基于5G的緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機(jī)設(shè)計(jì)方案的研究

王浩文，陳宏文，竇建洪，王雙衛(wèi)，王婷婷，胡榜

1. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，廣東 廣州 510515；2. 中國(guó)人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 麻醉科，廣東 廣州 510000；3. 深圳市安保科技有限公司 研發(fā)部，廣東 深圳 518052

引言

心肺復(fù)蘇是一種用于搶救心搏驟停患者的急救措施，心肺復(fù)蘇機(jī)（Cardiopulmonary Resuscitation Machine，CRM）是患者心臟驟停時(shí)搶救生命的有效醫(yī)療設(shè)備，特別是在災(zāi)難救援時(shí)更是發(fā)揮著巨大作用。為了實(shí)現(xiàn)心肺復(fù)蘇的及時(shí)性[1-3]、灌注血流量[4-7]等要求，其經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。如圖1 所示為第1 代自動(dòng)心肺復(fù)蘇機(jī)工作原理，其主要模擬徒手心肺復(fù)蘇原理，通過(guò)氧氣氣動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的點(diǎn)式按壓，但不便攜帶，耗氧量大，不能保證患者的通氣質(zhì)量，且胸骨骨折率高于人工心肺復(fù)蘇[8-9]。如圖2 所示為第2 代心肺復(fù)蘇機(jī)的工作原理，其突破了第1代心肺復(fù)蘇機(jī)單點(diǎn)按壓的方式，通過(guò)綁帶讓整個(gè)胸腔均勻受力[10]。如圖3 所示為第3 代自動(dòng)心肺復(fù)蘇機(jī)的工作原理，其采用全胸腔包裹式的3D 按壓方式，在做點(diǎn)式按壓的基礎(chǔ)上，同時(shí)擠壓胸腔，模擬心臟工作機(jī)理[11]，該設(shè)備符合2010 版AHA 心肺復(fù)蘇指南的要求，具有體積較小、易攜帶、肋骨骨折率低等優(yōu)勢(shì)[12]。雖然目前我國(guó)已可自主生產(chǎn)常規(guī)醫(yī)療使用的心肺復(fù)蘇機(jī)，但尚無(wú)能夠滿足搭載航天器進(jìn)行災(zāi)難救援的心肺復(fù)蘇設(shè)備。基于此，本研究融合5G 通訊[13-14]、機(jī)載航空設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)[15]，以及最新的3D按壓技術(shù)設(shè)計(jì)一款可用于緊急救援的便攜式心肺復(fù)蘇機(jī)，以期提升我國(guó)緊急救援水平。

圖1 第1代心肺復(fù)蘇機(jī)按壓原理示意圖

圖2 第2代心肺復(fù)蘇機(jī)按壓原理示意圖

圖3 第3代心肺復(fù)蘇機(jī)按壓原理示意圖

2 設(shè)計(jì)方案

本研究應(yīng)用5G、深度傳感器、智能控制算法等技術(shù)，并綜合考慮電磁兼容性和航空適航等要求進(jìn)行新一代緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.1 整體設(shè)計(jì)

如圖4 所示，本系統(tǒng)主要包含按壓傳動(dòng)模塊、電源模塊、二氧化碳模塊、5G 通信模塊、液晶顯示屏、深度傳感器和主控板等。其中按壓傳動(dòng)模塊用于執(zhí)行按壓動(dòng)作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋按壓深度信息到主控板；電源模塊包含大容量蓄電池組，為整機(jī)提供電能供應(yīng)，并實(shí)時(shí)反饋電池狀態(tài)到主控板；二氧化碳模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者呼出氣體中二氧化碳含量，并反饋到主控板；5G 通信模塊用于將設(shè)備工作情況和救援狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器；液晶顯示屏和薄膜按鍵用于人機(jī)交互；主控板用于整體控制整機(jī)各模塊協(xié)調(diào)運(yùn)作。

圖4 緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機(jī)系統(tǒng)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 按壓傳動(dòng)模塊

為了提高患者的存活率，減少心肺復(fù)蘇機(jī)的重量和體積，增長(zhǎng)心肺復(fù)蘇機(jī)持續(xù)工作時(shí)間，該設(shè)備采用了電動(dòng)電控的3D 胸外按壓模式，有效地節(jié)約了氧氣，提高救治成功率。3D 按壓技術(shù)綜合了心泵理論和胸泵原理的優(yōu)勢(shì)，相比于單點(diǎn)按壓和分布式按壓有更好的治療效果。①3D 按壓50%的按壓深度就能超過(guò)單點(diǎn)按壓的灌注效果；②3D按壓胸腔內(nèi)正負(fù)壓絕對(duì)值均高于單點(diǎn)按壓，更有利于血液回流和灌注；③3D 按壓造成肋骨骨折概率更小，可減少并發(fā)癥和損傷；④3D 按壓腦部灌注血流量遠(yuǎn)高于單點(diǎn)按壓腦部灌注血流量；⑤3D 按壓有更好的復(fù)蘇后神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)。此外3D 按壓用綁帶固定患者，無(wú)需按壓背板，方便操作[16]。

圖5 緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機(jī)工作示意圖

按壓深度根據(jù)《2020 年美國(guó)心臟協(xié)會(huì)心肺復(fù)蘇和心血管急救指南》[17]設(shè)計(jì)：成人按壓深度至少為5 cm，并使胸廓完全回彈；兒童按壓深度應(yīng)≥1/3 胸部前后徑，且按壓深度不可過(guò)大（應(yīng)＜6 cm），避免增加損傷。該設(shè)備的按壓深度為0～60 mm，按壓深度連續(xù)可調(diào)，在按壓頭處裝有深度傳感器，方便及時(shí)做出調(diào)整。按壓位置主要為胸骨的下半部。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)患者實(shí)施胸外按壓。無(wú)刷直流電機(jī)相比于其他電機(jī)的優(yōu)勢(shì)如下：具有更好的控制精度、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性、工作效率高、工作時(shí)間長(zhǎng)、噪聲較小、轉(zhuǎn)速范圍更大、體積和重量較小。在運(yùn)行中，采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合深度傳感器反饋情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制信號(hào)輸出占空比，控制無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)模塊，電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為按壓頭的垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者胸部均速穩(wěn)定按壓。為提高工作效率保證設(shè)備安全，在電機(jī)的對(duì)應(yīng)位置設(shè)置散熱孔和散熱扇。

2.2.2 電源模塊

在應(yīng)急醫(yī)療救援場(chǎng)景下，尤其是在野外等缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)所，缺少供電系統(tǒng)，因此要選擇一種便捷耐用的可移動(dòng)電源來(lái)支持心肺復(fù)蘇機(jī)正常工作。該心肺復(fù)蘇機(jī)選用可充電鋰離子電池為按壓模塊和控制模塊供電，電池容量為3 000 mAh，最長(zhǎng)工作時(shí)間可達(dá)8 h，最長(zhǎng)充電時(shí)間（22 ℃）小于5 h，使用壽命可達(dá)200 次（每次工作時(shí)長(zhǎng)在10 min以上），同時(shí)在對(duì)應(yīng)位置安裝散熱扇保證電池正常工作。

2.2.3 呼吸末CO2模塊

呼 吸 末CO2（End-tidal of Carbon Dioxide，EtCO2）模塊組裝在心肺復(fù)蘇機(jī)內(nèi)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者呼出氣體中的CO2濃度。研究表明，如果PEtCO2持續(xù)小于10 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），成功復(fù)蘇概率較低。在心搏驟停患者CPR 過(guò)程中實(shí)施PEtCO2監(jiān)測(cè)，可提高CPR 質(zhì)量，以提高存活率，對(duì)預(yù)測(cè)和評(píng)估臨床預(yù)后有重要意義，具有較高的推廣價(jià)值[17]。

測(cè)量呼出氣中的CO2的方法很多，臨床常用的一種方法是紅外線分析法，這種分析法原理是讓紅外光透過(guò)待測(cè)氣體樣本，而CO2分子能夠吸收特定波長(zhǎng)（4.26 μm）的紅外光，使紅外光照射待測(cè)氣體樣本，紅外光的能量因被代測(cè)氣體中的CO2吸收而衰減，其衰減程度可用光電換能元件探測(cè)并將之轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)紅外光衰減的能量可以推算出CO2濃度，并根據(jù)CO2濃度波形確定呼吸頻率[18]。

圖6 C200型呼吸末CO2模塊

2.2.4 5G通信模塊

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較低延遲、更高速度和超大連接密度的優(yōu)點(diǎn)，可以在更低的成本下組建一個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)平臺(tái)。通過(guò)5G 模塊將監(jiān)測(cè)到的生理數(shù)據(jù)和設(shè)備設(shè)置等參數(shù)傳輸至公用或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，經(jīng)處理后將監(jiān)測(cè)結(jié)果提供給遠(yuǎn)程醫(yī)生或?qū)＜覍?duì)病情進(jìn)行判斷，同時(shí)醫(yī)生和專家也可以根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整治療計(jì)劃、參數(shù)設(shè)置等[19]。其工作模式如圖7 所示。

圖7 5G通信模塊工作模式示意圖

2.2.5 航空適應(yīng)性設(shè)計(jì)

面對(duì)突發(fā)性事件，急救人員要盡快趕往急救現(xiàn)場(chǎng)，用航空飛行器可以排除交通擁堵等影響，縮短到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)和搶救運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，增加患者生存率。航空醫(yī)學(xué)救援不僅對(duì)醫(yī)務(wù)人員的身心素質(zhì)、專業(yè)水平有嚴(yán)格的要求，也對(duì)醫(yī)療裝備提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。目前航空醫(yī)學(xué)救援以直升機(jī)為主，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但空間有限[20]，電子設(shè)備集成度高，醫(yī)療設(shè)備與原載機(jī)設(shè)備之間的力學(xué)與電磁干擾為影響飛行與使用的主要問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是飛機(jī)主要振源，機(jī)載設(shè)備的振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)引起的受迫振動(dòng)[21]；電磁干擾源主要有雷達(dá)發(fā)射機(jī)、通信發(fā)射機(jī)、導(dǎo)航發(fā)射機(jī)等[22]。針對(duì)航空醫(yī)療救援的特點(diǎn)，需要對(duì)該心肺復(fù)蘇機(jī)進(jìn)行航空適航和電磁兼容性設(shè)計(jì)，監(jiān)護(hù)屏幕采用內(nèi)凹式設(shè)計(jì)防止飛機(jī)振動(dòng)；對(duì)設(shè)備供電線纜、高頻信號(hào)線纜進(jìn)行屏蔽和磁環(huán)濾波處理，抑制干擾源，阻斷耦合途徑。電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中避免航空特殊頻段元器的使用，對(duì)于無(wú)法避免的器件，如晶振等采取接地和屏蔽的方式避免空間輻射泄漏，整機(jī)主機(jī)部分如圖8 所示。

圖8 整機(jī)主機(jī)樣機(jī)示意圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 按壓傳動(dòng)模塊

按壓頻率根據(jù)《2020 年美國(guó)心臟協(xié)會(huì)心肺復(fù)蘇和心血管急救指南》[17]，對(duì)于成人和兒童都應(yīng)當(dāng)以100～120 次/min的頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。按壓-通氣比的設(shè)計(jì)：如果沒有高級(jí)氣道，成人應(yīng)采用30 ∶2 的按壓-通氣比率，兒童應(yīng)采用15 ∶2的按壓-通氣比率。在有高級(jí)通道的情況下，每6 s 給予1次呼吸。該設(shè)備設(shè)計(jì)三種按壓模式：15 ∶2 按壓通氣比模式、30 ∶2 按壓通氣比模式以及連續(xù)按壓模式。

2.3.2 監(jiān)護(hù)界面

為使按壓過(guò)程可視化，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界面選用TFT 彩色2.4 英寸非觸摸屏，屏幕分辨率320×240 像素。屏幕的主界面如圖9 所示，顯示按壓模式、按壓深度、按壓時(shí)間以及EtCO2水平。設(shè)置界面如圖10 所示，可以設(shè)置按壓模式，查看工作日志，設(shè)置通訊參數(shù)等。通過(guò)上述監(jiān)護(hù)界面急救人員可以及時(shí)得到心肺復(fù)蘇質(zhì)量反饋，提高搶救效率。

圖9 主界面

圖10 設(shè)置界面

3 結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的性能，本團(tuán)隊(duì)采用模型人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行心肺復(fù)蘇效果測(cè)試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11～13 和表1 所示，分別進(jìn)行了30 ∶2 模式、15 ∶2 模式和連續(xù)按壓模式的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)際按壓深度與設(shè)置值偏差僅為1.3%，且在按壓深度參考區(qū)間內(nèi)。按壓-通氣比也與設(shè)置值一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果全部合格，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 30∶2模式模型人測(cè)試數(shù)據(jù)

圖12 15∶2模式模型人測(cè)試數(shù)據(jù)

圖13 連續(xù)按壓模式模型人測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖14 模式模型人測(cè)試場(chǎng)景

4 討論

綜合以上測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，首先，本設(shè)計(jì)所采用結(jié)合電動(dòng)電控的3D 按壓心肺復(fù)蘇方式無(wú)須攜帶氧氣瓶，減小設(shè)備體積的同時(shí)也極大地降低了設(shè)備重量，整個(gè)設(shè)備的重量?jī)H為8.9 kg，相比上一代氣動(dòng)電控按壓技術(shù)，減輕重量約2.5 kg，進(jìn)一步提升了設(shè)備的便攜特性[23]。

其次，在按壓通氣精度方面，30 ∶2 模式、15 ∶2 模式和連續(xù)按壓模式均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，按壓深度偏差也在合理范圍內(nèi)。這一按壓通氣比例是根據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)最新的心肺復(fù)蘇指南[17]進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)以往研究顯示，85.6%的醫(yī)院急救人員均采用這一比例的按壓通氣比[24]，相對(duì)于現(xiàn)有心肺復(fù)蘇機(jī)4 ∶1 模式[25]、3 ∶1 模式[26]、5 ∶1 模式[27]，這一設(shè)計(jì)更有利于對(duì)于提高心肺復(fù)蘇的成功率。

再次，EtCO2模塊和5G 通信模塊的加入，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者呼出CO2的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程救援協(xié)助。以“心肺復(fù)蘇機(jī)”為關(guān)鍵詞檢索百度學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，得到歷年生物醫(yī)學(xué)工程類文獻(xiàn)636 篇，其中關(guān)于心肺復(fù)蘇機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)的文章14 篇，均未提及對(duì)患者呼出CO2的監(jiān)測(cè)，然而這對(duì)于提高心肺復(fù)蘇效率卻起著十分重要的作用[16]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)療行業(yè)正逐步朝著無(wú)線化、智能化和遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展，醫(yī)療與通信技術(shù)的跨界融合已成趨勢(shì)，醫(yī)療終端的通信能力、通信技術(shù)是當(dāng)前智能化醫(yī)療設(shè)備研發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。利用5G 進(jìn)行醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸精確度可達(dá)99.2%[19]，這為遠(yuǎn)程救援的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性提供了保障；同時(shí)，5G 模塊的搭載對(duì)于診前、診中、診后均具有重要的意義：診前后臺(tái)救援調(diào)度平臺(tái)可以統(tǒng)一管理救援設(shè)備的電池情況，發(fā)布培訓(xùn)信息，提供救援建議、決策等；診中后臺(tái)可以實(shí)時(shí)獲取救援情況，提供救援指導(dǎo)；診后還便于統(tǒng)一收集救援信息，避免數(shù)據(jù)的丟失或遺漏，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析。

此外，在航空適航方面，本設(shè)計(jì)從元器件選型、電路設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用電磁兼容性能良好的配件或方案，使得整機(jī)能順利通過(guò)《RTCA DO-160G 機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)》[28]和《EN BS 13718 空中救援使用的醫(yī)療設(shè)備的要求》[29]的測(cè)試要求。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的不斷發(fā)展，人民對(duì)生命保障能力的需求更加迫切，而當(dāng)下我國(guó)緊急醫(yī)學(xué)救援的精準(zhǔn)化、智能化、信息化和便捷度和應(yīng)急救援能力仍存在不足。為解決應(yīng)急醫(yī)療救援場(chǎng)景下的便捷式智能救援和生命支持設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，提升緊急醫(yī)學(xué)救援隊(duì)伍的裝備保障和遠(yuǎn)程投送能力，本研究設(shè)計(jì)了一款基于5G 的緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機(jī)。該心肺復(fù)蘇機(jī)采用電動(dòng)電控的方式，無(wú)須壓縮氧氣，既保證了特殊環(huán)境下設(shè)備的持續(xù)工作，又可滿足體積小、重量輕、方便操作的需求；經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)際按壓深度與設(shè)置值偏差僅為1.3%，且在按壓深度參考區(qū)間內(nèi)；按壓-通氣比也與設(shè)置值一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果全部合格，滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)將5G 技術(shù)應(yīng)用到其中，并滿足航空適航要求，可實(shí)現(xiàn)救援現(xiàn)場(chǎng)、醫(yī)院實(shí)時(shí)互聯(lián)和滿足航空緊急救援使用條件。