CN106511056A

CN106511056A - 一种心肺复苏按压深度的测量装置及方法

Info

Publication number: CN106511056A
Application number: CN201610920479.XA
Authority: CN
Inventors: 管国云
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: CN106511056B

Abstract

该发明公开了一种引导心肺复苏按压过程中测量按压深度的方法与装置，涉及电磁感应测量技术及相关算法的运用。主机上的发射线圈激励起固定频率的交变磁场即一次感应信号，处在交变磁场中的目标接收线圈模块会产生涡流，并向外发射二次感应信号。最终主机上的线圈接收叠加后的复合信号，并运用相敏检波算法将其分离，比较二次感应信号的幅值最大与最小值，从而得出每一次复苏按压动作的开始时刻与终止时刻，最后结合加速度数据积分得出每次复苏按压的深度。本发明利用感应测量原理，使得外置的目标接收线圈模块可以做得既小又薄，且无需连接外部供电导线，结合主机完成心肺复苏的引导功能。

Description

一种心肺复苏按压深度的测量装置及方法

技术领域

本发明属于心肺复苏领域，特别涉及心肺复苏引导按压深度测量领域。

背景技术

目前的人工心肺复苏术大都是凭经验进行,对实施者而言，就算经过专业的培训,在突发性的紧急情况下，很难做到严格遵照相关的按压标准。在实施复苏过程中对心肺按压的节奏与幅度较难把握，其中按压幅度的深浅又作为决定按压是否有效的关键因素，与此同时不同病人不同体质对按压幅度也有不同的要求。心肺复苏引导装置能起到很好的示范作用，在一定程度上降低了人工操作门槛，提高心肺复苏的成功率。但是现有的基于加速度计的便携式心肺复苏按压引导器存在测量精度和可靠性的问题。对此，本专利提出了一种提升此类测量精度与可靠性的装置和方法，能减少因个人经验不足所引起的施救不当和二次伤害。

美国专利US7118542B2中公布了利用加速度传感器测量按压深度的一种测量方法，该专利中叙述了利用加速度传感器积分叠加原理以及算法校正，最后求出每次按压深度的测量。但是该项发明容易受运动环境的影响，如在救护车、救援飞机、滑动的轮床等运动环境下，仅仅利用加速度测量的方法会带来一些无法克服的测量误差，需要特殊的校正装置与算法校正，这势必会增加装置成本与操作难度。已知加速度传感器积分算法一个弊端是必须准确得出按压周期的开始与结束的时刻，之后才能准确的算出按压深度，否则势必会存在一定的测量误差，但是该专利并未提及。

欧洲专利中EP2308449A1以及中国专利CN102164573A中公布了关于利用磁场发生器与接收器的感应测量原理及装置，发明主要基于磁场测量原理，用发射线圈产生磁场，通过测量接收线圈上的感应电动势来计算按压深度。其中CN102164573A单独就电磁感应测量做一定的校正与算法，这种直接测量磁场的方式容易受到病人所处环境的影响，当病人躺在担架上、铁架床上或者放置在地上时，因为环境的不同，会导致磁场的测量值存在很大的不确定性。由于没有其他参考装置与测量手段，该项测量方式需要配合特殊校正装置与校正算法才能真正应用到实际测量领域，因此有很大的局限性，测量误差会比较大。欧洲专利EP2308449A1将加速度数据和电磁感应数据结合起来完成按压深度的测量，但是此专利中只测量了一次感应信号的强度，且发射装置与接收装置均由主机导线引出，分别置于病人胸前与背后。主要弊端就是采用主机一拖二的形式，发射装置与接收装置均需要从主机引出导线，并由主机提供电源。其实际操作显得不太方便，影响急救的效果，并且随着使用次数的累积，导线有破损的可能，可靠性差。

发明内容

本发明利用电磁感应原理，在心肺复苏按压装置中放置一个专用的发射线圈，产生并激励起交变电流，线圈向外发射交变磁场即一次感应信号；特制的目标接收线圈模块用于接收一次感应信号并在自身线圈上产生涡流；此涡流会向外发射同频的交变磁场即二次感应信号，心肺复苏引导按压装置中的接收线圈通过接收这两个感应信号，运用相敏检波算法将它们分离出来。计算出在一个按压周期内二次感应信号的最大值与最小值所对应的时刻，结合实时测得的加速度计算出此次按压的深度；从而解决常规方案中测量装置受环境影响大、可靠性差、测量精度低的问题。

本发明技术方案为一种心肺复苏按压深度的测量装置，该装置包括：引导按压测量主机和目标接收线圈模块；所述引导按压测量主机包括：电源转换模块、加速度传感器、数字信号控制器(DSP)、直接数字频率合成器(DDS)、信号调理及采样、主机发射线圈、主机接收线圈；其中所述电源转换模块为各器件及电路供电，所述加速度传感器用于测量按压过程中主机的加速度，所述数字信号控制器用于控制其它电路，并完成相敏检波，结合加速度数据计算出每次按压的深度；所述直接数字频率合成器用于产生固定频率的正弦波信号再经过驱动放大后输出至发射线圈，所述信号调理及采样作用是对主机发射线圈的发射信号与主机接收线圈的接收信号进行采集与调理；所述目标接收线圈模块处于主机发射线圈产生的交变磁场中，自身的涡流向外发射二次感应信号。

进一步的，所述主机接收线圈包括两部分：正向绕制线圈与反向绕制线圈，用于抵消接收线圈中大部分的一次感应信号。

进一步的，所述引导按压测量主机还包括USB通讯接口，用于与外界通讯调试或程序代码升级；声光指示模块，用于驱动指示灯与蜂鸣器。

一种心肺复苏按压深度的测量方法，该方法在位于病人胸前的心肺复苏按压装置中放置一发射线圈，发射线圈向外发射一次感应信号；位于病人背后的目标接收线圈模块接收一次感应信号并在自身线圈上产生涡流，此涡流向外发射二次感应信号；心肺复苏按压装置中的接收线圈通过接收一次和二次感应信号，在消弱一次感应信号后，运用相敏检波算法分离出二次感应信号；计算出一个按压周期内二次感应信号的最大值与最小值所对应的时刻，结合实时的加速度数据计算出此次按压的深度。

本专利最大的特点与不同之处就是测量原理上。通过主机上的接收线圈测量二次感应信号大小来判断按压深度的最高点与最低点，再对传感器测量的加速度数据进行积分运算，计算出按压深度。使用目标接收线圈模块与测量二次感应信号是本专利与其他专利不同之处，此方法结合加速度积分算法测量出的按压深度既精确又可靠，由于目标接收线圈模块无需外部供电与导线连接，对使用环境以及放置位置无特别要求，较其他产品来看，适用性更好，可靠性更高，测量结果更准确。

附图说明

图1为总体功能框图；

图2为DDS数字频率信号发射结构示意图；

图3为信号调理及采样示意图；

图4为主控制器外围电路单元结构示意图；

图5为数字相敏检波算法流程图；

图6为系统软件工作流程图；

图7为加速度积分算法示意图；

图8为发射线圈与接收线圈示意图；

图9为一次感应信号与二次感应信号相位关系示意图；

图10为正交分离后的复合信号实部虚部关系示意图；

图11为本发明装置放置示意图。

图中，1.电源转换模块，转换成系统所需的各种电压；2.加速度传感器；3.数字信号控制器DSP，执行DPSD算法与相关控制；4.USB通讯，与外界通讯调试或程序代码升级；5.直接数值频率合成器DDS，用于产生某一固定频率的正弦信号再经过驱动放大后输出至发射线圈；6.信号调理及采样，包括低噪声放大、带通滤波、ADC模数转换；7.声光指示，DSP驱动LED和蜂鸣器；8.主机接收线圈，主机接收线圈用于接收叠加后的复合信号；9.主机发射线圈，激励起某一固定频率的交变磁场；10.驱动放大，放大DDS数字信号驱动，使发射线圈能够激励器足够大的涡流，确保信号的强度；11.低噪声放大；12.带通滤波；13.增益调节；14.AD采样；15.电池，由2节7号构成；16.滤波稳压，对电源电压滤波；17.晶振，提供系统时钟；18.复位控制电路；19.JTAG，烧录仿真测试口；

具体实施方式

如图1所示，本装置分为两个部分，其中Ⅰ为引导按压测量主机，Ⅱ目标接收线圈模块。Ⅱ线圈回路在交变电磁场即一次感应信号作用下激励起一定大小的交变涡流，此涡流又会向外辐射二次感应信号。主机上的接收线圈接收由一次与二次感应信号叠加后的复合信号，通过相敏检波算法以及加速度积分算法求出Ⅰ主机与Ⅱ目标接收线圈模块之间的距离。发射信号经过衰减后用作参考信号，同接收信号作相位比较；

本发明的难点：

主机上有发射线圈与接收线圈，一次感应信号也会被主机的接收线圈所接收，我们需要测量的不是一次感应信号，而是来自目标接收线圈模块的二次感应信号。因此系统必须要能够区分两者，并且将其准确的分离出来。

难点1：本发明主要特点与难点在于系统要分离出二次感应信号，方法是通过数字相敏检波(DPSD)算法，计算二次感应信号的幅度以及与参考信号之间的相位差。已知从发射信号取得的参考信号，且主机上的发射线圈与接收线圈的位置与距离是确定的，那么一次感应信号的相位与幅度都是固定值。根据感应原理，目标接收线圈模块的二次感应信号与一次场信号之间的相位差大约为90度(如图9所示)，且二次感应信号远小于一次场信号。经过叠加后的复合信号会被主机的接收线圈接收，为了分离两者本专利采用相敏检波算法，最后换算成实部虚部，实部表示与参考信号同相位的一次感应信号，而虚部则表示相位相差90度的二次感应信号，如图10所示。记录一个按压周期内二次感应信号，得出最大值与最小值的时刻，最后对加速度数据做积分运算，求出此次按压的深度。由于准确的测量了二次感应信号，就能发现主机与目标接收模块之间距离的细微变化。由此可知，此方法可以非常精确地计算出每次的按压深度，很好地解决了传统方法由于无法判断按压最低点与最高点位置所带来的误差，使得按压深度的测量更为准确。

难点2：已知主机接收线圈与发射线圈的距离很近，相比与目标接收线圈模块的距离要大一些，且目标接收模块产生的二次感应信号的强度，比一次感应信号小几个数量级。如图9所示，如果二次感应信号远小于一次感应信号，经过波形叠加后的复合信号主要以一次感应信号为主，正交分离后很难反应距离的变化，因此需要对一次感应信号做抵消处理。本发明通过正反向绕制的线圈刚好可以将一次感应信号抵消到最小，使得二次感应信号的幅度与一次感应信号不至于相差过大。

如图8所示，主机接收线圈系分成两部分，Coil2为正向绕制的线圈，匝数为Q₂，Coil3为反向绕制的线圈，匝数为Q₃。由于距离D₂、D₃是固定的，两线圈接收到的磁场信号强度近似与距离的3次方成反比，那么Coil2与Coil3线圈处的磁强的关系可以表示为：

由于两线圈绕制相反，由磁场感应出来的电动势方向相反，大小与匝数成正比：

V₁＝V2-V3

为将感应电动势V₁抵消到最小，对匝数进行匹配设计:

当

有V₂≈V₃

比如D₂＝D₃

则Q₂/Q₃＝1/8

同理二次感应信号同样也存在一定的抵消关系，不过由于Coil2、Coil3与目标接收线圈模块的距离近似相等，那么抵消关系最终被反应到匝数比上。

由于正反线圈与目标接收线圈模块的距离差不多，而Q3比Q2大很多，因此二次感应信号只抵消了一小部分，对二次感应信号的测量结果不会造成太大的影响。利用相敏检波算法提取复合信号中二次感应信号，确定此信号的最大值与最小值所处的时刻，即得到按压最高处与最低处的位置，如图7所示。

结合加速度积分算法与感应测量技术，能显著提高位移的测量精度。

具体操作实现方式

步骤一：打开主机电源，完成自检；

步骤二：将接收目标接收线圈模块放置于病人的背后。

步骤三：将主机置于病人胸前正上方，选择按压模式(针对不同病人的一种参考模式)后，界面绿灯亮时既可进行按压，按压时主机界面会有节奏地声光指示，同时液晶屏上会显示出每次按压位移的深度。根据主机提示的按压节奏进行按压，并及时调整按压的深度。

Claims

1.一种心肺复苏按压深度的测量装置，该装置包括：引导按压测量主机和目标接收线圈模块；所述引导按压测量主机包括：电源转换模块、加速度传感器、数字信号控制器、直接数字频率合成器、信号调理及采样、主机发射线圈、主机接收线圈；其中所述电源转换模块为各器件及电路供电，所述加速度传感器用于测量按压过程中主机的加速度，所述数字信号控制器用于控制其它电路，并完成相敏检波，结合加速度数据计算出每次按压的深度；所述直接数字频率合成器用于产生固定频率的正弦波信号再经过驱动放大后输出至发射线圈，所述信号调理及采样作用是对主机发射线圈的发射信号与主机接收线圈的接收信号进行采集与调理；所述目标接收线圈模块处于主机发射线圈产生的交变磁场中，自身的涡流向外发射二次感应信号。

2.如权利要求1所述的一种心肺复苏按压深度的测量装置，其特征在于所述主机接收线圈包括两部分：正向绕制线圈与反向绕制线圈，用于抵消接收线圈中大部分的一次感应信号。

3.如权利要求1所述的一种心肺复苏按压深度的测量装置，其特征在于所述引导按压测量主机还包括USB通讯接口，用于与外界通讯调试或程序代码升级；声光指示模块，用于驱动指示灯与蜂鸣器。

4.一种心肺复苏按压深度的测量方法，该方法在位于病人胸前的心肺复苏按压装置中放置一发射线圈，发射线圈向外发射一次感应信号；位于病人背后的目标接收线圈模块接收一次感应信号并在自身线圈上产生涡流，此涡流向外发射二次感应信号；心肺复苏按压装置中的接收线圈通过接收一次和二次感应信号，在消弱一次感应信号后，运用相敏检波算法分离出二次感应信号；计算出一个按压周期内二次感应信号的最大值与最小值所对应的时刻，结合实时的加速度数据计算出此次按压的深度。