噎食急救衣装置设计
2021-12-18顾明凯程进邹小平王伟民赵延洁王浩陈馨瑶郭昕桂若霞黄仕贤
顾明凯 程进 邹小平 王伟民 赵延洁 王浩 陈馨瑶 郭昕 桂若霞 黄仕贤
北京信息科技大学北京市传感器重点实验室，北京 100101
0 前言
吃饭是每个人每天都要进行的一项必需的行为，而在这一日三餐或者多餐的过程中由于各个方面的原因，也许是食物过于生硬、咀嚼次数不够或进食过快等原因，进而直接导致了食道同行受阻，也就是我们常说的噎食[1]。一旦发生噎食，如果不能在黄金4分钟[2]内将堵塞物取出，那么噎食者便很可能会因为窒息而死亡。正确使用海姆立克急救法[3]能够有效地对噎食者进行急救。同样基于海姆立克急救法也产生了一些装置，现存的有浙江省肿瘤医院申请了名为“便携式婴儿海姆立克急救装置”的专利，该装置通过对现有技术中看护婴儿使用的腰凳进行改进，在便于携带的同时，可以配合婴儿海姆立克急救法中的叩背法和叩胸法进行叩击抢救。但是这款装置只适用于婴幼儿群体，并不适用于成年人群体[4]；曲靖医学高等专科学校也申请了名为“一种海姆立克法自救装置”的专利，该实用新型公开了一种海姆立克法自救装置。不足的是，该装置前端的挤压冲击装置必须靠人为手动去挤压，对于噎食者来说很吃力[5]。基于以上已经有的装置，我们基于海姆立克急救法原理[6]，设计了这款可穿戴的噎食急救衣。面对噎食紧急状况的发生可以完成自救，不仅用电动推杆作为前端的挤压冲击的装置，而且还加入了一个自动收紧的装置，使抢救更加高效便捷。
1 系统设计
1.1 系统的总体框架
本系统分为5个模块：电源模块、控制模块、驱动模块、冲击模块、收紧模块。整个系统的结构框图如图1所示。其中，控制模块采用STM32F103单片机进行控制[7]；驱动模块采用L298N电机驱动板模块；冲击模块采用往复电机伸缩杆；收紧模块采用电机控制转轴，转轴转动达到收紧的效果。
1.2 系统硬件设计方案
1.2.1 控制模块、驱动模块和电源模块
系统硬件连接图如图2所示，单片机采用STM32F103RCT6型号，单片机的PA8引脚接驱动板IN1端口、PA5引脚接驱动板IN2引脚、PA11引脚接驱动板IN3引脚、PA2引脚接驱动板IN4引脚，同时L298N采用220 V-12 V直流电源供电。除此之外，A、B两项的正负极分别对应接电机1和电机2的黑绿红蓝线，单片机的PA0连接开关。
1.2.2 冲击模块
冲击模块是由一个电动推杆、固定套筒、固定底座、支撑板和一个柔性的近似于水滴状的冲击头组装而成。通过螺栓将两个装置连接固定。通过L298N电机驱动板模块[8]控制冲击装置直接冲击，前方的冲击头参考了兴安盟人民医院公开的一种海姆立克急救辅助装置，采用水滴的形状，更有利于提供斜向上的冲击力，达到更高效的冲击膈肌，使胸腔剩余气体快速冲出气道，将异物冲出[9]。冲击装置如下图3所示。
1.2.3 收紧模块
收紧装置如下图4所示，收紧装置由电机底座、转轴、转轴盖、电机和收紧带组成，通过L298N电机驱动板控制电机转动，进而通过电机控制转轴转动，进行转动的同时将收紧带进行收紧。
1.3 系统的软件设计
1.3.1 系统工作流程设计
本系统通过C语言编写程序，系统软件流程图如图5所示。首先是对各个模块进行初始化，检测使用者是否按下开始按钮，如果没有按下开始按钮，则继续判断是否按下开始按钮，如果按下开始按钮，通过对IN3和IN4管脚输入高低电平，控制减速电机进行转动，进而使收紧装置进行收紧，延时3秒的同时，通过对IN1和IN2管脚输入低高电平，控制冲击模块进行冲击并延时1秒，再对IN1和IN2管脚输入高低电平，控制冲击模块进行收缩并延时2秒，判断是否按下停止按钮，如果没有按下则持续运行收紧和冲击装置的运动，如果按下了停止按钮，所有IN引脚全部输入高电平，对冲击模块和收紧模块进行制动，停止工作。
1.3.2 系统软件程序设计
主程序
#include "stm32f10x.h"//引用STM32头文件
#include "motor.h" //引用电机驱动头文件
#include "delay.h" //引用延时头文件
#include "key.h" //引用按键头文件
#include "sys.h" //引用系统头文件
u8 t;
int main(void)
{
delay_init(); //延时函数初始化
MOTOR_Init(); //LED端口初始化
KEY_Init(); //初始化与按键连接的硬件接口
while(1)
{
t=KEY_Scan(1);//按键扫描
if(t)
{
t=0;M2_1=0;//电机驱动板上控制收紧装
置的IN3引脚置0 M2_2=1;//电机驱动板上控制收紧装
置的IN4引脚置1
delay_ms(300);M1_1=0;//电机驱动板上控制冲击装
置的IN1引脚置0 M1_2=1;//电机驱动板上控制冲击装
置的IN2引脚置1
delay_ms(100);
M1_1=1;//IN1引脚置1
M1_2=0;//IN2引脚置0
delay_ms(200);
}
else
{
t=0;
M1_1=1;// IN1引脚置1
M1_2=1;// IN2引脚置1
M2_1=1;// IN3引脚置1
M2_2=1;// IN4引脚置1
}
}
}
2 系统功能的实现与验证
为使噎食急救衣更容易穿戴和固定，在衣服中加入钢板和棉垫作为支撑。最后将设计好的冲击模块和收紧模块分别嵌入到急救衣的前端和后端，将控制模块和电源模块分别固定在急救衣的左右两边，通过线路与控制模块和电源模块相连接。
为了进一步对系统功能进行验证，进行了噎食急救衣功能演示流程，如图6所示。独处时发生紧急噎食（图6（a）），通过固定背带将急救衣先固定在脖子上（图6（b）），再通过塑料插扣将衣服固定在腰部（图6（c）、图6（d）），启动冲击装置，冲击人体腹腔（图6（e）），同时收紧装置收紧人体腰腹（6（f）），最终噎食者得到紧急救治（图6（g））。装置整体实物图如图7所示。
3 结束语
为了得知人们对海姆立克急救法的认知状况[10-11]，分别对社区民众和学生这两个群体做问卷调查。利用问卷星软件收集数据并进行整理、统计、分析。结果14.2%的调查对象表示能够熟练、规范地应用海姆立克急救法，30.9%的调查对象表示简单了解过，54.9%的调查对象表示对海姆立克急救法非常陌生，因此我们设计了这一款容易携带的噎食急救衣。与绝大多数产品不同的是，本装置不仅包括冲击模块还包括收紧模块，收紧模块的加入可以使急救衣的性能更加高效，更有利于对病人的紧急救助[12]。但是这款急救衣同样也存在一定的不足，冲击装置和收紧装置各种性能指标所能达到的冲力和收紧力距离真正的要求还有一定距离，这也是日后所要研究的方向和目标。
