丁杰雄，陳沈儉，魏思琪，徐吉瑞，吳麗紅

（電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川成都611731）

1 引 言

心肺復(fù)蘇（cardiopulmonary resuscitation，CPR）是全球普及應(yīng)用最廣泛的急救技術(shù)，它通過(guò)胸外按壓、人工呼吸、電除顫技術(shù)來(lái)?yè)尵刃呐K驟停的患者［1］。其中，胸外按壓是心肺復(fù)蘇期間的主要環(huán)節(jié)，是保證心臟驟停患者實(shí)現(xiàn)心臟自主循環(huán)恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)［2-3］。目前眾多的醫(yī)學(xué)院、醫(yī)療單位主要利用模擬人對(duì)醫(yī)護(hù)人員、醫(yī)學(xué)生進(jìn)行胸外按壓培訓(xùn)和考核?？己朔绞绞窃谛赝獍磯翰僮鹘Y(jié)束后，參照《美國(guó)心臟協(xié)會(huì)心肺復(fù)蘇及心血管急救指南》的要求，通過(guò)按壓位置、按壓深度、按壓頻率、按壓回彈率這幾個(gè)指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合人工觀察來(lái)判斷學(xué)員的胸外按壓質(zhì)量［3］。這樣的評(píng)判方法對(duì)人工依賴(lài)大、主觀性強(qiáng)、缺少對(duì)胸外按壓全過(guò)程的比較，影響學(xué)員胸外按壓操作的改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員胸外按壓質(zhì)量的客觀量化評(píng)價(jià)，本研究提出將學(xué)員的按壓信號(hào)與高質(zhì)量按壓信號(hào)進(jìn)行相似性度量的胸外按壓訓(xùn)練評(píng)價(jià)方法。

目前，基于過(guò)程數(shù)據(jù)的相似性度量方法在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。張大海［4］利用自主研制的簽名設(shè)備獲取簽名過(guò)程中的力信息后，采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法對(duì)不同的簽名樣本進(jìn)行相似性度量后，準(zhǔn)確地區(qū)分出了真實(shí)簽名和偽造簽名。王犇等人［5］通過(guò)采集行走過(guò)程中的加速度信號(hào)，利用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法對(duì)小波變換提取到的特征點(diǎn)序列進(jìn)行相似性度量，很好地實(shí)現(xiàn)了步態(tài)身份認(rèn)證。劉彤彤等人［6］對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行特征表示后，分別采用基于歐氏距離、相關(guān)系數(shù)和曼哈頓距離的相似性度量方法對(duì)不同類(lèi)型的ECG信號(hào)進(jìn)行了分析。章丹頌等人［7］通過(guò)采集中醫(yī)推拿過(guò)程的力信號(hào)，利用自定義的相似度計(jì)算方法衡量了不同操作者之間的推拿力，并將其應(yīng)用在了推拿垂直作用力信號(hào)的分析中。

另外，分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果發(fā)現(xiàn)，基于信號(hào)相似性度量的評(píng)價(jià)方法在動(dòng)作識(shí)別、操作質(zhì)量評(píng)估以及心電信號(hào)分析等方面的應(yīng)用比較廣泛，但是在胸外按壓訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用寥寥無(wú)幾。因此，將相似性度量方法應(yīng)用于胸外按壓訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)價(jià)意義重大。

2 按壓深度采集系統(tǒng)

心肺復(fù)蘇仿生模擬人由胸部骨架模型、傳感器等部分組成，見(jiàn)圖1。其中胸外按壓過(guò)程中關(guān)鍵的深度信號(hào)由激光位移傳感器采集。

圖1 心肺復(fù)蘇模擬人示意圖Fig.1 Diagram of CPR simulation manikin

當(dāng)學(xué)員進(jìn)行胸外按壓操作時(shí)，模擬人體內(nèi)的位移傳感器實(shí)時(shí)采集按壓過(guò)程中的深度信號(hào)，深度信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)打包后，通過(guò)無(wú)線模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸。胸外按壓操作結(jié)束后，上位機(jī)上的胸外按壓訓(xùn)練軟件系統(tǒng)將按壓深度信號(hào)以Excel文檔的形式保存至本地，為后續(xù)的相似性度量做準(zhǔn)備。整個(gè)胸外按壓信號(hào)采集流程見(jiàn)圖2。

圖2 胸外按壓信號(hào)采集流程Fig 2 Acquisition process of chest compression signals

3 胸外按壓信號(hào)相似性度量原理與算法實(shí)現(xiàn)

目前，常用的相似性度量方法主要有基于形狀的相似性度量和基于特征的相似性度量［8］?；谛螤畹南嗨菩远攘糠椒ㄒ罁?jù)信號(hào)序列上的具體點(diǎn)，利用歐式距離、夾角余弦、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲等算法直接計(jì)算兩個(gè)信號(hào)序列之間的距離，并以此衡量?jī)烧叩南嗨瞥潭?。基于特征的相似性度量方法以原始的信?hào)序列為基礎(chǔ)，從信號(hào)序列中提取出時(shí)域特征、頻域特征或時(shí)頻特征，利用歐氏距離、夾角余弦等距離度量算法計(jì)算特征序列之間的距離，并以此表征原始信號(hào)之間的相似度?；谔卣鞯南嗨菩远攘糠椒ㄍㄟ^(guò)深入挖掘信號(hào)的特征信息，以信號(hào)本身的特點(diǎn)作為相似性度量依據(jù)，在計(jì)算效率和度量準(zhǔn)確度方面都顯示出一定的優(yōu)越性。本研究采用基于特征的方法對(duì)胸外按壓過(guò)程中的深度信號(hào)進(jìn)行相似性度量。

基于胸外按壓信號(hào)近似周期的特點(diǎn)，本研究提取胸外按壓操作過(guò)程中每次按壓動(dòng)作的按壓深度、持續(xù)時(shí)間、按壓回彈率、按壓與放松時(shí)間比、按壓過(guò)程的平均速度、放松過(guò)程的平均速度、按壓過(guò)程的最大速度、按壓過(guò)程的最大加速度、按壓過(guò)程的平均加速度總共9個(gè)時(shí)域特征，則學(xué)員的一次胸外按壓操作可以通過(guò)一組由時(shí)域特征構(gòu)成的多元時(shí)間序列表征。最后將學(xué)員胸外按壓信號(hào)的時(shí)域特征序列和高質(zhì)量的胸外按壓的特征序列的相似度作為學(xué)員該次胸外按壓操作的評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)圖3。

經(jīng)過(guò)時(shí)域特征提取后，一次胸外按壓操作由一組多元時(shí)間序列表征。時(shí)間序列的相似性度量實(shí)際上是利用距離函數(shù)計(jì)算序列之間的距離，兩個(gè)序列之間的距離越大，則兩者的相似度越低；反之，兩個(gè)序列之間的距離越小，則相似度越高。夾角余弦是計(jì)算序列相似度常用的一種方法［9］。該方法首先將待比較的時(shí)間序列看作高維空間的兩個(gè)點(diǎn)，通過(guò)與原點(diǎn)連線得到兩個(gè)向量，計(jì)算這兩個(gè)向量在高維空間中的夾角余弦值來(lái)確定其之間的相似度。以向量X、Y為例，最終的相似度通過(guò)計(jì)算公式（1）得到：

圖3 胸外按壓信號(hào)相似性度量流程Fig 3 Chest compression signals similarity measurement flow

其中θ是向量X和Y之間的夾角，＜X，Y＞表示向量X和Y的內(nèi)積，‖X‖、‖Y‖分別代表向量X和Y的模，式（1）中向量X和Y的內(nèi)積取絕對(duì)值以確保最后的相似度取值范圍為［0，1］。

通常多元時(shí)間序列的變量之間都存在一定的關(guān)聯(lián)［10］，因此，如果只是簡(jiǎn)單地采用一元時(shí)間序列的相似性度量方法將多元時(shí)間序列的每個(gè)變量單獨(dú)進(jìn)行距離計(jì)算再進(jìn)行集成，將割裂變量之間內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致最后的度量效果不理想。因此，人們希望能夠用少量的、相互獨(dú)立的新變量來(lái)代替原來(lái)的變量，以達(dá)到解決問(wèn)題的目的，新變量能夠反映原始序列的大部分信息。主成分分析方法是一種經(jīng)典的多元時(shí)間序列處理方法，能夠很好地滿足這一需求。其基本思想是：通過(guò)正交變換將一組可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一系列線性不相關(guān)的新變量，然后根據(jù)一定的條件從中選擇少量的、蘊(yùn)含了原始數(shù)據(jù)大部分信息的新變量來(lái)解決問(wèn)題，其數(shù)學(xué)模型如下［11］：

對(duì)任意一組多元時(shí)間序列x1，x2，…，xm，每個(gè)變量都有n個(gè)觀測(cè)值，第i個(gè)變量表示為xi=（x1i，x2i，…，xni）T。主成分分析方法通過(guò)以下變換將原來(lái)的m個(gè)變量表示成k個(gè)新變量的線型組合：

其中，y1，y2，…，yk稱(chēng)為原始序列的第1個(gè)、第2個(gè)、…、第k個(gè)主成分，主成分的個(gè)數(shù)k通常根據(jù)累積方差貢獻(xiàn)率超過(guò)95%的原則確定。這k個(gè)主成分滿足以下條件：

（1）主成分系數(shù)平方和為1：

（2）主成分之間無(wú)信息重疊，相互獨(dú)立：

（3）主成分的方差依次減小，方差表示主成分的重要程度：

得到主成分之后，再利用夾角余弦距離算法計(jì)算相似度，圖4為按壓信號(hào)相似性度量算法的流程圖。其具體計(jì)算步驟如下：

圖4 按壓信號(hào)相似性度量算法流程圖Fig 4 Similarity measurement algorithm flow chart

步驟1：導(dǎo)入待比較的兩組按壓信號(hào)時(shí)域特征序列，記做：Ai（j）和 Bi（j），分別建立其協(xié)方差矩陣；

步驟2：分別計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值λ和σ，特征向量U和V，并將特征值按從大到小的順序排列，同時(shí)根據(jù)特征值的排列順序更新特征向量矩陣；

步驟3：按照累積方差貢獻(xiàn)率＞95%的原則，選擇前k個(gè)特征值和特征向量，確定主成分矩陣：T=［t1，t2，…，tk］和 L=［l1，l2，…，lk］；

步驟5：計(jì)算相似度：

4 不同群體按壓信號(hào)相似性比較實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上文提出的基于信號(hào)相似性度量的胸外按壓訓(xùn)練評(píng)價(jià)方法的有效性，本研究設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)方案。

4.1 胸外按壓樣本采集

4.1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象 3名急診科醫(yī)護(hù)人員、5名急診科實(shí)習(xí)護(hù)士、5名非醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生。為了方便表述對(duì)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行標(biāo)記，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)人員的標(biāo)記方式Table 1 Experimenter notations

4.1.2 實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖5 （1）安排實(shí)驗(yàn)人員對(duì)心肺復(fù)蘇模擬人進(jìn)行試按壓，以充分熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，避免偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。（2）按照學(xué)生、實(shí)習(xí)護(hù)士、醫(yī)護(hù)人員的順序，輪流在心肺復(fù)蘇模擬人身上進(jìn)行為時(shí)1 min的胸外按壓操作，并借助軟件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄存儲(chǔ)。（3）參照第二步，進(jìn)行5次循環(huán)，即每人總共進(jìn)行5次胸外按壓操作。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程Fig 5 Experiment flow

4.2 胸外按壓信號(hào)相似性度量

利用第二節(jié)中介紹的按壓信號(hào)相似性度量算法，對(duì)采集到的按壓信號(hào)進(jìn)行相似度計(jì)算，不同群體、不同次按壓操作的標(biāo)記方式見(jiàn)表2，其中A11代表醫(yī)護(hù)人員1的第1次按壓操作。相似性比較分3步進(jìn)行：

（1）同一個(gè)醫(yī)護(hù)人員不同次按壓操作之間進(jìn)行相似性比較；

（2）不同醫(yī)護(hù)人員按壓操作之間進(jìn)行相似性比較；

（3）實(shí)習(xí)護(hù)士、學(xué)生的按壓操作與醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行相似性比較。

表2 按壓操作的標(biāo)記方式Table 2 Chest compression operation notations

按壓信號(hào)的比較方式見(jiàn)圖6。圖6（a）是同一個(gè)醫(yī)護(hù)人員不同次按壓之間的比較方式；圖6（b）是不同醫(yī)護(hù)人員的按壓信號(hào)比較方式；圖6（c）是實(shí)習(xí)護(hù)士（學(xué)生）的按壓信號(hào)與醫(yī)護(hù)人員的比較方式。圖6僅給出部分按壓信號(hào)之間的比較方式，剩余樣本均通過(guò)相同方式進(jìn)行比較，圖中有直線連接的兩次按壓信號(hào)會(huì)進(jìn)行相似度計(jì)算。經(jīng)過(guò)相似性度量后的結(jié)果分別見(jiàn)圖7、表3、表4。圖7是同一醫(yī)護(hù)人員不同次按壓之間相似度變化曲線；表3是不同醫(yī)護(hù)人員按壓信號(hào)之間的相似度值；表4是實(shí)習(xí)護(hù)士、學(xué)生的按壓信號(hào)與醫(yī)護(hù)人員的相似性比較結(jié)果。表中的數(shù)值均是取平均值后的結(jié)果。

圖6 按壓信號(hào)的相似性比較方式Fig 6 Chest compression signal similarity measurement mode

圖7 不同次按壓之間相似度變化曲線圖Fig 7 Similarity curve chart between different chest compressions

表3 不同醫(yī)護(hù)人員按壓信號(hào)相似性度量結(jié)果Table 3 Similarity measurement results among different medical staff

表4 不同群體胸外按壓信號(hào)的相似性度量結(jié)果Table4 Compression signals similarity measurement results among different groups

由圖7可看出，同一個(gè)醫(yī)護(hù)人員的不同次按壓之間的相似度比較高，變化曲線較平穩(wěn)，說(shuō)明醫(yī)護(hù)人員每次胸外按壓操作都較穩(wěn)定。同時(shí)，由表3可看出3名醫(yī)護(hù)人員的按壓信號(hào)兩兩之間的相似度分別為90.30%、89.06%、88.14%，均在85%以上，說(shuō)明醫(yī)護(hù)人員彼此之間的胸外按壓信號(hào)也比較接近，對(duì)胸外按壓技能的掌握程度比較高，與實(shí)際情況相符。

由表4可看出，實(shí)習(xí)護(hù)士的按壓信號(hào)與醫(yī)護(hù)人員的相似度大于學(xué)生的按壓信號(hào)與醫(yī)護(hù)人員的相似度，說(shuō)明實(shí)習(xí)護(hù)士對(duì)胸外按壓的掌握水平要高于學(xué)生，由于實(shí)習(xí)護(hù)士在實(shí)驗(yàn)之前均已經(jīng)接受過(guò)心肺復(fù)蘇相關(guān)理論培訓(xùn)和實(shí)際操作訓(xùn)練，而非醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生只是接受操作示范，并未進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練。因此，最終的結(jié)果也與實(shí)際情況相符。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一種基于按壓信號(hào)相似度的胸外按壓訓(xùn)練評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量的胸外按壓信號(hào)進(jìn)行相似性度量后發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量的胸外按壓信號(hào)之間的相似度比較高。以高質(zhì)量的按壓信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，將未接觸過(guò)心肺復(fù)蘇以及培訓(xùn)過(guò)心肺復(fù)蘇的人群的胸外按壓信號(hào)分別與之進(jìn)行相似性度量，結(jié)果證明了按壓信號(hào)的相似度在一定程度上能夠反映操作者對(duì)胸外按壓技能的掌握程度。因?yàn)榘磯盒盘?hào)的相似性度量立足于胸外按壓全過(guò)程，所以能更全面地反映操作者的胸外按壓質(zhì)量并作出總體評(píng)價(jià)。