一种多功能便携式心肺复苏辅助器的设计

黎健钊，纪栩文，叶炳旭，陈耀文

（汕头大学工学院电子信息工程系，广东 汕头 515063）

一种多功能便携式心肺复苏辅助器的设计

黎健钊，纪栩文，叶炳旭，陈耀文

（汕头大学工学院电子信息工程系，广东 汕头 515063）

为便于操作者在心肺复苏的胸外按压过程中较好地把握按压深度和频率，本文设计了一种多功能便携式心肺复苏辅助器.本辅助器是以微处理器进行控制单元，采用压力最值检测加速度二次积分算法获取实时监测按压力度，并根据患者体型判断按压力度是否满足要求，力度过大或过小都会通过led灯和声报警提示.本辅助器设计布局合理，可实现对按压深度、心电、血氧、脉搏同时采集和定量检测.本辅助器的研制将实现心肺复苏器性能的全面、快速检测，对提高心肺复苏器的生产、流通及应用等环节的检测能力具有重要意义.

心肺复苏；胸外按压；二次积分；多功能

0 引言

心肺复苏对于胸外按压的力度和频率都有一定的要求，按压力度过小则不能有效地促进血流循环，然而按压力度过大又会造成患者骨折，进而导致更加严重的二次伤害.因此对实施心肺复苏的人员有很高的专业要求[1-2].目前，我国大多数人都没有接受过正规的心肺复苏训练.本文研制了一种多功能便携式心肺复苏辅助器，用于辅助心肺复苏时的胸外按压操作.在胸外按压过程中，通过对压力最小值与最大值之间采样的加速度数值进行二次积分获取按压深度，从而实现按压深度、频率显示反馈.根据反馈结果，施救者可以随时改变自己的按压力度，既保证了按压力度达到有效复苏的要求，又防止了因压力过大而造成骨折等二次伤害.同时本设计还具有抢救流程显示、GPS定位拨打120急救电话、心电波形监测、血氧波形监测、脉搏测量、Android产品介绍等其他功能，全面监测患者健康状况，从而大大提高抢救成功率.

1 系统总体方案设计

一种多功能便携式心肺复苏辅助器的设计主要由按压垫、主控箱以及Android上位机三大部分组成，其中，按压垫模块是一个独立的电路结构，主要包括STM32最小处理系统、电源电路、加速度测量模块和压力最值检测模块.在抢救时用来盖在患者胸部，完成对按压位置、深度及频率的确认；主控箱模块主要包括电源电路、信号前置放大电路、高低通滤波电路、液晶显示器以及SIM900A模块，主要完成对抢救流程的显示、定位拨打120急救电话以及对心电信号、血氧信号、脉搏信号等多种生理指标信号的提取、滤波及放大，并通过液晶屏显示波形和数值计算结果；Android上位机主要接收主控箱发送的数据，进行定位，以便找到附近的产品.系统框图如图1所示.

图1 整体系统框图

2 按压垫的设计和实现

按压垫是一个独立的电路结构，主控电路是基于STM32最小系统的信号软件处理器，主要完成对压力信号的模拟采集到数字的转换，通过压力最小值与最大值之间采样的加速度进行二重积分，获取位移信号并进行数字滤波处理、信号的分析，最后反馈数据，进行显示.按压垫系统框图如图2所示.

图2 按压垫系统框图

2.1 按压深度检测算法的实现

假设测试得到的加速度信号为a（t），则经过一次时域积分得到的速度信号为：

经过两次时域积分得到的位移信号为：

其中，v0、s0分别为初速度和初位移，v（t）、s（t）为待求速度和位移，v'（t）、s'（t）为速度和位移的原函数.

根据以上两个公式，随着加速度的采样，不断的递归计算，可得到任意时刻的速度和位移.由于加速度是矢量，在胸外按压过程中，即存在正向加速度，也存在负向加速度，因此在实际工程测量中得到的加速度信号，包含由各种干扰因素引起的直流误差项δ，即：

对上述的加速度信号进行一次积分，得到的速度信号表达式为：

通过二次积分所得位移信号的表达式为：

误差δ在积分中被逐渐放大，同时由于积分初值无法确定，而加速度时域一次积分结果中含有一次误差项δt+ε，二次积分得到位移信号时含有误差趋势项0.5δt2+εt+e.随着积分过程中而进行不断累积，造成的误差直接影响信号的正确性.本文中采用多项式最小二乘法进行消除趋势项.具体实现过程如下：

假设实测振动信号的采样数据为{xk}（k＝1，2，3，…，n），由于采样数据是等时间间隔的，所以令采样时间间隔Δt＝1，设一个多项式函数：

满足E有极值的条件为：

依次取E对ai求偏导，可以产生一个m+1元线性方程组：

解方程组，求出m+1个待定系数aj（j＝0，1，…，m）.上面各式中，m为设定的多项式阶次，其值范围为0≤j≤m.

当m＝0时求得的趋势项为常数，有：

当m＝1为线性趋势项，有

解方程组，得：

消除线性趋势项的计算公式为：

m≥2时为曲线趋势项.在实际振动信号数据处理中，通常取m＝1～3来对采样数据进行多项式趋势项消除的处理.以下是通过最小二乘法消除趋势项结果图，如图3所示，可以看出，在没有按压的时候，未处理时有直流分量的影响，处理后趋势项消除，得到的数据更为准确.

图3 最小二乘法消除趋势项（MALTAB）对比图

2.2 数据平滑处理算法的实现

通过加速度传感器获得的加速度值并不是完全精确到，往往叠加了许多噪声信号，除了有50 Hz的工频机器倍频等周期性的干扰信号外，还有不规则的随机干扰信号，由于随机干扰信号的频带较宽，有些高频成分所占比例很大，使得采集到离散数据绘成的曲线呈现许多毛刺，很不光滑，因此我们对采样数据进行了平滑处理，即消除信号的不规则趋势项，具体实现过程如下：

公式（15）中，x为采样数据，y为平滑处理后的结果；m为数据点数，2N+1为平均点数，h为加权因子，其中加权因子必须满足以下关系：

对于简单平均法hn＝1/（2N-1）（n＝0，1，2，…，N），即

对于加权平均法，若作五点加权平均（N＝2），可取

利用最小二乘法原理对离散数据进行线性平滑的方法称为直线滑动平均法，五点滑动平均（N＝2）的计算公式为：

利用该方法处理的结果如图4所示.

图4 Z轴加速度五点滑动平均法平滑处理（平滑次数：5）

3 主控箱的设计和实现

主控箱主要包含硬件采集电路、STM32F1软件处理器、SIM900A、OLED液晶显示屏、TFT-LCD等模块，其中，硬件采集电路包括电源电路、信号前置放大电路、高低通滤波电路等模块，主要完成心电、血氧、脉搏信号的提取以及滤波和放大；而主控电路采用了STM32为主控芯片，完成对采集的信号进行模数转换和信号的数字滤波处理以及信号的分析与液晶屏的波形显示；安卓上位机接收主机上的位置信息，并进行定位.如图5所示.

图5 主控箱系统框图

3.1 抢救流程的设计

抢救显示流程采用了TFT-LCD液晶，通过STM32的FSMC（静态存储控制器）模块控制液晶.将抢救流程以手绘图的方式形象的表达出来，并存于SD卡中，开机时，先检测字库，检查SD卡是否存在，然后读取图片，进行解码，利用FSMC访问液晶屏并显示出来，具体解码流程如图6所示.

图6 主控箱系统框图

3.2 心电检测设计

人体心电信号非常微弱，信噪比低，在采集心电信号时，易受外界的影响，所以采集的心电信号需要进行抑制干扰处理，本研究中采用放大器对获取的微弱心电信号进行放大，并用高通、低通滤波器的方法抑制干扰，提高信噪比.

信号的放大电路主要有前置放大、屏蔽电路、后置放大.前置放大可对整个幅度范围的心电信号进行线性放大，将信号提升到足够克服后续放大级和滤波级的噪声电平的高度，通过高通滤波器滤出一些干扰信号.后置放大电路将信号幅度提升到可让信号处理电路工作的程度，通过频率滤波对信号的频率进行控制.

由于心电信号的能量大部分集中QRS期间，因此，可靠的QRS波检测是心率正常与否的重要依据.本研究中QRS波检测电路主要由跟随器、QRS滤波器、整波电路、峰值保持器和比较器构成.

3.3 脉搏检测设计

传统的脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二是检测脉搏波；三是采用光电容积法.前两种方法提取信号都会限制病人的运动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感.故而本设计中采用的是光电容积法进行脉搏测量.

由于人体组织在血管搏动时造成透光率不同，因此，本设计采用由光源和光电变换器组成传感器，当患者手指触碰光源，光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出.

本设计中由低通滤波器和由运放MCP6001构成的放大器将信号放大330倍，同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号可以很好的被单片机AD采集.

3.4 血氧检测设计

在脉搏血氧计中，通过测量脉搏血氧饱和度（SpO2）来判断人体血液中的含氧量.SpO2的计算是基于被人体组织减弱的光强度的测量得到的，它被定义为组织中氧合血红蛋白浓度CHBO2占总血红蛋白（含氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，脱氧血红蛋白即还原血红蛋白）浓度的比率，即：其中，CHBO2、CHb分别表示人体组织中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度.身体组织也可根据血液的含氧量水平来吸收不同总量的光计算血氧饱和度，即：其中A、B为经验常数，IAC为透射光强脉动成分，IDC为透射光强非脉动成分，为入射光波长.

在本设计中，采用了第二种方法，通过STM32连接两个背靠背的双波长LED灯，分别为660 nm波长的红光和940 nm波长的红外光.光敏二极管从接收到的光中产生电流，电流信号经过一个跨阻放大器被放大，转化成电压信号，该信号由一个大的直流部分和一个小的交流部分，其中交流部分为有用信号.由于有用信号比较微弱，交流信号要经过三运放提取和放大.提取和放大后的信号由STM32单片机内含的A/D转换器采集，转换成数字信号，再经过STM32进行数据处理，从而得到连续、稳定的随光强变化的脉搏血氧信号.

4 Android上位机的实现设计

Android上位机主要由GPS定位模块、权限设置、功能设置、用户界面四大部分组成（如图7所示），其中GPS定位模块主要用于发生危情时，将当前实时位置和地图信息发给救援者；权限设置主要用到GPS与网络使用权限和短信使用权限，若该权限缺失任何一项都可能造成某个功能的缺失，甚至软件无法运行；功能设置主要包括产品的介绍、抢救流程介绍以及附近产品的搜索；用户界面可以让用户方便的调节产品布局设计以及提醒功能.

图7 Android上位机系统框图

5 测试结果分析

5.1 按压深度测试数据分析

本研究在一个模拟人上进行测试，该模拟人内置有一款线性的胸部按压深度电位器，模拟电位器输出为实际按压深度，可以作为本研究积分深度的参考信号.当确信其按压姿势调整正确后，开始按压，根据按压数据以及灯光颜色进行直观的反馈信息，以便有效地对非专业医护人员的救助者进行积极、正确的引导.如图8～10所示，当按压深度在5-6 cm之间时，按压有效，按压垫绿灯闪烁.当按压深度大于6 cm之间时，按压过重，按压垫红灯闪烁，给予警告.

图8 按压时加速度、位移、压力曲线图

图9 按压深度对比图a

图10 按压深度对比图b

5.2 心电波形测试

在进行心肺复苏时，若每次按压有效，颈动脉会搏动一次，心电波形会出现波峰，若停止按压，搏动停止，证明还需要按压；若搏动继续，说明自主心搏已恢复，可停止按压.根据以上原理，在本设计中，将三个电极的一端分别接到模拟人体的左右臂和右脚，令一端加入采集电路的IO口输入端，测试结果显示如图11所示.从图11中OLED显示的波形可以看出，波形显示清晰、稳定，波形特征明显，能够满足实际应用的需要.

图11 液晶显示的心电波形图

5.3 血氧波形测试

将手轻轻搭到血氧传感器上，OLED液晶屏上显示出血氧采集波形，从图12波形可以看出，波形显示清晰、稳定.

5.4 脉搏数据测试

将手轻轻搭到脉搏传感器上，OLED液晶屏上显示出心率值，如图13所示，脉搏一分钟搏动83下，处于60-100正常范围内，心跳正常.

图12 液晶显示的血氧波形图

图13 液晶显示的脉搏数据

5.5 急救流程显示测试

按下开机键后，主控箱上的TFT-LCD屏开始显示抢救步骤.具体流程如图14所示.

6 结论

多功能便携式心肺复苏辅助器充分吸收先进的检测技术，通过自主研究的胸外按压算法，能够准确的反馈按压力度的大小，加上图片以及声音指示，能快速帮助施救者有效的对患者进行抢救.与此同时，本设计也采用了自主设计的软件和分模块进行串行通信，可实现心电、脉搏、血氧浓度等多参数同时采集，可通过液晶显示屏实时的显示，也可以通过Andriod手机进行实时监控.该设计能够实现心肺复苏器性能的全面检测，具有很好的发展前景.

图14 急救步骤流程图

[1]刘天华，乔学亮，陈建国，等.具有监护功能的便携式心肺复苏机的设计[J].医疗卫生装备，2005，26（6）：7-8.

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Design of a Multifunction Portable Cardiopulmonary Resuscitation Machine Device

LI Jianzhao,JI Xuwen,YE Bingxu,CHEN Yaowen
（Department of Electronic and Information Engineering,College of Engineering,Shantou University 515063,Guangdong,China）

Anewmulti-functional portable cardiopulmonaryresuscitation（CPR）device is designed for the correct depth and optimal timing during the external cardiac compression.The control unit of this device is made up of a microprocessor.The pressure of the most value for real-time monitoring of two times according to the pressure integral algorithm is used to measure the acceleration.The patient body pressure is used to check if it meets the requirements.If the force is too large or too low,the device will give an alarm with audible beep and visible flashing light.The design and layout of the auxiliary device is reasonable,which can achieve the simultaneous acquisition and quantitative detection of pressing depth,ECG,blood oxygen and pulse.The development of the auxiliary device will realize the fast and overall detection of the CPR machines,which remains vital important in improving the detecting abilities of the CPR machines during the links of registration,production, circulation and functioning.

cardiopulmonary resuscitation;measurement of chest compression;double integration; multifunctional

1001-4217（2017）04-0064-10

TP249

A

2016-11-29

黎健钊（1995—），男（汉族），广东省佛山市人，本科生，专业方向：电子信息工程．E-mail：14jzli@stu.edu.cn；

陈耀文（1964—），男，江西修水人，研究方向：生物信号处理与分析.E-mail：ywchen@stu.edu.cn基目项目：广东高校省级重大科研项目（2016KZDXM013）