CN114533523B

CN114533523B - 一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法

Info

Publication number: CN114533523B
Application number: CN202210187348.0A
Authority: CN
Inventors: 李可; 孙铭泽; 陈玉国; 徐峰; 王甲莉; 庞佼佼; 潘畅; 边圆; 李贻斌
Original assignee: Shandong University; Qilu Hospital of Shandong University
Current assignee: Shandong University; Qilu Hospital of Shandong University
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2042-02-28
Also published as: CN114533523A

Abstract

本发明公开一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法，包括：按压执行机构，包括按压板和连接在按压板两端的按压带，用于通过按压带的收放带动按压板的垂直运动；按压驱动机构用于驱动按压带的收放；检测模块用于检测驱动参数和按压压力；控制系统接收驱动参数和按压压力，根据驱动参数得到胸廓形变量，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数，根据心肺复苏参数判断心肺复苏效果，并控制按压驱动机构的动作。保证心肺复苏机在狭小空间下使用时的便携性和小体积，同时实现智能化的按压方式。

Description

一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法

技术领域

本发明涉及心肺复苏设备技术领域，特别是涉及一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在长时间被困于狭小空间内时，受困人员可能会引发心脏骤停。心脏骤停是指心脏射血功能的突然终止，大动脉搏动与心音消失，重要器官严重缺血、缺氧，导致生命终止。心肺复苏是救治心脏骤停患者的必备手段，传统的心肺复苏多采用人工按压操作，不仅需要依靠施救者的按压经验和技能，更需要施救者付出大量的体力，且按压的深浅、力度等很难保证符合要求，往往随着按压的持续和施救者疲劳的加剧，按压质量明显下降。传统心肺复苏在正常条件下的效果尚且难以保证，在狭小空间中更加难以施展。

因此，在狭小空间的救援时，必须要通过自动化的装置替代人力按压对心脏骤停患者进行救治。目前已有的心肺复苏机种类较多，主要依靠气源驱动或者电机连杆活塞等结构，此类设计虽然可以完成按压要求，但是体积较大且安装不便，不适用于在狭小空间内对受困患者进行救治，且此类设备往往需要固定在治疗床或者治疗架上，便携性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法，采用按压带结合按压板执行按压操作，通过对固定在胸廓上的按压带进行收放以实现按压功能，保证心肺复苏机在狭小空间下使用时的便携性和小体积，同时通过按压压力监测和胸部形变量监测实时判断患者的胸部变化情况，进而调整心肺复苏参数，实现智能化的按压方式。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，包括：按压执行机构、按压驱动机构、检测模块和控制系统；

所述按压执行机构包括按压板和连接在按压板两端的按压带，用于通过按压带的收放带动按压板的垂直运动；

所述按压驱动机构用于驱动按压带的收放；

所述检测模块包括设于按压驱动机构上的角位移传感器和设于按压板上的压力传感器，用于分别检测驱动参数和按压压力；

所述控制系统接收驱动参数和按压压力，被配置为根据驱动参数得到胸廓形变量，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数，根据心肺复苏参数判断心肺复苏效果，并根据判断结果控制按压驱动机构的动作。

作为可选择的实施方式，在所述按压驱动机构上设有缠绕摆臂，所述缠绕摆臂连接按压带，所述缠绕摆臂通过按压驱动机构的带动进行旋转，以缠绕收放按压带。

作为可选择的实施方式，根据驱动参数得到胸廓形变量的过程包括：根据初始阶段角位移传感器的值得到初始胸廓参数矩阵；获取按压过程中单次胸廓最大形变量矩阵，根据初始胸廓参数矩阵和单次胸廓最大形变量矩阵的差值得到胸廓形变量。

作为可选择的实施方式，对胸廓形变量进行标准化，通过胸廓形变量矩阵与初始胸廓参数矩阵的比值得到标准化后的胸廓形变量。

作为可选择的实施方式，所述心肺复苏参数包括心肺复苏增益关系和心肺复苏风险关系。

作为可选择的实施方式，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数的过程包括：根据胸廓形变量得到胸部压缩比，根据胸部压缩比得到心肺复苏增益关系；根据按压过程中的最大按压压力和标准最大按压压力得到心肺复苏风险关系；根据心肺复苏增益关系和心肺复苏风险关系判断心肺复苏效果。

作为可选择的实施方式，根据心肺复苏参数判断心肺复苏效果的过程包括：

result＝max((R_B-R_F),0)*v

其中，result为心肺复苏效果的判断结果，v为按压驱动机构的电机运行速度；R_B为心肺复苏增益关系，R_F为心肺复苏风险关系。

作为可选择的实施方式，根据判断结果控制按压驱动机构的动作的过程为控制按压驱动机构的运行速度的更新，更新后的按压驱动机构的运行速度v_out为：

v_out＝result+v₀

其中，v₀为上一阶段的电机运行速度。

作为可选择的实施方式，所述按压驱动机构通过驱动按压带的收放以及控制按压带的收缩速度，以调节按压频率和按压深度。

第二方面，本发明提供一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机的工作方法，包括：

将连接在按压板两端的按压带固定在胸腔周围；

通过按压驱动机构控制按压带的收放，以通过按压带的收放带动按压板的垂直运动；

通过设于按压驱动机构上的角位移传感器和设于按压板上的压力传感器分别检测驱动参数和按压压力；

根据驱动参数得到胸廓形变量，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数，根据心肺复苏参数判断心肺复苏效果，并根据判断结果控制按压驱动机构的动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法，为保证心肺复苏机在狭小空间下使用时的便携性和小体积，本发明使用绑带式按压结构，即采用按压带结合按压板执行按压操作，通过对固定在胸廓上的按压带进行收放以实现按压功能，同时在胸部正上方引入按压板，按压板采用刚性薄板设计，整体高度变低，保证按压的稳定性的同时适用于患者受困于狭小空间内无法完成搬运和转移的情况。

本发明提出的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法，将按压带固定在患者的胸腔周围，依靠电机旋转缠绕按压带，从而实现按压带长度的调节，通过缩短按压带长度实现患者胸廓的变化，从而起到挤压胸腔的作用，同时通过电机转速的改变，进而改变按压带收缩和释放的速度，最终实现按压频率的改变。

本发明提出的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机及方法，通过按压压力监测和胸部形变量监测实时判断患者的胸部变化情况，进而调整心肺复苏参数，实现高标准心肺复苏，实现智能化的按压方式，相较于现有产品，在智能化、便携化、小型化方面提出创新性设计，可在小空间内进行自动化的心肺复苏操作。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的智能心肺复苏机示意图；

图2为本发明实施例1提供的智能心肺复苏机内部示意图；

图3为本发明实施例1提供的使用流程图；

图4为本发明实施例1提供的控制原理流程图；

其中，1、提手，2、第一按压带，3、壳体，4、按压驱动机构，5、按压板，6、第二按压带，7、垫板，8、背部固定带，9、控制系统，10、缠绕摆臂，11、复苏电机，12、固定电机，13、控制面板，14、状态显示屏。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提出一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，包括：按压执行机构、按压驱动机构、检测模块和控制系统；

所述按压驱动机构用于驱动按压带的收放；

具体地，如图1所示，智能心肺复苏机包括壳体3，所述壳体3上设有把手1、垫板7和背部固定带8，所述把手1方便智能心肺复苏机的携带，所述背部固定带8以帮助患者固定智能心肺复苏机，所述垫板7设于壳体3贴近患者的一侧。

如图2所示，在所述壳体3的内部设有按压驱动机构4和控制系统9，所述按压驱动机构4连接按压带，以驱动按压带的收放；所述按压板5的两端分别连接第一按压带2和第二按压带6，采用绑带式按压方式，将按压带固定在患者的胸腔周围，通过收放按压带以实现患者胸廓变化，从而起到挤压胸腔的作用。

在本实施例中，按压带用于对被困患者的胸腔进行完全包绕，在按压过程中对受困患者的整个胸腔进行挤压。按压带的设计主要源于胸泵理论，该理论指出在心肺复苏期间对整个胸廓的挤压可以产生良好的复苏效果。

作为可选择的一种实施方式，所述按压带使用柔性且不可形变的尼龙材料制作，按压带使用要求是在安装过程中使之尽量完全贴合受困患者的胸腔。

在本实施例中，所述按压板5包括对称可拆分的刚性塑料板，用于在心肺复苏过程中对患者的胸部施加垂直方向的压力；按压板的设计符合心肺复苏的心泵理论，该理论为心肺复苏方面的传统理论，该理论指出对于心脏部位的按压可以为患者的体循环提供更加充分的血流。

同时，为了避免在按压过程中出现按压板偏斜情况，本实施例在按压板5上设计按压触头结构，符合人体自身生理结构，保证按压板5在心肺复苏期间保持平稳状态。

在心肺复苏过程中，由于按压带的长度固定且完全紧密包绕在患者的胸腔周围，且按压板不可形变；那么，通过按压带的收放实现对患者胸部的挤压运动，同时采用按压板使得患者的胸部正中央受到垂直方向的挤压，二者同时作用可以对患者胸部施加更加均匀的压力，同时避免对患者施加过大不均匀的压力而引起骨折、组织挫伤等二次损伤。

为实现通过改变按压带的长度来进行对患者胸廓的挤压，本实施例采用按压驱动机构4提供驱动力，所述按压驱动机构4通过驱动按压带的收放以及控制按压带的收缩速度，以调节按压频率和按压深度；在所述按压驱动机构4上设有缠绕摆臂10，所述缠绕摆臂10连接按压带，通过按压驱动机构4的带动进行旋转，以缠绕收放按压带，从而实现按压带长度的调节，进而实现对胸廓的挤压。同时通过对转速的调节，进而调节按压带收缩和释放的速度，最终实现按压频率的改变。

为保证心肺复苏机在狭小空间下使用时的便携性和小体积。本实施例使用按压带结合按压板执行按压操作，通过减少固定在胸廓上的按压带长度实现按压功能，整个按压执行机构的重量和体积相较于市面上其他产品均取得较大程度上的缩小，布置完成后可以在极小的空间内进行自动化的心肺复苏操作。

同时，在胸部正上方引入按压板，按压板采用刚性薄板设计，整体高度较低，保证按压的稳定性的同时适用于患者受困于狭小空间内无法完成搬运和转移的情况。

在本实施例中，所述按压驱动机构4包括固定电机12和复苏电机11，共使用四个电机作为动力源，每两个电机作为一个驱动组，在初始阶段，由一对电机完成初始阶段收缩固定按压带的作用，即为固定电机12；另一对电机在初始阶段不进行运转，在后续心肺复苏过程中使用，即为复苏电机11。

本实施例采用电机驱动器作为电机的一级控制，主要完成电机运行、停止、转向等基础功能。采用可编程控制器，如单片微型计算机作为电机的二级控制，主要完成电机运行过程中的精细运动控制与心肺复苏参数的计算，如包括电机的启动时间、启动速度与最终速度、单次运动的持续时间等。

在本实施例中，所述壳体3上还设有控制面板13和状态显示屏14，所述控制面板13上设有启动按钮、结束按钮等；所述状态显示屏14与控制系统9连接，用于显示心肺复苏过程中的相关参数及心肺复苏状态等。

智能心肺复苏机的运行流程如图3所示；首先是打开按压板，将背部固定带放置在患者背后，固定按压板并调节按压带长度使之贴合患者胸部，然后开始心肺复苏；根据按压参数和患者的生理数据判断胸廓是否正常形变，以此进行参数调节；结束复苏后，按下结束按钮，按压停止，放松按压带，打开按压板，移除设备，智能心肺复苏机的使用过程结束。

为实现智能心肺复苏机的自动化和智能化控制，本实施例使用压力传感器和角位移传感器对心肺复苏过程进行实时监测，对患者的胸廓状态进行建模，以完成心肺复苏参数的更新，使用自适应模糊控制方法对电机进行位置控制，保证心肺复苏参数的完全执行。

如图4所示，本实施例引入角位移传感器实时监测电机的角度变化量，通过角度变化量间接计算胸廓形变量，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数，根据心肺复苏参数与最佳心肺复苏参数的比较，控制按压驱动机构的动作。

具体地，根据心肺复苏初始阶段角位移传感器的值{d_a0,d_a1,d_a2,d_a3}，得到初始条件下患者的胸廓参数矩阵

在完成初始按压过程后，获取在单次心肺复苏中胸廓最大形变量，记做最大形变量矩阵

患者的胸廓形变量矩阵X即为：

其中，矩阵值分别四个电机的角度值，即电机摆臂的角度，由角位移传感器输出得到。

由于受困患者的体型不同，因此胸廓形变量矩阵X存在较大差异，需要进行标准化，本实施例引入标准矩阵X₁作为反映心肺复苏程度的标准化矩阵，标准矩阵X₁通过胸廓形变量矩阵X与初始胸廓参数矩阵X₀的比值得到，即：

根据心肺复苏指南要求，心肺复苏期间的按压深度应接近患者胸部厚度的20％，因此引入胸部压缩比P₀：

其中，压缩权重k_i＝{k₀,k₁,k₂,k₃}由实验数据计算得到。

在心肺复苏期间，最佳心肺复苏效果应保持P₀∈(0.18,0.22)，在该范围内进行自适应控制，同时将P₀实时显示在状态显示屏上。

在心肺复苏期间，使用设于按压板触头内部的压力传感器测量并记录初始时刻的胸部按压压力F_MIN和心肺复苏期间的最大胸部按压压力F_MAX0，为保证患者在心肺复苏期间没有造成二次损伤，在心肺复苏过程中最大按压压力应为：

F_MAX1∈(0.9F_MAX0,1.2F_MAX0)。

引入心肺复苏增益关系R_B和风险关系R_F，其中R_B与心肺复苏效果P₀存在直接关系，R_F则主要由F_MAX和P₀确定，其中P代表本次心肺复苏按压期间的胸部压缩比，K₀为比例系数，得以下关系：

根据心肺复苏增益关系和心肺复苏风险关系判断心肺复苏效果，其中，effect表示心肺复苏效果，因此引入下述控制规则：

Ruler1:if R_B↑,then effect↑ (6)

Ruler2:if R_B↓,then effect↓ (7)

Ruler3:if R_F↑,then effect↓ (8)

Ruler4:if R_F↓,then effect↑ (9)

由于控制规则库是由若干条规则组成的，对于每一条推理规则都可以得到一个相应的模糊关系，对于全部控制规则所对应的模糊关系，通过对n个模糊关系R_i(i＝1,2,3,...,n)取并得到：

实际运算结果为：

result＝max((R_B-R_F),0)*v (11)

其中，v代表电机的运行速度；

经过调整过后的实际速度v_out表示为：

v_out＝result+v₀ (12)

其中，v₀为上一阶段电机的运行速度。

本实施例采用按压板和按压带结合按压的方式实现按压，通过减少按压带的长度实现对整个胸廓的挤压作用，实现对患者全胸腔的挤压，符合胸泵按压理论，相较于单纯的心脏按压可以提供更高程度的血流；同时通过刚性按压板的垂直运动保证胸部压缩的主要方向为垂直方向，符合心脏按压理论，进一步提高按压效果。

本实施例引入自补偿模糊控制方法，通过收缩固定带、按压软启动、按压参数自适应调节三个过程完成心肺复苏。通过按压压力监测和胸部形变量监测实时判断患者的胸部变化情况，进而调整心肺复苏参数，实现高标准心肺复苏。

在更多实施例中，还提供一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机的工作方法，包括：

将连接在按压板两端的按压带固定在胸腔周围；

如果有方案使用按压带与按压板类结构，应当视为同一发明。如果有方案简单修改按压装备的外观构造，应当视为同一发明。如果有方案简单修改按压装备的按压执行构造，应当视为同一发明。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，其特征在于，包括：按压执行机构、按压驱动机构、检测模块和控制系统；

所述按压驱动机构用于驱动按压带的收放；在所述按压驱动机构上设有缠绕摆臂，所述缠绕摆臂连接按压带，所述缠绕摆臂通过按压驱动机构的带动进行旋转，以缠绕收放按压带；

所述控制系统接收驱动参数和按压压力，被配置为根据驱动参数得到胸廓形变量，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数，根据心肺复苏参数判断心肺复苏效果，并根据判断结果控制按压驱动机构的动作；

根据驱动参数得到胸廓形变量的过程包括：根据初始阶段角位移传感器的值得到初始胸廓参数矩阵；获取按压过程中单次胸廓最大形变量矩阵，根据初始胸廓参数矩阵和单次胸廓最大形变量矩阵的差值得到胸廓形变量；患者的胸廓形变量矩阵X：

其中，矩阵值分别四个电机的角度值，即电机摆臂的角度，由角位移传感器输出得到，初始条件下患者的胸廓参数矩阵为

最大形变量矩阵/>

最后，对胸廓形变量进行标准化，通过胸廓形变量矩阵与初始胸廓参数矩阵的比值得到标准化后的胸廓形变量。

2.如权利要求1所述的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，其特征在于，所述心肺复苏参数包括心肺复苏增益关系和心肺复苏风险关系。

3.如权利要求1所述的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，其特征在于，根据胸廓形变量和按压压力得到心肺复苏参数的过程包括：根据胸廓形变量得到胸部压缩比，根据胸部压缩比得到心肺复苏增益关系；根据按压过程中的最大按压压力和标准最大按压压力得到心肺复苏风险关系；根据心肺复苏增益关系和心肺复苏风险关系判断心肺复苏效果。

4.如权利要求1所述的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，其特征在于，根据心肺复苏参数判断心肺复苏效果的过程包括：

result＝max((R_B-R_F),0)*v

5.如权利要求4所述的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，其特征在于，根据判断结果控制按压驱动机构的动作的过程为控制按压驱动机构的运行速度的更新，更新后的按压驱动机构的运行速度v_out为：

v_out＝result+v₀

其中，v₀为上一阶段的电机运行速度。

6.如权利要求1所述的一种适于狭小空间应急救援的智能心肺复苏机，其特征在于，所述按压驱动机构通过驱动按压带的收放以及控制按压带的收缩速度，以调节按压频率和按压深度。