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胸外按压反馈监测系统的设计与研究

作　者: 张广
导　师: 吴太虎
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 胸外按压反馈监测技术心电监测加速度传感器无线组网
分类号: R459.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目的:心脏呼吸骤停可能发生在任何人、任何时间和任何地点,而心脏骤停患者的唯一生还机会就是及时有效的心肺复苏治疗(cardiopulmonary resuscitation,CPR)。胸外按压作为心肺复苏术的重要组成部分,是对心脏骤停患者现场急救、实施早期心肺复苏的关键技术和中心环节,在某些特殊情况下甚至成为CPR的唯一有效措施。但是国外大量研究显示,在实际操作中多数非专业急救人员胸外按压并不理想,甚至有些专业急救人员也是如此。急救人员迫切需要建立和推广胸外按压反馈监测技术,应用反馈机制准确实时地反馈按压操作,保证急救人员在整个心肺复苏过程中保持正确高效的胸外按压。为寻求一种高效的胸外按压反馈监测途径,本研究工作深入分析胸外按压反馈监测技术,并设计开发一套胸外按压反馈监测系统(Chest Compressions Feedback Monitoring System, CCFMS )。利用该系统,可以准确快速地评估胸外按压状态,指导救护人员实施高效高质的胸外按压。最终,实现胸外按压反馈监测系统的研究和设计工作,为保证胸外按压的有效实施提供一种智能化的解决方案。方法:本文将胸外按压垂直性、按压深度、按压压力和按压频率以及患者心电信号作为胸外按压反馈监测的重点。系统利用三轴加速度传感器,建立胸外按压垂直性检测算法和加速度二次积分算法对胸外按压方向和按压深度进行实时检测;利用微型称重传感器和相应放大滤波电路对按压压力进行实时监测;建立峰值检测算法对按压波形进行峰值检测从而得到按压频率;利用具有高共模抑制比的心电信号采样模块对患者心电信号进行采样,辅助急救人员进行患者生理状态判断。为了评估系统对按压压力和按压深度检测的准确性和可靠性,笔者分别进行了胸外按压深度和胸外按压压力检测实验。最后,基于laerdal PC SkillReporting System实验平台进行了胸外按压效率评估实验,对胸外按压压力、深度、频率、按压中断时间、按压释放是否完全和按压垂直性等操作要素进行了统计和评估。内容:本文主要研究工作包括以下几个方面:.系统硬件设计与实现。选择加速度传感器并搭建加速度信号滤波电路,进行胸外按压加速度检测模块设计;选择适合的压力传感器并搭建滤波放大电路,进行胸外按压压力检测模块设计;设计搭建心电滤波、调理、放大电路,实现心电采样检测;设计搭建SD存储卡接口电路,编写相应的读写SD卡程序,进行存储记录模块设计;选择适合的液晶屏搭建显示模块对检测结果进行实时显示,并利用蜂鸣器实现报警及节拍提示;构建无线通信模块,实现反馈节点和基站的无线组网通信;设计搭建电源处理、稳压和管理电路。.系统算法、相关软件以及无线基站的设计和实现。编写适当程序实现压力传感器检测信号不失真采样,并设计相应程序对数据进行处理;利用加速度传感器XY轴上加速度信号值的关系,进行胸外按压方向垂直性判断;设计实现利用加速度二次积分检测位移的算法,包括加速度零点校准、梯形积分算法、二次离散积分算法和基于复位机制的积分处理;准确采样处理心电信号,对QRS波进行检测预处理并准确提取R波峰和心率;在熟悉LCD工作原理基础上,编写适当程序,实现按压压力深度波形和心电波形的描点绘制,设计合理高效的人机界面,指导急救人员进行及时正确的胸外按压;利用无线传感器模块,编写无线通信程序,并进行无线组网的软件设计,实现一个基站与多个反馈节点通信的功能;利用VC++6.0编写无线基站监测界面,实现多节点胸外按压数据在无线基站的可视化显示。.系统集成化设计。我们针对实际应用中系统便携、轻巧、不影响正常胸外按压操作的结构设计要求进行了系统的集成化设计,提出了胸垫式和手套式两种集成化设计方案。.系统可靠性及反馈监测效率评估实验。笔者分别进行了胸外按压深度和胸外按压压力检测实验,评估系统对按压压力和按压深度检测的准确性和可靠性。利用laerdal PC SkillReporting System实验平台进行了胸外按压效率评估实验,对胸外按压压力、深度、频率、按压中断时间、按压释放是否完全和按压方向等操作要素进行了统计和评估。成果:本文提出并建立了心电QRS波检测算法、按压垂直性检测算法、加速度二次积分检测位移算法、按压压力采样技术和按压频率检测算法,实现了对心电信号、按压垂直性、按压深度和按压频率的实时监测和反馈,并制作完成了实验样机。为提高胸外按压反馈监测系统的智能化和信息化程度,我们为系统添加了无线组网通信和大容量数据存储记录功能,并设计了无线基站,为一点对多点的胸外按压实时监测和相关数据的分析评价提供了高效可行的解决方案;基于胸外按压急救操作对急救设备便携轻巧、简单实用的设计要求,我们进行了胸外按压反馈监测系统的集成化设计,提出胸垫式和手套式设计方案,完成了便携式胸外按压辅助监测垫(军事医学科学院卫生装备研究所专利,专利号:ZL200820145171.3 )和胸外按压指导手套(军事医学科学院卫生装备研究所专利,专利号:ZL200820145170.9 )两种胸外按压反馈监测装备的结构和功能设计。结论:本文的研究为胸外按压反馈监测技术的应用和推广提供了一种有效途径。利用胸外按压反馈监测系统,急救人员可以依照反馈和提示进行更加高质高效的胸外按压操作和训练。即使对于非专业人员,本系统强大的人机交互性能,仍能有效引导其实施正确的胸外按压操作。经实验验证,使用胸外按压反馈监测系统后,胸外按压质量比常规胸外按压质量有了显著的改善和提高。在专业急救人员赶到急救现场之前,胸外按压反馈监测系统即可为病人提供高质量的基本生命支持(Basic Life Support,BLS),有效提高了心肺复苏的成功率与心脏骤停患者的存活率。

全文目录

摘要  9-12
ABSTRACT  12-15
第1章绪论  15-27
  1.1 心肺复苏与胸外按压  15-20
    1.1.1 心肺复苏  15-16
    1.1.2 胸外按压  16-17
    1.1.3 2005 国际心肺复苏指南  17-19
    1.1.4 胸外按压在心肺复苏技术中的重要作用  19-20
  1.2 胸外按压存在的主要问题  20-21
  1.3 胸外按压反馈监测技术的发展现状  21-24
    1.3.1 心肺复苏手套CPRGlove  22
    1.3.2 心肺复苏反馈工具Q-CPR  22-23
    1.3.3 心肺复苏计CPRMeter  23-24
    1.3.4 ZOLL AED Plus  24
    1.3.5 国内胸外按压反馈监测技术现状  24
  1.4 本文研究工作  24-27
第2章胸外按压反馈监测系统的硬件设计与实现  27-42
  2.1 系统硬件总体设计介绍  27-28
  2.2 系统各硬件模块的设计与实现  28-42
    2.2.1 胸外按压加速度检测模块  28-30
    2.2.2 胸外按压压力检测模块  30-32
    2.2.3 心电检测模块  32-34
    2.2.4 存储记录模块  34-36
    2.2.5 人机交互模块  36-38
    2.2.6 无线通信模块  38-39
    2.2.7 电源管理模块  39-42
第3章胸外按压反馈监测系统的软件设计与实现  42-64
  3.1 胸外按压压力检测  42-46
    3.1.1 胸外按压压力信号提取  42-44
    3.1.2 滑动平滑滤波处理  44
    3.1.3 按压波峰值检测和按压频率提取  44-46
  3.2 胸外按压垂直性检测  46-48
    3.2.1 加速度传感器检测倾角算法  46-47
    3.2.2 胸外按压方向垂直性检测  47-48
  3.3 胸外按压深度检测  48-52
    3.3.1 按压深度检测模型建立  48
    3.3.2 加速度零点校准算法  48-49
    3.3.3 梯形算法积分设计  49-50
    3.3.4 二次离散积分算法设计  50
    3.3.5 基于复位机制的积分处理  50-52
  3.4 心率检测  52-54
    3.4.1 心率检测预处理  52-53
    3.4.2 R 波峰值检测和心率检测  53-54
  3.5 人机交互界面  54-59
    3.5.1 心电监测界面  56
    3.5.2 静态环境胸外按压反馈监测界面  56-58
    3.5.3 动态环境胸外按压反馈监测界面  58-59
  3.6 无线通信与无线组网  59-62
    3.6.1 无线通信模块RF905 驱动  59-60
    3.6.2 无线组网介绍  60-61
    3.6.3 无线通信协议  61-62
  3.7 无线基站  62-64
第4章胸外按压反馈监测系统的集成化设计  64-69
  4.1 胸垫式集成化设计  64-66
  4.2 手套式集成化设计  66-69
第5章实验与讨论  69-80
  5.1 胸外按压压力检测实验  69-71
    5.1.1 压力测量准确性实验  69-70
    5.1.2 胸外按压压力测量实验  70-71
  5.2 胸外按压深度检测实验  71-73
    5.2.1 深度测量准确性实验  71-72
    5.2.2 胸外按压位移测量实验  72-73
  5.3 基于胸外按压反馈系统的胸外按压质量评价实验  73-80
    5.3.1 实验设计  73-75
    5.3.2 实验结果  75-78
    5.3.3 实验讨论  78-80
第6章总结与展望  80-82
参考文献  82-87
附录  87-91
文献综述  91-101
  心肺复苏反馈监测技术及其研究进展  91-99
  参考文献  99-101
在学期间取得的成果及发表的代表性论著（全文）  101-102
  代表性成果  101-102
作者简历  102-103
致谢  103

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