量的，所以測量按壓力不能很好解決CPR效果反饋的問題。

美國專利No.8,652,077公開了一種採用磁場的測量胸外按壓深度的方法。該方法實現難度較大，需要使用前標定，鐵質金屬對測量有影響，且設備體積與成本均不理想。

美國專利No.6,827,695、No.7,122,014採用加速度傳感器結合心電信號數據進行解算，獲得胸外按壓深度。具體方法是：加速度數據濾波後積分獲得速度，速度數據濾波後積分獲得位移；通過基線的辨識（通過辨識算法或由心電信號確定）獲得每次按壓的起始點，進而獲得相對可信的按壓深度數據。國內也有相關基於加速度傳感器二次積分獲得胸外按壓深度的相關專利，其問題在於沒能給出具體的實現算法，特別是積分基線漂移如何抑制，這個問題不能很好解決則測量無法實現。美國專利No.6,827,695、No.7,122,014的問題在於沒有考慮重力加速度對測量的影響，當重力加速度的方向與胸外按壓的方向一致或相反時，重力加速度的影響可以通過美國專利No.6,827,695、No.7,122,014給出的方法進行濾除；而當重力加速度與胸外按壓的運動方向存在一定的夾角（非0或180度），則美國專利No.6,827,695、No.7,122,014給出的方法無法濾出重力加速度的影響，給測量帶來較大誤差，影響使用效果。而在實際急救過程中，重力加速度與胸外按壓的運動方向存在一定的夾角（非0或180度）是存在的，如病人平躺的地面非水平，則進行胸外按壓時，運動方向就會與重力方向存在一定的夾角（非0或180度）。同時 ，美國專利No.6,827,695、No.7,122,014公開的技術，CPR輔助實現方式是通過貼放於病人胸骨上方的按壓電極（或稱之為按壓探頭）監測CPR操作，而信息的反饋則在另外的電路系統或設備上，監測電極與信息反饋的電路系統或設備通過導線進行連接。這就必然使得應用該技術實現的CPR輔助設備體積較大，攜帶不便，價格昂貴（目前專利No.6,827,695、No.7,122,014的實現均是集成到除顫儀上），給CPR急救技術在大眾中的普及帶來了困難。同時由於採用電極的設計方式，使用時需要將電極貼在患者胸部，從而造成了電極的洗消困難，通常採用一次性設計，增加了使用成本。因而美國專利No.6,827,695、No.7,122,014並沒有很好的解決胸外按壓深度的監測問題。

技術實現要素：

本專利針對普通大眾的CPR急救操作以及急救訓練的需求，設計了一種體積小、成本低、便於攜帶的CPR急救與訓練輔助器，給出了能夠濾除測量中積分基線漂移、重力加速度等幹擾信號的測量方法。

本發明的技術方案如下：

一種心肺復甦急救操作與訓練輔助器，由測量電路、電池、外殼、手指環4部分組成。

所述的輔助器中，電池通過電纜或電池接觸彈片與測量電路相連接，為測量電路提供電源；外殼包裹測量電路、電池、電源開關；手指環與外殼相連接。

所述的測量電路採用微機電（MEMS）式加速度傳感器測量人工胸外按壓的加速度數據，採用單片機或數位訊號處理器（DSP）等具有運算處理能力的晶片將加速度傳感器的數據進行二次積分運算，並將積分漂移及重力加速度等對測量產生影響的因素進行剔除，獲得胸外按壓的位移數據。

所述的測量電路可採用指示燈對胸外按壓深度進行提示，可採用聲音、燈光或震動等方式對胸外按壓頻率進行提示。

在一種實現方式下，胸外按壓深度的提示採用3種顏色的指示燈進行提示，當按壓深度不足5cm時，指示燈為藍色，提示使用者按壓深度不足；當按壓深度在5-6cm時，指示燈為綠色，提示使用者按壓深度滿足要求；當按壓深度大於6cm時，指示燈為紅色，提示使用者按壓深度過大。胸外按壓深度正確的判斷依據美國心臟病協會發布的2015年版《心肺復甦指南》確定。

在一種實現方式下，胸外按壓頻率採用聲音提示，提示音為「滴」、「滴」聲，提示音的頻率為胸外按壓頻率。依據美國心臟病協會發布的2015年版《心肺復甦指南》，胸外的提示按壓頻率在100次/分至120次/分。按壓頻率的計算可通過單片機或DSP的計時器功能實現，提示音可採用壓電式蜂鳴器、電磁式蜂鳴器或喇叭等聲音輸出元件實現。

所述的測量電路可具備電池電量提示功能，通過測量電池電壓，計算電池電量，通過提示燈進行電量顯示，便於使用者及時充電或更換電池。

在一種實現方式下，測量電路可採用低功耗藍牙的方式與手機、平板電腦或計算機進行通信，測量電路通過藍牙將按壓頻率、按壓深度等數據上傳，可通過手機、平板電腦或計算機等設備記錄胸外按壓數據，便於數據的顯示、存儲與回溯。

所述的手指環可採用矽膠、橡膠等材質製成，具有一定的彈性，可以在一定程度上適應不同粗細的手指。手指環與外殼間可設計成摺疊結構；當使用時，摺疊手指環，使其與外殼呈90度角，手指環便可套在手指上，進行胸外按壓操作或訓練；當不使用時，可將手指環折回，可將輔助器懸掛於鑰匙環上，便於使用者攜帶。

為保證佩戴的舒適性，手指環設計為可替換的。手指環與外殼的連接部分設計有凹槽，外殼的上下部分合攏時卡住手指環的凹槽，從而可以通過打開外殼的上下部分來更換不同長度的手指環，達到適應不同粗細手指的目的。

採用以上設計，本發明可以實現CPR急救操作與訓練的實時提示功能，主要特點為：

1.按壓深度測量準確，降低了積分漂移及重力加速度等對測量產生的不利影響；

2.具備按壓深度與按壓頻率的實時提示功能，聲音與燈光提示相結合，便於使用者準確獲取信息；

3.具有手指環，可套在使用者手指上使用，輔助器與患者不直接接觸，可降低輔助器清洗消毒的頻率；

4.採用摺疊設計，不使用時可懸掛於鑰匙環上，便於使用者的攜帶;

5.手指環可替換，適應不同粗細手指的佩戴。

附圖說明

圖1是本發明CPR輔助器的構成圖。

圖2A是本發明CPR輔助器在手指環未摺疊狀態下的外觀圖。

圖2B是本發明CPR輔助器在手指環摺疊狀態下的外觀圖。

圖3A是上殼結構圖。

圖3B是下殼結構圖。

圖3C是面板結構圖。

圖3D是電源開關接觸結構圖。

圖4是手指環外觀圖。

圖5是測量電路構成框圖。

圖6是單片機程序流程圖。

圖7是按壓深度測量算法流程圖。

圖8A是未經初始點修正處理的胸外按壓位移曲線。

圖8B是經過初始點修正處理的胸外按壓位移曲線。

具體實施方式

下面結合附圖給出實施例說明本發明的具體構成、實現原理。

圖1是本發明CPR輔助器的內部構成圖，其包括外殼1、測量電路2、手指環3、電池4四個部分構成。

圖3是外殼1結構圖，外殼1又由上殼11，下殼12，面板13、電源開關接觸件14四個部分構成。

圖4是手指環外觀圖，手指環3兩端均設計有手指環安裝凹槽31。

圖5是測量電路2的構成框圖，測量電路2由電源開關21、單片機22、3軸加速度傳感器23、供電電路24、電源狀態指示電路25、按壓深度指示電路26、壓電式蜂鳴器27、藍牙通信電路28構成。

上殼11與下殼12通過分布在邊緣的卡扣與卡槽連接，實現上殼11與下殼12的安裝與閉合。面板13安裝於上殼11上，面板13與上殼11可通過粘接劑粘接在一起。

測量電路2通過螺絲安裝在電路安裝柱111上，從而固定在上殼11上；電源開關接觸件14與測量電路2上的電源開關21固定在一起，通過撥動電源開關接觸件14就可以控制電源開關21的開啟；電池4固定於電池卡扣121上，從而可將電池固定在下殼12上；電路板上設計有電池接觸彈片，當上殼11與下殼12閉合後，固定在下殼12上的電池4正好與接觸到電池接觸彈片，從而為固定在上殼11上的測量電路2供電。

手指環3與外殼1的連接通過手指環安裝凹槽31與上殼半圓缺口112及下殼半圓缺口122實現。上殼11與下殼12分離時，將手指環安裝凹槽31放置於上殼半圓缺口112處，閉合上殼11與下殼12，形成的圓形缺口直徑略大於凹槽直徑，保證手指環可牢固固定於外殼1上，同時可以圓形缺口為軸心旋轉，從而可使手指環處於圖2A所示的未摺疊狀態與圖2B所示的摺疊狀態。

外殼1可使用ABS等塑料材質加工製造；為了讓手指環3具有一定彈性，可以選擇矽膠、橡膠等材質加工製造手指環。面板13有兩處透光窗口，分別為電源狀態指示燈窗口131和按壓深度指示燈窗口132，可使電源狀態指示燈與按壓深度指示燈發出的光透過；面板13可採用透明亞克力材質加工，在透明亞克力材質的面板13上絲印圖案，使除去電源狀態指示燈窗口131和按壓深度指示燈窗口132的部分不透光。

測量電路2是實現本發明輔助器的核心部件。單片機22採集3軸加速度傳感器23的加速度數據，經單片機22內部運行的按壓深度測量算法計算得到胸外按壓深度數據，單片機22依據此數據控制按壓深度指示電路26，使其點亮對應顏色的指示燈以提示使用者；單片機22利用內部的計時器功能產生頻率為100次／分至120次／分的方波信號，該信號用以控制壓電式蜂鳴器27，使其發出對應頻率的「滴」、「滴」聲，提示使用者正確的按壓頻率；供電電路24將電池4提供的電壓轉換為穩定的3V電壓，為測量電路2供電；藍牙通信電路28與單片機22直接通過串口通信，單片機22將數據通過串口發送到藍牙通信電路28，藍牙通信電路28再將數據轉發至手機、平板電腦或PC機；同時手機、平板電腦或PC機的指令也可通過藍牙發送至藍牙通信電路28，再由藍牙通信電路28將指令轉發至單片機22。

需要說明，藍牙通信電路28非本發明輔助器的必要構成部件，無藍牙通信電路28，本發明輔助器可以正常工作。加入藍牙通信電路28後，本發明輔助器可實現擴展功能，如將胸外按壓的數據顯示、存儲到手機、平板電腦或PC機上，並可在手機、平板電腦或PC機上回溯數據。

當選用具有運算功能的藍牙晶片構成藍牙通信電路28時，藍牙通信電路28可以替代單片機22實現其運算與控制外圍電路的功能，在這種情況下，藍牙通信電路28集成了單片機22的功能，單片機22不再必須，但單片機22上運行的算法需要移植到藍牙通信電路28上以實現本發明輔助器的功能。

在一種實現下，單片機22可採用51系列單片機，如C8051F330，其接口豐富，有UART串口可方便與藍牙通信電路28的連接，有SPI接口可方便與3軸加速度傳感器23的連接，內部集成計時器可產生控制壓電蜂鳴器28的信號，有數字I/O接口可控制電源狀態指示電路25、按壓深度指示電路26。

在一種實現下，3軸加速度傳感器23可採用ADXL362，該晶片集成了數字採樣功能，輸出為數位訊號，可通過SPI接口與單片機22連接；該晶片採用低功耗設計，適合用於電池供電的電路。

在一種實現下，壓電式蜂鳴器27採用無源式壓電蜂鳴器，該類蜂鳴器具有低功耗的特點，從而可以降低測量電路2的功耗。

在一種實現下，電池4採用一次性鋰離子紐扣電池，如型號為CR2032的一次性鋰離子紐扣電池，輸出電壓為3V，持續輸出電流可達2mA，峰值電流可達10mA，滿足本發明輔助器的供電需要。

測量電路2中單片機22運行的程序流程如圖6。開機後，程序首先進行初始化，包括設置系統時鐘頻率、I/O埠、串口及SPI埠參數等；接下來進行3軸加速度傳感器23的自檢，寫入ADXL362的自檢寄存器，可以通過讀取數據判斷ADXL362工作狀態是否正常，若自檢不正常說明ADXL362無法給出可信的測量結果，需要再次自檢；當自檢通過後，啟動單片機22的計時器，產生固定頻率的方波信號（100次／分至120次／分），驅動壓電式蜂鳴器27，實現按壓頻率提示功能；緊接著進入按壓深度測量算法，實時測量當前時刻的位移值，按壓深度測量算法在完成了1次胸外按壓後，自動計算出該周期的最大位移與最小位移的差值，該差值就是這次胸外按壓的按壓深度，據此數據點亮相應顏色的按壓深度提示燈提示使用者。

按壓深度測量算法的流程如圖7。第一步，讀取當前3軸加速度數據；第二步，剔除重力加速度在3個軸的分量，得到胸外按壓運動加速度在3軸上的分量；第三步，計算胸外按壓運動的合成加速度；第四步，對合成加速度進行二次積分運算，得到初步的當前時刻位移；第五步，進行按壓初始點辨識，若滿足初始點要求，則記錄下當前位移值作為本次按壓的初始點；第六步，進行按壓峰值點判斷，若滿足按壓峰值點判斷要求，則記錄下當前位移值作為本次按壓的峰值點，並計算出本次按壓的按壓深度值，本次按壓的按壓深度值為峰值點值減去初始點值。

下面將對按壓深度測量算法的6個步驟進行詳細描述。

第一步，讀取當前3軸加速度數據。ADXL362的輸出為數位訊號，採樣周期可調，需要注意的是為達到滿意的計算精度，加速度數據的採樣頻率不宜過低，應高於50Hz，否則會造成計算誤差較大。同時ADXL362的輸出數據可選擇8位或12位精度，為降低誤差，優選12位精度輸出。ADXL362的輸出範圍應選擇大於±1g。

第二步，剔除重力加速度在3個軸的分量，得到胸外按壓運動加速度在3軸上的分量。在患者平躺於水平面上時，按壓運動與重力在一個軸上或是夾角較小，直接用測量的加速度合成值減去重力不會對測量造成比較大的誤差；但患者若是平躺的面與水平面有一定夾角，按壓運動則會與重力方向存在夾角，儘管重力加速度的大小固定，但由於加速度是矢量並非標量，這時就不能用簡單的標量減法剔除重力影響。當這一夾角達到30度，可對最終按壓深度的測量結果造成15%的誤差。操作者單次胸外按壓操作可以看成是沿著某個軸的往復運動，儘管每次操作下，運動軸與重力的夾角未知，但在單次操作下，該夾角可以看作是固定的。從而在單次按壓操作過程中，3軸加速度傳感器23的測量坐標系與地面坐標系不存在轉動，則重力加速度在3軸加速度傳感器23的測量坐標系投影的3個分量是常值。由於單次胸外按壓運動下，胸外按壓運動的加速度隨時間是不斷變化的，利用這一原理，可以採用高通濾波的原理將重力在3軸加速度傳感器23的測量坐標系的3個分量濾除。通常可將高通濾波器的截止頻率設置為1Hz，ADXL362輸出的3個分量分別通過高通濾波器，即可濾除重力加速度對測量的影響。需要指出的是，必須在加速度合成前分別通過高通濾波器濾波處理，才可濾除重力加速度的影響。

第三步，計算胸外按壓運動的合成加速度。將通過高通濾波器的3個分量做矢量和，可得到胸外按壓運動的合成加速度。

第四步，對合成加速度進行二次積分運算，得到初步的當前時刻位移。由於採用單片機作為運算平臺，需進行數字積分運算，這裡可採用常用的近似數字積分的方法，如歐拉法、龍格庫塔法等。

第五步，進行按壓初始點辨識，若滿足初始點要求，則記錄下當前位移值作為本次按壓的初始點。由於測量、計算都存在一定誤差，積分運算會將誤差累計，從而產生基線漂移。圖8A是未經初始點修正處理的胸外按壓位移曲線。該曲線反應了直接進行二次積分運算後胸外按壓位移的曲線特點。需要在每個按壓周期判斷出按壓的起始點，對起始點進行修正，才能避免基線的不斷漂移。具體做法為，設按壓運動以向下運動為正，最初的起始點為即將開始向下按壓，其坐標為0。則按壓運動的位移先逐漸增大達到頂峰後再逐漸減小，當逐漸減小到最小值後又開始增大，則這個最小值點認為是下一周期按壓運動的起始點，記下該值，並在下一周期的位移運算中減去這個值，從而修正了第二周期的初始點，達到了抑制積分漂移的目的。圖8B是經過初始點修正處理的胸外按壓位移曲線，積分誤差將不再累積。

第六步，進行按壓峰值點判斷，若滿足按壓峰值點判斷要求，則記錄下當前位移值作為本次按壓的峰值點，並計算出本次按壓的按壓深度值，本次按壓的按壓深度值為峰值點值減去初始點值。按壓峰值點的判斷為按壓周期內的最大值，上一時刻的值與下一時刻的值均小於當前值，則可判定當前值為按壓峰值點。找到本周期的峰值點後，即可計算本次按壓的按壓深度，按壓深度值為峰值點值減去初始點值。

基於以上的設計，可以實現可攜式CPR急救與訓練輔助器，該輔助器體積可控制在40mm×30mm×10mm以內，質量可控制在10g以內，同現有的CPR輔助設備或電極相比，便攜性有優勢。設計了重力加速度濾除算法，可以提高胸外按壓運動與重力方向存在夾角情況下的測量精度，同現有技術相比，提高了特殊條件下的測量準確性。採用可摺疊、可更換的手指環設計，一方面便於輔助器的收納，另一方面提高了輔助器的佩戴舒適性。採用佩戴在手指上的方式進行測量，避免了輔助器與患者的直接接觸，降低了設備的洗消頻率，可反覆使用，降低了使用成本。