班晓江，刘海涛，申宏兴，蒙萌康，丛明轩，陈志彬
（辽宁科技大学电信学院，辽宁 鞍山 114000）
心脏骤停在生活中时有发生，每年约有54 万人发生心脏骤停，且有向青年化、低龄化的方向发展的趋势，能否在4 min 内实施有效的心肺复苏术是保障发病者生命健康的前提。现阶段国内仍以人工心肺复苏为主，极少见自动、智能的心肺复苏仪，加之中国人口基数大，人工心肺复苏的普及率与心脏骤停发病率不成正比，在心肺复苏术普及过程中普通民众对该项技术的掌握也参差不齐，由此导致一般在紧急情况下已有的条件不足以支持发病者能够接受到有效的心肺复苏治疗，导致此类病人的生还概率大大减小。所以，笔者决定研发一款专业、规范化的心肺复苏设备，在紧急情况下对危重病人进行急救。
该仪器定位为傻瓜式一键启动，内置参数不可调，以提高其稳定性、易用性，以此降低该心肺复苏仪的使用门槛，提高普及率和救助的成功率。在使用仪器前应当严格遵照心肺复苏术的基本要求对患病者进行处理，救助者帮助患病者穿戴好仪器。当仪器启动时，往复按压模块、自动求救模块、压力监测记录模块同时开始工作。
其中，往复按压模块包括往复运动装置、无刷直流电机及其驱动，按压头与人体接触处采用软质材料包裹，并且装有电阻应变片检测按压力。自动求救模块包括卫星定位模块ATGM336H 和支持GSM/GPRS的SⅠM900A 通信模块。压力监测模块包括电阻转电压信号模块等。
2.1 主控芯片
采用STM32F103ZET6 芯片作为主控，专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，内置高达128 K 字节的Flash 存储器，具有丰富的通用端口，同时具有一流的外设资源。
2.2 往复按压模块
心搏骤停不同于任何慢性病终末期的心脏停搏，若及时采取正确有效的复苏措施，病人能被挽回生命并得到康复，有效的心肺复苏要求成人按压幅度5～6 cm，按压频率为100～120 次/min。选取如图1 所示的往复运动装置。往复按压运动时，将其固定于胸骨正上方。按压动力来源采用直流无刷电机搭配PLF060-L1 紧密行星减速机。PLF060-L1 拥有 1.5 倍的额定输出转矩和3 倍额定输出转矩的制动转矩，可选3～100 的减速比，而质量仅为1.35 kg。
图1 往复装置尺寸图（单位：mm）
2.3 自动求救模块
定位模块采用ATGM336H-5N 进行输入，经过STM32 处理后由SⅠM900A 发送一条包含求救信号和经纬度的信息给上位机。ATGM336H-5N 模块支持现存的4 种定位系统，定位精度在空旷地能达2.5 m，板载E2PROM 可设置保存波特率等信息、加速热启动搜星，连续运行功耗小于25 mA，强大和全面的功能契合设计要求。SⅠM900A 采用工业标准接口，工作频段为双频GSM/GPRS，通过AT 命令控制，供应电压范围为3.3～5 V，在待机模式下功耗为1.5 mA，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息传输，能满足各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。
2.4 传感器模块
以MD30-60 薄膜压力传感器为压力变化采集端，接压力转电压模块放大信号后与STM32F 连接可以直接用于重力高精度的测量，属于自行设计制造的一种小型测量仪器。首先利用OP07 运算放大器将传感器检测输出的微弱电压信号进行初级放大，经过多路模拟开关MC14051B 进行分时选通。然后经OP07 放大电路将该信号进行二次放大，放大后的电压信号送入STM32 中进行模数转换，转换完的数据经STM32 单片机进行防脉冲干扰平均值滤波、自校准和数据融合处理后存储到非易失性数据存储器Flash 中。存储的压力数据可作为凭证，减少因为责任认定不清而产生的纠纷。压力阈值为340～350 N。
3.1 输出部分设计
当电机转速恒定时其扭矩恒定，可以得到一个较稳定的运行状态，加入了以电流反馈的PⅠD 闭环控制使电机处于稳定状态，减少飞车现象的发生。以定时器做无刷电机编码器接口配置，采取卡尔曼滤波，使得输出更加平滑、稳定。设定上下限阈值，当电机转速超标后紧急停车，同时将转速存入Flash。
3.2 求救信号发送
定位模块启动之后将定位信息以帧格式NMEA0183 协议与主控芯片进行通信，选取$GPRMC格式进行解码以得到地理信息。以辽宁科技大学工程实训楼的定位数据为例，解码后得UCT 时间为111240.000，A，N4 105.916 76，E12 303.855 89，数据处理后得北京时间19：24：40，地点为北纬41.098 613°，东经123.064 265°。或转为度分秒格式N：41°05"55.006″，E：123°03"51.353″。TENNA OK*35 为结束标志位。将以上信息装载完成后以SⅠM900A 发送给救援队。
辽宁科技大学工程实训楼定位数据如图2 所示。
图2 辽宁科技大学工程实训楼定位数据
3.3 压力数据记录
当信号采集放大电路传入数据后，经单片机处理转为压力数据，存入Flash。
4.1 工作流程设计思路与调试
自动心肺复苏仪器工作流程如图3 所示。
图3 自动心肺复苏仪器工作流程
4.2 无刷直流电机控制设计与仿真实验
Proteus 中无刷电机模型可以显示其转速，在调试中将期望值设置为200 r/min，并先后导入开环和闭环控制程序，进行对比察，显示开环达成率为98.2%，闭环达成率为99.95%。开环运行与闭环运行相比，设定期望和实际转速之间的误差差距大，在按压过程中转速不受控制。由此，选择闭环控制无刷直流电机的运行。且在软件仿真中，电机的实时性降低也会存在偏差，在实际应用中闭环控制对电机转速控制与期望值相比波动在可控范围内。
4.3 定位和信号发送
以辽宁科技大学工程实训楼作为数据采集点。在实际应用中，定位模块在室内通常搜索不到卫星信号，并且当设备从开阔地移动到室内时卫星信号也会丢失，导致下次搜索卫星信号所需时间变长。出现该现象出现的原因是墙体的隔断作用，安装室外接受天线，或者在家用心肺复苏仪中预先输入患者家庭的住址和联系方式，在卫星定位信息不可用时自动发送信息。心肺复苏仪发出救助信息后，急救中心能够及时接收到事发地的经纬度定位信息。在实际应用中，急救中心需要借助特定软件确定救助者的具体位置，并规划快速到达救助点的线路。
4.4 压力传感器
在调试中，读取AD 值模拟压力变化，转化为压力显示，通过串口打印，调试完毕后更改串口输出为Flash 存储。处理器在接收到压力值后与设定阈值进行比较，如果检测值超过设定阈值，则按压电机立即停止。
4.5 结构
人机连接处的按压杠头处用面积较大塑料片减小压强，再裹上一个球形胶套，既可以增大受力面积减小压强以保护人体少受伤害，又能传达足够的压力使胸廓下陷，各个模块排版后以往复运动装置为中心，将模块固定于往复运动装置的周围，形成按压主体，而后构建外壳模型，利用3D 打印机无模具成型的特点，打印出按压主体外壳。按压外壳整体结构呈现倒三角形，便于放置在患者胸骨上方，在患者背部搭配一块带有2 个背包插扣的硬质塑料板，通过背包带连接按压主体和硬质塑料板。对于不同体型的患者利用背包扣利于调节的特点，由施救者调节背包带长度。患者和按压头紧密贴合的，只需控制往复按压模块的冲程便可调节按压深度。调试中利用加速度传感器的校正、基于速度曲线修正的综合修正方法获得的2 次修正的加速度信号，再通过二次积分获得加速度传感器的位移，即心肺复苏的按压深度，为心肺复苏施救者提供更精确的参考和辅助，保证心肺复苏的质量。
本文设计了一种自动心肺复苏仪，实现了对心脏骤停病人的急救且附带求救功能。将一项具有个体差异化的应用技术规范化。有研究表明，在按压开始1～2 min 后，施救者的按压质量开始下降，表现为频率和幅度以及胸壁复位情况均不理想，导致此现象出现的原因是救助者的体力不支，自动心肺复苏仪可解决这个问题。在实验测量中，该心肺复苏仪可稳定使胸腔稳定下陷5 cm，能节省施救者的体力，使其能够更好地对患者进行救助。
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