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第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 陳智勇、高仲葳等人】2020年06月23日 星期二

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本作品目的在於开发一套结合云端医疗系统的智慧型心肺复苏装置。以盛群HT66F70A晶片为控制核心,整合云端医疗系统、心肺复苏装置、心率感测模组、血压量测模组、应变规元件。当伤患需要急救时,将本装置以安全带固定於患者身上,以高扭力直流马达控制按压机构进行心肺复苏术,并在急救期间透过心率感测模组及血压量测模组对患者进行生命徵象监测。


如果监测时发现患者生命徵象微弱,将立即进行标准CPR之按压动作,并在每达到指定次数时透过风扇供输氧气给患者。而在送医过程中,医护人员可以利用手机APP将病人的资料及感测数据透过网路传至医院云端系统,使医院方能在患者到达前先行准备好相关医疗准备。


本作品可以取代人力进行极度耗费体力的CPR动作,避免救护人员体力不足的情况及能快速将患者资讯传递给医院方,增加患者的黄金救援时间。


前言

根据研究显示,突发性心脏停止发生後每晚1分钟施救,病患的存活率每分钟将下降7%~10%,黄金救命时间极短,因为大脑缺氧6~10分钟後,脑细胞就会开始受损,产生无法复原的损伤。救护人员在遇到生命徵象微弱的患者时,必须在晃动的救护车上持续心肺复苏术(Cardiopulmonary Resuscitation, CPR)[1][2]直到送达急诊室,但在送医过程中车体会激烈晃动,使得送医过程相当危险。且在将患者送达医院後,时常会遇到急诊处拥挤的状况,使得争取到的黄金救援时间都随着确诊手续流失。


进行标准CPR流程,需要使患者身体保持水平,对准胸囗位置向胸骨压下4~5公分,并於每按压30次时进行人工呼吸两次。持续实施CPR极度耗费体力,且不能保证每次按压都能够达到要求。本作品利用应变规侦测胸骨硬度,以保证每下按压都达到最合适的力道,并透过控制风扇对患者进行氧气输送,再使用安全带将装置固定在患者身上,以保证送医过程安全。


由於传统救护车内系统并没有与医院的系统整合,医院无法立即得知患者状况,两者之间仅透过无线电沟通,没有明确的联系管道。而在本作品的帮助下,能快速将患者伤势进行分类,且能将患者资讯传送至医院云端系统供院方检视,使患者到院前能先行准备好医疗措施。


工作原理

本作品使用盛群HT66F70A晶片为主要控制核心,藉由蓝牙接收心率感测模组、血压量测模组之数据,以判断是否启动心肺复苏装置,最後透过手机APP云端传输介面将病患资料传送至医院。



图1 : 系统工作原理图
图1 : 系统工作原理图

心肺复苏装置

藉由APP介面确认患者需要进行CPR按压及氧气输送流程时,将装置用安全带固定於患者上,先经由应变规进行胸骨硬度量测,再透过按压曲柄接合高扭力直流马达进行标准之胸外按压动作。且在每进行按压30次之时,即控制供氧风扇经氧气罩对患者进行两次吹气,以达成CPR标准流程中氧气供给之目的。如图2所示。



图2 : 心肺复苏装置运作示意图
图2 : 心肺复苏装置运作示意图

手机APP云端传输

手机透过蓝牙模组接收到心率感测数据及血压量测数据後,将其资讯整合在手机APP程式之中,如图3所示。装置运行时,救护人员能透过APP即时传送患者的外观基本资讯结合本装置量测到的生理讯息透过行动通讯传到云端医疗系统供医院先行检视,如图4所示。



图3 : 手机APP蓝牙传输示意图
图3 : 手机APP蓝牙传输示意图

图4 : 手机APP介面
图4 : 手机APP介面

作品结构

系统硬体架构

本作品以盛群HT66F70A晶片为主控制器,整合血压量测模组、心率感测模组、蓝牙模组、心肺复苏装置、直流马达、风扇等,完成一云端医疗智慧性心肺复苏装置,系统架构如图5所示。



图5 : 系统流程图
图5 : 系统流程图

系统流程图

本装置依照CPR建议之标准流程规划机械按压及吹气动作,流程如图6。



图6 : 系统流程图
图6 : 系统流程图

控制晶片

HT66F70控制晶片(图7)主要应用为透过I/O模拟UART通讯格式,来接收血压量测模组与心率感测模组之生命徵象资料,且透过蓝牙模组与行动装置连线传输量测资料,并在患者无生命徵象时控制直流马达转动进行30次的按压,再控制供氧风扇进行两次吹气,持续动作至患者回复生命徵象为止。



图7 : HT66F70A控制晶片
图7 : HT66F70A控制晶片

HC-05蓝牙模组

HC-05属於主从(Host/Slave)一体的模组,功能较多元化,可以设定主端或从端。拥有AT指令可切换多种模式。本作品藉由HC-05透过UART介面使控制晶片与手机端建立连线。如图8所示。



图8 : 蓝牙模组
图8 : 蓝牙模组

AD8232心率感测模组

AD8232是一款适用於对心脏生物电信号进行信号调理来进行心率监护,用於 ECG 及其他生物电测量应用的模组。本作品利用AD8232监测患者心率,以ADC转换为数位讯号以利传输云端资讯及心肺复苏装置判断。如图9所示。



图9 : 心率感测模组
图9 : 心率感测模组

血压量测模组

血压量测模组(图10)是将类讯号撷取并转换至数位处理,类比数位转换高达10Bit,提供较高的精准度。数位端包含过度加压保护机制及加压马达与泄压阀之控制、血压波形输出及计算,简易的通讯协定利用RS232或USB传输,能连结PC与嵌入式系统。本作品采用RS232传输介面与控制晶片进行传值,并延伸DC??头做使用。



图10 : 血压量测模组
图10 : 血压量测模组

心肺复苏装置

图11为进行标准CPR流程之心肺复苏装置,由按压曲柄连接高扭力直流马达来实施CPR按压,及配备大风量滚珠风扇进行氧气输送。并於施压点贴置应变规,以测得压力值防止患者胸骨或肋骨按压过深,并附设便利手把以方便携带。



图11 : 自动按压机构结合供氧风扇
图11 : 自动按压机构结合供氧风扇

XFW-HX711 AD转换模组

应变规的主要应用为应变量测,其原理是电子电阻会随装置中的应变总数产生不同比例的变化。由於应变规上所产生的感应电子阻抗很小,因此利用XFW-HX711晶片将惠斯登电桥捕捉电子讯号的电压差进行A/D转换并放大。如图12所示。



图12 : 应变规与A/D转换模组
图12 : 应变规与A/D转换模组

测试方法

硬体配置

如图13所示,本作品将硬体电路分为主控制电路版及生命徵象量测模组。将两者合并为一体配置,使装置连接时更加方便快速。



图13 : 电路板配置
图13 : 电路板配置

本作品仅需将安全带绕於患者底下,将按压装置放置於胸囗位置,并扣住安全扣後拉至合适长度,再将氧气罩戴上,最後再进行心率感测及血压量测。如图14所示,安装极为便利快速。



图14 : 装置安装流程
图14 : 装置安装流程

按压机构测试

使用24V、160RPM、34KG扭矩的直流马达结合按压曲柄机构,能快速为患者进行每轮30下CPR按压。如图15所示。



图15 : 按压机构
图15 : 按压机构

供氧风扇测试

按压机构实施标准CPR流程达30次时,控制晶片会使供氧风扇进行两次吹气,藉由导管输氧到患者的氧气罩里。如图16所示。



图16 : 风扇启动
图16 : 风扇启动

心率感测模组测试

使用电极贴片贴於患者手脉搏或者是左胸右胸位置时,不间段持续侦测患者心率,并且透过控制晶片连接蓝牙传值至手机端做伤势分级运算,及进行CPR流程时侦测患者心跳是否回复。如图17所示。



图17 : 心率检测与APP显示
图17 : 心率检测与APP显示

血压量测模组测试

使用加压式马达与泄压阀之控制压脉带,并将血压波形输出及计算,将数值透过RS232传输至控制晶片以蓝牙传至手机端做伤势分级运算。如图18所示。



图18 : 血压量测与APP显示
图18 : 血压量测与APP显示

手机端APP测试

利用手机APP介面接收心率感测模组及血压量测模组之数值,并经由APP程式运算伤势严重分级,再透过蓝牙传回控制晶片以控制心肺复苏装置。最後再将介面整合之资料传送至云端医疗系统。如图19所示。


图19 : APP介面
图19 : APP介面

云端医疗系统

将手机APP传送的病患基本资料及心率感测模组和血压量测模组数据,以云端系统介面作为接收端显示当时的病患资料。其系统介面如图20所示。



图20 : 云端医疗系统介面
图20 : 云端医疗系统介面

(本文作者陈智勇1、高仲??2、杨定晔3、李骞赞4、张昆咏5为树德科技大学电脑与通讯系1教授、2-5学生)


叁考文献


[1]公共场所民众CPR+AED教材,卫服部,https://tw-ed.mohw.gov.tw/UploadContent/easy.pdf


[2]王明淑护理师,基本心肺复苏术(Basic Life Support)


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