荊 斌 張 鵬 劉 遠(yuǎn) 張 巍

心肺復(fù)蘇設(shè)備檢定的參數(shù)采集與分析*

荊 斌① 張 鵬① 劉 遠(yuǎn)① 張 ?、?/p>

目的：在既往研究的基礎(chǔ)上建立參數(shù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確、高效的參數(shù)采集與分析。方法：建立并簡化心肺復(fù)蘇參數(shù)模型，通過信號波形轉(zhuǎn)化、曲線擬合等方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的快速采集。結(jié)果：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了心肺復(fù)蘇設(shè)備檢測參數(shù)的快速采集和等效處理過程。結(jié)論：心肺復(fù)蘇設(shè)備檢定的參數(shù)采集可廣泛應(yīng)用于心肺復(fù)蘇設(shè)備的臨床檢測，其應(yīng)用對提高相關(guān)設(shè)備的快速檢定具有重要意義。

心肺復(fù)蘇；檢定；智能系統(tǒng)；建模

[First-author’s address] Medical Engineering Department of No.307 Hospital of PLA, Beijing 100071, China.

近年來，隨著心肺復(fù)蘇設(shè)備在臨床的廣泛使用，對購置和維修后的設(shè)備如何進(jìn)行檢測、判斷機(jī)器各項(xiàng)參數(shù)、功能是否正常以及杜絕不合格產(chǎn)品進(jìn)入臨床應(yīng)用，已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)問題。據(jù)美國食品和藥物管理局統(tǒng)計(jì)，患者在使用不合格心肺復(fù)蘇機(jī)中約10%會導(dǎo)致死亡，33%會導(dǎo)致嚴(yán)重傷害，其他則會導(dǎo)致輕微或潛在傷害[1]。

加強(qiáng)心肺復(fù)蘇機(jī)的應(yīng)用管理和質(zhì)量控制對提高其安全性和使用效率、提高臨床救治的成功率以及減少臨床風(fēng)險均具有極其重要的意義。

1 心肺復(fù)蘇機(jī)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在醫(yī)用質(zhì)量檢測裝置測量的基礎(chǔ)上，解決心肺復(fù)蘇機(jī)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析等問題，并制作心肺復(fù)蘇機(jī)的檢測技術(shù)方案，通過編制心肺復(fù)蘇機(jī)信息分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和處理的自動化。

1.1 參數(shù)選擇

根據(jù)“2010心肺復(fù)蘇與心血管急救指南”的建議，將胸廓按壓、快速通氣作為心肺復(fù)蘇的主要手段，其救治效果主要由以下參數(shù)反映[2-3]：①胸廓按壓，包括按壓頻率、胸骨下陷深度(按壓深度)、按壓力及按壓周期；②快速通氣，包括呼吸頻率、潮氣量、氧濃度及吸呼比，通氣參數(shù)的檢測可參照呼吸機(jī)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)測量；③綜合參數(shù)，按壓/通氣比(按壓與呼吸次數(shù)比)，最新研究結(jié)果表明，按壓與呼吸之比為30∶2，其復(fù)蘇效果較好。

1.2 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)由胸廓模擬傳感器、采集電路、信號放大器及數(shù)據(jù)處理算法構(gòu)成。

(1)傳感器。采用激光流速傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、可靠性高以及易于微型化和集成電路化。激光流速傳感器的工作原理基于多普勒效應(yīng)，當(dāng)波源和觀測者彼此接近時所接收到的頻率變高，而當(dāng)波源和觀測者彼此分開時所接收到的頻率變低。當(dāng)激光照射到體模運(yùn)動的微粒上時激光被運(yùn)動著的微粒(可看作波源)所散射，散射光的頻率與入射光的頻率之差和位移成正比[4]。

(2)采集電路。系統(tǒng)采用多路和多參數(shù)的采集和控制，利用多路模擬開關(guān)，從傳感器獲得的電信號，由于傳輸過程中的各種噪聲干擾，工作現(xiàn)場的電磁干擾，前段電路本身的影響，往往會有多種頻率成分的噪聲信號，嚴(yán)重情況下其噪聲信號甚至?xí)蜎]有效輸入信號，致使測試無法正常進(jìn)行。為了減少噪聲信號對測控過程的影響，增加帶通濾波措施濾除干擾噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比[5]。A/D轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用其將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809[6]。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制A/D轉(zhuǎn)換程序[7]。

(3)信號放大。電壓信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后采集，由于電壓信號較低，故在后端加入放大器進(jìn)行二次處理。系統(tǒng)同時采用了軟件放大的方式，通過設(shè)置加權(quán)而改變信號顯示。

2 采集信號的數(shù)據(jù)分析

如圖1所示，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由建模算法、信號轉(zhuǎn)換、脈沖測量及數(shù)據(jù)核驗(yàn)組成。主要完成數(shù)據(jù)的按壓頻率、胸骨下陷深度和按壓周期的計(jì)算，并具有數(shù)據(jù)存儲功能。

2.1 數(shù)據(jù)模型

心肺復(fù)蘇按壓力的時間曲線如圖2所示，時間OC為一個按壓周期，在該周期內(nèi)，H為按壓力峰值，曲線OH為壓縮期，即胸廓受力收縮期，OA為壓縮期時長；曲線HC為擴(kuò)張期，即胸廓復(fù)位期，其中曲線B'C呈現(xiàn)波動狀態(tài)，與胸廓表面張力受力、內(nèi)部氣流節(jié)律、傳感器靈敏度等相關(guān)[3，8]。

設(shè)按壓力為F，則待測參數(shù)間存在以下的關(guān)系：

由表1可知，通過建立壓力信號簡化模型，通過設(shè)置閾值OQ，檢測就能夠簡化為按壓力和時間點(diǎn)的測量[9]。

2.2 波形轉(zhuǎn)換

將采集后的波形經(jīng)過預(yù)處理后，統(tǒng)計(jì)比較出周期內(nèi)壓力“拐點(diǎn)”，建立類三角波轉(zhuǎn)換模型，并結(jié)合周期特征生成脈沖波轉(zhuǎn)換模型，最終可由脈沖測量電路快速測得。

(1)周期內(nèi)壓力特征點(diǎn)提取。如圖2a所示，模型化三角波波形由O''H及HB'構(gòu)成，周期內(nèi)壓力“拐點(diǎn)”主要為：O''、H、B'點(diǎn)，通過采集數(shù)個周期內(nèi)信號比較可以獲得。通過確定的“拐點(diǎn)”擬合出模型化三角波信號，從而獲得脈沖波信號[9-12]。

以H采集點(diǎn)為例，連續(xù)采集H1、H2、H3、…Hm、H、Hm+1…Hn點(diǎn)。

分別根據(jù)公式1、公式2和公式3確定特征點(diǎn)：

圖1 心肺復(fù)蘇設(shè)備信號采集與分析系統(tǒng)流程

表1 檢測參數(shù)計(jì)算表

(2)波形擬合。根據(jù)計(jì)算的特征點(diǎn)，在H點(diǎn)將模型化三角波設(shè)為公式4分段函數(shù)：

圖2 心肺復(fù)蘇設(shè)備壓力模型參數(shù)關(guān)系圖

實(shí)際測量值yk稱為yk的估計(jì)值，yk與yk之間的差通常稱為殘差。殘差參數(shù)的確定將使殘差的平方和達(dá)到最小，即為最小。用最小二乘法確定參數(shù)a，b。按最小二乘法，應(yīng)使取最小值。將獲得的三角波函數(shù)值分別以H點(diǎn)設(shè)置高低值，即轉(zhuǎn)換為脈沖信號[13]。

2.3 模型化脈沖寬度時間測量

利用定時器的門控信號GATE進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的測量。分別設(shè)置定時器T1、T2，對T1而言，如果GATE=0，使軟件控制位TR1=1，且被測INT1為高電平方可啟動定時器T1，即定時器T1的啟動要受外部中斷請求信號INT1的影響。利用此特點(diǎn)，被測脈沖信號從INT1端引入，其上升沿啟動T1計(jì)數(shù)，下降沿停止T1計(jì)數(shù)。定時器的計(jì)數(shù)值乘以定時器周期即為脈沖寬度[12-13]。

2.4 脈沖頻率測量

如圖3所示，通過在設(shè)置的時間內(nèi)對脈沖個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與時間的比值就是信號頻率。令定時器T0工作中可得到定時間隔，再進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)，形成測量閘門信號。在測量閘門信號期間令計(jì)數(shù)器T1對脈沖信號的頻率計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值存入COUNT、COUNT+1和COUNT+2單元，計(jì)數(shù)值可通過軟件顯示出來[12，14]。

圖3 測量脈沖頻率的程序設(shè)計(jì)

2.5 計(jì)算機(jī)控制端程序

通過VC開發(fā)工具編寫的上位機(jī)軟件，上位機(jī)通過串口RS 232與主控制芯片模塊連接。軟件分為控制設(shè)置面板、系統(tǒng)狀態(tài)框及顯示面板3個部分。在軟件里設(shè)置參考壓力、采樣時間的初始參數(shù)后點(diǎn)擊運(yùn)行，系統(tǒng)即開始工作。工作時在控制面板里可輸出采集數(shù)據(jù)，如當(dāng)前采樣時間、測量壓力和已運(yùn)行時間運(yùn)行完畢后蜂鳴器會長鳴提示。通過顯示面板可以實(shí)施監(jiān)測和控制，提高操作的靈活性和直觀性。

3 結(jié)語

本研究參照臨床心肺復(fù)蘇救治特點(diǎn)及“軍隊(duì)衛(wèi)生裝備質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)范”，設(shè)計(jì)心肺復(fù)蘇設(shè)備臨床應(yīng)用質(zhì)量檢測方法，為心肺復(fù)蘇設(shè)備的質(zhì)量控制提供參考，進(jìn)一步完善現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備保障制度，為研制心肺復(fù)蘇設(shè)備臨床應(yīng)用質(zhì)量檢測裝置和設(shè)備性能評估提供方法，將心肺復(fù)蘇設(shè)備的臨床質(zhì)量檢測科學(xué)化、規(guī)范化和自動化，從而有效降低心肺復(fù)蘇設(shè)備臨床使用風(fēng)險。

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The acquisition and analysis on test parameters for cardiopulmonary resuscitation equipment/

JING Bin, ZHANG Peng, LIU Yuan, et al// China Medical Equipment,2014,11(2):20-22.

Objective: Cardiopulmonary resuscitation equipment is widely used in clinic, based on previous studies, this paper focused on the establishment of data acquisition system to achieve data acquisition and analysis accurate and efficient. Methods: Based on the data acquisition system, CPR device simplify CPR parameter model to achieve rapid acquisition parameters by the transformation of the signal waveform and curve fitting methods. Results: The system implements CPR device detects rapid acquisition parameters and equivalent process. Conclusion: It can be widely used in cardiopulmonary resuscitation equipment, clinical testing, and important to improve the rapid test related equipment.

Cardiopulmonary resuscitation; Verification; Intelligent systems; Modeling

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.006

1672-8270(2014)02-0020-03

R496

A

2013-11-07

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)課題(2011-JL2-040)“心肺復(fù)蘇機(jī)臨床應(yīng)用質(zhì)量檢測裝置的研制”

①解放軍第307醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100071

荊斌,男,(1985- ),碩士，工程師。解放軍第307醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，研究方向：醫(yī)院信息化，醫(yī)療智能算法。