CN108279565A - 可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统 - Google Patents

可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统 Download PDF

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CN108279565A CN201711279138.XA CN201711279138A CN108279565A CN 108279565 A CN108279565 A CN 108279565A CN 201711279138 A CN201711279138 A CN 201711279138A CN 108279565 A CN108279565 A CN 108279565A
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徐新喜
吴太虎
陈锋
余明
宋振兴
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Abstract

本发明公开了一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，包括：输入饱和处理模块，用于将带通滤波后的信号PETCO2和Kchest进行输入饱和处理，处理后的信号反映了当前患者的血流灌注程度和骨折风险大小；模糊控制模块，用于基于处理后的信号，计算得到按压深度调节增量；输出饱和处理模块，用于对按压深度调节增量进行优化处理并输出；模糊PID自动调节模块，用于根据优化处理后的按压深度调节增量，自动调节胸外按压器的按压深度，按照目标按压深度值进行自动胸外按压。本发明实施例通过上述设计，可在自动胸外按压过程中，实时监测患者生理状态，根据患者生理状态自动调节胸外按压深度；提高了胸外按压的安全性，获得较好的血流灌注。

Description

可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统
技术领域
本发明涉及胸外按压控制系统领域，尤其涉及一种可自适应调节胸外按压深度的闭环 自动胸外按压控制系统。
背景技术
心脏骤停导致的各脏器功能衰竭源于突然缺氧性的打击。目前，心肺复苏(cardiopulmonary resuscitation,CPR)是这类疾病唯一有效的救治途径。胸外按压是CPR的重要核心环节。胸外按压通过增加胸腔内压或直接挤压心脏产生血液流动，为脑和其他重要器官提供重建自主血液循环必备的氧气供给。因此，为了提高胸外按压质量，近年来涌现出了众多提高胸外按压效率的新技术。主要的技术革新，体现在胸外按压质量反馈和胸外按压自动化两个方面。
一、胸外按压质量反馈方面：
大量研究显示，由于缺乏按压深度和按压频率的实时反馈，仅凭经验和感觉实施的胸 外按压质量普遍低下。通过反馈监测胸外按压质量，有效控制按压深度和按压频率，可以 显著提高CPR的成功率。在胸外按压深度反馈监测方面，挪威斯塔万格大学的Aase SO于 2002年率先提出利用加速度二次积分方法测量胸外按压深度[1]。这一技术目前广泛应用于 心肺复苏急救产品中(Q-CPR、CPRMeter、AED Plus PAD和iCPR)，并得到了临床实践的肯定[2,3]。此外，国内一些专利，也将胸外按压质量反馈功能作为其创新点。如专利201310284749.9公开的―一种胸外按压深度的监测方法、系统和除颤仪”，提供了基于胸阻抗测量技术的高可靠性胸外按压深度的监测方法。专利201510415072.7公开的―一种胸外按压控制装置、方法及系统”，可综合检测当前心电信号、胸阻抗信号和按压深度信号，从而反馈指导胸外按压。专利201510608362.3公开的―一种双传感器心肺复苏按压深度指示系统”和专利201510608411.3公开的―一种器械式CPR按压深度算法”，采用双传感器技术，分别检测前胸和后背的按压加速度，从而实现胸外按压深度的高精度检测。
二、胸外按压自动化方面：
为了提高心肺复苏效率，近年来亦涌现出了大量可实施自动胸外按压的胸外按压机。 比较典型的自动胸外按压机如：可进行全自动主动按压-提拉心肺复苏的LUCAS自动心肺 复苏器和ZOLL公司研发的具有全胸廓按压功能的Autopulse束带式自动心肺复苏器[4,5]。 国内目前也涌现出了众多自动胸外按压的专利，比如，专利201710131561.9公开的―一种 多功能胸外按压装置及其使用方法”，采用自动立体3D按压技术，即可以实施单点胸外按 压，亦可实施束带式胸外按压、局部按压和全胸廓按压结合，适用于不同类型的患者。
但是，在胸外按压质量反馈和胸外按压自动化两方面，目前，国内外研究人员强调提 高血流灌注，却忽略了过深的胸外按压将导致胸骨骨折的危险。尽管提高胸外按压深度有 利于促进患者的血流灌注，但是在增加按压深度的同时也增加了患者胸骨骨折的风险。过 深的胸外按压将会导致患者产生严重的连枷胸(flail chest)，从而使得胸腔失去泵血功能， 极大地影响心肺复苏效率。更严重的是胸肋骨的骨折将会导致严重的肺部、肝脏和其他脏 器器官的损伤，威胁患者生命。有研究表明，大约三分之一的成人患者在接受传统胸外按 压时会发生胸骨骨折[6]。胸骨骨折的风险取决于胸骨弹性模量的个体差异、不同的胸外按 压深度等因素。基于人体尸体解剖系列研究表明，当按压深度达到胸部厚度的32％时，大 部分肋骨将会发生骨折[7，8]，而此按压深度仅仅略大于2015年国际心肺复苏指南推荐的胸 外按压深度。近年来，一些研究人员发现，心肺复苏急救过程中，95％的急救人员胸外按 压深度并未达到心肺复苏推荐标准。部分原因可能是由于这些急救人员怀疑国际心肺复苏 指南的按压深度要求，担心该标准将会导致胸骨骨折，从而单纯地依靠非专业的自身经验 判断[9]。
胸外按压是一把双刃剑，具有利弊的两面性。因此，只有综合患者血流灌注程度和胸 骨骨折危险性才能得到满足患者个体特征的最佳胸外按压深度。但是，遗憾的是目前国际 上缺乏对此问题的关注。尽管国际心肺复苏指南对胸外按压深度提出了要求，但是并未明 确地指出针对不同患者的最优胸外按压深度数值，大部分急救人员仅仅依靠临床急救经验 实施胸外按压。此外，众多自动胸外装备的按压深度恒定，并不能根据患者的个体差异进 行按压利弊的综合评估。尽管专利201110068162.5可通过检测呼吸末二氧化碳和平均动脉 压实现胸外按压质量的自动调节，但是该专利仅能评估胸外按压的血流灌注效果，无法评 估胸外按压对胸骨骨折造成的风险。此外，该专利提及的平均动脉压为有创测量，导致操 作复杂，限制其应用推广。
因此，目前缺乏可进行胸外按压深度利弊权衡的无创闭环自动胸外按压装备。
发明内容
本发明提供了一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，本发明 提高了胸外按压的安全性，获得较好的血流灌注，详见下文描述：
一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，所述闭环自动胸外按 压控制系统包括：
输入饱和处理模块，用于将带通滤波后的信号PETCO2和Kchest进行输入饱和处理， 处理后的信号反映了当前患者的血流灌注程度和骨折风险大小；
模糊控制模块，用于基于处理后的信号，计算得到按压深度调节增量；
输出饱和处理模块，用于对按压深度调节增量进行优化处理并输出；
模糊PID自动调节模块，用于根据优化处理后的按压深度调节增量，自动调节胸外按 压器的按压深度，按照目标按压深度值进行自动胸外按压。
其中，所述系统还包括：
信号预处理模块，用于将滑动滤波后的PETCO2和Kchest信号输入进数字带通滤波器， 消除基线干扰与高频噪声干扰。
进一步地，所述模糊控制模块包括：
模糊化处理子模块，用于获取PETCO2分级规则、Kchest分级规则，根据所述PETCO2分级规则、Kchest分级规则对输入、输出量的模糊分布进行设计。
其中，所述PETCO2分级规则具体为：
血流灌注级别Level 1，数值范围为0mmHg—10mmHg；
血流灌注级别Level 2，数值范围为10mmHg—15mmHg；
血流灌注级别Level 3，数值范围为15mmHg—21mmHg或>21mmHg。
其中，所述Kchest分级规则具体为：
骨折风险级别Level 1，数值范围为0N/cm—163N/cm；
骨折风险级别Level 2，数值范围为163N/cm—174N/cm；
骨折风险级别Level 3，数值范围为174N/cm—185N/cm；
骨折风险级别Level4，数值范围为185N/cm—195N/cm或>195N/cm
进一步地，所述根据所述PETCO2分级规则、Kchest分级规则对输入、输出量的模糊分布进行设计具体为：
根据PETCO2、Kchest分级规则，输入量PETCO2、Kchest分别选定三个、四个模糊 子集；
输出量，即胸外按压深度调节量选定七个模糊子集。
其中，所述模糊控制模块包括：
模糊控制规则子模块，用于根据PETCO2值、Kchest值所位于的水平等级，输出相应的偏移量，作为模糊控制规则。
所述用于对按压深度调节增量进行优化处理具体为：将最大目标按压深度限制在6cm 以内。
进一步地，模糊PID自动调节模块的输入变量为按压深度误差和按压深度误差变化量， 输出变量为驱动胸外按压器进行机械按压运动的控制量；
利用模糊控制算法在线调整PID参数，自动调节胸外按压器的按压深度。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明可在自动胸外按压过程中，实时监测患者生理状态，根据患者生理状态自 动调节胸外按压深度；
2、本发明可在患者胸骨柔软的时候，提高按压深度，在保证安全的情况下，获得较好的血流灌注；
3、本发明可在患者胸骨较硬的时候，降低按压深度，在维持必要血流灌注的同时，降低胸骨骨折的风险；
4、本发明提出的系统相比传统胸外按压方法和装备，具有更加优秀的胸外按压利弊 权衡性能，满足了实际应用中的多种需要。
附图说明
图1为可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统的结构示意图；
图2为PETCO2论域的模糊子集分布的示意图；
图3为Kchest论域的模糊子集分布的示意图；
图4为ΔDepth论域的模糊子集分布的示意图；
图5为模糊PID控制器的系统结构图；
图6为输入变量的模糊子集分布的示意图；
图7为输出变量的模糊子集分布的示意图；
图8为闭环自动胸外按压优化控制的流程图；
图9为闭环自动胸外按压心肺复苏系统的某一实例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详 细描述。
实施例1
一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，参见图1，详见下文 描述：
该闭环自动胸外按压控制系统包括：信号预处理模块、输入饱和处理模块、模糊控制 模块、输出饱和处理模块、以及模糊PID自动调节模块。
输入饱和处理模块，用于将带通滤波后的信号PETCO2和Kchest进行输入饱和处理， 处理后的信号反映了当前患者的血流灌注程度和骨折风险大小；
模糊控制模块，用于基于处理后的信号，计算得到按压深度调节增量；
输出饱和处理模块，用于对按压深度调节增量进行优化处理并输出；
模糊PID自动调节模块，用于根据优化处理后的按压深度调节增量，自动调节胸外按 压器的按压深度，按照目标按压深度值进行自动胸外按压。
其中，上述控制的目的是选择呼吸末二氧化碳(PETCO2)和胸骨弹性模量(Kchest)作为反馈变量，分别辨识分析闭环胸外按压心肺复苏过程中的血流灌注和骨折风险，结合胸外按压临床经验和模糊控制策略，形成一套自动权衡血流灌注与骨折风险利弊的高鲁棒性、高适应性的闭环胸外按压优化控制规则；
通过对PETCO2和Kchest实时反馈监测进行胸外按压深度的优化控制决策，输出转化 为调节胸外按压深度的控制指令，实现胸外按压心肺复苏的闭环优化控制。
其中，胸骨弹性模量Kchest定义为使胸骨下压单位深度所需要施加的力度大小。
综上所述，本发明实施例通过上述设计，可在自动胸外按压过程中，实时监测患者生 理状态，根据患者生理状态自动调节胸外按压深度；提高了胸外按压的安全性，获得较好 的血流灌注。
实施例2
下面结合具体的实例、图1-图9，对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
本发明实施例提供的闭环自动胸外按压控制系统共包括：信号预处理模块、输入饱和 处理模块、模糊控制模块、输出饱和处理模块、以及模糊PID自动调节模块，下面分别对 这五个模块做详细的介绍：
一、信号预处理模块
首先，使用滑动平均滤波器(moving average filter,MAF)对PETCO2和Kchest信号 进行滤波处理，以消除电源干扰；
其中，滑动平均滤波器的数字处理算法可用以下数学公式表示：
公式(1)中，M为滤波器阶数，y(n)为滤波后的信号，x(n-k)为滤波前的原始信号，经过200例病例的实验验证，在250Hz采样频率下，M为10，不排除进一步改进的可能。
然后，将经过滑动滤波后的PETCO2和Kchest信号通过一个截止频率为0.5～25Hz的 数字带通滤波器，以消除基线干扰与高频噪声干扰。具体实现时，数字带通滤波器可选用 巴特沃斯滤波器和FIR滤波器等数字滤波器，本发明实施例对此不做限制。
二、输入饱和处理模块
依照公式(2)和(3)对输入滤波后的信号PETCO2和Kchest进行输入饱和处理。
其中，PETCO2sample和Kchestsample均为当前采样值，min(A,B)和max(A,B)分别为最大 值和最小值选择函数，Xp和Xe为根据实际需要设定的参数。
PETCO2＝min(max(PETCO2sample,0),Xp)mmHg (2)
Kchest＝min(max(Kchestsample,0),Xe)N/cm (3)
经过200例临床试验，Xp和Xe的赋值为30mmHg和240N/cm，但可根据试验进一步 优化。
三、模糊控制模块
经过信号预处理和饱和处理的PETCO2和Kchest分别反映了当前患者的血流灌注程度 和骨折风险大小。基于PETCO2和Kchest两个参数，利用模糊控制模块，计算得到适当的 按压深度调节增量。
模糊控制模块包含以下4个部分：模糊化处理子模块、模糊控制规则子模块、模糊推 理子模块、以及清晰化处理子模块。
1、模糊化处理子模块
1)有益因子BF
为了量化胸外按压有益程度，可依照PETCO2反映的血流灌注程度、以及预测自主循 环恢复(Return Of Spontaneous Circulation,ROSC)成功的可能性，可将其分为3级。PETCO2 值越大，灌注程度越好，有益等级越高，分数越大(表1)。
表1.PETCO2分级规则
其中，上述ROSC为本领域公知的技术术语，本发明实施例对此不做赘述。
2)危险因子RF
本发明实施例为量化由于Kchest造成的胸骨骨折危险性，根据Kchest大小导致胸骨 骨折危险程度将其划分为4个等级。
在表2中，4个关键参数定义如下：
K5＝163N/cm,K5.5＝174N/cm,K6＝185N/cm,K6.5＝195N/cm (4)
这里，K5、K5.5、K6和K6.5分别代表了成人在胸外按压深度为5cm、5.5cm、6cm 和6.5cm情况下的平均Kchest值大小。
需要说明的是，本发明实施例中的K5、K5.5、K6和K6.5是基于200例的临床研究和急救经验总结得出，不排除进一步改进的可能。
表2.Kchest分级规则
3)模糊化算法
对输入、输出量的模糊分布设计如下：
①根据PETCO2分级规则，输入量PETCO2选定三个模糊子集，所对应的语言值为“Level1、Level2、Level3”，用以覆盖PETCO2论域[0,30]，根据经验和运算的方便性，隶 属函数均选取三角形函数，其分布如图2所示。
②根据Kchest分级规则，输入量Kchest选定四个模糊子集，所对应的语言值为“Level1、 Level2、Level3、Level4”，用以覆盖Kchest论域[0,240]，根据经验和运算的方便性，隶属 函数均选取梯形函数，其分布如图3所示。
③为了获得较高的控制精度和较小的模糊运算量，输出量ΔDepth(胸外按压深度调节 量)选定七个模糊子集，所对应的语言值[10]为“正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)”，用以覆盖Kchest论域[-0.5,0.5]，根据经 验和运算的方便性，隶属函数均选取三角形函数，其分布如图4所示。
其中，模糊子集、语言值(7种)、论域、隶属函数等均为模糊控制领域中的专业术语， 本发明实施例对此不做赘述。
2、模糊控制规则子模块
根据国际心肺复苏指南和急救心肺复苏临床经验，高质量的胸外按压通常满足以下5 条要求：
1)胸外按压频率为至少100次/分钟，按压深度至少5cm；
2)基于PETCO2和Kchest的反馈监测，在胸外按压过程中需充分权衡利弊，从而获得性价比最高的胸外按压；
3)尽可能避免如“PETCO2<10mmHg(PETCO2值处于Level1水平)”和 “Kchest>185N/cm(Kchest值处于Level4水平)”这两个极端危险情况的发生；
4)胸外按压过程中，当胸骨未处于极端危险情况(Kchest值处于Level4水平)时，要尽可能的提高PETCO2水平；
5)依照2010AHA指南要求，初始的胸外按压深度值为5cm，之后胸外按压过程中，最优按压深度值为当前按压深度与模糊控制器输出的最优按压深度增量之和。
通过分析以上高质量胸外按压要求，总结归纳得到以下12条模糊控制规则：
1.如果PETCO2值处于Level1水平，且Kchest值处于Level1水平，则输出偏移量为PB；
2.如果PETCO2值处于Level1水平，且Kchest值处于Level2水平，则输出偏移量为PM；
3.如果PETCO2值处于Level1水平，且Kchest值处于Level3水平，则输出偏移量为PS；
4.如果PETCO2值处于Level1水平，且Kchest值处于Level4水平，则输出偏移量为ZO；
5.如果PETCO2值处于Level2水平，且Kchest值处于Level1水平，则输出偏移量为PM；
6.如果PETCO2值处于Level2水平，且Kchest值处于Level2水平，则输出偏移量为PS；
7.如果PETCO2值处于Level2水平，且Kchest值处于Level3水平，则输出偏移量为ZO；
8.如果PETCO2值处于Level2水平，且Kchest值处于Level4水平，则输出偏移量为NS；
9.如果PETCO2值处于Level3水平，且Kchest值处于Level1水平，则输出偏移量为PS；
10.如果PETCO2值处于Level3水平，且Kchest值处于Level2水平，则输出偏移量为ZO；
11.如果PETCO2值处于Level3水平，且Kchest值处于Level3水平，则输出偏移量为NS；
12.如果PETCO2值处于Level3水平，且Kchest值处于Level4水平，则输出偏移量为NM。
以上的每条模糊规则都可以给出一个模糊蕴涵关系Ri(i＝1,2,…,12)，这些模糊蕴涵关 系的合并构成总的模糊蕴涵关系，即：
3、模糊推理子模块；
基于前述模糊规则和模糊化处理方法，利用模糊推理子模块得到输出的模糊量。模糊 推理子模块采用的模糊推理算法为本领域技术人员公知的方法(例如：Zedeh法、Mandani 法、Baldwin法等)，只要能实现模糊推理功能的算法即可，本发明实施例在此不做限制和 赘述。
4、清晰化处理子模块(即去模糊化)。
本发明实施例的去模糊化方法可采用常用的公知去模糊化方法，例如：最大隶属度法、 取中位数法和加权平均法，只要能实现去模糊化功能的算法均可，本发明实施例在此不做 限制和赘述。
本发明实施例仅以加权平均法为例，介绍一下去模糊化算法：
假设论域X上的元素为xi，i＝1,2,…,n，以其作为待判决输出模糊集合U的隶属函数 μU(xi)的加权系数，取乘积xiμU(xi)，i＝1,2,…,n，并计算该乘积和对于隶属函 数和的平均值xavr，即：
若论域X上的元素是连续的，则：
在经过模糊化、模糊规则设计、模糊推理和去模糊化等一系列模糊控制运算之后，得 到了本发明实施例提供的闭环自动胸外按压优化控制的模糊控制决策方法。
四、输出饱和处理模块
通过模糊控制决策后，根据优化的胸外按压深度调节增量与当前按压深度求和，得到 目标按压深度值。为了保护患者免受过深按压造成的胸骨损伤，将最大目标按压深度限制 在了6cm以内。依照公式(8)对输出按压深度进行输出饱和处理。其中，Depthtarget为进行输出饱和处理之前的目标按压深度值：
Depth＝min(max(Depthtarget,0),6)cm (8)
五、模糊PID自动调节模块
在得到优化的目标按压深度值之后，需要自动调节胸外按压器的按压深度，按照目标 按压深度值进行自动胸外按压。
为了最大限度地提高闭环自动胸外按压控制的鲁棒性和自适应性，选择模糊PID控制 器对按压深度进行自动闭环控制调节。模糊PID控制器的输入变量为按压深度误差E和按 压深度误差变化量EC，输出变量为驱动胸外按压器进行机械按压运动的控制量。模糊PID 控制器综合模糊控制器(fuzzy controller,FC)和PID控制器的优点，根据E和EC的实际 变化情况利用模糊控制算法在线调整PID参数，可充分发挥PID控制器的优良控制作用，使整个系统达到最佳控制效果。
其中，本发明实施例提供的模糊PID自动调节算法如下：
设PID控制(调节)器的输出量为u(t)，输入量为e(t)，它们之间的关系是：
公式(9)中KP为比例增益，KI为积分增益，KD为微分增益。
为了获得满意的控制效果，模糊PID控制器根据PID参数与控制偏差E(目标按压深度与当前按压深度差值的绝对值)和偏差导数EC(E的导数)之间的模糊关系，在运行中 通过不断检测E和EC，模糊参数调节器利用模糊控制算法对PID参数KpFz、KiFz、KdFz进 行在线修改，以满足不同E和EC对控制参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动态 和静态性能。模糊PID控制器的系统结构图如图5所示。
其中，E、EC为清晰化的控制偏差和偏差导数，E*和EC*为模糊化的控制偏差和偏差导数；KpFz、KiFz、KdFz为清晰化的PID控制器比例、积分、微分参数，KpFz *、KiFz *、KdFz *为模糊化的PID控制器比例、积分、微分参数；kE和kEC分别为模糊参数调节器的E、EC 模糊化调节参数，kp、ki、kd分别为模糊参数调节器输出KpFz *、KiFz *、KdFz *的清晰化调节 参数。
上述参数按照公式(10)对输入和输出参数进行比例放大或缩小。
E*＝kE×E,EC*＝kEC×ECKpfz＝kp×Kpfz *,Kifz＝ki×Kifz *,Kdfz＝kd×Kdfz * (10)
经过200例临床试验，确定参数如下，不排除进一步优化的可能：
kE＝0.15,kEC＝0.2,kp＝0.015,ki＝0.06,kd＝0.15
其中，模糊参数调节器输入和输出隶属度函数均采用无间隙均匀叠加的三角函数，以 提高参数辨识精度。输入变量E*和EC*的论域设为：{-3,-2,-1,1,2,3,}；输出变量Kpfz *、Kifz *和Kdfz *的论域设为：{0,0.5,1,1.5,2,2.5,3}。输入语言变量设为：{NB(负大)，NM(负中)， NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}；输出语言变量设为：{ZO(零)，PS(正 小)，PM(正中)，PB(正大)}。输入和输出变量的模糊子集分布分别如图6和图7所示。
模糊PID控制器当中的模糊参数调节器的模糊规则设计如下：
1)当偏差E绝对值较大时，不论误差的变化趋势如何，都应该提高响应速度，加快输出趋向稳态值的速度，即应尽快消除系统偏差。同时也应防止积分饱和，避免系统响应出现较大超调。因此，参数调节KpFz取较大值，KdFz取小值，KiFz取零；
2)当偏差E中等大小时，应逐渐减小控制力度，KpFz，KiFz和KdFz都不能取大。既要 继续减小系统偏差，又要防止产生超调，还要尽量缩短调整时间。此时的KpFz应与EC的 大小联系起来，适当减小或增大，KdFz取较小值，KiFz适中；
3)当偏差E较小时，考虑到偏差E朝着给定值的方向发展，此时要快速减小稳态误差，KpFz和KiFz取值应该适当加大，同时KdFz也取适当大值。
根据以上原则，可以总结出较为合理的10条模糊控制规则，如下所示：
1.如果E为PB，则KpFz为PB,KiFz为ZO,KdFz为PS；
2.如果E为NB,则KpFz为PB,KiFz为ZO,KdFz为PS；
3.如果E为PM且EC为PM,则KpFz为PB,KiFz为PM,KdFz为PS；
4.如果E为PM且EC为NM,则KpFz为PM,KiFz为PM,KdFz为PS；
5.如果E为NM且EC为NM,则KpFz为PB,KiFz为PM,KdFz为PS；
6.如果E为NM且EC为PM,则KpFz为PM,KiFz为PM,KdFz为PS；
7.如果E为PS且EC为PS,则KpFz为PB,KiFz为PB,KdFz为PM；
8.如果E为PS且EC为NS,则KpFz为PB,KiFz为PB,KdFz为PM；
9.如果E为NS且EC为PS,则KpFz为PB,KiFz为PB,KdFz为PM；
10.如果E为NS且EC为NS,则KpFz为PB,KiFz为PB,KdFz为PM.
综合模糊控制规则和每一个语言变量的隶属度函数，经过模糊推理，输出模糊量。而 模糊参数调节器最终输送给PID控制器的是精确的控制系数，要将模糊量经过解模糊化处 理，得到PID控制器精确的KpFz、KiFz和KdFz。这里，采用的解模糊化方法为加权平均法。
以KpFz为例，加权平均法是先计算输出量模糊集UKpFz中各元素KpFzi(i＝1,2,…,10)与其 隶属度μKpFz(KpFzi)的乘积KpFzi×μKpFz(KpFzi)，再计算该乘积和、与隶属度和的平均值KpFz0， 如公式(11)所示。
KpFz0即为经过解模糊计算的精确PID比例参数。同理，KiFz和KdFz可以利用加权平均法得到其精确值。
如上文所述，整个可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统关键算法 流程图如图8所示。
本发明实施例的设计目的是采用传统的PETCO2传感器和压力位移传感器实现对血流 灌注和骨折危险情况的实时检测辨识。同时，结合闭环控制算法，完成对心脏骤停患者的 闭环自动胸外按压优化控制。本系统的设计适用于各级医院、急救中心、公共场所、社会 及家庭，尤其适合在大量伤病员涌现，医护人员缺乏的突发公共安全事件情况下，无需急 救人员的参与，即可完成高质量、全自动的胸外按压。
其中一个应用示例如图9所示，通过利用ADC转换器将患者PETCO2、当前胸外按 压深度和当前胸外按压压力经过模数转换后，传入信号采集器。信号采集器将这些信号经 过放大处理后通过串口送入信号分析模块。该模块利用上文所述的闭环自动胸外按压优化控制算法得到当前最优胸外按压深度偏移量。该偏移量与当前胸外按压深度求和后，经过输出饱和处理模块按压深度限制在安全范围内，最终得到优化按压深度。该优化按压深度被作为目标按压深度，送入自动胸外按压深度控制器。自动胸外按压控制器利用模糊PID控制器基于前文所述模糊PID自动调节算法，结合当前胸外按压深度值，自动调节控制机械胸外按压器，以最优胸外按压深度实施胸外按压。
综上所述，本发明实施例通过上述设计，可在自动胸外按压过程中，实时监测患者生 理状态，根据患者生理状态自动调节胸外按压深度；提高了胸外按压的安全性，获得较好 的血流灌注。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要 能完成上述功能的器件均可。
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本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述闭环自动胸外按压控制系统包括：
输入饱和处理模块，用于将带通滤波后的信号PETCO2和Kchest进行输入饱和处理，将PETCO2和Kchest限定在合理正常范围内，处理后的信号反映了当前患者的血流灌注程度和骨折风险大小；
模糊控制模块，用于基于处理后的信号，计算得到按压深度调节增量；
输出饱和处理模块，模糊PID自动调节模块，用于根据优化处理后的按压深度调节增量，自动调节胸外按压器的按压深度，按照目标按压深度值进行自动胸外按压。
2.根据权利要求1所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述系统还包括：
信号预处理模块，用于将滑动滤波后的PETCO2和Kchest信号输入进数字带通滤波器，消除基线干扰与高频噪声干扰。
3.根据权利要求1所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述模糊控制模块包括：
模糊化处理子模块，用于获取PETCO2分级规则、Kchest分级规则，根据所述PETCO2分级规则、Kchest分级规则对输入、输出量的模糊分布进行设计。
4.根据权利要求3所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述PETCO2分级规则具体为：
血流灌注级别Level1，数值范围为0mmHg—10mmHg；
血流灌注级别Level2，数值范围为10mmHg—15mmHg；
血流灌注级别Level3，数值范围为15mmHg—21mmHg或>21mmHg。
5.根据权利要求3所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述Kchest分级规则具体为：
骨折风险级别Level1，数值范围为0N/cm—163N/cm；
骨折风险级别Level2，数值范围为163N/cm—174N/cm；
骨折风险级别Level3，数值范围为174N/cm—185N/cm；
骨折风险级别Level4，数值范围为185N/cm—195N/cm或>195N/cm。
6.根据权利要求3所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述根据所述PETCO2分级规则、Kchest分级规则对输入、输出量的模糊分布进行设计具体为：
根据PETCO2、Kchest分级规则，输入量PETCO2、Kchest分别选定三个、四个模糊子集；
输出量，即胸外按压深度调节量选定七个模糊子集。
7.根据权利要求1或3所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，所述模糊控制模块包括：
模糊控制规则子模块，用于根据PETCO2值、Kchest值所位于的水平等级，输出相应的偏移量，作为模糊控制规则。
8.根据权利要求1所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，
所述用于对按压深度调节增量进行优化处理具体为：将最大目标按压深度限制在6cm以内。
9.根据权利要求1所述的一种可自适应调节胸外按压深度的闭环自动胸外按压控制系统，其特征在于，
模糊PID自动调节模块的输入变量为按压深度误差和按压深度误差变化量，输出变量为驱动胸外按压器进行机械按压运动的控制量；
利用模糊控制算法在线调整PID参数，自动调节胸外按压器的按压深度。
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