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第十四屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 陳智勇、高仲葳等人】   2020年06月23日 星期二

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本作品目的在於開發一套結合雲端醫療系統的智慧型心肺復甦裝置。以盛群HT66F70A晶片為控制核心,整合雲端醫療系統、心肺復甦裝置、心率感測模組、血壓量測模組、應變規元件。當傷患需要急救時,將本裝置以安全帶固定於患者身上,以高扭力直流馬達控制按壓機構進行心肺復甦術,並在急救期間透過心率感測模組及血壓量測模組對患者進行生命徵象監測。


如果監測時發現患者生命徵象微弱,將立即進行標準CPR之按壓動作,並在每達到指定次數時透過風扇供輸氧氣給患者。而在送醫過程中,醫護人員可以利用手機APP將病人的資料及感測數據透過網路傳至醫院雲端系統,使醫院方能在患者到達前先行準備好相關醫療準備。


本作品可以取代人力進行極度耗費體力的CPR動作,避免救護人員體力不足的情況及能快速將患者資訊傳遞給醫院方,增加患者的黃金救援時間。


前言

根據研究顯示,突發性心臟停止發生後每晚1分鐘施救,病患的存活率每分鐘將下降7%~10%,黃金救命時間極短,因為大腦缺氧6~10分鐘後,腦細胞就會開始受損,產生無法復原的損傷。救護人員在遇到生命徵象微弱的患者時,必須在晃動的救護車上持續心肺復甦術(Cardiopulmonary Resuscitation, CPR)[1][2]直到送達急診室,但在送醫過程中車體會激烈晃動,使得送醫過程相當危險。且在將患者送達醫院後,時常會遇到急診處擁擠的狀況,使得爭取到的黃金救援時間都隨著確診手續流失。


進行標準CPR流程,需要使患者身體保持水平,對準胸口位置向胸骨壓下4~5公分,並於每按壓30次時進行人工呼吸兩次。持續實施CPR極度耗費體力,且不能保證每次按壓都能夠達到要求。本作品利用應變規偵測胸骨硬度,以保證每下按壓都達到最合適的力道,並透過控制風扇對患者進行氧氣輸送,再使用安全帶將裝置固定在患者身上,以保證送醫過程安全。


由於傳統救護車內系統並沒有與醫院的系統整合,醫院無法立即得知患者狀況,兩者之間僅透過無線電溝通,沒有明確的聯繫管道。而在本作品的幫助下,能快速將患者傷勢進行分類,且能將患者資訊傳送至醫院雲端系統供院方檢視,使患者到院前能先行準備好醫療措施。


工作原理

本作品使用盛群HT66F70A晶片為主要控制核心,藉由藍牙接收心率感測模組、血壓量測模組之數據,以判斷是否啟動心肺復甦裝置,最後透過手機APP雲端傳輸介面將病患資料傳送至醫院。



圖1 : 系統工作原理圖
圖1 : 系統工作原理圖

心肺復甦裝置

藉由APP介面確認患者需要進行CPR按壓及氧氣輸送流程時,將裝置用安全帶固定於患者上,先經由應變規進行胸骨硬度量測,再透過按壓曲柄接合高扭力直流馬達進行標準之胸外按壓動作。且在每進行按壓30次之時,即控制供氧風扇經氧氣罩對患者進行兩次吹氣,以達成CPR標準流程中氧氣供給之目的。如圖2所示。



圖2 : 心肺復甦裝置運作示意圖
圖2 : 心肺復甦裝置運作示意圖

手機APP雲端傳輸

手機透過藍牙模組接收到心率感測數據及血壓量測數據後,將其資訊整合在手機APP程式之中,如圖3所示。裝置運行時,救護人員能透過APP即時傳送患者的外觀基本資訊結合本裝置量測到的生理訊息透過行動通訊傳到雲端醫療系統供醫院先行檢視,如圖4所示。



圖3 : 手機APP藍牙傳輸示意圖
圖3 : 手機APP藍牙傳輸示意圖

圖4 : 手機APP介面
圖4 : 手機APP介面

作品結構

系統硬體架構

本作品以盛群HT66F70A晶片為主控制器,整合血壓量測模組、心率感測模組、藍牙模組、心肺復甦裝置、直流馬達、風扇等,完成一雲端醫療智慧性心肺復甦裝置,系統架構如圖5所示。



圖5 : 系統流程圖
圖5 : 系統流程圖

系統流程圖

本裝置依照CPR建議之標準流程規劃機械按壓及吹氣動作,流程如圖6。



圖6 : 系統流程圖
圖6 : 系統流程圖

控制晶片

HT66F70控制晶片(圖7)主要應用為透過I/O模擬UART通訊格式,來接收血壓量測模組與心率感測模組之生命徵象資料,且透過藍牙模組與行動裝置連線傳輸量測資料,並在患者無生命徵象時控制直流馬達轉動進行30次的按壓,再控制供氧風扇進行兩次吹氣,持續動作至患者回復生命徵象為止。



圖7 : HT66F70A控制晶片
圖7 : HT66F70A控制晶片

HC-05藍牙模組

HC-05屬於主從(Host/Slave)一體的模組,功能較多元化,可以設定主端或從端。擁有AT指令可切換多種模式。本作品藉由HC-05透過UART介面使控制晶片與手機端建立連線。如圖8所示。



圖8 : 藍牙模組
圖8 : 藍牙模組

AD8232心率感測模組

AD8232是一款適用於對心臟生物電信號進行信號調理來進行心率監護,用於 ECG 及其他生物電測量應用的模組。本作品利用AD8232監測患者心率,以ADC轉換為數位訊號以利傳輸雲端資訊及心肺復甦裝置判斷。如圖9所示。



圖9 : 心率感測模組
圖9 : 心率感測模組

血壓量測模組

血壓量測模組(圖10)是將類訊號擷取並轉換至數位處理,類比數位轉換高達10Bit,提供較高的精準度。數位端包含過度加壓保護機制及加壓馬達與洩壓閥之控制、血壓波形輸出及計算,簡易的通訊協定利用RS232或USB傳輸,能連結PC與嵌入式系統。本作品採用RS232傳輸介面與控制晶片進行傳值,並延伸DC插頭做使用。



圖10 : 血壓量測模組
圖10 : 血壓量測模組

心肺復甦裝置

圖11為進行標準CPR流程之心肺復甦裝置,由按壓曲柄連接高扭力直流馬達來實施CPR按壓,及配備大風量滾珠風扇進行氧氣輸送。並於施壓點貼置應變規,以測得壓力值防止患者胸骨或肋骨按壓過深,並附設便利手把以方便攜帶。



圖11 : 自動按壓機構結合供氧風扇
圖11 : 自動按壓機構結合供氧風扇

XFW-HX711 AD轉換模組

應變規的主要應用為應變量測,其原理是電子電阻會隨裝置中的應變總數產生不同比例的變化。由於應變規上所產生的感應電子阻抗很小,因此利用XFW-HX711晶片將惠斯登電橋捕捉電子訊號的電壓差進行A/D轉換並放大。如圖12所示。



圖12 : 應變規與A/D轉換模組
圖12 : 應變規與A/D轉換模組

測試方法

硬體配置

如圖13所示,本作品將硬體電路分為主控制電路版及生命徵象量測模組。將兩者合併為一體配置,使裝置連接時更加方便快速。



圖13 : 電路板配置
圖13 : 電路板配置

本作品僅需將安全帶繞於患者底下,將按壓裝置放置於胸口位置,並扣住安全扣後拉至合適長度,再將氧氣罩戴上,最後再進行心率感測及血壓量測。如圖14所示,安裝極為便利快速。



圖14 : 裝置安裝流程
圖14 : 裝置安裝流程

按壓機構測試

使用24V、160RPM、34KG扭矩的直流馬達結合按壓曲柄機構,能快速為患者進行每輪30下CPR按壓。如圖15所示。



圖15 : 按壓機構
圖15 : 按壓機構

供氧風扇測試

按壓機構實施標準CPR流程達30次時,控制晶片會使供氧風扇進行兩次吹氣,藉由導管輸氧到患者的氧氣罩裡。如圖16所示。



圖16 : 風扇啟動
圖16 : 風扇啟動

心率感測模組測試

使用電極貼片貼於患者手脈搏或者是左胸右胸位置時,不間段持續偵測患者心率,並且透過控制晶片連接藍牙傳值至手機端做傷勢分級運算,及進行CPR流程時偵測患者心跳是否回復。如圖17所示。



圖17 : 心率檢測與APP顯示
圖17 : 心率檢測與APP顯示

血壓量測模組測試

使用加壓式馬達與洩壓閥之控制壓脈帶,並將血壓波形輸出及計算,將數值透過RS232傳輸至控制晶片以藍牙傳至手機端做傷勢分級運算。如圖18所示。



圖18 : 血壓量測與APP顯示
圖18 : 血壓量測與APP顯示

手機端APP測試

利用手機APP介面接收心率感測模組及血壓量測模組之數值,並經由APP程式運算傷勢嚴重分級,再透過藍牙傳回控制晶片以控制心肺復甦裝置。最後再將介面整合之資料傳送至雲端醫療系統。如圖19所示。


圖19 : APP介面
圖19 : APP介面

雲端醫療系統

將手機APP傳送的病患基本資料及心率感測模組和血壓量測模組數據,以雲端系統介面作為接收端顯示當時的病患資料。其系統介面如圖20所示。



圖20 : 雲端醫療系統介面
圖20 : 雲端醫療系統介面

(本文作者陳智勇1、高仲葳2、楊定曄3、李騫贊4、張崑詠5為樹德科技大學電腦與通訊系1教授、2-5學生)


參考文獻


[1]公共場所民眾CPR+AED教材,衛服部,https://tw-ed.mohw.gov.tw/UploadContent/easy.pdf


[2]王明淑護理師,基本心肺復甦術(Basic Life Support)


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