基于OpenHarmony的新型智能電動(dòng)吸痰器

陳元亮，戴洋毅，瑚 琦

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院；2.上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引言

冬春季是各類呼吸道疾病的高發(fā)期，老年患者因體弱、咳痰反射差，容易出現(xiàn)痰液堵塞呼吸道問題，若痰液清理不及時(shí)，輕則導(dǎo)致患者呼吸困難，重則窒息死亡［1-2］。吸痰術(shù)是排除呼吸道潴留分泌物的有效方法之一，在臨床上已得到廣泛應(yīng)用［2-4］，吸痰器是吸痰術(shù)必備的醫(yī)療器件之一。

然而，傳統(tǒng)吸痰器無法脫離市電使用，因此在戶外、急救、野戰(zhàn)等場景下無法使用。并且，傳統(tǒng)吸痰器由于操作繁瑣、智能化程度低、無吸痰計(jì)時(shí)功能等缺陷，存在較高的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了吸痰器的廣泛應(yīng)用。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與醫(yī)療行業(yè)的深度融合，智慧醫(yī)療逐漸成為國家重要的戰(zhàn)略資源，使用嵌入式技術(shù)賦能傳統(tǒng)醫(yī)療器械成為當(dāng)下熱點(diǎn)研究話題［5］。

目前，便攜式電動(dòng)吸引器大部分使用蓄電池供電，可應(yīng)用于戶外、急救和野戰(zhàn)場景，但無法調(diào)整吸引負(fù)壓，對不同年齡段病人的普適性不足［6-7］。經(jīng)過改良的電動(dòng)吸痰器增加了機(jī)械調(diào)壓裝置調(diào)整吸引負(fù)壓，但存在操作繁瑣、耗時(shí)長、使用不靈活等缺陷［8］。智能化程度更高的多功能微型電動(dòng)吸痰器使用按鈕選擇吸痰負(fù)壓檔位，方便快捷，但無法顯示吸痰時(shí)長，存在吸痰操作超時(shí)風(fēng)險(xiǎn)，并且設(shè)計(jì)成本較高，不利于大面積推廣［9］。

針對上述不足之處，本文設(shè)計(jì)了一種基于OpenHarmony 操作系統(tǒng)的智能電動(dòng)吸痰器。通過嵌入式技術(shù)，結(jié)合氣壓傳感器與動(dòng)態(tài)雙閾值算法實(shí)現(xiàn)吸痰壓力快速調(diào)節(jié)、過壓保護(hù)、吸痰計(jì)時(shí)功能。此外，該設(shè)備使用鋰電池供電，擺脫了市電限制，可應(yīng)用于戶外、急救和野戰(zhàn)等場景，相較于傳統(tǒng)吸痰器操作更簡單，智能化程度更高，可對吸痰操作精準(zhǔn)計(jì)時(shí)并顯示，降低了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1 所示，電動(dòng)吸痰器系統(tǒng)由控制器、負(fù)壓泵、電磁泄壓閥、氣壓傳感器、緩沖瓶和過濾器組成，臨床吸痰時(shí)還需連接儲(chǔ)液瓶、真空控制裝置、吸痰管，設(shè)備實(shí)物圖如圖2所示。

Fig.1 System design framework圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

Fig.2 Physical equipment圖2 實(shí)物設(shè)備

臨床行吸痰術(shù)時(shí)，操作者首先在無菌條件下手持吸痰管經(jīng)患者口鼻進(jìn)入患者呼吸道，隨后將吸痰管撤回2cm，打開真空控制裝置，痰液將在大氣壓差作用下進(jìn)入儲(chǔ)液瓶。

在系統(tǒng)組成部分中，緩沖瓶、過濾器可有效阻止痰液及水汽進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，避免設(shè)備損壞。氣壓傳感器用于監(jiān)測氣路負(fù)壓大小。控制器根據(jù)操作者選擇的吸痰負(fù)壓值控制負(fù)壓泵運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)氣路負(fù)壓過高時(shí)，控制器將開啟電磁泄壓閥對氣路進(jìn)行泄壓，以確保氣路負(fù)壓維持在安全范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖3 所示，系統(tǒng)硬件由處理器、鋰電池、人機(jī)交互模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中，處理器采用華為海思Hi3861V100 芯片，主要負(fù)責(zé)處理各傳感器數(shù)據(jù)及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；人機(jī)交互模塊由顯示屏、按鍵和聲光報(bào)警電路組成，按鍵設(shè)計(jì)采用硬件濾波電路，可有效解決因機(jī)械抖動(dòng)引發(fā)的重復(fù)觸發(fā)問題；聲光報(bào)警電路由三極管驅(qū)動(dòng)的有源蜂鳴器與LED 組成；傳感器模塊由氣壓傳感器、電池電量監(jiān)測傳感器組成，氣壓傳感器選用BMP280 芯片，該芯片測量范圍為300～1100hPa（絕對壓力），具有高精度、高線性度和長期穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)；電池電量傳感器選用CW2015芯片，該芯片能跟蹤電池的運(yùn)行狀況估算電池電量；驅(qū)動(dòng)模塊由負(fù)壓泵驅(qū)動(dòng)電路和電磁泄壓閥驅(qū)動(dòng)電路組成；驅(qū)動(dòng)電路由IVCR2405 驅(qū)動(dòng)芯片和LR7843 場效應(yīng)管組成，可滿足負(fù)壓泵長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行和電磁泄壓閥快速開閉的需求。

Fig.3 Hardware design framework圖3 硬件設(shè)計(jì)框架

2.2 軟件設(shè)計(jì)

圖4 為軟件設(shè)計(jì)方案，該軟件基于OpenHarmony 操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，主要由人機(jī)交互任務(wù)、氣壓檢測任務(wù)、負(fù)壓泵驅(qū)動(dòng)任務(wù)組成。

Fig.4 Software design solutions圖4 軟件設(shè)計(jì)方案

2.2.1 OpenHarmony操作系統(tǒng)

OpenHarmony 是由開放原子開源基金會(huì)孵化運(yùn)營的開源項(xiàng)目，是面向全場景、全連接、全智能時(shí)代的一個(gè)智能終端設(shè)備操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（Common Microcontroller Software Interface Standard，CMSIS），可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)代碼跨平臺(tái)的快速移植［10-11］。

目前，OpenHarmony 支持輕量系統(tǒng)、小型系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，輕量系統(tǒng)主要面向硬件資源有限的微控制器（Microcontroller Unit，MCU）類處理器設(shè)備，采用輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（LiteOS）內(nèi)核，針對不同系列芯片又可分為LiteOSM、LiteOS-A。

本文系統(tǒng)所使用的LiteOS-M 內(nèi)核具有體積小、功耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)，包含硬件相關(guān)層與無關(guān)層。其中，硬件相關(guān)層提供統(tǒng)一的硬件抽象層接口（Hardware Abstraction Layer，HAL）；硬件無關(guān)層包含基礎(chǔ)內(nèi)核與擴(kuò)展內(nèi)核，基礎(chǔ)內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、通信機(jī)制、中斷異常、時(shí)間管理和軟件定時(shí)器功能，擴(kuò)展內(nèi)核提供C++支持、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊等組件能力。

任務(wù)調(diào)度支持多任務(wù)，采用搶占式調(diào)度機(jī)制［12-13］，具有32 個(gè)優(yōu)先級，高優(yōu)先級任務(wù)可打斷低優(yōu)先級任務(wù)，相同優(yōu)先級任務(wù)支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度［14］。通信機(jī)制包括事件、消息隊(duì)列、互斥鎖、信號(hào)量，事件用于任務(wù)間同步操作，消息隊(duì)列用于任務(wù)間通信，互斥鎖保證資源不會(huì)被多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問，信號(hào)量是一種鎖機(jī)制，用于限制同一時(shí)刻對同一資源訪問的最大任務(wù)數(shù)目［15］。

時(shí)間管理是以系統(tǒng)時(shí)鐘為基礎(chǔ)，為應(yīng)用程序提供所有與時(shí)間相關(guān)的服務(wù)［16］。軟件定時(shí)器基于系統(tǒng)時(shí)鐘中斷，由軟件模擬的定時(shí)器，解決了硬件定時(shí)器易受限于硬件資源的問題，擴(kuò)展了定時(shí)器數(shù)量，當(dāng)軟件定時(shí)器經(jīng)過設(shè)定的系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)值時(shí)則觸發(fā)用戶定義的回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。

系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，OpenHarmony 操作系統(tǒng)首先創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)任務(wù)，在臨時(shí)任務(wù)中再創(chuàng)建消息隊(duì)列、事件集、各子任務(wù)，之后銷毀臨時(shí)任務(wù)并開始運(yùn)行各子任務(wù)。

2.2.2 人機(jī)交互任務(wù)

由于不同年齡段的病人使用吸痰器時(shí)所需吸痰負(fù)壓不同，因此吸痰負(fù)壓檔位可調(diào)功能必不可少。根據(jù)國內(nèi)研究記錄［3，6，8，17-18］，系統(tǒng)設(shè)置13.3kPa（兒童）、26.6kPa（弱）、33.25kPa（中）、40kPa（強(qiáng)）和53.3kPa（濃痰）共5 個(gè)吸痰負(fù)壓檔位。

圖5 為人機(jī)交互任務(wù)流程，任務(wù)主要由按鍵檢測、顯示屏顯示、聲光報(bào)警功能組成。首先，操作者通過面板上“上”“下”“運(yùn)行”“停止”按鍵選擇合適的吸痰檔位，系統(tǒng)向消息隊(duì)列中寫入被選定的吸痰負(fù)壓值后開始運(yùn)行。然后，系統(tǒng)獲取吸痰操作計(jì)時(shí)值，并判斷吸痰是否超時(shí)，若吸痰時(shí)長超過12s 將亮起紅色LED 燈，蜂鳴器以1Hz 的頻率發(fā)出提示音；若吸痰時(shí)長超過15s將快速閃爍紅色LED 燈，蜂鳴器發(fā)出急促警報(bào)聲，提醒用戶盡快結(jié)束本次吸痰操作，避免患者因氣管痙攣導(dǎo)致缺氧窒息。最后，顯示屏刷新顯示內(nèi)容。

Fig.5 Human machine interaction task flow圖5 人機(jī)交互任務(wù)流程

2.2.3 氣壓檢測任務(wù)

傳統(tǒng)電動(dòng)吸痰器通常采用指針式氣壓表顯示當(dāng)前氣路負(fù)壓值，但該方法所使用的負(fù)壓表通常采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量并顯示，精度易受環(huán)境溫度影響，既無法準(zhǔn)確反饋真實(shí)的負(fù)壓值，又無法保證氣路負(fù)壓值保持在目標(biāo)負(fù)壓值內(nèi)，存在一定的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文系統(tǒng)采用氣壓傳感器，結(jié)合環(huán)境溫度修正氣壓數(shù)據(jù)，保證在不同溫度環(huán)境下輸出的氣壓值準(zhǔn)確無誤。

氣壓檢測任務(wù)由傳感器初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、算法識(shí)別和數(shù)據(jù)寫入組成。任務(wù)開始時(shí)，系統(tǒng)通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）向傳感器依次發(fā)送復(fù)位、保持時(shí)間、濾波器、壓力過采樣等設(shè)置命令，隨后讀取出廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，完成傳感器初始化工作。任務(wù)主循環(huán)中，系統(tǒng)首先通過IIC 總線讀取傳感器原始溫度和氣壓數(shù)據(jù)，結(jié)合出廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算真實(shí)氣壓值。

然而，由于隔膜泵會(huì)產(chǎn)生脈沖式負(fù)壓，導(dǎo)致氣壓傳感器采集的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。為此，系統(tǒng)首先采用移動(dòng)平均算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理效果如圖6 所示；然后使用閾值算法識(shí)別吸痰管真空控制裝置開閉狀態(tài)并對吸痰操作進(jìn)行計(jì)時(shí)；最后將預(yù)處理后的氣壓數(shù)據(jù)和吸痰計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)寫入消息隊(duì)列。

Fig.6 Moving average algorithm processing effect圖6 移動(dòng)平均算法處理效果

2.2.4 負(fù)壓泵驅(qū)動(dòng)任務(wù)

由于吸痰負(fù)壓過高可能導(dǎo)致患者呼吸道黏膜損傷、肺不張和低血氧癥［17-19］，因此保證氣路負(fù)壓不超過設(shè)定吸痰負(fù)壓值至關(guān)重要。

傳統(tǒng)電動(dòng)吸痰器負(fù)壓泵多采用固定功率運(yùn)行，若患者所需吸痰負(fù)壓較低，而負(fù)壓調(diào)整裝置泄壓速度較慢，將導(dǎo)致氣路負(fù)壓過高，增加醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的吸痰負(fù)壓值數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)壓泵運(yùn)行功率，再結(jié)合氣壓傳感器數(shù)據(jù)控制電磁泄壓閥開啟的頻率和時(shí)長，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。該設(shè)計(jì)不僅能大幅降低設(shè)備電能消耗，還能保證氣路負(fù)壓不超過設(shè)定值，提高了設(shè)備安全性。

3 吸痰計(jì)時(shí)功能實(shí)現(xiàn)

由于吸痰過程中病人的氧氣會(huì)被部分或完全中斷，所以吸痰持續(xù)時(shí)長不宜過長。目前，公認(rèn)的吸痰持續(xù)時(shí)長應(yīng)小于15s［9，17-21］，然而傳統(tǒng)吸痰器并不具備吸痰計(jì)時(shí)功能，若操作者操作時(shí)未能控制吸痰時(shí)長，將導(dǎo)致患者呼吸道痙攣，增加醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

為此，本文系統(tǒng)使用氣壓傳感器，結(jié)合閾值識(shí)別算法主動(dòng)識(shí)別吸痰操作開始的動(dòng)作并計(jì)時(shí)，當(dāng)吸痰超過12s 時(shí)發(fā)出弱提示，當(dāng)吸痰超過15s時(shí)發(fā)出強(qiáng)警告，提醒操作者盡快結(jié)束吸痰操作。

3.1 狀態(tài)機(jī)

為了便于編程和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)引入狀態(tài)機(jī)進(jìn)行管理，運(yùn)行狀態(tài)分別為待機(jī)、就緒和吸痰。其中，待機(jī)表示設(shè)備開機(jī)但負(fù)壓泵和真空控制裝置關(guān)閉；就緒表示負(fù)壓泵工作，氣路產(chǎn)生負(fù)壓，真空控制裝置保持關(guān)閉，患者端不產(chǎn)生負(fù)壓；吸痰表示真空控制裝置開啟，患者端產(chǎn)生負(fù)壓。起始狀態(tài)為待機(jī)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

Fig.7 State machine state transition圖7 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.2 閾值識(shí)別算法

靜態(tài)閾值識(shí)別法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)配置固定的閾值，當(dāng)超過或低于該閾值時(shí)即刻觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作。本文系統(tǒng)共設(shè)置5個(gè)吸痰負(fù)壓檔位，每個(gè)檔位產(chǎn)生的負(fù)壓值各不相同，若使用相同閾值將導(dǎo)致不同檔位識(shí)別延遲不一致，不便于后續(xù)處理。

動(dòng)態(tài)閾值識(shí)別法基于系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整識(shí)別的閾值。在動(dòng)態(tài)單閾值識(shí)別法中，某一吸痰檔位僅設(shè)置一個(gè)閾值用于識(shí)別，當(dāng)超過或低于該閾值時(shí)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作，但當(dāng)信號(hào)反復(fù)振蕩，多次穿過閾值時(shí)會(huì)導(dǎo)致識(shí)別結(jié)果抖動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此通常在識(shí)別成功后加入一個(gè)時(shí)間窗口，在該時(shí)間窗口內(nèi)不再進(jìn)行識(shí)別。然而，該方法無法保證時(shí)間窗口結(jié)束后信號(hào)是否穩(wěn)定，識(shí)別結(jié)果會(huì)出現(xiàn)間斷性反復(fù)振蕩現(xiàn)象。為解決這一潛在風(fēng)險(xiǎn)，本文系統(tǒng)引入動(dòng)態(tài)雙閾值識(shí)別算法，即當(dāng)系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)時(shí)，使用閾值T1作為識(shí)別閾值；當(dāng)系統(tǒng)處于吸痰時(shí)，使用閾值T2作為識(shí)別閾值。

式中，x為吸痰檔位的負(fù)壓值，單位為Pa。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文在實(shí)驗(yàn)時(shí)使用1.5%濃度的POLYOX 水溶性樹脂混凝劑作為模擬痰液，該濃度溶劑與人類氣道分泌的痰液的粘度和表面特性類似［22］。

圖8 為分別使用動(dòng)態(tài)單閾值和動(dòng)態(tài)雙閾值識(shí)別算法對同一段數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別的結(jié)果，該段數(shù)據(jù)采集自40kPa（強(qiáng)）檔位且剛打開真空控制裝置的場景。由于吸痰管中含有濕潤吸痰管時(shí)殘留的生理鹽水，因此氣路負(fù)壓在上升的過程中出現(xiàn)多次波動(dòng)。

由圖8（a）可見，動(dòng)態(tài)單閾值識(shí)別法由于數(shù)據(jù)波動(dòng)，系統(tǒng)在吸痰、就緒階段反復(fù)變化，導(dǎo)致吸痰計(jì)時(shí)被反復(fù)重置。由圖8（b）所示的動(dòng)態(tài)雙閾值識(shí)別法可見，系統(tǒng)首先使用數(shù)值較大的T1作為識(shí)別閾值，當(dāng)系統(tǒng)處于吸痰狀態(tài)時(shí)使用數(shù)值較小的T2作為識(shí)別閾值，由于圖中負(fù)壓數(shù)據(jù)高于T2，因此識(shí)別結(jié)果并未出現(xiàn)反復(fù)變化的現(xiàn)象。

Fig.8 Comparison of recognition effects of different recognition algorithms圖8 不同識(shí)別算法識(shí)別效果比較

通過比較圖8（a）、圖8（b）的識(shí)別起點(diǎn)可知，動(dòng)態(tài)雙閾值識(shí)別法要慢于動(dòng)態(tài)單閾值識(shí)別法。為了準(zhǔn)確測量識(shí)別算法的延遲大小，實(shí)驗(yàn)測試時(shí)在吸痰管真空控制裝置處加裝了一個(gè)電子開關(guān)，并接入處理器，當(dāng)開閉真空控制裝置時(shí)，電子開關(guān)將同步觸發(fā)，系統(tǒng)便可采集到觸發(fā)信號(hào)并通過串口輸出至電腦端。

圖9 為電腦端采集的大量數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取的一段數(shù)據(jù)繪制的曲線，該段數(shù)據(jù)來源于13.3kPa（兒童）檔位且打開真空控制裝置，等待氣路負(fù)壓穩(wěn)定后吸痰的場景。由此可見，識(shí)別結(jié)果的起點(diǎn)明顯遲于真空控制裝置開閉時(shí)刻。分析表明，該延遲主要來源于移動(dòng)平均算法和緩沖瓶。

Fig.9 Delay test results圖9 延遲測試結(jié)果

通過多次實(shí)驗(yàn)測試可知，從打開真空控制裝置到算法識(shí)別出該動(dòng)作的延遲均值為440ms，該延遲與吸痰負(fù)壓檔位無關(guān)，與是否等待負(fù)壓穩(wěn)定后再開始吸痰操作相關(guān)。為此，系統(tǒng)顯示屏將在顯示時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償440ms以抵消延遲。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，從關(guān)閉真空控制裝置到算法識(shí)別該動(dòng)作的延遲均值為1 776ms，由于關(guān)閉真空控制裝置時(shí)患者端負(fù)壓即刻消失，故該延遲并未對患者造成任何損傷，因此不作處理。

通過上述實(shí)驗(yàn)測定，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定，魯棒性較強(qiáng)，識(shí)別開閉吸痰管真空控制裝置及時(shí)，吸痰計(jì)時(shí)精確，適用性和可行性較高。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于OpenHarmony 操作系統(tǒng)的智能電動(dòng)吸痰器，通過使用嵌入式技術(shù)，結(jié)合氣壓傳感器和動(dòng)態(tài)雙閾值算法實(shí)現(xiàn)吸痰壓力快速調(diào)節(jié)、過壓保護(hù)、吸痰計(jì)時(shí)功能。系統(tǒng)簡化了吸痰術(shù)的操作流程，縮短了吸痰術(shù)前的準(zhǔn)備時(shí)間，減輕了吸痰術(shù)中操作者的負(fù)擔(dān)，降低了患者因吸痰超時(shí)造成氣管痙攣和缺氧加重的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)測定，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，吸痰負(fù)壓調(diào)節(jié)快速精確，吸痰計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于算法識(shí)別存在延遲問題，而OpenHarmony 具有強(qiáng)大的分布式和物聯(lián)網(wǎng)能力，后續(xù)將與科室智慧醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，以進(jìn)一步降低吸痰動(dòng)作信號(hào)的延遲。