微加速度傳感器在人工胸外按壓中的應(yīng)用與實(shí)物研究.pdf

1、目的：近年人類(lèi)心腦血管類(lèi)疾病呈高發(fā)趨勢(shì),心源性疾病成為危害人類(lèi)健康的一大重要?dú)⑹?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(shí)有效地心肺復(fù)蘇(cardiopulmonaryresuscitation,CPR)治療是此類(lèi)患者生還的唯一機(jī)會(huì)。胸外按壓是心肺復(fù)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(guó)內(nèi)外大量臨床急救調(diào)研發(fā)現(xiàn),在急

2、救現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中,施救者大多屬于非醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)目擊者,無(wú)胸外按壓訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn),面對(duì)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng),不知所措,貽誤了急救良機(jī),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(shì)不對(duì),易發(fā)生傾斜,且大多數(shù)按壓沒(méi)有完全回彈。而在院內(nèi),對(duì)于專(zhuān)業(yè)急救人員,依然存在按壓規(guī)范,胸外按壓效果并不樂(lè)觀。因此,心肺復(fù)蘇領(lǐng)域迫切需要一種能夠?qū)崟r(shí)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(dǎo)儀器,在心肺復(fù)蘇訓(xùn)練領(lǐng)域,向廣大院外社區(qū)推廣,進(jìn)行全

3、民胸外按壓訓(xùn)練,提高全民急救水平,這對(duì)院外心臟驟?；颊呱媛适侵陵P(guān)重要的。同時(shí),對(duì)于院內(nèi)急救臨床上,來(lái)不及展開(kāi)大型自動(dòng)心肺復(fù)蘇設(shè)備時(shí),也可采用人工胸外按壓指導(dǎo)儀進(jìn)行人工按壓進(jìn)行過(guò)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(dǎo)儀器,主要對(duì)人工胸外按壓深度、垂直性、頻率進(jìn)行測(cè)量,并給予相應(yīng)的指導(dǎo)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(jìn)行二次積分得到胸外按壓深度的方法;其次針對(duì)二次積分過(guò)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(fù)位機(jī)制,在壓力上升到特定閾值時(shí)刻,表示按壓開(kāi)始,開(kāi)啟積分;當(dāng)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(kāi)始,依次循環(huán)。經(jīng)過(guò)積分復(fù)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(bǔ)償算法,進(jìn)行補(bǔ)償;針對(duì)按壓過(guò)程中發(fā)生傾斜問(wèn)題,本文根據(jù)傾角儀設(shè)計(jì)原理,在兩次按壓間隔期間,按壓相對(duì)靜止時(shí)刻對(duì)三軸加速度傳感器三敏

5、感軸上重力加速度分量進(jìn)行空間幾何運(yùn)算,計(jì)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(dāng)傾斜角度超過(guò)預(yù)設(shè)角度,即向施救者發(fā)出報(bào)警;最后,還設(shè)計(jì)了胸外按壓節(jié)拍器,采用語(yǔ)音提示和LED閃爍方式,進(jìn)行100次/分鐘的胸外按壓提示,防止在按壓訓(xùn)練和急救中按壓頻率過(guò)低的現(xiàn)象。
　　研究?jī)?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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文二次積分算法主要基于梯形

6、積分算法,軟件設(shè)計(jì)中包括加速度信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣,設(shè)置合理的采樣間隔作為積分時(shí)間間隔。研究胸外按壓過(guò)程中加速度特性、速度特性和位移特性,進(jìn)行相應(yīng)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(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料研究可能造成胸外按壓過(guò)程二次積分漂移的可能因素主要包括:直流分量、力學(xué)-運(yùn)動(dòng)學(xué)不對(duì)稱(chēng)性、按壓-回彈過(guò)程時(shí)間不對(duì)稱(chēng)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(fù)位機(jī)制算

7、法。主要通過(guò)采集胸外按壓壓力,根據(jù)壓力波形對(duì)按壓開(kāi)始點(diǎn),結(jié)束點(diǎn)以及按壓最深處這幾個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。并在按壓開(kāi)始點(diǎn)開(kāi)啟積分,按壓最深處停止積分,直到下一次按壓開(kāi)始。軟件上主要通過(guò)對(duì)壓力波形的斜率進(jìn)行判斷,開(kāi)啟積分后,對(duì)采樣的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算。停止積分后所有運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)復(fù)位,并停止積分。
　　4、按壓垂直性測(cè)量。按壓垂直性測(cè)量主要在上一次按壓結(jié)束后到這一次按壓開(kāi)始這段靜止時(shí)間內(nèi)對(duì)三軸加速度進(jìn)行采集,并對(duì)若干采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均后,再

8、進(jìn)行幾何運(yùn)算得到傾斜角度。
　　硬件設(shè)計(jì)：
　　1、實(shí)驗(yàn)平臺(tái):本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有自行搭建的人工按壓平臺(tái),集成有位移電子尺以及壓力傳感器。此外還在復(fù)蘇安妮模擬人上進(jìn)行按壓實(shí)驗(yàn)。
　　2、胸外按壓加速度信號(hào)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(shè)計(jì)在本文中相應(yīng)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(yīng)變片,并搭建相應(yīng)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(yǔ)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(guò)若干次調(diào)試后,選用和人體胸廓具有類(lèi)似力學(xué)特性的復(fù)蘇安妮模擬人上進(jìn)行283次連續(xù)按壓,并實(shí)時(shí)將系統(tǒng)積分結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上與模擬人內(nèi)位移傳感器進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在95％的置信范圍內(nèi),測(cè)量精度可以達(dá)到0.6cm。同時(shí)在按壓平臺(tái)上進(jìn)行傾角測(cè)量實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)計(jì)算傾角與平臺(tái)上固有旋轉(zhuǎn)齒輪讀書(shū)最大誤差為2°左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足人工胸外按壓中傾斜程度測(cè)量。并