智能心肺复苏设备的研究现状

张斯琪，侯世科，樊毫军，范 斌

（天津大学应急医学研究院，天津 300072）

0 引言

心脏骤停严重威胁着人类的生命健康，为此，James Elam与Peter Safar于1956年提出口对口人工呼吸[1]，Kouwenhoven[2]于1960年首次提出封闭式胸部心脏按压，随后2种技术的结合逐步发展为现代心肺复苏术（cardiopulmonary resuscitation，CPR）。美国心脏协会于1966年发布史上首个心肺复苏指南[3]。至今，CPR已成为早期抢救心脏骤停患者，使其实现自主呼吸恢复和自主循环恢复（return of spontaneous circulation，ROSC）的最有效手段[4]。CPR的原理为借助外力保证心、脑等器官的血氧供应，其过程主要包含开放气道、胸外按压、人工呼吸、体外除颤等。但由于高质量的徒手CPR的操作难度大且持续的操作对医护人员的体力提出巨大挑战[5]，随着科技进步与社会发展，以机械代替人力实施通气、胸外按压、体外除颤的智能化设备被用于灾难现场急救和院前急救，并逐渐发展成熟[6]。关常青等[7]的研究表明，与人工心肺复苏方式相比，使用智能心肺复苏设备能维持患者血氧饱和度，提高心跳恢复率，实现更高的救治成功率，使患者更大概率实现全面复苏。Kahn等[8]调查表示，在接受急诊医疗服务专业人员治疗的院外心脏骤停患者中，心肺复苏设备的使用增加了4倍以上，因此使用心肺复苏设备对提高救治成功率具有重要意义。

根据按压方式的不同，目前的心肺复苏设备可分为三代。第一代心肺复苏机以单点的按压力作用于患者心脏；基于胸泵理论，第二代心肺复苏机突破了第一代设备的点式按压方式，其分布式的按压力均匀分布于患者整个前胸；第三代心肺复苏机则发展为全胸腔包裹式的三维按压，实现了心、胸两泵理论的结合，更加贴近心脏的真实工作原理。3代心肺复苏机如图1所示[9]。按照驱动控制方式，智能心肺复苏设备又分为电动电控与气动电控2种（气控型心肺复苏机由于其气源压力等参数会在一定程度上影响其控制系统的运行，属于完全机械式设备，如今已经很少使用）。本文对国内外智能心肺复苏设备的研究现状进行综述，分析目前智能心肺复苏设备的优缺点，并指出未来发展方向。

图1 3代心肺复苏机[9]

1 智能心肺复苏设备的研究现状

21世纪初，国内外很多医疗研究所和器材公司开始研发心肺复苏设备，但由于当时技术和认知水平的限制，心肺复苏设备的功能仅限于胸外按压，对于按压深度、频率和患者其他信息等并没有反馈[6]。随着计算机、微电子等学科的发展，心肺复苏设备的研究领域也在逐步深入，目前的智能心肺复苏设备不仅在按压方式、深度、频率上更加科学，而且其反馈参数指标也在逐步增加。如今，国外机构研发的多款设备已成为心肺复苏设备领域的标杆性成果，但较国外心肺复苏设备的研究水平，我国仍处于落后状态，第二、三代设备的相关研究均较少。

1.1 国外智能心肺复苏设备的研究现状

1.1.1 第一代心肺复苏机

第一代心肺复苏机是由模拟人工手动按压发展而成，美国的密歇根仪器公司于2000年研制出第一台心肺复苏机萨勃Thumper 1007CC，其大大改善了徒手复苏过程中按压中断、极易疲劳的问题（如图2所示）[10]。Thumper 1007CC属于气动式机械按压设备，在自动工作模式下为患者进行5次按压后可进行一次通气，无间断的自动按压与机械通气同步进行，设备在患者胸径下陷20%后进行提示，以防过度按压。Thumper 1007CC的全气动设计使其需要携带体积和质量较大的气瓶，携带不便且易发生爆炸[11]。此外，其单点式按压头仅能实现心脏的点式按压，无法实现胸廓充分弹回，对提升患者静脉回流、重要器官血液灌流的效果有较大限制。

图2 萨勃Thumper 1007CC心肺复苏机[10]

兰德大学对点式按压方式进行了深入改良，使用吸盘式硅胶按压头与自动机械装置相结合，研发了LUCAS系列心肺复苏机[12]。它在按压胸腔时能够向上提拉胸廓，使得胸廓回弹更加充分，在减压时对患者胸廓施加向上的力，产生较强的负压，可提高患者心脏泵出量及心回血量。LUCAS系列心肺复苏机采用电动电控的驱动模式，不依赖气源也可以使用，并且设备根据最新心肺复苏指南预设参数，后续使用无需反复调整。LUCAS 3是其推出的最新智能心肺复苏设备（如图3所示）[13]，搭载的无线通信模块可通过电子邮件进行电池低电量提示和事件报告。

图3 LUCAS 3心肺复苏设备[13]

1.1.2 第二代心肺复苏机

在院前急救及紧急后送过程中的胸外按压质量受到几个因素的干扰，如胸外按压时间比、按压频率及深度、救护车的移动速度和转向带来的惯性等[14]。在后送伤员过程中使用智能心肺复苏设备对患者行CPR时，不可避免发生伤员身体出现碰撞或所在车辆因行驶速度变化产生失衡的作用力等情况。第一代心肺复苏机典型的活塞驱动型设计使产品重心相对较高，令其在移动、颠簸及碰撞中难以保持稳定，患者在按压中的安全存在问题。AutoPulse是美国ZOLL公司于2003年推出的自动心肺复苏设备（如图4所示）[15]，是第二代心肺复苏机中最具有代表性的产品，其创新之处是使用新的压力分布带技术，使按压力均匀分布于患者的整个胸腔，确保降低患者受伤的风险。另外，其束带还能自动测量患者的胸廓体积，调整自身长度。另外，其电动电控的电动机在背板上，不需要气瓶供气驱动，在工作时电动机的动力驱动束带收缩和放松[16]。将AutoPulse与软担架结合（如图5所示）[17]，使救护人员可以在将患者抬下坡度较大的楼梯、急转弯或进入狭窄空间时仍持续提供高质量的心肺复苏，更适合转运途中使用。Lyon等[17]对比人工CPR发现，AutoPulse最短可在14 s内使用，将心肺复苏中断时间减少85%以上。

图4 AutoPulse[15]

图5 AutoPulse与软担架结合使用[17]

前文所提到的LUCAS 3和AutoPulse是目前临床上应用最广泛的智能心肺复苏设备，后者兼具心泵和胸泵机制。Frey等[18]研究发现，使用AutoPulse与使用LUCAS 2相比，患者产生更高的收缩压和平均动脉压。韩国一项研究调查全国数据后表明[19]，与LUCAS 2相比，使用AutoPulse的患者具有更高的生存率。不可忽视的是，这2款设备分别代表的第一、第二代心肺复苏机均存在按压深度固定、功能单一、缺乏按压质量反馈机制和未考虑患者按压过程中胸骨骨折风险的缺陷。

1.1.3 第三代心肺复苏机

2004年，美国Weil危重医学研究院提出第三代心肺复苏技术（三维按压），并投入设备研究。2010年，Weil MCC小型化心肺复苏设备（如图6所示）[20]正式上市，其属于气动电控型，需使用院内和急救车车载集中供气系统。设备采用了全胸腔包裹式的三维按压方式，在活塞按压在患者胸骨点压的基础上，同时通过绑带挤压胸腔产生横向拉力，与第二代心肺复苏机不同的是，位于患者背后的绑带也产生均匀向上的挤压力，真正意义上实现了全胸腔包裹式的三维按压。孙立群等[21]在实验中针对176例患者进行手动按压与Weil MCC按压效果的对比。Weil MCC组在按压进行至10、20及30 min时的平均动脉压、ROSC率均明显优于手动组，而且手动组4例患者发生肋骨骨折，Weil MCC组无骨折等并发症发生。赵红梅等[22]的研究发现，与手动组相比，使用Weil MCC小型化心肺复苏设备的患者ROSC时间缩短一半，手动组3%患者出现骨折、共除颤8次，Weil MCC组患者未发生骨折、未除颤。

图6 Weil MCC小型化心肺复苏设备[20]

在为患者进行心肺复苏时，施救者常会出现按压深度不足、按压频率不够、按压回弹不充分、按压动作倾斜等问题，即便是专业的医护工作者也时常会出现此类情况。因此迫切需要一种能够实时反馈按压深度、频率、回弹以及垂直性等重要指标的智能心肺复苏设备。王建岗等[23]研究发现在心脏骤停患者的抢救过程中，带有反馈机制的胸外按压精准率为26%，无反馈机制的胸外按压精准率为21%。因此，实时监测患者的心脏按压深度，可为医护人员的抢救工作提供有效信息，提高心肺复苏质量。Weil危重医学研究院随后推出了Weil SCC智能化心肺复苏系统（如图7所示）[24]，并在业界率先推出有效按压深度（effective compression depth，ECD）真实数据反馈，使按压深度在设备运行过程中直观可见。Weil SCC智能化心肺复苏系统新增智能数据存储及分析功能，包括按压时间、深度、频率等，其搭载的无线及蓝牙模块可与计算机软件进行数据共享。与LUCAS 3、AutoPulse、Weil MCC相比，Weil SCC无论在按压方式、ECD反馈、数据存储、体积质量、供电能力等方面都有较好的提升，属于目前综合实力最强的智能心肺复苏设备，但其依然存在无法改变动态按压深度、功能单一和未考虑患者按压过程中胸骨骨折风险的缺陷。

图7 Weil SCC智能化心肺复苏系统[24]

1.2 国内智能心肺复苏设备的研究现状

我国智能心肺复苏设备的研究起步较晚、基础较弱，随着近些年的发展也取得了很大进步，但成熟的成型产品较少。如今国内研发并投入使用的自动心肺复苏设备中较多都属于第一代，对于第二代和第三代心肺复苏机的研究较为落后。另外，很多设备仍处于研究阶段。

1.2.1 第一代心肺复苏机

我国研发并使用较多的苏邦MSCPR-1A型心肺复苏机、蓝仕威克MCPR-100型心肺复苏机等均属于第一代心肺复苏机，并均以气动作为动力源[5]。与萨勃Thumper 1007CC心肺复苏机的设计相似，苏邦MSCPR-1A型心肺复苏机采用可旋转的C型立柱结构，实现垂直的点式按压（如图8所示）[25]。岳淑霞等[26]的研究表明，急救过程中使用苏邦MSCPR-1A型心肺复苏机的患者收缩压、血氧饱和度与ROSC率均高于徒手对照组，使用该设备可显著提升复苏成功率。蓝仕威克MCPR-100型心肺复苏机则采用了创新的双立柱固定的弓形按压结构，可保证按压头在工作期间的稳定运行，减少偏移。其采用了颈部边缘下陷的设备背板，可辅助开放患者气道及后续的插管工作（如图9所示）[27]。蔡选琨等[28]的研究表明，与徒手按压对照组比较，使用蓝仕威克MCPR-100型心肺复苏机患者的各项血气指标良好，拥有较高的复苏成功率和较低的并发症发生率。

图8 苏邦MSCPR-1A型心肺复苏机[25]

图9 蓝仕威克MCPR-100型心肺复苏机[27]

深圳安保公司设计了E6心肺复苏机（如图10所示）[29]，电动电控式的设计使其不再需要配备气瓶。与LUCAS系列心肺复苏机相似，该设备具有剑突负压重复性吸盘，可有效防止胸腔塌陷。其二氧化碳检测模块可实时监测患者的呼气末二氧化碳分压[pET（CO2）]，可直观反馈按压质量，并且还能与通气模块同时使用，实现按压与通气同步的功能，提升抢救成功率。

图10 深圳安保E6心肺复苏机[29]

解放军军事医学科学院研究者[30]提出一种担架集成式生命支持系统，其集成了自动胸外按压心肺复苏、自动体外除颤、呼吸支持、多生理参数监护、输液、吸引等功能，可实现按压、除颤与呼吸同时序进行，在精准控制按压深度及强度的同时严格控制通气量，用于对患者进行现场或后送途中不间断的综合救治，打破了智能心肺复苏设备功能单一的局面。该研究现已被天津安贝医疗转化为安贝WFS-01A担架式心肺复苏机（如图11所示）[31]，其采用气动电控驱动方式，集同步胸外按压、间歇正压通气、供氧、辅助输液功能于一体，满足了患者转运过程中的救治需求。

图11 安贝WFS-01A担架式心肺复苏机[31]

1.2.2 第二代心肺复苏机

当前我国尚未研发出采用第二代心肺复苏机按压方式的成熟产品，上海金怡医疗科技研发的一种绑带式胸廓挤压仪目前未上市及投入临床使用[32]。与AutoPulse自动心肺复苏机相似，该设备工作时可通过绑带使患者胸廓收紧或放松，其压力分布于患者整个前胸。马霄雯等[33]使用绑带式胸廓挤压仪按比例缩小的模型设备，针对心脏骤停的小型猪实施机械胸外按压。研究结果表明，与徒手按压相比，该设备的绑带式设计能改善心肌血流量，实现良好的心脏供血与组织供氧。

1.2.3 第三代心肺复苏机

天津普瑞FSJ-20型心肺复苏机是国内首创的第三代心肺复苏机（如图12所示）[34]，其采用了全胸腔包裹式的三维按压方式，在做点式按压的同时挤压胸腔，由于其按压模式在国内产品中具有首创性，该设备于2018年被选入科技部发布的创新医疗器械产品目录[35]。

图12 普瑞FSJ-20型心肺复苏机[34]

2 智能心肺复苏设备存在的不足与发展展望

智能心肺复苏设备从无到有发展至今，经历了漫长的历程，在提高心肺复苏质量、心脏骤停患者的存活率等方面取得了很多成果，但目前依然存在一些问题。

（1）智能化程度低。当前院内治疗与灾难现场、院外急救时使用的大部分为国外研发的智能心肺复苏设备，此类产品虽自动机械按压功能成熟，但深度恒定且无法根据患者的状态动态变化，未考虑胸外按压过程中患者胸骨骨折的危险性。因此，缺乏一种基于多参数识别与分析的自适应反馈调节系统，通过深度学习人工智能算法，用生理机理知识和大数据统计模型融合的方法，充分发挥深度学习的特征学习能力和对复杂函数逼近能力，建立知识数据双驱动的深度学习架构，根据患者各项实时生命体征参数、设备按压深度、系统各项参数进行决策，形成高准确性的自适应反馈调节系统，动态调整胸外按压深度。例如，张广[36]在LUCAS心肺复苏机上研发了一种闭环控制系统，系统的生理信号检测处理模块采集患者的pET（CO2）和胸骨弹性模量（chest stiffness，Kchest），将这2个参数反映出的血流灌注、胸骨骨折风险结合心肺复苏临床经验和模糊控制算法，形成一套自动权衡的闭环优化控制算法。应用控制平台计算处理得到优化的按压深度，控制LUCAS心肺复苏机的直流无刷电动机，完成优化过的自动按压。该设计使智能心肺复苏设备实现自动闭环控制，可辅助医护人员进行更加高效、安全的胸外按压，规避患者胸骨骨折的风险[37]。

（2）功能单一。国内外众多智能心肺复苏设备均存在功能较为单一的问题，只能实现按压功能或按压与按压质量监测功能，因此缺乏一种多功能的基础生命支持一体化设备，这种设备应涵盖生命体征多参数穿戴式监测技术、呼吸支持控制技术，体外三维CPR及同步自动体外电复律技术，可实时监测患者的多项生命指标，如心电、血压、体温、血氧含量、呼气末二氧化碳体积分数等，还具备全自动胸外按压、呼吸支持、除颤功能。同时，一台功能高度集成化的便携型心肺复苏设备，可用于地震、火灾、爆炸、矿井坍塌、交通事故等突发事件狭小空间的危重伤员监护，解决医护人员难以携带多种传统设备进入现场的难题，提高狭小空间危重伤员的救治成功率。

（3）网络化程度低。现有国内外智能心肺复苏设备仅支持将数据存储在设备本地，或通过USB、无线、蓝牙等途径传输至计算机端，但该网络化程度严重限制了灾难现场、院外急救现场与下一级救治阶梯之间的传输时效性。互联网+医疗已经逐渐渗透到医疗行业各个方面，随着5G技术迅速发展与普及，基于5G技术的智能心肺复苏设备的研发也将成为未来的研究趋势[38]，该成果将处于灾难现场、院外急救现场患者的健康数据实时传输至下一级救治阶梯或院内医生，一方面医生可通过传感器随时了解患者正在进行的活动，对患者的生命体征参数和病情进行实时监测；另一方面医生可指导现场施救者，根据情况改变当前医疗方案，将对现场施救者不是专业人员情况下的救治效果起到很大改善。

（4）价格昂贵，不利于产品普及。海外品牌的智能心肺复苏设备因其成熟的功能和稳定的性能长期占据我国大部分市场，仅具有简单机械按压功能的智能心肺复苏设备价格可达近10万，带有按压深度反馈、生理信号检测、数据存储共享等功能的智能心肺复苏设备的价格通常更加昂贵，无法普及使用。我国应提升智能心肺复苏设备的自主研发能力，尽快研制出完全自主化、价格合理、功能成熟的产品。

3 结语

现代CPR已出现近60年，其中早期胸外按压、体外电除颤已成为基本生命支持的关键步骤，是救治心脏骤停患者最重要的决定因素[39]。无论在事故现场、转运途中抢救还是院内治疗，智能心肺复苏设备都为心脏骤停患者的救治提供了重要辅助，而我国院外智能心肺复苏设备配备比例不足1%，与发达国家仍存在很大差距[40]。欧美发达国家对于智能心肺复苏设备的研究获得的诸多成果已广泛投入使用，但我国对于此类设备的研究起步较晚，成熟产品较少。在我国灾难现场、院外以至院内急救的实践中，智能化心肺复苏设备和自动体外除颤仪的使用、实施效果仍然不尽如人意，抢救成功率仍然存在很大的提升空间[41]。

医疗器械向数字化、智能化转型是大势所趋，未来心肺复苏设备应着重向智能化方向发展。首先，其功能应随着人工智能技术的发展而更加多元化，将按压、除颤、监护等多种功能集成于便于救援人员携带、患者穿戴、转运设备装配的一体化设备中，并提高其网络化程度。智能心肺复苏设备的研究重点在于自适应反馈调节系统的完善和系统结构的创新，随着大数据深度学习技术的发展，在我国患者庞大的数据样本量的基础上，优化设备算法，融合多参数时空特征和注意力机制的方法可以增强深度学习算法在分析设备各功能模块生理参数、物理参数和系统参数时的效率和精度，构建自适应反馈调节系统，使各功能模块间协同工作，最终走向远程诊断、无人操作。相信人工智能技术与CPR的发展将进一步推进智能心肺复苏设备的优化升级，提高灾难现场、院前急救的效能，提升心脏骤停患者的抢救时效性和救治成功率。