王浩文，陳宏文，竇建洪，王雙衛(wèi)，王婷婷，胡榜

1. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，廣東 廣州 510515；2. 中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 麻醉科，廣東 廣州 510000；3. 深圳市安?？萍加邢薰?研發(fā)部，廣東 深圳 518052

引言

心肺復(fù)蘇是一種用于搶救心搏驟停患者的急救措施，心肺復(fù)蘇機（Cardiopulmonary Resuscitation Machine，CRM）是患者心臟驟停時搶救生命的有效醫(yī)療設(shè)備，特別是在災(zāi)難救援時更是發(fā)揮著巨大作用。為了實現(xiàn)心肺復(fù)蘇的及時性[1-3]、灌注血流量[4-7]等要求，其經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程。如圖1 所示為第1 代自動心肺復(fù)蘇機工作原理，其主要模擬徒手心肺復(fù)蘇原理，通過氧氣氣動，可實現(xiàn)連續(xù)不間斷的點式按壓，但不便攜帶，耗氧量大，不能保證患者的通氣質(zhì)量，且胸骨骨折率高于人工心肺復(fù)蘇[8-9]。如圖2 所示為第2 代心肺復(fù)蘇機的工作原理，其突破了第1代心肺復(fù)蘇機單點按壓的方式，通過綁帶讓整個胸腔均勻受力[10]。如圖3 所示為第3 代自動心肺復(fù)蘇機的工作原理，其采用全胸腔包裹式的3D 按壓方式，在做點式按壓的基礎(chǔ)上，同時擠壓胸腔，模擬心臟工作機理[11]，該設(shè)備符合2010 版AHA 心肺復(fù)蘇指南的要求，具有體積較小、易攜帶、肋骨骨折率低等優(yōu)勢[12]。雖然目前我國已可自主生產(chǎn)常規(guī)醫(yī)療使用的心肺復(fù)蘇機，但尚無能夠滿足搭載航天器進行災(zāi)難救援的心肺復(fù)蘇設(shè)備。基于此，本研究融合5G 通訊[13-14]、機載航空設(shè)備電磁兼容設(shè)計[15]，以及最新的3D按壓技術(shù)設(shè)計一款可用于緊急救援的便攜式心肺復(fù)蘇機，以期提升我國緊急救援水平。

圖1 第1代心肺復(fù)蘇機按壓原理示意圖

圖2 第2代心肺復(fù)蘇機按壓原理示意圖

圖3 第3代心肺復(fù)蘇機按壓原理示意圖

2 設(shè)計方案

本研究應(yīng)用5G、深度傳感器、智能控制算法等技術(shù)，并綜合考慮電磁兼容性和航空適航等要求進行新一代緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機的設(shè)計。

2.1 整體設(shè)計

如圖4 所示，本系統(tǒng)主要包含按壓傳動模塊、電源模塊、二氧化碳模塊、5G 通信模塊、液晶顯示屏、深度傳感器和主控板等。其中按壓傳動模塊用于執(zhí)行按壓動作，并實時監(jiān)測和反饋按壓深度信息到主控板；電源模塊包含大容量蓄電池組，為整機提供電能供應(yīng)，并實時反饋電池狀態(tài)到主控板；二氧化碳模塊實時監(jiān)測患者呼出氣體中二氧化碳含量，并反饋到主控板；5G 通信模塊用于將設(shè)備工作情況和救援狀態(tài)實時上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器；液晶顯示屏和薄膜按鍵用于人機交互；主控板用于整體控制整機各模塊協(xié)調(diào)運作。

圖4 緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機系統(tǒng)圖

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 按壓傳動模塊

為了提高患者的存活率，減少心肺復(fù)蘇機的重量和體積，增長心肺復(fù)蘇機持續(xù)工作時間，該設(shè)備采用了電動電控的3D 胸外按壓模式，有效地節(jié)約了氧氣，提高救治成功率。3D 按壓技術(shù)綜合了心泵理論和胸泵原理的優(yōu)勢，相比于單點按壓和分布式按壓有更好的治療效果。①3D 按壓50%的按壓深度就能超過單點按壓的灌注效果；②3D按壓胸腔內(nèi)正負(fù)壓絕對值均高于單點按壓，更有利于血液回流和灌注；③3D 按壓造成肋骨骨折概率更小，可減少并發(fā)癥和損傷；④3D 按壓腦部灌注血流量遠(yuǎn)高于單點按壓腦部灌注血流量；⑤3D 按壓有更好的復(fù)蘇后神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)。此外3D 按壓用綁帶固定患者，無需按壓背板，方便操作[16]。

圖5 緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機工作示意圖

按壓深度根據(jù)《2020 年美國心臟協(xié)會心肺復(fù)蘇和心血管急救指南》[17]設(shè)計：成人按壓深度至少為5 cm，并使胸廓完全回彈；兒童按壓深度應(yīng)≥1/3 胸部前后徑，且按壓深度不可過大（應(yīng)＜6 cm），避免增加損傷。該設(shè)備的按壓深度為0～60 mm，按壓深度連續(xù)可調(diào)，在按壓頭處裝有深度傳感器，方便及時做出調(diào)整。按壓位置主要為胸骨的下半部。

驅(qū)動電機采用無刷直流電機對患者實施胸外按壓。無刷直流電機相比于其他電機的優(yōu)勢如下：具有更好的控制精度、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性、工作效率高、工作時間長、噪聲較小、轉(zhuǎn)速范圍更大、體積和重量較小。在運行中，采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的驅(qū)動方式結(jié)合深度傳感器反饋情況，實時調(diào)節(jié)控制信號輸出占空比，控制無刷直流電機帶動整個模塊，電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為按壓頭的垂直運動，實現(xiàn)對患者胸部均速穩(wěn)定按壓。為提高工作效率保證設(shè)備安全，在電機的對應(yīng)位置設(shè)置散熱孔和散熱扇。

2.2.2 電源模塊

在應(yīng)急醫(yī)療救援場景下，尤其是在野外等缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的場所，缺少供電系統(tǒng)，因此要選擇一種便捷耐用的可移動電源來支持心肺復(fù)蘇機正常工作。該心肺復(fù)蘇機選用可充電鋰離子電池為按壓模塊和控制模塊供電，電池容量為3 000 mAh，最長工作時間可達(dá)8 h，最長充電時間（22 ℃）小于5 h，使用壽命可達(dá)200 次（每次工作時長在10 min以上），同時在對應(yīng)位置安裝散熱扇保證電池正常工作。

2.2.3 呼吸末CO2模塊

呼 吸 末CO2（End-tidal of Carbon Dioxide，EtCO2）模塊組裝在心肺復(fù)蘇機內(nèi)可以實時監(jiān)測患者呼出氣體中的CO2濃度。研究表明，如果PEtCO2持續(xù)小于10 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），成功復(fù)蘇概率較低。在心搏驟?；颊逤PR 過程中實施PEtCO2監(jiān)測，可提高CPR 質(zhì)量，以提高存活率，對預(yù)測和評估臨床預(yù)后有重要意義，具有較高的推廣價值[17]。

測量呼出氣中的CO2的方法很多，臨床常用的一種方法是紅外線分析法，這種分析法原理是讓紅外光透過待測氣體樣本，而CO2分子能夠吸收特定波長（4.26 μm）的紅外光，使紅外光照射待測氣體樣本，紅外光的能量因被代測氣體中的CO2吸收而衰減，其衰減程度可用光電換能元件探測并將之轉(zhuǎn)換成電信號。根據(jù)紅外光衰減的能量可以推算出CO2濃度，并根據(jù)CO2濃度波形確定呼吸頻率[18]。

圖6 C200型呼吸末CO2模塊

2.2.4 5G通信模塊

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的生理信號監(jiān)測系統(tǒng)有較低延遲、更高速度和超大連接密度的優(yōu)點，可以在更低的成本下組建一個遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)平臺。通過5G 模塊將監(jiān)測到的生理數(shù)據(jù)和設(shè)備設(shè)置等參數(shù)傳輸至公用或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，經(jīng)處理后將監(jiān)測結(jié)果提供給遠(yuǎn)程醫(yī)生或?qū)＜覍Σ∏檫M行判斷，同時醫(yī)生和專家也可以根據(jù)數(shù)據(jù)實時反饋和調(diào)整治療計劃、參數(shù)設(shè)置等[19]。其工作模式如圖7 所示。

圖7 5G通信模塊工作模式示意圖

2.2.5 航空適應(yīng)性設(shè)計

面對突發(fā)性事件，急救人員要盡快趕往急救現(xiàn)場，用航空飛行器可以排除交通擁堵等影響，縮短到達(dá)現(xiàn)場和搶救運轉(zhuǎn)時間，增加患者生存率。航空醫(yī)學(xué)救援不僅對醫(yī)務(wù)人員的身心素質(zhì)、專業(yè)水平有嚴(yán)格的要求，也對醫(yī)療裝備提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。目前航空醫(yī)學(xué)救援以直升機為主，其優(yōu)點是機動性強，但空間有限[20]，電子設(shè)備集成度高，醫(yī)療設(shè)備與原載機設(shè)備之間的力學(xué)與電磁干擾為影響飛行與使用的主要問題。發(fā)動機振動是飛機主要振源，機載設(shè)備的振動是發(fā)動機引起的受迫振動[21]；電磁干擾源主要有雷達(dá)發(fā)射機、通信發(fā)射機、導(dǎo)航發(fā)射機等[22]。針對航空醫(yī)療救援的特點，需要對該心肺復(fù)蘇機進行航空適航和電磁兼容性設(shè)計，監(jiān)護屏幕采用內(nèi)凹式設(shè)計防止飛機振動；對設(shè)備供電線纜、高頻信號線纜進行屏蔽和磁環(huán)濾波處理，抑制干擾源，阻斷耦合途徑。電路板設(shè)計過程中避免航空特殊頻段元器的使用，對于無法避免的器件，如晶振等采取接地和屏蔽的方式避免空間輻射泄漏，整機主機部分如圖8 所示。

圖8 整機主機樣機示意圖

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 按壓傳動模塊

按壓頻率根據(jù)《2020 年美國心臟協(xié)會心肺復(fù)蘇和心血管急救指南》[17]，對于成人和兒童都應(yīng)當(dāng)以100～120 次/min的頻率進行設(shè)計。按壓-通氣比的設(shè)計：如果沒有高級氣道，成人應(yīng)采用30 ∶2 的按壓-通氣比率，兒童應(yīng)采用15 ∶2的按壓-通氣比率。在有高級通道的情況下，每6 s 給予1次呼吸。該設(shè)備設(shè)計三種按壓模式：15 ∶2 按壓通氣比模式、30 ∶2 按壓通氣比模式以及連續(xù)按壓模式。

2.3.2 監(jiān)護界面

為使按壓過程可視化，設(shè)計了一種簡潔的人機交互界面。人機交互界面選用TFT 彩色2.4 英寸非觸摸屏，屏幕分辨率320×240 像素。屏幕的主界面如圖9 所示，顯示按壓模式、按壓深度、按壓時間以及EtCO2水平。設(shè)置界面如圖10 所示，可以設(shè)置按壓模式，查看工作日志，設(shè)置通訊參數(shù)等。通過上述監(jiān)護界面急救人員可以及時得到心肺復(fù)蘇質(zhì)量反饋，提高搶救效率。

圖9 主界面

圖10 設(shè)置界面

3 結(jié)果

為驗證設(shè)計的性能，本團隊采用模型人作為實驗對象進行心肺復(fù)蘇效果測試。實驗數(shù)據(jù)如圖11～13 和表1 所示，分別進行了30 ∶2 模式、15 ∶2 模式和連續(xù)按壓模式的實驗。經(jīng)實驗測試，實際按壓深度與設(shè)置值偏差僅為1.3%，且在按壓深度參考區(qū)間內(nèi)。按壓-通氣比也與設(shè)置值一致，實驗結(jié)果全部合格，滿足設(shè)計要求。

圖11 30∶2模式模型人測試數(shù)據(jù)

圖12 15∶2模式模型人測試數(shù)據(jù)

圖13 連續(xù)按壓模式模型人測試數(shù)據(jù)

表1 測試數(shù)據(jù)

圖14 模式模型人測試場景

4 討論

綜合以上測試數(shù)據(jù)顯示，首先，本設(shè)計所采用結(jié)合電動電控的3D 按壓心肺復(fù)蘇方式無須攜帶氧氣瓶，減小設(shè)備體積的同時也極大地降低了設(shè)備重量，整個設(shè)備的重量僅為8.9 kg，相比上一代氣動電控按壓技術(shù)，減輕重量約2.5 kg，進一步提升了設(shè)備的便攜特性[23]。

其次，在按壓通氣精度方面，30 ∶2 模式、15 ∶2 模式和連續(xù)按壓模式均達(dá)到設(shè)計要求，按壓深度偏差也在合理范圍內(nèi)。這一按壓通氣比例是根據(jù)美國心臟協(xié)會最新的心肺復(fù)蘇指南[17]進行設(shè)計，根據(jù)以往研究顯示，85.6%的醫(yī)院急救人員均采用這一比例的按壓通氣比[24]，相對于現(xiàn)有心肺復(fù)蘇機4 ∶1 模式[25]、3 ∶1 模式[26]、5 ∶1 模式[27]，這一設(shè)計更有利于對于提高心肺復(fù)蘇的成功率。

再次，EtCO2模塊和5G 通信模塊的加入，使設(shè)備實現(xiàn)了對患者呼出CO2的實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程救援協(xié)助。以“心肺復(fù)蘇機”為關(guān)鍵詞檢索百度學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫，得到歷年生物醫(yī)學(xué)工程類文獻636 篇，其中關(guān)于心肺復(fù)蘇機研發(fā)設(shè)計的文章14 篇，均未提及對患者呼出CO2的監(jiān)測，然而這對于提高心肺復(fù)蘇效率卻起著十分重要的作用[16]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)療行業(yè)正逐步朝著無線化、智能化和遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展，醫(yī)療與通信技術(shù)的跨界融合已成趨勢，醫(yī)療終端的通信能力、通信技術(shù)是當(dāng)前智能化醫(yī)療設(shè)備研發(fā)的熱點和重點。利用5G 進行醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸精確度可達(dá)99.2%[19]，這為遠(yuǎn)程救援的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實時性提供了保障；同時，5G 模塊的搭載對于診前、診中、診后均具有重要的意義：診前后臺救援調(diào)度平臺可以統(tǒng)一管理救援設(shè)備的電池情況，發(fā)布培訓(xùn)信息，提供救援建議、決策等；診中后臺可以實時獲取救援情況，提供救援指導(dǎo)；診后還便于統(tǒng)一收集救援信息，避免數(shù)據(jù)的丟失或遺漏，方便進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析。

此外，在航空適航方面，本設(shè)計從元器件選型、電路設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計均采用電磁兼容性能良好的配件或方案，使得整機能順利通過《RTCA DO-160G 機載設(shè)備環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)》[28]和《EN BS 13718 空中救援使用的醫(yī)療設(shè)備的要求》[29]的測試要求。

4 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟與科技的不斷發(fā)展，人民對生命保障能力的需求更加迫切，而當(dāng)下我國緊急醫(yī)學(xué)救援的精準(zhǔn)化、智能化、信息化和便捷度和應(yīng)急救援能力仍存在不足。為解決應(yīng)急醫(yī)療救援場景下的便捷式智能救援和生命支持設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，提升緊急醫(yī)學(xué)救援隊伍的裝備保障和遠(yuǎn)程投送能力，本研究設(shè)計了一款基于5G 的緊急便攜式智能心肺復(fù)蘇機。該心肺復(fù)蘇機采用電動電控的方式，無須壓縮氧氣，既保證了特殊環(huán)境下設(shè)備的持續(xù)工作，又可滿足體積小、重量輕、方便操作的需求；經(jīng)實驗測試，實際按壓深度與設(shè)置值偏差僅為1.3%，且在按壓深度參考區(qū)間內(nèi)；按壓-通氣比也與設(shè)置值一致，實驗結(jié)果全部合格，滿足設(shè)計要求；同時將5G 技術(shù)應(yīng)用到其中，并滿足航空適航要求，可實現(xiàn)救援現(xiàn)場、醫(yī)院實時互聯(lián)和滿足航空緊急救援使用條件。