基于信號相似性度量的胸外按壓訓練質量評價技術的研究

丁杰雄，陳沈儉，魏思琪，徐吉瑞，吳麗紅

（電子科技大學機械電子工程學院，四川成都611731）

1 引 言

心肺復蘇（cardiopulmonary resuscitation，CPR）是全球普及應用最廣泛的急救技術，它通過胸外按壓、人工呼吸、電除顫技術來搶救心臟驟停的患者［1］。其中，胸外按壓是心肺復蘇期間的主要環節，是保證心臟驟停患者實現心臟自主循環恢復的關鍵技術［2-3］。目前眾多的醫學院、醫療單位主要利用模擬人對醫護人員、醫學生進行胸外按壓培訓和考核。考核方式是在胸外按壓操作結束后，參照《美國心臟協會心肺復蘇及心血管急救指南》的要求，通過按壓位置、按壓深度、按壓頻率、按壓回彈率這幾個指標，同時結合人工觀察來判斷學員的胸外按壓質量［3］。這樣的評判方法對人工依賴大、主觀性強、缺少對胸外按壓全過程的比較，影響學員胸外按壓操作的改進。為了實現對學員胸外按壓質量的客觀量化評價，本研究提出將學員的按壓信號與高質量按壓信號進行相似性度量的胸外按壓訓練評價方法。

目前，基于過程數據的相似性度量方法在許多領域得到了廣泛應用。張大海［4］利用自主研制的簽名設備獲取簽名過程中的力信息后，采用動態時間彎曲算法對不同的簽名樣本進行相似性度量后，準確地區分出了真實簽名和偽造簽名。王犇等人［5］通過采集行走過程中的加速度信號，利用動態時間彎曲算法對小波變換提取到的特征點序列進行相似性度量，很好地實現了步態身份認證。劉彤彤等人［6］對心電信號進行特征表示后，分別采用基于歐氏距離、相關系數和曼哈頓距離的相似性度量方法對不同類型的ECG信號進行了分析。章丹頌等人［7］通過采集中醫推拿過程的力信號，利用自定義的相似度計算方法衡量了不同操作者之間的推拿力，并將其應用在了推拿垂直作用力信號的分析中。

另外，分析國內外學者的研究成果發現，基于信號相似性度量的評價方法在動作識別、操作質量評估以及心電信號分析等方面的應用比較廣泛，但是在胸外按壓訓練質量評價領域的應用寥寥無幾。因此，將相似性度量方法應用于胸外按壓訓練質量評價意義重大。

2 按壓深度采集系統

心肺復蘇仿生模擬人由胸部骨架模型、傳感器等部分組成，見圖1。其中胸外按壓過程中關鍵的深度信號由激光位移傳感器采集。

圖1 心肺復蘇模擬人示意圖Fig.1 Diagram of CPR simulation manikin

當學員進行胸外按壓操作時，模擬人體內的位移傳感器實時采集按壓過程中的深度信號，深度信號經過單片機系統A/D轉換和數據打包后，通過無線模塊與上位機實現無線通信和數據傳輸。胸外按壓操作結束后，上位機上的胸外按壓訓練軟件系統將按壓深度信號以Excel文檔的形式保存至本地，為后續的相似性度量做準備。整個胸外按壓信號采集流程見圖2。

圖2 胸外按壓信號采集流程Fig 2 Acquisition process of chest compression signals

3 胸外按壓信號相似性度量原理與算法實現

目前，常用的相似性度量方法主要有基于形狀的相似性度量和基于特征的相似性度量［8］。基于形狀的相似性度量方法依據信號序列上的具體點，利用歐式距離、夾角余弦、動態時間彎曲等算法直接計算兩個信號序列之間的距離，并以此衡量兩者的相似程度。基于特征的相似性度量方法以原始的信號序列為基礎，從信號序列中提取出時域特征、頻域特征或時頻特征，利用歐氏距離、夾角余弦等距離度量算法計算特征序列之間的距離，并以此表征原始信號之間的相似度。基于特征的相似性度量方法通過深入挖掘信號的特征信息，以信號本身的特點作為相似性度量依據，在計算效率和度量準確度方面都顯示出一定的優越性。本研究采用基于特征的方法對胸外按壓過程中的深度信號進行相似性度量。

基于胸外按壓信號近似周期的特點，本研究提取胸外按壓操作過程中每次按壓動作的按壓深度、持續時間、按壓回彈率、按壓與放松時間比、按壓過程的平均速度、放松過程的平均速度、按壓過程的最大速度、按壓過程的最大加速度、按壓過程的平均加速度總共9個時域特征，則學員的一次胸外按壓操作可以通過一組由時域特征構成的多元時間序列表征。最后將學員胸外按壓信號的時域特征序列和高質量的胸外按壓的特征序列的相似度作為學員該次胸外按壓操作的評價結果，見圖3。

經過時域特征提取后，一次胸外按壓操作由一組多元時間序列表征。時間序列的相似性度量實際上是利用距離函數計算序列之間的距離，兩個序列之間的距離越大，則兩者的相似度越低；反之，兩個序列之間的距離越小，則相似度越高。夾角余弦是計算序列相似度常用的一種方法［9］。該方法首先將待比較的時間序列看作高維空間的兩個點，通過與原點連線得到兩個向量，計算這兩個向量在高維空間中的夾角余弦值來確定其之間的相似度。以向量X、Y為例，最終的相似度通過計算公式（1）得到：

圖3 胸外按壓信號相似性度量流程Fig 3 Chest compression signals similarity measurement flow

其中θ是向量X和Y之間的夾角，＜X，Y＞表示向量X和Y的內積，‖X‖、‖Y‖分別代表向量X和Y的模，式（1）中向量X和Y的內積取絕對值以確保最后的相似度取值范圍為［0，1］。

通常多元時間序列的變量之間都存在一定的關聯［10］，因此，如果只是簡單地采用一元時間序列的相似性度量方法將多元時間序列的每個變量單獨進行距離計算再進行集成，將割裂變量之間內在的關聯關系，導致最后的度量效果不理想。因此，人們希望能夠用少量的、相互獨立的新變量來代替原來的變量，以達到解決問題的目的，新變量能夠反映原始序列的大部分信息。主成分分析方法是一種經典的多元時間序列處理方法，能夠很好地滿足這一需求。其基本思想是：通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一系列線性不相關的新變量，然后根據一定的條件從中選擇少量的、蘊含了原始數據大部分信息的新變量來解決問題，其數學模型如下［11］：

對任意一組多元時間序列x1，x2，…，xm，每個變量都有n個觀測值，第i個變量表示為xi=（x1i，x2i，…，xni）T。主成分分析方法通過以下變換將原來的m個變量表示成k個新變量的線型組合：

其中，y1，y2，…，yk稱為原始序列的第1個、第2個、…、第k個主成分，主成分的個數k通常根據累積方差貢獻率超過95%的原則確定。這k個主成分滿足以下條件：

（1）主成分系數平方和為1：

（2）主成分之間無信息重疊，相互獨立：

（3）主成分的方差依次減小，方差表示主成分的重要程度：

得到主成分之后，再利用夾角余弦距離算法計算相似度，圖4為按壓信號相似性度量算法的流程圖。其具體計算步驟如下：

圖4 按壓信號相似性度量算法流程圖Fig 4 Similarity measurement algorithm flow chart

步驟1：導入待比較的兩組按壓信號時域特征序列，記做：Ai（j）和 Bi（j），分別建立其協方差矩陣；

步驟2：分別計算協方差矩陣的特征值λ和σ，特征向量U和V，并將特征值按從大到小的順序排列，同時根據特征值的排列順序更新特征向量矩陣；

步驟3：按照累積方差貢獻率＞95%的原則，選擇前k個特征值和特征向量，確定主成分矩陣：T=［t1，t2，…，tk］和 L=［l1，l2，…，lk］；

步驟5：計算相似度：

4 不同群體按壓信號相似性比較實驗

為了驗證上文提出的基于信號相似性度量的胸外按壓訓練評價方法的有效性，本研究設計了如下的實驗方案。

4.1 胸外按壓樣本采集

4.1.1 實驗對象 3名急診科醫護人員、5名急診科實習護士、5名非醫學專業學生。為了方便表述對實驗人員進行標記，見表1。

表1 實驗人員的標記方式Table 1 Experimenter notations

4.1.2 實驗流程見圖5 （1）安排實驗人員對心肺復蘇模擬人進行試按壓，以充分熟悉實驗設備，避免偶然因素對實驗結果的影響。（2）按照學生、實習護士、醫護人員的順序，輪流在心肺復蘇模擬人身上進行為時1 min的胸外按壓操作，并借助軟件系統進行相關數據的記錄存儲。（3）參照第二步，進行5次循環，即每人總共進行5次胸外按壓操作。

圖5 實驗流程Fig 5 Experiment flow

4.2 胸外按壓信號相似性度量

利用第二節中介紹的按壓信號相似性度量算法，對采集到的按壓信號進行相似度計算，不同群體、不同次按壓操作的標記方式見表2，其中A11代表醫護人員1的第1次按壓操作。相似性比較分3步進行：

（1）同一個醫護人員不同次按壓操作之間進行相似性比較；

（2）不同醫護人員按壓操作之間進行相似性比較；

（3）實習護士、學生的按壓操作與醫護人員進行相似性比較。

表2 按壓操作的標記方式Table 2 Chest compression operation notations

按壓信號的比較方式見圖6。圖6（a）是同一個醫護人員不同次按壓之間的比較方式；圖6（b）是不同醫護人員的按壓信號比較方式；圖6（c）是實習護士（學生）的按壓信號與醫護人員的比較方式。圖6僅給出部分按壓信號之間的比較方式，剩余樣本均通過相同方式進行比較，圖中有直線連接的兩次按壓信號會進行相似度計算。經過相似性度量后的結果分別見圖7、表3、表4。圖7是同一醫護人員不同次按壓之間相似度變化曲線；表3是不同醫護人員按壓信號之間的相似度值；表4是實習護士、學生的按壓信號與醫護人員的相似性比較結果。表中的數值均是取平均值后的結果。

圖6 按壓信號的相似性比較方式Fig 6 Chest compression signal similarity measurement mode

圖7 不同次按壓之間相似度變化曲線圖Fig 7 Similarity curve chart between different chest compressions

表3 不同醫護人員按壓信號相似性度量結果Table 3 Similarity measurement results among different medical staff

表4 不同群體胸外按壓信號的相似性度量結果Table4 Compression signals similarity measurement results among different groups

由圖7可看出，同一個醫護人員的不同次按壓之間的相似度比較高，變化曲線較平穩，說明醫護人員每次胸外按壓操作都較穩定。同時，由表3可看出3名醫護人員的按壓信號兩兩之間的相似度分別為90.30%、89.06%、88.14%，均在85%以上，說明醫護人員彼此之間的胸外按壓信號也比較接近，對胸外按壓技能的掌握程度比較高，與實際情況相符。

由表4可看出，實習護士的按壓信號與醫護人員的相似度大于學生的按壓信號與醫護人員的相似度，說明實習護士對胸外按壓的掌握水平要高于學生，由于實習護士在實驗之前均已經接受過心肺復蘇相關理論培訓和實際操作訓練，而非醫學專業的學生只是接受操作示范，并未進行實際操作訓練。因此，最終的結果也與實際情況相符。

5 結語

本研究提出了一種基于按壓信號相似度的胸外按壓訓練評價方法。通過對不同質量的胸外按壓信號進行相似性度量后發現，高質量的胸外按壓信號之間的相似度比較高。以高質量的按壓信號為標準，將未接觸過心肺復蘇以及培訓過心肺復蘇的人群的胸外按壓信號分別與之進行相似性度量，結果證明了按壓信號的相似度在一定程度上能夠反映操作者對胸外按壓技能的掌握程度。因為按壓信號的相似性度量立足于胸外按壓全過程，所以能更全面地反映操作者的胸外按壓質量并作出總體評價。