教学用智能心肺复苏模拟人的设计

于 洋，高源清，高宇晨，丁 瑶，敖虎山*

（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）

0 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2～4 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（2019—2030）》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]。

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]。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。

图1 智能心肺复苏模拟人外观设计图

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。

图2 智能心肺复苏模拟人硬件结构图

1.2.1 人工呼吸传感器组件设计

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）。

图3 人工呼吸传感器组件结构图

1.2.2 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320～500 N之间[12]，因此按压弹簧选用定制的压力为400～500 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。

图5 智能心肺复苏模拟人机芯结构图

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6 智能心肺复苏模拟人的力传递结构

图7 智能心肺复苏模拟人机芯背板受力分析图

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 mounted technology，SMT）的器件（占比达到98%）。模拟人控制电路由MCU 数据处理电路、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-M4 MCU 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（low dropout regulator，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，传感器压力数值模拟量实时经过数据采集电路采集、放大和模数转换后输入MCU 进行计算，得到每一时刻的按压压力。吹气量数据通过MCU 采集霍尔涡轮传感器涡轮的转速得到，该传感器是一个基于直接测量封闭管道中满管流速原理的速度流量计，根据传感器腔体截面积和体积计算出流量和流速，再根据吹气时间得到具有参考性的吹气量数据并统计吹气次数。蓝牙传输电路由蓝牙控制芯片、晶体时钟器件、滤波器件和电路板上的信号天线组成，MCU 计算得到的每一时刻的按压压力和吹气数据通过蓝牙发送到手机小程序中。

图8 智能心肺复苏模拟人电路框图

1.3 软件设计

本研究依托微信平台，采用轻量级的小程序开发语言WXML、WXSS 和JavaScript 开发“121 心肺复苏”小程序作为模拟人的操作软件。小程序具有心肺复苏术训练（练习模式、测试模式）、在线学习、模拟人设置、模拟人空中下载（over the air，OTA）升级、用户登录等功能。在心肺复苏术训练中，小程序实时接收模拟人蓝牙传递的按压深度数据，对数据进行处理后再追加渲染到ECharts 曲线图中。

心肺复苏术训练的测试模式是实现在线考核的主要部分，小程序中心肺复苏术训练设计流程如图9 所示。当使用者完成心肺复苏术模拟测试后，小程序将当前接收到的蓝牙数据（包括每次按压的数据、时间、模拟人硬件参数等）上传到服务器端，再由服务器计算出测试结果数据并在小程序中生成测试报告，测试报告内容包括测试结果（合格、不合格）、按压频率、按压深度、胸廓完全回弹合格率、人工呼吸次数。

图9 小程序心肺复苏术训练设计流程图

2 在线学习及远程测试具体实现

2.1 在线学习

在“121 心肺复苏”小程序中，首页“急救学堂”板块内有心肺复苏术精品课程，包括心肺复苏术相关的理论教学及操作演示，学员可自学完成。心肺复苏术训练板块包括练习模式（提供按压频率语音提示）和测试模式（无教学提示，倒计时1 min，按照30次按压、2 次人工呼吸的比例进行，结束后给出测试报告）。选择模式后将模拟人开机，根据模拟人编号完成匹配后即可开始操作。在心肺复苏术培训界面内可直观显示按压深度、按压次数及通气情况，而且在测试模式下可生成简易版测试报告，如图10 所示。

图10 按压操作及测试报告显示

2.2 远程测试

心肺复苏术的考核主要包括理论考核及操作考核两方面。其中操作考核成绩由“121 心肺复苏”小程序给予的客观成绩及专家评估的主观成绩组成。心肺复苏术线上理论课程及操作自学完成后，可于小程序内完成理论考核，考核合格后，可上传测试模式下生成的报告截图及完整操作视频，报告内所显示的按压深度、按压频率及胸廓完全回弹合格率作为客观成绩；后台考核团队邀请专家对学员上传的操作视频进行线上评估，重点考察学员操作流程及动作的规范性，作为主观成绩。综合以上内容由专家最后评估学员是否通过考核。

3 应用测试

模拟人于心灯医疗科技转化平台完成应用测试，经多次调校后各功能运行稳定，暂无故障发生。应用测试主要包括对按压深度、压力及频率的测试。

3.1 按压深度测试

本实验采用位移光栅尺测量在按压作用下模拟人的胸廓位移变化。选用量程为150 mm、分度值为0.01 mm 的韦度位移光栅尺，该光栅尺的误差为0.06 mm，测量精度较高，可满足对位移的测量要求。实验时将位移光栅尺与模拟按压的位移及压力测量的试验台固定连接，如图11（a）所示。当试验台下压时，位移光栅尺的活动部分随试验台的下降而向下移动，其数显仪表实时显示试验台的位移数据。实验测试结果如图11（b）所示，位移光栅尺测量的位移与小程序显示的按压深度曲线基本重合。

图11 测量场景及结果

3.2 按压力测试

按压力测试选用HZC-H1-100 压力传感器，直径为46 mm，厚度为22.5 mm，精度为0.1%，灵敏度为1.0～1.5 mV/V。实验时采用与图11（a）相同连接方式，当按压模拟人时，压力传感器与按压位置紧密接触，随试验台向下的压力变化，数显仪表实时显示试验台的压力数据，测试结果如图11（b）所示。经多次测试取平均值后得出，当按压深度达到50～60 mm时，所需压力在410～500 N 之间。

3.3 按压频率测试

按压频率测试由2 名计数员及1 名操作人员共同完成。操作人员在测试模式下完成1 min 按压，2名计数员使用秒表分别记录操作人员的按压次数。操作结束后，核对2 名计数员所记录的数据及模拟人后台收集到的按压频率数据。本实验重复3 次，结果见表1。实验结果表明，模拟人所记录的按压频率基本准确。

表1 按压频率测试结果单位：次/min

4 医务人员试用评价

为测试模拟人的使用效果，2022 年5 月31 日于苏州大学附属第一医院麻醉科进行内部测试。共招募来自于麻醉科及手术室的30 名志愿者，其中麻醉科医生18 名、护士12 名，年龄范围为25～48 岁，平均为（32.87±6.07）岁。测试流程主要包括练习模式试用及测试模式试用，并填写满意度调研问卷。

共回收30 份问卷，其中73.33%的志愿者认为线上培训模式新颖实用，46.67%的志愿者认为模拟人功能丰富，6.67%的志愿者提出按压深度数据不准确等，详见表2。由此可见，医务人员对线上培训的理念认同度较高。但目前模拟人还有很多细节问题需要完善，例如个别模拟人出现按压数据不准确的问题，经多次验证后认为与模拟人出厂时传感器标定不准确有关。在大范围试用后，还将对模拟人的硬件、软件及生产环节进行进一步完善，以提高使用满意度。

表2 智能心肺复苏模拟人内部试用评价结果

5 结语

为促进急救走进校园、走进家庭，同时解决大规模心肺复苏术线下培训难以进行的问题，本研究设计了一款智能心肺复苏模拟人。对比市面上现有设备，该模拟人具有以下优势：（1）外观憨态可掬，中小学生培训时更容易集中注意力；（2）体积小、质量轻，学生可独立移动，减少培训期间搬运教学道具造成的意外伤害；（3）具备反馈装置及语音提示功能，可实时反馈按压效果，提高培训效率；（4）匹配线上急救课程及考核系统；（5）价格低于具备同等功能的模拟人，适合在心肺复苏术培训广泛普及中使用。

目前，第一代智能心肺复苏模拟人和“121 心肺复苏”小程序的测试模式尚不完善，出厂前标定流程不稳定，下一步将选取试点单位进行流程模拟，明晰线上考核流程，同时软件部分根据考核流程增加相应模块及改进算法，并改进出厂前标定流程。传统的线下教学模式已经不能满足快速提高心肺复苏术普及率、保证按压质量的需求。伴随5G 等新技术的发展和公民健康意识的提高，线上培训将成为未来心肺复苏术新的培训模式，该模拟人也将相应增设远程培训模块以及线上质量评估体系。