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?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)治療是此類患者生還的唯一機(jī)會。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)國內(nèi)外大量臨床急救調(diào)研發(fā)現(xiàn),在急

2、救現(xiàn)場實(shí)際操作中,施救者大多屬于非醫(yī)學(xué)專業(yè)的現(xiàn)場目擊者,無胸外按壓訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn),面對事發(fā)現(xiàn)場,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(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,這對院外心臟驟?；颊呱媛适侵陵P(guān)重要的。同時(shí),對于院內(nèi)急救臨床上,來不及展開大型自動心肺復(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,主要對人工胸外按壓深度、垂直性、頻率進(jìn)行測量,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(fù)位機(jī)制,在壓力上升到特定閾值時(shí)刻,表示按壓開始,開啟積分;當(dāng)壓力上升到最大值表示按壓到最深處,停止積分,直到下一次按壓開始,依次循環(huán)。經(jīng)過積分復(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;針對按壓過程中發(fā)生傾斜問題,本文根據(jù)傾角儀設(shè)計(jì)原理,在兩次按壓間隔期間,按壓相對靜止時(shí)刻對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(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)閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)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(xué)-運(yùn)動學(xué)不對稱性、按壓-回彈過程時(shí)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(fù)位機(jī)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(diǎn),結(jié)束點(diǎn)以及按壓最深處這幾個特征點(diǎn)進(jìn)行識別。并在按壓開始點(diǎn)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(jìn)行判斷,開啟積分后,對采樣的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算。停止積分后所有運(yùn)動學(xué)參數(shù)復(fù)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(shí)間內(nèi)對三軸加速度進(jìn)行采集,并對若干采樣數(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:本文實(shí)驗(yàn)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(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(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),測量精度可以達(dá)到0.6cm。同時(shí)在按壓平臺上進(jìn)行傾角測量實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足人工胸外按壓中傾斜程度測量。并