微加速度传感器在人工胸外按压中的应用与实物研究

摘要

目的：近年人类心脑血管类疾病呈高发趋势,心源性疾病成为危害人类健康的一大重要杀手,例如各种原因造成的心脏骤停,发病率较高,且多发生在院外社区。及时有效地心肺复苏(cardiopulmonaryresuscitation,CPR)治疗是此类患者生还的唯一机会。胸外按压是心肺复苏治疗的重要内容,是基础生命支持(BasicLifeSupport,BLS)的关键和中心环节,在很多情况下,甚至是唯一技术手段。然而据国内外大量临床急救调研发现,在急救现场实际操作中,施救者大多属于非医学专业的现场目击者,无胸外按压训练经验,面对事发现场,不知所措,贻误了急救良机,或者胸外按压技术欠缺,按压深度偏小,按压频率不够,按压姿势不对,易发生倾斜,且大多数按压没有完全回弹。而在院内,对于专业急救人员,依然存在按压规范,胸外按压效果并不乐观。因此,心肺复苏领域迫切需要一种能够实时反映胸外按压深度,力度,频率,垂直性等重要参数的人工胸外按压指导仪器,在心肺复苏训练领域,向广大院外社区推广,进行全民胸外按压训练,提高全民急救水平,这对院外心脏骤停患者生存率是至关重要的。同时,对于院内急救临床上,来不及展开大型自动心肺复苏设备时,也可采用人工胸外按压指导仪进行人工按压进行过渡。
　　方法：本文将着重探索一种轻巧便携式的人工胸外按压指导仪器,主要对人工胸外按压深度、垂直性、频率进行测量,并给予相应的指导提示。本文摒弃了传统的电子尺、霍尔传感器、超声传感器等传统位移传感器,采用一种间接的加速度—位移二次积分的方法,根据胸外按压加速度进行二次积分得到胸外按压深度的方法;其次针对二次积分过程中各种因素造成的积分漂移现象提出了基于按压压力的积分复位机制,在压力上升到特定阈值时刻,表示按压开始,开启积分;当压力上升到最大值表示按压到最深处,停止积分,直到下一次按压开始,依次循环。经过积分复位后的按压深度依然有一定的误差,本文采用了一定的软件补偿算法,进行补偿;针对按压过程中发生倾斜问题,本文根据倾角仪设计原理,在两次按压间隔期间,按压相对静止时刻对三轴加速度传感器三敏感轴上重力加速度分量进行空间几何运算,计算出加速度传感器平面与水平面的倾斜角度,即胸外按压倾斜角度,当倾斜角度超过预设角度,即向施救者发出报警;最后,还设计了胸外按压节拍器,采用语音提示和LED闪烁方式,进行100次/分钟的胸外按压提示,防止在按压训练和急救中按压频率过低的现象。
　　研究内容：本文主要研究工作主要包括以下几方面:
　　软件算法：
　　1、加速度—位移二次积分算法设计和实现。本文二次积分算法主要基于梯形积分算法,软件设计中包括加速度信号的实时采样,设置合理的采样间隔作为积分时间间隔。研究胸外按压过程中加速度特性、速度特性和位移特性,进行相应的加速度平滑滤波。
　　2、研究二次积分漂移现象以及可能影响因素。调阅国内外大量文献资料研究可能造成胸外按压过程二次积分漂移的可能因素主要包括:直流分量、力学-运动学不对称性、按压-回弹过程时间不对称性、按压结束空间位置不一致性、按压倾斜、按压环境因素。
　　3、基于压力的积分复位机制算法。主要通过采集胸外按压压力,根据压力波形对按压开始点,结束点以及按压最深处这几个特征点进行识别。并在按压开始点开启积分,按压最深处停止积分,直到下一次按压开始。软件上主要通过对压力波形的斜率进行判断,开启积分后,对采样的加速度数据进行积分运算。停止积分后所有运动学参数复位,并停止积分。
　　4、按压垂直性测量。按压垂直性测量主要在上一次按压结束后到这一次按压开始这段静止时间内对三轴加速度进行采集,并对若干采样数据进行求平均后,再进行几何运算得到倾斜角度。
　　硬件设计：
　　1、实验平台:本文实验平台主要有自行搭建的人工按压平台,集成有位移电子尺以及压力传感器。此外还在复苏安妮模拟人上进行按压实验。
　　2、胸外按压加速度信号采集:本文系统研究了ADXL345加速度传感器,加速度模块HQ7102工作特性以及设计在本文中相应的匹配电路。
　　3、压力采集电路：本文选用适用于人工胸外按压压力采集的压力应变片,并搭建相应滤波放大和AD转换电路。
　　4、其他外围电路：主要搭建了语音电路,LED深度显示以及电源电路等。
　　结果:本系统经过若干次调试后,选用和人体胸廓具有类似力学特性的复苏安妮模拟人上进行283次连续按压,并实时将系统积分结果传输到上位机上与模拟人内位移传感器进行比较,发现在95％的置信范围内,测量精度可以达到0.6cm。同时在按压平台上进行倾角测量实验,系统计算倾角与平台上固有旋转齿轮读书最大误差为2°左右,远远满足人工胸外按压中倾斜程度测量。并将按压深度检测技术和按压节拍技术集成到第一代样机上。
　　结论：本文研究为人工胸外按压深度等重要参数监测技术的应用和推广提供了一种有效途径。利用该系统可以引导施救者进行高质高效的胸外按压。也可用于非专业医护人员可进行胸外按压训练,引导其实施正确的胸外按压操作。对于我国全民急救水平有较大提高,尤其对于发生在院外的心脏骤停具有重要意义,患者可以在第一时间得到基础生命支持,直到急救人员赶到,可大大提高心脏骤停患者生存率。

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图目录

中文摘要

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第1章绪论

1.1 心肺复苏基础理论

1.2 国际心肺复苏指南

1.3 胸外按压现状

1.4 国内外胸外按压深度监测仪器研究现状

1.5 本文研究工作

第2章二次积分理论与积分漂移因素分析

2.1 加速度-位移二次积分理论

2.2 二次积分漂移影响因素分析

2.3 加速度二次积分中的积分复位机制

2.4 基于压力的积分复位机制

第3章 胸外按压倾斜测量

3.1 胸外按压倾斜下加速度分析

3.2 基于三轴加速度的胸外按压倾角测量

第4章 结果与讨论

4.1 胸外按压深度测量结果与讨论

4.2 胸外按压垂直性测量结果讨论

第5章 实验开展与样机制作

5.1系统整体设计流程

5.2 EVAL-ADXL345-DB评估板和ADXL345加速度传感器

5.3 微型压力应变片

5.4胸外按压深度LED指示

5.5 胸外按压语音设计与按压节拍指示

5.6 胸外按压实验平台

5.7胸外按压深度检测样机研制

第6章 总结与展望

参考文献

附录

文献综述

在学期间取得的成果及发表的代表性论著（全文）

代表性论著全文

作者简历

致谢