跨平臺生命支持系統設計

袁 晶，張 廣，陳 鋒，余 明，宋振興，王運斗，田 瑾，班明莉

（軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所，天津300161）

0 引言

近年來，國內外頻繁發生地震、洪災、泥石流等自然災害，給公眾的生命安全帶來較大的影響和威脅，且造成了大量的人員傷亡[1]。自然災害中傷員的生命狀態與常規情況相比更為惡劣，需要盡快后送至有條件的救治機構。但傷員所處的氣候、地理環境通常較復雜，交通不便，傷員空間分布分散，這些為傷員的后送帶來很大的挑戰，增加了傷員后送時間[2]。后送途中的傷員通常處于孤立失能狀態，加之錯失黃金急救時間窗口，因此對傷員后送途中的生命支持裝備有較高的要求。由于傷員所處的地理、氣候環境和交通情況的復雜性，在實施轉運時可能需要利用不同的后送手段和轉運工具，如可能會采用單人/雙人托運、多人搬運，以及直升機、車輛、固定翼飛機、船艇轉運等方式，因此要求生命支持系統能夠減少轉運處理環節，并在各個轉運環節中實現盡可能的無縫銜接，提高救治效率。現有的生命支持裝備只能固定于有特定接口的專用車輛，缺乏多平臺的適應能力[3]；內部的呼吸機、復蘇器等均為氣動型，需要依靠壓縮氧氣才能驅動，在全功能作業條件下氧氣消耗量極大，難以長時間工作[4-5]；系統內部嵌入的模塊體積大，未實現微型化，裝備本身也未經過輕量化設計，質量、精度等指標都不理想[6]。本文根據緊急醫學救援傷員運送途中“無縫”連續救治的需求，開展了非高壓氧源依賴呼吸通氣、多模式通氣、微量精準輸注、典型重癥傷情評估、救治與監護設備小型化/便攜化/集成化、微渦輪呼吸通氣、結構建模等關鍵技術研究，設計了跨平臺生命支持系統。

1 功能需求

跨平臺生命支持系統需要具有如下功能：

(1)呼吸、通氣功能：可對傷員進行呼吸循環支持，呼吸頻率10～40次/min可調，潮氣量200～1200 mL，分鐘通氣量≥40 L/min，具備控制、輔助等通氣模式，呼氣末正壓(positive end expiratory pressure，PEEP)為0～30 cmH2O(1 cmH2O=98．06 Pa)。

(2)基本生命體征監護功能：可對傷員的心電、血壓、體溫、呼吸頻率、血氧飽和度等進行監測。

(3)自動輸液功能：輸液速度1～1200 mL/h連續可調，輸液通道數≥1個，對輸液完成、漏液、空瓶、氣泡、阻塞等情況具有報警功能。

(4)可跨平臺使用的特性：可與各種通用后送工具進行適配，實現后送轉運過程中的無縫銜接。

2 設計方法

2.1 結構設計

2.1.1 整體結構設計

跨平臺生命支持系統需滿足小型化、便攜化、集成化的要求。利用系統建模、結構仿真、有限元分析等方法，對系統框架、各功能模塊的集成結構、尺寸、質量、力學性能、人機交互等進行仿真與設計。研制的跨平臺生命支持系統不含外擴部件時主機長255 mm、寬550 mm、高145 mm，質量8 kg，主機展收時間小于2 min。前面板主要用于人機交互，兩側分布監護、呼吸通氣、液體輸注等功能模塊的接口；后面板設有可拆卸蓋板，方便電池更換。為保證跨平臺生命支持系統在低溫條件下能夠正常使用，人機交互界面選用在-40℃能夠工作的低溫液晶屏；為了方便醫務人員觀察和操作，將操作系統與呼吸機設計為共屏顯示，且設計了向上8°的傾角。由于跨平臺生命支持系統在緊急醫學救援使用過程中使用條件惡劣，因此在人機交互屏幕上粘貼一層電磁防護透明絲網膜，在液晶屏的外側設置可翻轉的透明防護蓋，確保液晶屏幕在使用過程中的安全。系統的整體結構圖如圖1所示。

圖1 跨平臺生命支持系統整機外觀效果圖

2.1.2 分模塊結構設計

跨平臺生命支持系統采用模塊化的方式進行設計，主要包括生命體征監護模塊、呼吸模塊、輸液模塊、控制模塊等功能模塊，內部布局如圖2所示。

圖2 跨平臺生命支持系統內部結構布局圖

(1)生命體征監護模塊：該模塊的主要功能包括傷員生命體征監測與依據生命體征監測結果進行智能傷情辨識2個部分。傷員生命體征監測功能主要對傷員轉運過程中的心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度、體溫等基本生命體征指標進行實時監測。智能傷情辨識部分的處理流程如圖3所示，根據監測到的生命體征信息，首先利用自適應濾波、時頻域分析等方法，抑制監測過程中的噪聲干擾，挖掘出準確反應原始多參數信號特征的時頻域信息，實現強干擾環境下多參數生命體征信號的準確提取。其次利用主成分分析技術對心電幅度頻率功率譜面積、呼吸中值頻率、血氧尺度指數等生命體征參數進行精簡與優化組合，提取關鍵信息，進而應用支持向量機、神經網絡等機器學習及其他人工智能方法，對傷員的傷情、傷勢進行快速辨識與判斷，為傷員的救治提供決策支持。

圖3 智能傷情辨識處理流程

(2)呼吸模塊：跨平臺生命支持系統中集成的呼吸模塊采用電動電控方式工作，具有控制、輔助、同步間歇指令通氣(synchronized intermittent mandatory ventilation，SIMV)、氣道持續正壓通氣(continue positive airway pressure，CPAP)等通氣模式。呼吸模塊的氣路結構如圖4所示，由調壓閥、負壓泵、控制閥、比例閥、風機、二位三通閥、氧傳感器、流量傳感器組成。呼吸模塊內置微渦輪增壓系統，不需外接氣源即可實現自動通氣，解決了傳統呼吸機依靠壓縮氧氣才能驅動以及全功能作業條件下氧消耗量大、難以長時間運轉的難題。由于微渦輪增壓系統的氣源為渦輪風機制造的壓縮空氣，在制造壓縮空氣的過程中，渦輪風機葉片的高速旋轉會產生較大噪聲。為增強呼吸模塊氣路的使用舒適性，需要對振動噪聲和空氣動力噪聲進行減振降噪隔音處理。

圖4 呼吸模塊氣路結構布局圖

(3)輸液模塊：輸液模塊用于在轉運后送過程中為傷員提供液體輸注，至少包含1個輸液通道，輸液速度1～1200 mL/h連續可調。輸液模塊設計為半擠壓式結構[7-8]，結構示意圖如圖5所示，在一根凸輪軸上分布有進口開關閥凸輪、出口開關閥凸輪、擠壓凸輪和補償凸輪，每個凸輪與一個滑塊相對應，4個凸輪以一定的相位差間隔運動。輸液時，步進電動機通過減速裝置驅動凸輪軸轉動，帶動滑塊按一定的運動順序擠壓彈性輸液管，由于液體的流速與凸輪軸的轉動速度基本呈線性關系，而輸液量與步進電動機驅動凸輪的轉數成正比，因此，可以通過控制步進電動機的轉速實現輸液量與輸液速度的精確控制。輸液模塊還可對輸液完成、漏液、空瓶、氣泡、阻塞等異常情況進行報警，必要時自動停止輸注，確保傷員安全。

圖5 輸液模塊半擠壓式結構示意圖

2.1.3 適配結構設計

為滿足生命支持系統跨平臺使用的要求，設計了可卡接在擔架兩側使系統與通用制式擔架快速連接的專用連接支撐架，用于固定生命支持系統。該支撐架包括托板和卡鎖機構，具有結構簡單、操作方便的特點，能夠在各種轉運環境下有效地支撐與保護儀器設備，可解決生命支持系統隨傷病員擔架轉運時的安放和固定問題。專用設備連接支撐架與通用制式擔架桿及生命支持系統連接的示意如圖6所示。

圖6 連接支撐架連接方式示意圖

2.2 電氣系統

2.2.1 控制電路設計

跨平臺生命支持系統的控制系統主要負責呼吸、監護、液體輸注模塊管理，數據處理/顯示和人機交互等，總體控制電路框圖如圖7所示。電源板為整機供電，允許接入DC 12～30 V的適配電壓。適配器、內置電池及外置電池3路直流電壓經路徑管理電路選擇后，為控制模塊、生命體征監護模塊、呼氣末CO2模塊、呼吸模塊、輸液模塊進行供電。控制電路采用RS232串口通信方式與各功能模塊進行通信，控制讀取、顯示生命體征信息、呼氣末CO2體積分數信息等數值，并能對呼吸模塊的呼吸潮氣量、呼吸頻率、呼吸模式等進行設置，同時實現對輸液模塊的輸液速度、輸液量等的閉環控制。

圖7 跨平臺生命支持系統總體控制電路框圖

2.2.2 分模塊電氣系統設計

輸液模塊：輸液模塊通過將微控制器作為核心控制器，利用步進電動機驅動半擠壓式輸液結構，由于步進電動機可能存在振蕩或失步現象，因此采用閉環控制的方式，確保對輸液速度和輸液量的精確控制。步進電動機閉環控制原理框圖如圖8所示，控制系統微控制單元(microcontroller unit，MCU)接收時序脈沖信號CLK，將其放大后送往步進電動機，控制步進電動機工作；步進電動機帶動編碼器旋轉，編碼器對旋轉角度進行檢測，并以脈沖形式反饋給控制單元進行計數；MCU將編碼器反饋的脈沖和接收到的脈沖進行比較，如出現丟步，MCU可根據差值繼續發送脈沖，補償丟步，從而實現步進電動機的閉環控制。在故障報警方面，利用編碼器實時反饋的電動機轉數或通過壓力傳感器實現阻塞報警功能，利用非接觸式超聲波氣泡檢測傳感器實現氣泡檢測報警功能。

圖8 步進電動機閉環控制原理框圖

呼吸模塊：呼吸模塊采用閉環控制的方式實現潮氣量的精確控制(如圖9所示)，利用單片機產生脈沖寬度調制信號驅動渦輪風機旋轉，通過流量傳感器檢測渦輪風機送出的空氣流量并反饋給單片機，單片機將流量傳感器反饋回的空氣流量與預設流量進行比較并利用高精度PID(proportional integral derivative)控制算法對渦輪風機進行閉環控制，進而實現對潮氣量的精確控制[9-10]。通過步進電動機對主氣路閥體進行控制，決定通氣主氣路在某一時刻氣源的通斷。在空氧混合模式下，高壓氧氣通過減壓閥進入主氣路，通過二位三通閥控制空氧混合氣路的通斷，從而實現不同的空氧混合濃度。

電源管理模塊：為保證跨平臺生命支持系統的正常工作，系統中控制、監護、輸液、呼吸等功能模塊采用單獨供電的模式進行供電。電源管理電路原理框圖如圖10所示。220 V的交流輸入電源經AC-DC適配器后轉換為直流電壓，經直流濾波器后送至充電電路。充電電路負責對內/外電池組進行充電，適配器轉換后的電壓、內置電池電壓、外置電池電壓3路直流電壓經路徑管理電路選擇后輸出電壓V1，為系統各功能模塊供電。為保證整機不間斷工作，當3路電壓中有任意一路滿足供電要求時，路徑管理電路可實現電源路徑的自動切換。單片機的供電由V1經低壓差線性穩壓器[11](low dropout regulator，LDO)后供給，且設計有一鍵開關電路：在有外接網電源時自動對單片機電路上電，用于充電狀態指示；在沒有外接網電源時，可實現按鍵開關自鎖，實現整機上電；已開機狀態下，可通過長按按鍵的方式實現關機。控制模塊的供電由V1經過DC-DC降壓后供給；生命體征監護模塊、輸液模塊、呼氣末CO2模塊的供電由V1經過DC-DC降壓后再經LDO后供給；呼吸模塊和風扇的供電由V1經受控開關后直接供給。

圖10 電源管理電路原理框圖

通信管理模塊：在通信構架中，以控制模塊為中央控制器。生命體征監護模塊、輸液模塊、呼吸模塊、呼氣末CO2模塊及單片機這5個部分與控制模塊之間采用RS232串口方式通信；飛梭、按鍵電路與控制模塊之間采用通用型輸入/輸出(general purpose input output，GPIO)方式通信；觸屏、外部USB接口這2個部分與控制模塊之間采用USB方式通信；外部局域網(local area network，LAN)接口與控制模塊之間采用以太網方式通信。充電管理及聲光報警電路與單片機之間采用GPIO方式通信。通信管理電路原理框圖如圖11所示。

圖11 通信管理電路原理框圖

3 實驗結果

3.1 鑒定檢驗結果

跨平臺生命支持系統已在國家食品藥品監督管理局天津醫療器械質量監督檢查中心進行了鑒定檢驗，主要檢驗結果詳見表1，結果表明跨平臺生命支持系統滿足預設的功能要求。

表1 跨平臺生命支持系統鑒定檢驗結果

3.2 示范應用結果

跨平臺生命支持系統已分別于2020年1月在吉林省長春市、遼寧省沈陽市，2020年8月在廣東省廣州市，2020年9月在浙江省湖州市進行了寒區、熱區及溫區的示范應用(如圖12所示)，對系統的可靠性進行了全面系統的檢驗。示范應用結果表明，跨平臺生命支持系統功能完備、實用性強，可實現呼吸通氣支持、生命體征監護、液體精準輸注等功能，可與多種后送轉運工具進行快速卡接，實現多種轉運工具間的無縫銜接；系統穩定性良好，在3種環境條件下均可正常使用，未出現故障、死機、失靈等情況。此外，跨平臺生命支持系統體積小、質量輕、展收方便、待機時間長，較適合在突發自然災害、公共安全事件現場急救、院外急救等情況下使用。

圖12 跨平臺生命支持系統寒區、溫區、熱區示范應用

4 結語

突發自然災害及公共安全事件造成的大量傷員往往不能在第一時間得到有效救治，且具有所處氣候及交通條件惡劣、后送時間長、后送工具多樣等特點，為保證傷員在后送過程中能夠得到有效的生命維持與救治，需要途中生命支持系統具有便攜化、智能化的特點，能夠與汽車、火車、直升機等多種后送工具進行適配卡接。本研究利用系統建模、結構仿真、有限元分析等方法，對跨平臺生命支持系統的整體結構、各功能模塊的結構、適配結構、電路系統進行設計，研制出的跨平臺生命支持系統具有呼吸通氣支持、生命體征監護、液體精準輸注等功能，能夠與多種后送轉運工具進行快速卡接，實現多種后送工具間的無縫銜接，提高了突發事件中傷員的救治效率，有效減少了傷亡率。但跨平臺生命支持系統還存在一定的不足，呼吸模塊的智能化程度有待進一步優化提升，通過智能化辨識患者的氧合程度、智能調整通氣模式，可在后送途中為患者提供更高質量的通氣支持。