微加速度傳感器在人工胸外按壓中的應用與實物研究.pdf

1、目的：近年人類心腦血管類疾病呈高發(fā)趨勢,心源性疾病成為危害人類健康的一大重要殺手,例如各種原因造成的心臟驟停,發(fā)病率較高,且多發(fā)生在院外社區(qū)。及時有效地心肺復蘇(cardiopulmonaryresuscitation,CPR)治療是此類患者生還的唯一機會。胸外按壓是心肺復蘇治療的重要內(nèi)容,是基礎(chǔ)生命支持(BasicLifeSupport,BLS)的關(guān)鍵和中心環(huán)節(jié),在很多情況下,甚至是唯一技術(shù)手段。然而據(jù)國內(nèi)外大量臨床急救調(diào)研發(fā)現(xiàn),在急

2、救現(xiàn)場實際操作中,施救者大多屬于非醫(yī)學專業(yè)的現(xiàn)場目擊者,無胸外按壓訓練經(jīng)驗,面對事發(fā)現(xiàn)場,不知所措,貽誤了急救良機,或者胸外按壓技術(shù)欠缺,按壓深度偏小,按壓頻率不夠,按壓姿勢不對,易發(fā)生傾斜,且大多數(shù)按壓沒有完全回彈。而在院內(nèi),對于專業(yè)急救人員,依然存在按壓規(guī)范,胸外按壓效果并不樂觀。因此,心肺復蘇領(lǐng)域迫切需要一種能夠?qū)崟r反映胸外按壓深度,力度,頻率,垂直性等重要參數(shù)的人工胸外按壓指導儀器,在心肺復蘇訓練領(lǐng)域,向廣大院外社區(qū)推廣,進行全

3、民胸外按壓訓練,提高全民急救水平,這對院外心臟驟?；颊呱媛适侵陵P(guān)重要的。同時,對于院內(nèi)急救臨床上,來不及展開大型自動心肺復蘇設備時,也可采用人工胸外按壓指導儀進行人工按壓進行過渡。
　　方法：本文將著重探索一種輕巧便攜式的人工胸外按壓指導儀器,主要對人工胸外按壓深度、垂直性、頻率進行測量,并給予相應的指導提示。本文摒棄了傳統(tǒng)的電子尺、霍爾傳感器、超聲傳感器等傳統(tǒng)位移傳感器,采用一種間接的加速度—位移二次積分的方法,根據(jù)胸外按壓加

4、速度進行二次積分得到胸外按壓深度的方法;其次針對二次積分過程中各種因素造成的積分漂移現(xiàn)象提出了基于按壓壓力的積分復位機制,在壓力上升到特定閾值時刻,表示按壓開始,開啟積分;當壓力上升到最大值表示按壓到最深處,停止積分,直到下一次按壓開始,依次循環(huán)。經(jīng)過積分復位后的按壓深度依然有一定的誤差,本文采用了一定的軟件補償算法,進行補償;針對按壓過程中發(fā)生傾斜問題,本文根據(jù)傾角儀設計原理,在兩次按壓間隔期間,按壓相對靜止時刻對三軸加速度傳感器三敏

5、感軸上重力加速度分量進行空間幾何運算,計算出加速度傳感器平面與水平面的傾斜角度,即胸外按壓傾斜角度,當傾斜角度超過預設角度,即向施救者發(fā)出報警;最后,還設計了胸外按壓節(jié)拍器,采用語音提示和LED閃爍方式,進行100次/分鐘的胸外按壓提示,防止在按壓訓練和急救中按壓頻率過低的現(xiàn)象。
　　研究內(nèi)容：本文主要研究工作主要包括以下幾方面:
　　軟件算法：
　　1、加速度—位移二次積分算法設計和實現(xiàn)。本文二次積分算法主要基于梯形

6、積分算法,軟件設計中包括加速度信號的實時采樣,設置合理的采樣間隔作為積分時間間隔。研究胸外按壓過程中加速度特性、速度特性和位移特性,進行相應的加速度平滑濾波。
　　2、研究二次積分漂移現(xiàn)象以及可能影響因素。調(diào)閱國內(nèi)外大量文獻資料研究可能造成胸外按壓過程二次積分漂移的可能因素主要包括:直流分量、力學-運動學不對稱性、按壓-回彈過程時間不對稱性、按壓結(jié)束空間位置不一致性、按壓傾斜、按壓環(huán)境因素。
　　3、基于壓力的積分復位機制算

7、法。主要通過采集胸外按壓壓力,根據(jù)壓力波形對按壓開始點,結(jié)束點以及按壓最深處這幾個特征點進行識別。并在按壓開始點開啟積分,按壓最深處停止積分,直到下一次按壓開始。軟件上主要通過對壓力波形的斜率進行判斷,開啟積分后,對采樣的加速度數(shù)據(jù)進行積分運算。停止積分后所有運動學參數(shù)復位,并停止積分。
　　4、按壓垂直性測量。按壓垂直性測量主要在上一次按壓結(jié)束后到這一次按壓開始這段靜止時間內(nèi)對三軸加速度進行采集,并對若干采樣數(shù)據(jù)進行求平均后,再

8、進行幾何運算得到傾斜角度。
　　硬件設計：
　　1、實驗平臺:本文實驗平臺主要有自行搭建的人工按壓平臺,集成有位移電子尺以及壓力傳感器。此外還在復蘇安妮模擬人上進行按壓實驗。
　　2、胸外按壓加速度信號采集:本文系統(tǒng)研究了ADXL345加速度傳感器,加速度模塊HQ7102工作特性以及設計在本文中相應的匹配電路。
　　3、壓力采集電路：本文選用適用于人工胸外按壓壓力采集的壓力應變片,并搭建相應濾波放大和AD轉(zhuǎn)換電路

9、。
　　4、其他外圍電路：主要搭建了語音電路,LED深度顯示以及電源電路等。
　　結(jié)果:本系統(tǒng)經(jīng)過若干次調(diào)試后,選用和人體胸廓具有類似力學特性的復蘇安妮模擬人上進行283次連續(xù)按壓,并實時將系統(tǒng)積分結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C上與模擬人內(nèi)位移傳感器進行比較,發(fā)現(xiàn)在95％的置信范圍內(nèi),測量精度可以達到0.6cm。同時在按壓平臺上進行傾角測量實驗,系統(tǒng)計算傾角與平臺上固有旋轉(zhuǎn)齒輪讀書最大誤差為2°左右,遠遠滿足人工胸外按壓中傾斜程度測量。并