新型智能穿戴医疗设备研究——无人自助心脏急救衣

顾浩然  陈春朋  武康  王华欣  易汝格

山东省青岛市中国石油大学（华东）， 山东 青岛   266000

摘要将心脏急救设备进行可穿戴化设计，通过急救衣内心率探测器、脉冲发生器和电极板的联合运作实现对心脏停搏情况的自助施救，为后续医疗争取时间。针对提出的方案设计一套合理的监测与施救系统，制作一个合身的穿戴设备，进行实验模拟急救系统的运作。对心率系统数据进行数字滤波截短处理，运用威尔逊算法分析心率的时域波形信号。通过对数据的分析和电路实验确保了心电监测系统的可行性，优化了急救衣存在的穿戴问题。进行过程分析并提出展望。

关键词：心脏急救；心率监测；算法；穿戴

引言

本

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一、国内外院前急救系统的现状

1.1 国内院前急救系统现状

目前国内针对心脏急救设备的研究还比较少，大多都是医院内部监测和起搏器械的更新，急救系统也比较单一，即救护车到指定地点运送患者前往医院医治。

1.2 国外院前急救系统现状

国际上的现代急救模式主要有消防救护模式和医疗急救模式，也称为英美模式和法德模式团，两类模式各有优势和特点。

二、 除颤仪技术调查

众所周知，院外心脏骤停（OHCA）是威胁人类健康的主要杀手之一。中国每年发生心源性猝死54.4万例，70%发生在院外。^[1-3]心肺复苏（CPR）成功率与CPR开始时间密切相关，Gu等研究表明：1-5分钟之内的复苏成功率最高，为35.3%；10分钟内复苏成功率为18.9%；10分钟之后的复苏成功率为4.4%；15分钟之后的复苏成功率仅为1.1%；因此称心脏骤停后的10分钟为白金10分钟^[4]。

已有研究表明，在机场、火车站、娱乐场所推广公用除颤项目（Public Access Defibrillation，PAD）可以提高院外心脏骤停者的存活率^[5]。而自动体外除颤仪（AED）和CPR的普及可以有效降低院外心源性猝死的死亡率^[6]。

.2.1 心脏除颤器的结构和原理

目前临床上使用的除颤器虽种类繁多，但其基本结构却大致相同，主要由除颤充/放电电路、心电信号放大/显示电路、控制电路、心电图记录器、电源以及除颤电极板等组成^[6]。

2.2 心脏除颤器的类型

（1）按是否与R波同步来分

可分为非同步型和同步型除颤器两种。

（2）按电极板放置的位置来分

包括体内除颤器和体外除颤器^[7]。

2.3 心脏除颤器的技术发展

（一） 低能量智能双向波除颤器

所谓双向波，就是指除颤电流在接触人体的两个电极板或电极片之间进行双向流动，同时将除颤能量降到 (130～ 150)J范围内；所谓智能，是指在除颤前，根据两个电极板或电极片之间的病人胸部阻抗，自动调整除颤电流的波形 、放电时间和能量，使不同的病人均可达到有效的除颤效果^[7]。

（二） 植入式自动除颤器

植入式自动除颤器 (Auto -Im p lanted Cardiac defibril-lator ,A ICD)是埋植在病人体内，可探测室性纤颤并应用电击直接作用于心脏 ，使纤颤停止的一种心律失常治疗仪器。它克服了体外除颤的诸多缺点，能使心律失常患者得到及时抢救治疗，使用方便，并且无创伤^[7]。

三、项目研究内容

对现有的电子元件和材料进行分析；设计系统电路；制定实验方案上机测试；拟定问题的解决方案。

3.1 电子元件分析

急救衣系统所使用的电子元件和普通的除颤仪有所区别，医用除颤仪接通电源使用调频器改变电流大小来实现脉冲释放，而急救衣考虑到穿戴因素，不能增加很大负重的同时需考虑到安全性，因此将使用临时体外脉冲发射器、微型锂电池和晶体管来实现效果。系统中的心脏监测部分有心率计和蜂鸣报警器组成。

临时体外脉冲发射器是释放电流的终端，晶体管作为无触点开关，有放大电信号的作用，所以电池只需要提供较小的电流就可以实现为脉冲发射器供电。锂二氧化硫电池Li/SO2、锂二氧化硫电池Li/SOCl2两种型号的锂电池已经广泛应用在电子领域，达到供电所需的要求。

3.2 材料分析

急救衣拟采用的面料是一种叫“hitoe”的高分子纳米纤维布料，其微导电的性能十分适用于心率及体征的监测。“hitoe”的基础技术是IT以前一直在开发的导电性高分子“PEDOT-PSS”。PED T-PSS不仅具有柔软性、亲水性和一定的强度，还具有生物相容性，因此，即使紧贴皮肤，也不会感到不舒服。另一方面，由于具有亲水性，因此有洗涤后容易脱落的缺点。通过采用PE纳米纤维，面料与皮肤的接触面积比使用普通纤维时大，因此能够获得可靠的监测结果^[8]。

技术原理: 将PEDOT-PSS 曼入用直径仅700m的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 纤维(PET纳米纤维) 制成的布料。结果是，PEDOTSS留在了纤维中，耐洗深性得以提高。

3.3 实验部分

实验部分主要把着力点放在心率的监测系统和信号处理上，通过传感器记录下心率信号并用数字滤波进行降噪处理。

单片机仅仅起到采集电压和逻辑控制作用，通过串口通信将数据传送给PC端，PC机通过相应的上位机软件完成操作，本课题采用matlab来完成对应运算的操作。

（1）前端芯片的选择。

心率信号获取我们采用芯片AD8232集成心率采集芯片。

AD8232 是单导，成本低廉，用来测量心脏的电活动心率监测器。这个电信号可以绘制一个心电图或心电图和作为模拟量的输出。心电信号很微小，容易有外界的干扰， AD8232 单导心率监测器可以通过放大器来帮助获得 PR 和QT 间隔的一个明确的信号^[10]。

AD8232通过信号的差分放大，将微弱的心率信号得以放大，同时性能也较为良好，使用简单。

（2）单片机的选择

因为只使用串口通信功能，因此选用较为简单的arduino完成电压信号的获取。

3.4 自适应错位问题的解决

衣服错位在这里所指的是由于人型体的差异在穿着急救背心时会出现电极位置的偏差，都将最终导致监测精准度和脉冲信号释放的部位出现问题，改良方案的想法主要是通过穿戴者自我调节、准确安置电极位置的方式，现代的军用防弹衣和海上救生衣都做到了很好地包裹性设计，参考防弹衣和救援服的设计，衣物本身拥有一定的弹性很好地贴合身体部位，通过两侧的弹性材料以适应不同的身型，同时将电极片放置在了上下两个固定在侧边的搭扣上，在穿戴者将背心穿戴好后把搭扣安放在胸骨右缘第二肋和左侧第五肋骨与腋中线交界处，这样可以适用于不同身型的人群。同时对于单体模块误差较高的问题，为了保证心率监测的准确性，将使用联导模块的形式进行多处体征的综合监测，用于监测几处心室颤动位置的变化。

四、结论

心脏急救对于心脏发病率逐年升高的国内现状来说十分重要，其施救困难的主要原因还是在时间问题上，如何设计这一系列的救援流程来缩短等待治疗的时间对于整个心脏急救行业都将是有意义的。此项目是将心脏急救设备进行可穿戴化设计，提出了一个新的医疗急救设备概念，基于新型心脏急救设备的空白和项目实际需求。针对如何准确高效监测心率、起搏器心搏数固定、合理设计穿戴设备形态以适应衣服错位等问题进行一系列地调查研究并逐一解决。

目前项目中适应错位问题的急救衣模型基本完成，此外已经确定了适用于急救衣的两套系统：

（一）心率检测系统：心率检测模块探测心率异常信号——感应器接收信号——报警发生装置反应信息（蓝牙电子设备）

（二）脉冲反应系统：心率探测器探测到心率异常——脉冲发生器接到心率异常信号后，自动发出低频调制中频脉冲——电极板刺激心脏恢复心跳

涉及设备：心率检测模块、心率计、心率报警器、振荡场电刺激器、脉冲发生器、电极板、Li/MnO2锂电池。

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