張斯琪，侯世科，樊毫軍，范 斌

（天津大學應急醫(yī)學研究院，天津 300072）

0 引言

心臟驟停嚴重威脅著人類的生命健康，為此，James Elam與Peter Safar于1956年提出口對口人工呼吸[1]，Kouwenhoven[2]于1960年首次提出封閉式胸部心臟按壓，隨后2種技術(shù)的結(jié)合逐步發(fā)展為現(xiàn)代心肺復蘇術(shù)（cardiopulmonary resuscitation，CPR）。美國心臟協(xié)會于1966年發(fā)布史上首個心肺復蘇指南[3]。至今，CPR已成為早期搶救心臟驟?；颊?，使其實現(xiàn)自主呼吸恢復和自主循環(huán)恢復（return of spontaneous circulation，ROSC）的最有效手段[4]。CPR的原理為借助外力保證心、腦等器官的血氧供應，其過程主要包含開放氣道、胸外按壓、人工呼吸、體外除顫等。但由于高質(zhì)量的徒手CPR的操作難度大且持續(xù)的操作對醫(yī)護人員的體力提出巨大挑戰(zhàn)[5]，隨著科技進步與社會發(fā)展，以機械代替人力實施通氣、胸外按壓、體外除顫的智能化設備被用于災難現(xiàn)場急救和院前急救，并逐漸發(fā)展成熟[6]。關常青等[7]的研究表明，與人工心肺復蘇方式相比，使用智能心肺復蘇設備能維持患者血氧飽和度，提高心跳恢復率，實現(xiàn)更高的救治成功率，使患者更大概率實現(xiàn)全面復蘇。Kahn等[8]調(diào)查表示，在接受急診醫(yī)療服務專業(yè)人員治療的院外心臟驟停患者中，心肺復蘇設備的使用增加了4倍以上，因此使用心肺復蘇設備對提高救治成功率具有重要意義。

根據(jù)按壓方式的不同，目前的心肺復蘇設備可分為三代。第一代心肺復蘇機以單點的按壓力作用于患者心臟；基于胸泵理論，第二代心肺復蘇機突破了第一代設備的點式按壓方式，其分布式的按壓力均勻分布于患者整個前胸；第三代心肺復蘇機則發(fā)展為全胸腔包裹式的三維按壓，實現(xiàn)了心、胸兩泵理論的結(jié)合，更加貼近心臟的真實工作原理。3代心肺復蘇機如圖1所示[9]。按照驅(qū)動控制方式，智能心肺復蘇設備又分為電動電控與氣動電控2種（氣控型心肺復蘇機由于其氣源壓力等參數(shù)會在一定程度上影響其控制系統(tǒng)的運行，屬于完全機械式設備，如今已經(jīng)很少使用）。本文對國內(nèi)外智能心肺復蘇設備的研究現(xiàn)狀進行綜述，分析目前智能心肺復蘇設備的優(yōu)缺點，并指出未來發(fā)展方向。

圖1 3代心肺復蘇機[9]

1 智能心肺復蘇設備的研究現(xiàn)狀

21世紀初，國內(nèi)外很多醫(yī)療研究所和器材公司開始研發(fā)心肺復蘇設備，但由于當時技術(shù)和認知水平的限制，心肺復蘇設備的功能僅限于胸外按壓，對于按壓深度、頻率和患者其他信息等并沒有反饋[6]。隨著計算機、微電子等學科的發(fā)展，心肺復蘇設備的研究領域也在逐步深入，目前的智能心肺復蘇設備不僅在按壓方式、深度、頻率上更加科學，而且其反饋參數(shù)指標也在逐步增加。如今，國外機構(gòu)研發(fā)的多款設備已成為心肺復蘇設備領域的標桿性成果，但較國外心肺復蘇設備的研究水平，我國仍處于落后狀態(tài)，第二、三代設備的相關研究均較少。

1.1 國外智能心肺復蘇設備的研究現(xiàn)狀

1.1.1 第一代心肺復蘇機

第一代心肺復蘇機是由模擬人工手動按壓發(fā)展而成，美國的密歇根儀器公司于2000年研制出第一臺心肺復蘇機薩勃Thumper 1007CC，其大大改善了徒手復蘇過程中按壓中斷、極易疲勞的問題（如圖2所示）[10]。Thumper 1007CC屬于氣動式機械按壓設備，在自動工作模式下為患者進行5次按壓后可進行一次通氣，無間斷的自動按壓與機械通氣同步進行，設備在患者胸徑下陷20%后進行提示，以防過度按壓。Thumper 1007CC的全氣動設計使其需要攜帶體積和質(zhì)量較大的氣瓶，攜帶不便且易發(fā)生爆炸[11]。此外，其單點式按壓頭僅能實現(xiàn)心臟的點式按壓，無法實現(xiàn)胸廓充分彈回，對提升患者靜脈回流、重要器官血液灌流的效果有較大限制。

圖2 薩勃Thumper 1007CC心肺復蘇機[10]

蘭德大學對點式按壓方式進行了深入改良，使用吸盤式硅膠按壓頭與自動機械裝置相結(jié)合，研發(fā)了LUCAS系列心肺復蘇機[12]。它在按壓胸腔時能夠向上提拉胸廓，使得胸廓回彈更加充分，在減壓時對患者胸廓施加向上的力，產(chǎn)生較強的負壓，可提高患者心臟泵出量及心回血量。LUCAS系列心肺復蘇機采用電動電控的驅(qū)動模式，不依賴氣源也可以使用，并且設備根據(jù)最新心肺復蘇指南預設參數(shù)，后續(xù)使用無需反復調(diào)整。LUCAS 3是其推出的最新智能心肺復蘇設備（如圖3所示）[13]，搭載的無線通信模塊可通過電子郵件進行電池低電量提示和事件報告。

圖3 LUCAS 3心肺復蘇設備[13]

1.1.2 第二代心肺復蘇機

在院前急救及緊急后送過程中的胸外按壓質(zhì)量受到幾個因素的干擾，如胸外按壓時間比、按壓頻率及深度、救護車的移動速度和轉(zhuǎn)向帶來的慣性等[14]。在后送傷員過程中使用智能心肺復蘇設備對患者行CPR時，不可避免發(fā)生傷員身體出現(xiàn)碰撞或所在車輛因行駛速度變化產(chǎn)生失衡的作用力等情況。第一代心肺復蘇機典型的活塞驅(qū)動型設計使產(chǎn)品重心相對較高，令其在移動、顛簸及碰撞中難以保持穩(wěn)定，患者在按壓中的安全存在問題。AutoPulse是美國ZOLL公司于2003年推出的自動心肺復蘇設備（如圖4所示）[15]，是第二代心肺復蘇機中最具有代表性的產(chǎn)品，其創(chuàng)新之處是使用新的壓力分布帶技術(shù)，使按壓力均勻分布于患者的整個胸腔，確保降低患者受傷的風險。另外，其束帶還能自動測量患者的胸廓體積，調(diào)整自身長度。另外，其電動電控的電動機在背板上，不需要氣瓶供氣驅(qū)動，在工作時電動機的動力驅(qū)動束帶收縮和放松[16]。將AutoPulse與軟擔架結(jié)合（如圖5所示）[17]，使救護人員可以在將患者抬下坡度較大的樓梯、急轉(zhuǎn)彎或進入狹窄空間時仍持續(xù)提供高質(zhì)量的心肺復蘇，更適合轉(zhuǎn)運途中使用。Lyon等[17]對比人工CPR發(fā)現(xiàn)，AutoPulse最短可在14 s內(nèi)使用，將心肺復蘇中斷時間減少85%以上。

圖4 AutoPulse[15]

圖5 AutoPulse與軟擔架結(jié)合使用[17]

前文所提到的LUCAS 3和AutoPulse是目前臨床上應用最廣泛的智能心肺復蘇設備，后者兼具心泵和胸泵機制。Frey等[18]研究發(fā)現(xiàn)，使用AutoPulse與使用LUCAS 2相比，患者產(chǎn)生更高的收縮壓和平均動脈壓。韓國一項研究調(diào)查全國數(shù)據(jù)后表明[19]，與LUCAS 2相比，使用AutoPulse的患者具有更高的生存率。不可忽視的是，這2款設備分別代表的第一、第二代心肺復蘇機均存在按壓深度固定、功能單一、缺乏按壓質(zhì)量反饋機制和未考慮患者按壓過程中胸骨骨折風險的缺陷。

1.1.3 第三代心肺復蘇機

2004年，美國Weil危重醫(yī)學研究院提出第三代心肺復蘇技術(shù)（三維按壓），并投入設備研究。2010年，Weil MCC小型化心肺復蘇設備（如圖6所示）[20]正式上市，其屬于氣動電控型，需使用院內(nèi)和急救車車載集中供氣系統(tǒng)。設備采用了全胸腔包裹式的三維按壓方式，在活塞按壓在患者胸骨點壓的基礎上，同時通過綁帶擠壓胸腔產(chǎn)生橫向拉力，與第二代心肺復蘇機不同的是，位于患者背后的綁帶也產(chǎn)生均勻向上的擠壓力，真正意義上實現(xiàn)了全胸腔包裹式的三維按壓。孫立群等[21]在實驗中針對176例患者進行手動按壓與Weil MCC按壓效果的對比。Weil MCC組在按壓進行至10、20及30 min時的平均動脈壓、ROSC率均明顯優(yōu)于手動組，而且手動組4例患者發(fā)生肋骨骨折，Weil MCC組無骨折等并發(fā)癥發(fā)生。趙紅梅等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，與手動組相比，使用Weil MCC小型化心肺復蘇設備的患者ROSC時間縮短一半，手動組3%患者出現(xiàn)骨折、共除顫8次，Weil MCC組患者未發(fā)生骨折、未除顫。

圖6 Weil MCC小型化心肺復蘇設備[20]

在為患者進行心肺復蘇時，施救者常會出現(xiàn)按壓深度不足、按壓頻率不夠、按壓回彈不充分、按壓動作傾斜等問題，即便是專業(yè)的醫(yī)護工作者也時常會出現(xiàn)此類情況。因此迫切需要一種能夠?qū)崟r反饋按壓深度、頻率、回彈以及垂直性等重要指標的智能心肺復蘇設備。王建崗等[23]研究發(fā)現(xiàn)在心臟驟?；颊叩膿尵冗^程中，帶有反饋機制的胸外按壓精準率為26%，無反饋機制的胸外按壓精準率為21%。因此，實時監(jiān)測患者的心臟按壓深度，可為醫(yī)護人員的搶救工作提供有效信息，提高心肺復蘇質(zhì)量。Weil危重醫(yī)學研究院隨后推出了Weil SCC智能化心肺復蘇系統(tǒng)（如圖7所示）[24]，并在業(yè)界率先推出有效按壓深度（effective compression depth，ECD）真實數(shù)據(jù)反饋，使按壓深度在設備運行過程中直觀可見。Weil SCC智能化心肺復蘇系統(tǒng)新增智能數(shù)據(jù)存儲及分析功能，包括按壓時間、深度、頻率等，其搭載的無線及藍牙模塊可與計算機軟件進行數(shù)據(jù)共享。與LUCAS 3、AutoPulse、Weil MCC相比，Weil SCC無論在按壓方式、ECD反饋、數(shù)據(jù)存儲、體積質(zhì)量、供電能力等方面都有較好的提升，屬于目前綜合實力最強的智能心肺復蘇設備，但其依然存在無法改變動態(tài)按壓深度、功能單一和未考慮患者按壓過程中胸骨骨折風險的缺陷。

圖7 Weil SCC智能化心肺復蘇系統(tǒng)[24]

1.2 國內(nèi)智能心肺復蘇設備的研究現(xiàn)狀

我國智能心肺復蘇設備的研究起步較晚、基礎較弱，隨著近些年的發(fā)展也取得了很大進步，但成熟的成型產(chǎn)品較少。如今國內(nèi)研發(fā)并投入使用的自動心肺復蘇設備中較多都屬于第一代，對于第二代和第三代心肺復蘇機的研究較為落后。另外，很多設備仍處于研究階段。

1.2.1 第一代心肺復蘇機

我國研發(fā)并使用較多的蘇邦MSCPR-1A型心肺復蘇機、藍仕威克MCPR-100型心肺復蘇機等均屬于第一代心肺復蘇機，并均以氣動作為動力源[5]。與薩勃Thumper 1007CC心肺復蘇機的設計相似，蘇邦MSCPR-1A型心肺復蘇機采用可旋轉(zhuǎn)的C型立柱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)垂直的點式按壓（如圖8所示）[25]。岳淑霞等[26]的研究表明，急救過程中使用蘇邦MSCPR-1A型心肺復蘇機的患者收縮壓、血氧飽和度與ROSC率均高于徒手對照組，使用該設備可顯著提升復蘇成功率。藍仕威克MCPR-100型心肺復蘇機則采用了創(chuàng)新的雙立柱固定的弓形按壓結(jié)構(gòu)，可保證按壓頭在工作期間的穩(wěn)定運行，減少偏移。其采用了頸部邊緣下陷的設備背板，可輔助開放患者氣道及后續(xù)的插管工作（如圖9所示）[27]。蔡選琨等[28]的研究表明，與徒手按壓對照組比較，使用藍仕威克MCPR-100型心肺復蘇機患者的各項血氣指標良好，擁有較高的復蘇成功率和較低的并發(fā)癥發(fā)生率。

圖8 蘇邦MSCPR-1A型心肺復蘇機[25]

圖9 藍仕威克MCPR-100型心肺復蘇機[27]

深圳安保公司設計了E6心肺復蘇機（如圖10所示）[29]，電動電控式的設計使其不再需要配備氣瓶。與LUCAS系列心肺復蘇機相似，該設備具有劍突負壓重復性吸盤，可有效防止胸腔塌陷。其二氧化碳檢測模塊可實時監(jiān)測患者的呼氣末二氧化碳分壓[pET（CO2）]，可直觀反饋按壓質(zhì)量，并且還能與通氣模塊同時使用，實現(xiàn)按壓與通氣同步的功能，提升搶救成功率。

圖10 深圳安保E6心肺復蘇機[29]

解放軍軍事醫(yī)學科學院研究者[30]提出一種擔架集成式生命支持系統(tǒng)，其集成了自動胸外按壓心肺復蘇、自動體外除顫、呼吸支持、多生理參數(shù)監(jiān)護、輸液、吸引等功能，可實現(xiàn)按壓、除顫與呼吸同時序進行，在精準控制按壓深度及強度的同時嚴格控制通氣量，用于對患者進行現(xiàn)場或后送途中不間斷的綜合救治，打破了智能心肺復蘇設備功能單一的局面。該研究現(xiàn)已被天津安貝醫(yī)療轉(zhuǎn)化為安貝WFS-01A擔架式心肺復蘇機（如圖11所示）[31]，其采用氣動電控驅(qū)動方式，集同步胸外按壓、間歇正壓通氣、供氧、輔助輸液功能于一體，滿足了患者轉(zhuǎn)運過程中的救治需求。

圖11 安貝WFS-01A擔架式心肺復蘇機[31]

1.2.2 第二代心肺復蘇機

當前我國尚未研發(fā)出采用第二代心肺復蘇機按壓方式的成熟產(chǎn)品，上海金怡醫(yī)療科技研發(fā)的一種綁帶式胸廓擠壓儀目前未上市及投入臨床使用[32]。與AutoPulse自動心肺復蘇機相似，該設備工作時可通過綁帶使患者胸廓收緊或放松，其壓力分布于患者整個前胸。馬霄雯等[33]使用綁帶式胸廓擠壓儀按比例縮小的模型設備，針對心臟驟停的小型豬實施機械胸外按壓。研究結(jié)果表明，與徒手按壓相比，該設備的綁帶式設計能改善心肌血流量，實現(xiàn)良好的心臟供血與組織供氧。

1.2.3 第三代心肺復蘇機

天津普瑞FSJ-20型心肺復蘇機是國內(nèi)首創(chuàng)的第三代心肺復蘇機（如圖12所示）[34]，其采用了全胸腔包裹式的三維按壓方式，在做點式按壓的同時擠壓胸腔，由于其按壓模式在國內(nèi)產(chǎn)品中具有首創(chuàng)性，該設備于2018年被選入科技部發(fā)布的創(chuàng)新醫(yī)療器械產(chǎn)品目錄[35]。

圖12 普瑞FSJ-20型心肺復蘇機[34]

2 智能心肺復蘇設備存在的不足與發(fā)展展望

智能心肺復蘇設備從無到有發(fā)展至今，經(jīng)歷了漫長的歷程，在提高心肺復蘇質(zhì)量、心臟驟?；颊叩拇婊盥实确矫嫒〉昧撕芏喑晒?，但目前依然存在一些問題。

（1）智能化程度低。當前院內(nèi)治療與災難現(xiàn)場、院外急救時使用的大部分為國外研發(fā)的智能心肺復蘇設備，此類產(chǎn)品雖自動機械按壓功能成熟，但深度恒定且無法根據(jù)患者的狀態(tài)動態(tài)變化，未考慮胸外按壓過程中患者胸骨骨折的危險性。因此，缺乏一種基于多參數(shù)識別與分析的自適應反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過深度學習人工智能算法，用生理機理知識和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型融合的方法，充分發(fā)揮深度學習的特征學習能力和對復雜函數(shù)逼近能力，建立知識數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的深度學習架構(gòu)，根據(jù)患者各項實時生命體征參數(shù)、設備按壓深度、系統(tǒng)各項參數(shù)進行決策，形成高準確性的自適應反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，動態(tài)調(diào)整胸外按壓深度。例如，張廣[36]在LUCAS心肺復蘇機上研發(fā)了一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的生理信號檢測處理模塊采集患者的pET（CO2）和胸骨彈性模量（chest stiffness，Kchest），將這2個參數(shù)反映出的血流灌注、胸骨骨折風險結(jié)合心肺復蘇臨床經(jīng)驗和模糊控制算法，形成一套自動權(quán)衡的閉環(huán)優(yōu)化控制算法。應用控制平臺計算處理得到優(yōu)化的按壓深度，控制LUCAS心肺復蘇機的直流無刷電動機，完成優(yōu)化過的自動按壓。該設計使智能心肺復蘇設備實現(xiàn)自動閉環(huán)控制，可輔助醫(yī)護人員進行更加高效、安全的胸外按壓，規(guī)避患者胸骨骨折的風險[37]。

（2）功能單一。國內(nèi)外眾多智能心肺復蘇設備均存在功能較為單一的問題，只能實現(xiàn)按壓功能或按壓與按壓質(zhì)量監(jiān)測功能，因此缺乏一種多功能的基礎生命支持一體化設備，這種設備應涵蓋生命體征多參數(shù)穿戴式監(jiān)測技術(shù)、呼吸支持控制技術(shù)，體外三維CPR及同步自動體外電復律技術(shù)，可實時監(jiān)測患者的多項生命指標，如心電、血壓、體溫、血氧含量、呼氣末二氧化碳體積分數(shù)等，還具備全自動胸外按壓、呼吸支持、除顫功能。同時，一臺功能高度集成化的便攜型心肺復蘇設備，可用于地震、火災、爆炸、礦井坍塌、交通事故等突發(fā)事件狹小空間的危重傷員監(jiān)護，解決醫(yī)護人員難以攜帶多種傳統(tǒng)設備進入現(xiàn)場的難題，提高狹小空間危重傷員的救治成功率。

（3）網(wǎng)絡化程度低?，F(xiàn)有國內(nèi)外智能心肺復蘇設備僅支持將數(shù)據(jù)存儲在設備本地，或通過USB、無線、藍牙等途徑傳輸至計算機端，但該網(wǎng)絡化程度嚴重限制了災難現(xiàn)場、院外急救現(xiàn)場與下一級救治階梯之間的傳輸時效性。互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療已經(jīng)逐漸滲透到醫(yī)療行業(yè)各個方面，隨著5G技術(shù)迅速發(fā)展與普及，基于5G技術(shù)的智能心肺復蘇設備的研發(fā)也將成為未來的研究趨勢[38]，該成果將處于災難現(xiàn)場、院外急救現(xiàn)場患者的健康數(shù)據(jù)實時傳輸至下一級救治階梯或院內(nèi)醫(yī)生，一方面醫(yī)生可通過傳感器隨時了解患者正在進行的活動，對患者的生命體征參數(shù)和病情進行實時監(jiān)測；另一方面醫(yī)生可指導現(xiàn)場施救者，根據(jù)情況改變當前醫(yī)療方案，將對現(xiàn)場施救者不是專業(yè)人員情況下的救治效果起到很大改善。

（4）價格昂貴，不利于產(chǎn)品普及。海外品牌的智能心肺復蘇設備因其成熟的功能和穩(wěn)定的性能長期占據(jù)我國大部分市場，僅具有簡單機械按壓功能的智能心肺復蘇設備價格可達近10萬，帶有按壓深度反饋、生理信號檢測、數(shù)據(jù)存儲共享等功能的智能心肺復蘇設備的價格通常更加昂貴，無法普及使用。我國應提升智能心肺復蘇設備的自主研發(fā)能力，盡快研制出完全自主化、價格合理、功能成熟的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

現(xiàn)代CPR已出現(xiàn)近60年，其中早期胸外按壓、體外電除顫已成為基本生命支持的關鍵步驟，是救治心臟驟?；颊咦钪匾臎Q定因素[39]。無論在事故現(xiàn)場、轉(zhuǎn)運途中搶救還是院內(nèi)治療，智能心肺復蘇設備都為心臟驟停患者的救治提供了重要輔助，而我國院外智能心肺復蘇設備配備比例不足1%，與發(fā)達國家仍存在很大差距[40]。歐美發(fā)達國家對于智能心肺復蘇設備的研究獲得的諸多成果已廣泛投入使用，但我國對于此類設備的研究起步較晚，成熟產(chǎn)品較少。在我國災難現(xiàn)場、院外以至院內(nèi)急救的實踐中，智能化心肺復蘇設備和自動體外除顫儀的使用、實施效果仍然不盡如人意，搶救成功率仍然存在很大的提升空間[41]。

醫(yī)療器械向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型是大勢所趨，未來心肺復蘇設備應著重向智能化方向發(fā)展。首先，其功能應隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展而更加多元化，將按壓、除顫、監(jiān)護等多種功能集成于便于救援人員攜帶、患者穿戴、轉(zhuǎn)運設備裝配的一體化設備中，并提高其網(wǎng)絡化程度。智能心肺復蘇設備的研究重點在于自適應反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的完善和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，隨著大數(shù)據(jù)深度學習技術(shù)的發(fā)展，在我國患者龐大的數(shù)據(jù)樣本量的基礎上，優(yōu)化設備算法，融合多參數(shù)時空特征和注意力機制的方法可以增強深度學習算法在分析設備各功能模塊生理參數(shù)、物理參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)時的效率和精度，構(gòu)建自適應反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使各功能模塊間協(xié)同工作，最終走向遠程診斷、無人操作。相信人工智能技術(shù)與CPR的發(fā)展將進一步推進智能心肺復蘇設備的優(yōu)化升級，提高災難現(xiàn)場、院前急救的效能，提升心臟驟?；颊叩膿尵葧r效性和救治成功率。