一種自動心肺復蘇儀設計＊

班曉江，劉海濤，申宏興，蒙萌康，叢明軒，陳志彬

（遼寧科技大學電信學院，遼寧 鞍山 114000）

心臟驟停在生活中時有發生，每年約有54 萬人發生心臟驟停，且有向青年化、低齡化的方向發展的趨勢，能否在4 min 內實施有效的心肺復蘇術是保障發病者生命健康的前提。現階段國內仍以人工心肺復蘇為主，極少見自動、智能的心肺復蘇儀，加之中國人口基數大，人工心肺復蘇的普及率與心臟驟停發病率不成正比，在心肺復蘇術普及過程中普通民眾對該項技術的掌握也參差不齊，由此導致一般在緊急情況下已有的條件不足以支持發病者能夠接受到有效的心肺復蘇治療，導致此類病人的生還概率大大減小。所以，筆者決定研發一款專業、規范化的心肺復蘇設備，在緊急情況下對危重病人進行急救。

1 系統構架

該儀器定位為傻瓜式一鍵啟動，內置參數不可調，以提高其穩定性、易用性，以此降低該心肺復蘇儀的使用門檻，提高普及率和救助的成功率。在使用儀器前應當嚴格遵照心肺復蘇術的基本要求對患病者進行處理，救助者幫助患病者穿戴好儀器。當儀器啟動時，往復按壓模塊、自動求救模塊、壓力監測記錄模塊同時開始工作。

其中，往復按壓模塊包括往復運動裝置、無刷直流電機及其驅動，按壓頭與人體接觸處采用軟質材料包裹，并且裝有電阻應變片檢測按壓力。自動求救模塊包括衛星定位模塊ATGM336H 和支持GSM/GPRS的SⅠM900A 通信模塊。壓力監測模塊包括電阻轉電壓信號模塊等。

2 系統硬件

2.1 主控芯片

采用STM32F103ZET6 芯片作為主控，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，內置高達128 K 字節的Flash 存儲器，具有豐富的通用端口，同時具有一流的外設資源。

2.2 往復按壓模塊

心搏驟停不同于任何慢性病終末期的心臟停搏，若及時采取正確有效的復蘇措施，病人能被挽回生命并得到康復，有效的心肺復蘇要求成人按壓幅度5～6 cm，按壓頻率為100～120 次/min。選取如圖1 所示的往復運動裝置。往復按壓運動時，將其固定于胸骨正上方。按壓動力來源采用直流無刷電機搭配PLF060-L1 緊密行星減速機。PLF060-L1 擁有 1.5 倍的額定輸出轉矩和3 倍額定輸出轉矩的制動轉矩，可選3～100 的減速比，而質量僅為1.35 kg。

圖1 往復裝置尺寸圖（單位：mm）

2.3 自動求救模塊

定位模塊采用ATGM336H-5N 進行輸入，經過STM32 處理后由SⅠM900A 發送一條包含求救信號和經緯度的信息給上位機。ATGM336H-5N 模塊支持現存的4 種定位系統，定位精度在空曠地能達2.5 m，板載E2PROM 可設置保存波特率等信息、加速熱啟動搜星，連續運行功耗小于25 mA，強大和全面的功能契合設計要求。SⅠM900A 采用工業標準接口，工作頻段為雙頻GSM/GPRS，通過AT 命令控制，供應電壓范圍為3.3～5 V，在待機模式下功耗為1.5 mA，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息傳輸，能滿足各類設計需求，尤其適用于緊湊型產品設計。

2.4 傳感器模塊

以MD30-60 薄膜壓力傳感器為壓力變化采集端，接壓力轉電壓模塊放大信號后與STM32F 連接可以直接用于重力高精度的測量，屬于自行設計制造的一種小型測量儀器。首先利用OP07 運算放大器將傳感器檢測輸出的微弱電壓信號進行初級放大，經過多路模擬開關MC14051B 進行分時選通。然后經OP07 放大電路將該信號進行二次放大，放大后的電壓信號送入STM32 中進行模數轉換，轉換完的數據經STM32 單片機進行防脈沖干擾平均值濾波、自校準和數據融合處理后存儲到非易失性數據存儲器Flash 中。存儲的壓力數據可作為憑證，減少因為責任認定不清而產生的糾紛。壓力閾值為340～350 N。

3 系統程序

3.1 輸出部分設計

當電機轉速恒定時其扭矩恒定，可以得到一個較穩定的運行狀態，加入了以電流反饋的PⅠD 閉環控制使電機處于穩定狀態，減少飛車現象的發生。以定時器做無刷電機編碼器接口配置，采取卡爾曼濾波，使得輸出更加平滑、穩定。設定上下限閾值，當電機轉速超標后緊急停車，同時將轉速存入Flash。

3.2 求救信號發送

定位模塊啟動之后將定位信息以幀格式NMEA0183 協議與主控芯片進行通信，選取$GPRMC格式進行解碼以得到地理信息。以遼寧科技大學工程實訓樓的定位數據為例，解碼后得UCT 時間為111240.000，A，N4 105.916 76，E12 303.855 89，數據處理后得北京時間19：24：40，地點為北緯41.098 613°，東經123.064 265°。或轉為度分秒格式N：41°05'55.006″，E：123°03'51.353″。TENNA OK*35 為結束標志位。將以上信息裝載完成后以SⅠM900A 發送給救援隊。

遼寧科技大學工程實訓樓定位數據如圖2 所示。

圖2 遼寧科技大學工程實訓樓定位數據

3.3 壓力數據記錄

當信號采集放大電路傳入數據后，經單片機處理轉為壓力數據，存入Flash。

4 系統調試

4.1 工作流程設計思路與調試

自動心肺復蘇儀器工作流程如圖3 所示。

圖3 自動心肺復蘇儀器工作流程

4.2 無刷直流電機控制設計與仿真實驗

Proteus 中無刷電機模型可以顯示其轉速，在調試中將期望值設置為200 r/min，并先后導入開環和閉環控制程序，進行對比察，顯示開環達成率為98.2%，閉環達成率為99.95%。開環運行與閉環運行相比，設定期望和實際轉速之間的誤差差距大，在按壓過程中轉速不受控制。由此，選擇閉環控制無刷直流電機的運行。且在軟件仿真中，電機的實時性降低也會存在偏差，在實際應用中閉環控制對電機轉速控制與期望值相比波動在可控范圍內。

4.3 定位和信號發送

以遼寧科技大學工程實訓樓作為數據采集點。在實際應用中，定位模塊在室內通常搜索不到衛星信號，并且當設備從開闊地移動到室內時衛星信號也會丟失，導致下次搜索衛星信號所需時間變長。出現該現象出現的原因是墻體的隔斷作用，安裝室外接受天線，或者在家用心肺復蘇儀中預先輸入患者家庭的住址和聯系方式，在衛星定位信息不可用時自動發送信息。心肺復蘇儀發出救助信息后，急救中心能夠及時接收到事發地的經緯度定位信息。在實際應用中，急救中心需要借助特定軟件確定救助者的具體位置，并規劃快速到達救助點的線路。

4.4 壓力傳感器

在調試中，讀取AD 值模擬壓力變化，轉化為壓力顯示，通過串口打印，調試完畢后更改串口輸出為Flash 存儲。處理器在接收到壓力值后與設定閾值進行比較，如果檢測值超過設定閾值，則按壓電機立即停止。

4.5 結構

人機連接處的按壓杠頭處用面積較大塑料片減小壓強，再裹上一個球形膠套，既可以增大受力面積減小壓強以保護人體少受傷害，又能傳達足夠的壓力使胸廓下陷，各個模塊排版后以往復運動裝置為中心，將模塊固定于往復運動裝置的周圍，形成按壓主體，而后構建外殼模型，利用3D 打印機無模具成型的特點，打印出按壓主體外殼。按壓外殼整體結構呈現倒三角形，便于放置在患者胸骨上方，在患者背部搭配一塊帶有2 個背包插扣的硬質塑料板，通過背包帶連接按壓主體和硬質塑料板。對于不同體型的患者利用背包扣利于調節的特點，由施救者調節背包帶長度。患者和按壓頭緊密貼合的，只需控制往復按壓模塊的沖程便可調節按壓深度。調試中利用加速度傳感器的校正、基于速度曲線修正的綜合修正方法獲得的2 次修正的加速度信號，再通過二次積分獲得加速度傳感器的位移，即心肺復蘇的按壓深度，為心肺復蘇施救者提供更精確的參考和輔助，保證心肺復蘇的質量。

5 結語

本文設計了一種自動心肺復蘇儀，實現了對心臟驟停病人的急救且附帶求救功能。將一項具有個體差異化的應用技術規范化。有研究表明，在按壓開始1～2 min 后，施救者的按壓質量開始下降，表現為頻率和幅度以及胸壁復位情況均不理想，導致此現象出現的原因是救助者的體力不支，自動心肺復蘇儀可解決這個問題。在實驗測量中，該心肺復蘇儀可穩定使胸腔穩定下陷5 cm，能節省施救者的體力，使其能夠更好地對患者進行救助。