止血技能模擬訓練裝置設計

李 博，陳 卓，呂沛陽

（國防科技大學，湖南 長沙 410073）

1 緒論

1.1 研究背景及意義

脈搏血氧飽和心跳是反映身體狀況的兩個關鍵物理量，也是評價患者治療療效的一個重要指標。血氧是指血液中含氧血紅蛋白的總數，人體在血液中的含氧量越高，人體的代謝就會更好。同時，對臨床急救工作也有一定的指導意義。心跳頻率是一個人的心臟跳動頻率，正常范圍是每分鐘60～100 次，高于或低于這個范圍人體都將處于危險狀態。所以止血是急救中的重要的一步，也是每個人應當掌握的自救技能。目前，止血的訓練活動極少開展，民眾普遍對此不熟悉，所以，設計一款止血技能模擬訓練裝置很有必要，這種裝置既可以普及止血技能，又可以評判訓練效果，更好地幫助訓練者改進提高，在醫療器材方面具有廣闊的市場。

1.2 當今研究現狀

國外對這一問題的研究比較早，并且在心率測量上比較成熟，在各個參數上處于領先地位，但是在國內這一領域的技術才剛剛起步，還有很大的發展空間，許多技術都要從國外引入，而且最近幾年也有一大批的科技成果出現。心跳檢測法，又稱脈搏波檢測方法，有兩種類型，一種是透射型，另一種是反射型，這兩種類型的差異主要取決于光電晶體管所接受的光是否是透射型，如圖1。透射式檢測是發光裝置發出特定波長的光，接收裝置在組織的另一端接收透射過來的光信號。反射式檢測是發光裝置發出特定波長的光，接收裝置在組織的同一端接收體內血液反射過來的光信號。透射式的光由于穿透性有限，難以穿透過于厚密的組織結構，只能放置于較薄的部位，比如指尖、手腕等，所以通常采用夾持式結構，長時間的使用會壓迫待測部位的血液循環。與透射式傳感器相比，反射式檢測方法最大的優勢在于不需要考慮待測部位的透射性，受測試位置的限制小，佩戴時方便舒適，并且可以用于智能可穿戴設備。但反射式傳感器的靈敏度較高，外界環境的光容易對設備造成干擾，導致測得的數據不夠準確，產生一定誤差，因此對傳感器密光性有更嚴格的要求。

圖1 透射式與反射式

有關心跳頻率的研究最早出現在18 世紀80 年代。意大利的“伽法尼”已經研究出了一種在低強度的電刺激下，可以使肌肉發生一種收縮的效果。直到1930年，才有了現在這種脈沖式血液含氧量計的雛形，馬修斯花了很大的工夫，才研制出了全球首個血液含氧量檢測器。近年來，隨著互聯網技術的快速發展，以及物聯網、大數據等新興技術的應用，血液含氧量、心跳等檢測設備逐漸向智能化、高科技方向發展。

在2022 年，蘇杰[1]等研發出了一套帶有心跳、血氧監測的智能頭盔，可以對工作人員的身體狀況進行監測，讓使用者可以隨時在線看到自己的心跳、血氧等數據。在心跳和血氧濃度超過預定的設置值時，警報模塊發出警報，并將有關的消息傳送到服務器端。

針對深圳惠利電子技術[2]公司研制的一款反射型心律調節器，可有效地提高體律調節器的使用壽命，提高人體的舒適度。

廣西師范大學教授吳磊[3]研制出一款以LoRa 為核心的可實現對心跳、血液、氧氣等參數進行實時監控的手鏈。由LoRa 基地所聯結的伺服器，對測試結果進行整理、儲存，讓各個護士站都能即時監控每位病人的心跳、血氧狀態。由內蒙古大學的秦佳旺[4]研制的家用PAHs 檢測裝置（以手指為中心），應用前景較好。桂林科技學院楊森杰[5]以STM32 單片機為核心，結合安卓操作系統，研制出一款可移動的、可無線傳送的心跳、血液、氧氣、心跳等數據，并將其通過無線方式傳送到網上，具有很好的應用前景。武漢科技學院王超教授[6]在STM32 上研制出了一種新型的家庭血壓監測裝置，該裝置使用了一種帶手指套的血氧傳感器，可以對患者的血氧水平、血壓和心電圖進行監測。劉雯[7]等人提出一種以nRF51-DK 為基礎的，實時性較好的智能心跳手鏈。而王世豪[8]等人則是獨具匠心地制作了一套智能衣服，可以收集到身體各個部分的心跳、血液、氧氣等信息，當這些信息出現異常時，還可以用手機發信息通知穿戴者，在實際應用中有很高的實用性。鐘其元[9]所提出的一種反射型心跳、血氧值監控感應器，該感應器使用了一種由光學器件所發出的光波，通過身體被折射后，抵達一種光學檢測器；利用感光元件的感光特性，可得到心跳及血液含氧量。陳孝英[10]介紹了一種在STM32 平臺上開發的血氧、心跳監測方法，該方法使用OSRAM 公司的SFH7050 光電傳感器，加上綠色LED，從而可以對血氧、心跳進行單獨的監測。而王翔[11]則是發明了一種可佩戴式的儀器，并且開發出了一種可以接受藍牙信號，并且可以將人的各項生理指標都顯示出來的APP。

通過上述的調查，我們可以發現，不管是在對其進行的理論研究，還是在對其進行的產品設計方面，血氧心跳探測器都可以被放置在手指、耳垂和腕部等位置，因為在這些位置，它的脈沖振幅比較大，易于被探測，而且所生成的信號也比較強。但是如果病人有體溫過低、血容量過低、血管有收縮等癥狀，就很容易在上述部位進行動脈血氧飽和度的測量。經耳導管取血氧儀不存在上述問題，所取血氧儀具有更好的透過性[12]。張蕾蕾等人[13]在耳道中設計了一種可穿戴的反射式無線血氧監測器，該監測器的設計是按照人機工程學的原理進行的，但是，有調查顯示，當穿戴者在咀嚼講話的時候，它的擾動比較大,使其不能精確地探測到信號。

2 光密度理論與PPG 特性

本節簡單介紹了無創測量血流量的相關理論，包括朗伯-比爾定律和PPG 技術在測量血流量中的運用。

2.1 朗伯-比爾定律

朗伯-比爾定律(Beer-Lambert Law)源自朗伯定律和比爾定律的條件互補，是比色分析的基本原理，描述了有色液體對單色光的吸收程度與光通過的溶液厚度和液體濃度之間的定量關系。

朗伯定律指出，光被可透光介質吸收的多少與在光程上每等厚層介質吸收的多少成正比，與入射光的強度無關。

比爾定律指出，光被吸收的量與光程中光吸收的分子數目成正比，該關系可以表示為：

式中：I0和I 分別為入射光強度和透射光強度；C為樣品濃度；l 是光程；ε 與吸收物質的性質及入射光的波長λ 有關，是反映光的吸收量的比例系數。

需要注意的是：朗伯定律的使用條件是“溶液的濃度固定”，而比爾定律的適用條件之一是“透光液層厚度固定”。這意味著對于吸收定律，必須同時考慮c 和b 對光吸收的影響，即朗伯-比爾定律。這是因為實際應用場景中的溶液的濃度c 和透光液層厚度d都是會變化的。

朗伯比爾定律指出：當一束平行單色光透過某吸光溶液時，溶液的吸光度會與光在溶液中的光程（即溶液的厚度）和溶液的濃度成正比，其關系可以表示為：

2.2 PPG 特性

光電容量脈搏波形（PPG）是一種非侵入式的檢測手段，可通過光敏脈沖波形（potential potential group，PPG）來檢測體內血流體積的改變。

人的心臟會有節律地舒張、收縮，為體內的血管輸送鮮血，這是一種循環。當血液流過一條可擴張的動脈時，就會產生一個脈沖。最常用的脈沖信號有兩種，一種是脈沖壓強，另一種是脈沖電壓。在圖2 中，顯示了一個光電容量脈沖波形的圖表。當一束單一顏色的光通過身體組織，如骨骼、血管、肌肉等，會產生一種短暫的反射光。如果散射和投影都是一個固定的數值，那么在光電傳感器上所探測到的就會是一個直流的信號。而在血管中，因為脈搏波的存在，會引起對光的吸收或者是折射，從而引起脈搏波的起伏，使光電傳感器探測到的是交流信號。

圖2 光電容積脈搏波示意圖

PPG 技術目前存在一定的局限性。一是采集PPG 信號時面臨光學噪聲的降噪問題；二是不同膚色對于光信號的采集也帶來了一定的影響；三是PPG 傳感器在人體的佩戴位置影響了無創檢測的質量。

3 血流量的測量與標定

本課題利用MAX30102 傳感器進行光電信息采集，配合Arduino Uno R3 單片機進行電路設計以及代碼編寫，以期能夠實現血流量波形的可視化，通過比較波形樣式來判斷血流量大小，進而判斷止血技能操作的有效性。

3.1 基本原理

MAX30102傳感器利用其LED部件發射光穿過皮膚、肌肉、骨骼、動脈、靜脈等人體組織，并采集吸收和反射回到光電二極管中的光的回波信號，通過光的反射來反應血液流動情況。在測量部位沒有大幅度運動的情況下，由于人體的肌肉、骨骼等其他連接組織對于光的吸收是基本不變，而動脈中血液在流動，這會導致其對光的吸收有所變化。當血液流動時單位體積內對光有吸收效果的物質處于運動狀態，相對來說吸收的光會少些；但是血液不流動時，吸光物質堆積在血液中，會增大對光的吸收程度。

3.2 軟硬件實現

在硬件上，Maxim 公司的MAX30102 是一款整合了心跳檢測儀和脈搏血氧飽和度檢測儀的綜合模組，將光電探測器、紅光發光二極管、紅外線發光二極管等有機結合在一起，形成一種低噪聲的電子線路，其能夠抑制周圍光線。這種傳感器使用的是一個5.0V 的電力和一個1.8V 的電力，用于可穿戴設備，經常佩戴在手指、耳垂和手腕等地方進行心跳和血氧采集。通過與I2C 協議相匹配的通訊方式，可以將數據傳送至Arduino Uno，完成心跳、血氧飽和度的測定。另外，利用軟件關閉功能，可以使整個系統的待機電流趨于0，從而使系統在任何情況下都能保持正常工作。正是由于它的出色表現，這款芯片才會被廣泛地用于三星Galaxy 系列的產品中。相對于上一代的MAX30100 來說，這一次的晶片在內外光線的影響下，采用了更好的玻璃罩，使其具有更好的穩定性。ArduinoUNOR3MCU 為ATmega328 微型處理機，此型式包含14 路數字和6 路模擬輸入和16MHz 水晶、USB 和供電接口；自帶磁頭、重置按鍵等功能，比上一代更快、更穩。

MAX30102 傳感器利用光電二極管和模擬前端(AFE)來捕獲反射回來的光，并且將這些模擬信號用波形體現出來。上述變化體現在波形圖上即為：未止血時，波形呈現周期性波動并且波峰較高；達到止血效果時，波形趨于平坦，波峰大幅減小，近乎一條直線。之后將此模擬信號轉換為數字信號用以控制LED 流水燈，在未止血時，流水燈正常閃爍，開始止血后，流水燈閃爍減慢逐漸停止，以此來反應止血效果。

軟件方面，MAX30102 內部集成了一整套完整信號采集電路，包括光信號發射及接收、AD 轉換、環境光干擾消除及數字濾波部分，只將數字接口留給用戶。本小組通過單片機的IIC 接口，對MAX30102 內部的寄存器進行讀寫操作，得到了轉換后的光強度數值。算法處理的核心就是將反射光的光強度在顯示器模塊顯示出來，即以時間為橫軸、反射光強度數值為縱軸作圖。對于MAX30102 的驅動程序，將其拆分出來，可分為標準IIC 程序和MAX30102 寄存器的讀寫操作，實現這兩部分的編程，便完成MAX30102 的驅動。此處需要顯示的波形，即光電容積脈搏波。當參訓人員進行止血技能訓練時，受訓者遠心端由于受到止血帶捆綁，血流量減小，導致光線的吸收或反射不再隨著脈搏波的律動而律動，MAX30102 也就不能檢測到周期信號，而是變化趨于平緩的直流信號。當止血帶捆扎未達到止血標準時，光電容積脈搏波周期性依然存在，但是峰值減小，由此即可判斷出止血效果不合格，實現無創評估止血技能掌握情況。

經過多次試驗，我們發現手腕及手腕內側測出的波形極不穩定，并且所受外界影響較大，如手腕平放在桌面與手腕自然垂直兩種情況下波形差異較大，受到干擾雜波較多，并且進行止血操作前后雖有波峰變化，但是不夠明顯，無法輸出穩定信號作為判斷止血效果的指標。面對上述問題我們給出的對策建議是：選定將傳感器置于手指位置，可以實現我們構想的目標，客觀準確地反映止血效果，將訓練情況通過可視化設備反映給受訓者。

4 總結與展望

本小組認為此設備可以達到以客觀標準檢驗止血效果的要求。但是存在試驗次數少、參與試驗人數少、未考慮個體差異、定性判斷多于定量判斷等問題，下一步將在這些方面進行進一步的完善。

本項目無論是對于軍校學員、部隊指戰員還是地方高校的軍訓或者是醫療機構，止血技能都是一項必備的技能。平時練好止血技能無論對于軍事領域的戰傷急救還是民用領域的院前急救都有十分重要的意義。本項目在當今以虛擬交互為特征的模擬訓練系統的大趨勢下，解決了一些模擬訓練裝置制造成本高和易用性低的問題，可以在低成本、易攜帶、逼真性好等特點下實現對止血效果進行客觀判斷的目的。對于社會大眾來說，人們可以自己檢驗對止血技能的掌握情況，以便在遇到突發情況時，可以成功進行止血操作，便于自行或者幫助解決平時生活中可能出現的出血事件。此客觀反映止血效果的模擬訓練裝置，為之后的止血訓練或戰傷救護比武競賽提供了更加客觀、有效、統一的標準，并且為之后的醫療方面的模擬訓練裝置提供思路。