教学用智能心肺复苏模拟人的设计.pdf
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1、窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023教学用智能心肺复苏模拟人的设计于洋1,高源清2,高宇晨1,丁瑶1,敖虎山1*(1.北京协和医学院中国医学科学院阜外医院,北京100037;2.中国心胸血管麻醉学会,北京100037)摘要目的院设计一种智能心肺复苏模拟人,以实现心肺复苏术的教学及考核。方法院该模拟人外观设计为布娃娃状,硬件由人工呼吸传感器组件和机芯组成。其中人工呼吸传感器组件由具有固定作用的进气口和出气口、进气软管、出气软管、霍尔涡轮传感器及硅胶阻气塞组成
2、,机芯由控制电路板、可充电电池、压力传感器、机芯背板、弹簧盖板和按压弹簧组成。模拟人软件依托微信平台,采用WXML、WXSS和JavaScript开发。结果院采用该模拟人进行心肺复苏术培训可实现按压深度、按压频率、人工呼吸次数、吹气量及胸廓完全回弹合格率的监测,且监测到的数据可作为学员操作考核时的参考依据。结论院该模拟人能够实现心肺复苏术的教学及考核,提高心肺复苏术培训的效率。关键词心肺复苏术;模拟人;心肺复苏术培训;医学模拟教学中国图书资料分类号R318曰R197.39文献标志码A文章编号1003-8868渊2023冤07-0044-05DOI院10.19745/j.1003-8868.20
3、23137Design of intelligent CPR simulator for teachingYU Yang1,GAO Yuan-qing2,GAO Yu-chen1,DING Yao1,AO Hu-shan1*(1.Fuwai Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Beijing 100037,China;2.Chinese Society of Cardiothoracic and Vascular Anesthesiology,Beijing 100037,China
4、)AbstractTo design an intelligent CPR simulator for CPR teaching and assessment.The intelligentCPR simulator was similar to a ragdoll in appearance,which consisted of an artificial respiration sensor assembly and achassis.The artificial respiration sensor assembly was composed of an air inlet and an
5、 outlet which could fix the assembly tothe shell,an air inlet hose,an air outlet hose,a Hall turbine sensor and a silicone air stopper,and the chassis was made up ofa control circuit board,rechargeable batteries,a pressure sensor,a back plate,a spring cover plate and a pressing spring.Thesoftware of
6、 the simulator was developed with WeChat platform,WXML,WXSS and JavaScript.The simulatordeveloped could be used for assessment of compression depth,compression frequency,times of artificial respiration,blowingvolume and complete rebound of the chest during CPR training.The data obtained by the simul
7、ator provided references forevaluating the CPR operation of the trainee.The simulator developed facilitates the teaching and examination ofCPR and enhances the efficiency of CPR training.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2023袁44渊7冤院44-48Key wordscardiopulmonary resuscitation;simulator;training of ca
8、rdiopulmonary resuscitation;teaching of medicalsimulation0引言院外心脏骤停人数的增长已成为全球性问题1。我国每年有54.4万人发生心源性猝死,幸存率1%(美国为12%)2。旁观者及时进行心肺复苏术,患者生存率会提高24倍,因此,全民心肺复苏术培训非常关键3-4。目前中国心肺复苏术培训率不到1%,而美国为33%,法国为40%5。美国心脏学会建议学校将心肺复苏术作为强制性培训6。健康中国行动(20192030)中提出:“鼓励开展群众性应急救护培训,到2022年和2030年取得培训证书的人员比例分别提高到1%及以上和3%及以上。”在理论知识向
9、实践的转化过程中,实际操作练习应占较大比重7,因而在全民普及心肺复苏术时,合适的模拟人选择非常重要。医学模拟教学是利用现代模拟技术设计出高度仿真患者和模拟真实临床场景的教学方式,因其具有高度仿真性,被广泛应用于多种疾病的临床教学中8。有研究表明,心肺复苏术培训中采用具有实时按压反馈的教学模具可提高学员操作质量9。基金项目院中国医学科学院医学与健康科技创新工程项目(2021-I2M-C&T-B-041)作者简介院于洋(1994),女,博士研究生,研究方向为医疗设备转化。通信作者院敖虎山,E-mail:栽澡藻泽蚤泽论著于洋,高源清,高宇晨,等.教学用智能心肺复苏模拟人的设计J.医疗卫生装备,202
10、3,44(7):44-48.44 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023国外模拟人研发起步较早,德国3B公司、挪威Laerdal公司、日本株式会社、美国纳斯公司等均研发了心肺复苏模拟人,这些模拟人具备监测按压深度、按压频率及通气情况的功能10。此外,国外还有配合iPhone使用的iCPR软件系统,该系统可直观显示心肺复苏术的按压情况,改善按压质量11。近年来,国内天津天堰公司、深圳安保公司在心肺复苏模拟人研发方面不断发展,目前可实现培训用模拟人的基本功能12
11、。但由于价格因素,大规模公众心肺复苏术培训时多采用充气或海绵材质模拟人,仅起到流程化教学的作用,难以实现仿真性练习。本研究基于目前国内现状以及快速提高心肺复苏术普及率的需求,设计一款可走进家庭、校园、面向公众且具有反馈装置的智能心肺复苏模拟人。1设计1.1外观结构本模拟人主要使用群体为公众,外观设计打破传统心肺复苏术模拟教具的半身人或全身人形象,采用布娃娃外观,具有亲和力,易于被家庭所接受,更易激发中小学生对于急救技术学习的兴趣,延长专注时间,提高学习效率。心肺复苏术中的2个重要环节为人工呼吸及胸外按压,设计模拟人外观时同时考虑了这2项操作模拟训练的仿真性。模拟人的口部设计可实现模拟人工呼吸的
12、功能,鼻部向外凸起,可完成进行人工呼吸时的“捏鼻”动作。模拟人的头部设计为颈部预留了充分的活动区间,可模拟“仰头提颌法”开放气道的动作。为了便于模拟人气道的清洗消毒,采用具有自主知识产权的兼具通气监测功能及消毒功能的吹气结构。而且考虑到模拟人的整体美观性,将吹气结构的出气口设计在模拟人独特发型顶端,并配有阻气塞模拟气道内压力。如图1所示,为保证胸外按压位置的准确性,模拟人前胸部有3处标记用以定位,分别为两侧乳头及两乳头连线中点。模拟人皮壳及内部填充物采用聚酯纤维材料,通过机械缝合制成。1.2硬件设计模拟人硬件结构如图2所示,由人工呼吸传感器组件和机芯2个部分组成。1.2.1人工呼吸传感器组件设
13、计人工呼吸传感器组件位于模拟人头部内,收集人工呼吸时所产生的通气数据,并上传到微控制单元(microcontroller unit,MCU)中。人工呼吸传感器组件结构如图3所示,由具有固定作用的进气口、进气软管、霍尔涡轮传感器、出气软管、具有固定作用的出气口和硅胶阻气塞组成。进气口和出气口用于将传感器组件固定在模拟人皮壳上,使用时气体经进气口流入,经过霍尔涡轮传感器后从出气口排出。阻气塞插入出气口内部,用于减小出气口孔径使组件产生背压。需要对模拟人气道进行消毒时,可将模拟人平放,拔出阻气塞,将出气口略放低,用烧杯从其口部灌入消毒液,废液将从头顶出气口部位流出,从而达到消毒效果(如图4所示)。1
14、.2.2机芯设计模拟人机芯由控制电路板、可充电电池、压力传感器、机芯背板、弹簧盖板、按压弹簧组成。如图5所示,机芯背板是机芯的骨架,控制电路板、压力传感器均安装在机芯背板正面,可充电电池安装在电池保护仓中。机芯背板侧面的固定槽用于机芯与模拟人皮壳的固定,并增加背板强度。因为对正常成年人进行心肺复苏操作时,所需压力通常在320耀500 N之间12,因此按压弹簧选用定制的压力为400耀500 N的镀锌防锈弹簧。按压弹簧上下均装有弹簧盖板,下部盖板安装在压力传感器上,将按压弹簧、压力传感器、机芯背板组装为模拟人机芯整体。机芯背板和弹簧盖板采用高性能工程塑料材质,保证按压时平稳、不易变形。背板和弹簧盖
15、板内面设计有力传递结构,如图6所示。通过软件进行受力分析(如图7所示),机芯在受到500 N按压力量时,最大变形仅为0.15 mm。图1智能心肺复苏模拟人外观设计图图2智能心肺复苏模拟人硬件结构图1.人工呼吸传感器组件;2.机芯。121.进气口;2.进气软管;3.霍尔涡轮传感器;4.出气软管;5.硅胶阻气塞;6.出气口。图3人工呼吸传感器组件结构图图4人工呼吸传感器组件消毒示意图123465酒精消毒液栽澡藻泽蚤泽论著于洋,高源清,高宇晨,等.教学用智能心肺复苏模拟人的设计J.医疗卫生装备,2023,44(7):44-48.45 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻
16、凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023控制电路板安装在机芯内侧,机芯结构可以有效保护控制电路板和板上的电子元件,电源按键、指示灯和充电接口位于控制电路板背面。控制电路板由以FR-4环氧树脂为基材的具有4层电信号层的高密度印制电路板(printed circuit board,PCB)和电子器件通过无铅焊接制作而成。为了尽量减小体积,控制电路板的电子器件除开关按键、线对板连接器、蜂鸣器外,其他器件均为表面贴装技术(surface mountedtechnology,SMT)的器件(占比达到98%)。模拟人控制电路由MCU数据
17、处理电路、供电电路、数据采集电路、蓝牙传输电路4个部分组成,如图8所示。MCU数据处理电路以ST公司的ARM 32-bit CortexTM-M4MCU作为核心控制器,还包括MCU外围器件、晶体时钟器件等。供电电路包括锂电池电源管理芯片、充电控制芯片、低压差线性稳压器(lowdropoutregulator,LDO)、去耦电容、USB Type C电源接口和受MCU控制的电子开关等器件。数据采集电路由24 bit A/D转换芯片、放大器芯片、缓冲器芯片和外围器件组成,作用是采集模拟人的按压压力数据和吹气量数据。模拟人按压数据通过压力传感器采集,按压开始后,MCU每秒钟进行300次压力数据采集,
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