智能防护式心脏病报警自救装置的设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：介明明（2001），男，汉族，陕西咸阳人，本科，西京学院，研究方向为医学影像技术。-6-智能防护式心脏病报警自救装置的设计 介明明 武 昆 张子鹭 郑宇杰 雷菀莹 西京学院，陕西 西安 710123 摘要：摘要：针对多年以来心脏病引发的高死亡率问题，本项目提出一种心脏病突发时的紧急应对装置，设计出一种智能防护式心脏病报警自救装置。文中采用 51 单片机作为主控芯片、光电传感器作为检测患者心率异常的检测传感器及压力传感器，还包括 GPS 定位模块作为患者发病地址定位的传感器以及 GSM 模块给预留手机号发送求救信息，以便及时高效地得到救助病人的效果。实验结果表明，所设计的装置心率测量准度高，自救速度快，功能全面，能较好地满足心脏病患者的自救要求，为后续相关领域的研究提供帮助。关键词：关键词：报警自救；GPS 定位；51 单片机；光电传感器 中图分类号：中图分类号：R197.39 在智能防护式心脏病报警自救装置的设计中求救系统和防护装置，光电传感器是最为重要。当前心率检测器已经在市面上广泛应用但是心脏病报警自救装置并没有广泛普及。因此，智能防护式心脏病报警自救装置将成为降低突发心脏病死亡率的重要手段。造成心脏病高死亡率的主要原因是患者独自一人时，心脏病突发后不能及时服用急救药物和正常呼吸所导致的休克性死亡1。现在检测人体跌倒的技术大致可以分为基于计算机视觉分析和基于穿戴传感器式，视觉分析就是通过在家庭中一些比较地面较滑，容易发生跌倒事故的地方安装视频监视器或者是红外对射探头利用计算机视觉分析系统来判定人体姿态，从而检测跌倒的一种方法。比如由加拿大人 Caroline Rougier 设计的一种方法，通过安装摄像头利用计算机视觉系统将人体的形态变化与运动过程相结合从而判断跌倒。该方法安装成本较大，且局限性大。穿戴传感器来检测的方式从名称来看就能知道其特点，就是将检测和报警的装置穿在使用者的身上，通过设备中的传感器检测数据然后利用算法分析人体姿态而自动报警的一种方法。基于穿戴传感器方式判别是否发生跌倒的方法主要有利用模式识别算法进行样本分离的方法和判断传感器采样值阀值的方法2。现在比较具有代表性的技术就是西安交通大学所研究的一种跌倒检测算法。这个算法就是利用模式识别的恩想来实现的。在该系统中跌倒检测分为两个层次的算法，首先利用支持向量机算法从输入中提取疑似跌倒数据，然后再通过算法将可疑数据实现最佳的分离，最后通过算法实现精确分类。这种算法需要对日常行为加速度值样本经过多道算法程序进行检验与排除，所以需要的计算量信大，需要性能较高的硬件平台才可以实现。目前，虽然市面上有许多心脏病检测仪器但是如何在患者独自一人心脏病突发时可以有效及时治疗和发现，已经成为刻不容缓问题。根据国家心血管中心统计，我国每年约有 54.4 万心脏病患者因为治疗不及时而导致死亡3。本产品可以实时监测患者的位置，GPS 定位患者的位置信息，储存急救药物以及提供供氧装置。当患者心跳异常的时候，并未及时按下解除误报警的按钮。设备将会向设定手机发出求救信息，并将手机 APP 发送患者的求救位置，同时会将装备提前储存的急救药物送至患者嘴边，并经过一分钟的等待将氧气罩会弹至鼻子前，给急救提供宝贵的抢救时间，从而提高心脏病患者救助的存活率。1 执行机构总体方案 基于以上需求分析，设计的方案一种智能防护式心脏病报警自救装置硬件设计电路图如图 1 所示 图 1 项目硬件框图 图 1 中控制电路为总电路，其作用是控制其他各中国科技期刊数据库 工业 A-7-电路和装置的运行。电源电路的作用是控制装置的启动。当电源电路启动之后，控制电路便会开始作用。检测系统：是通过光电传感器进行实时监测心脏病患者的心跳是否异常，如果发现异常，就会反馈给控制系统。心跳检测电路会实时监测心跳，液晶显示电路会实时将心跳显示于液晶屏上。当心跳出现异常时，风鸣器报警电路便会发出警告，同时弹射装置电路将会启动。心跳异常时，心跳检测电路会给控制电路会反馈信号。同时控制电路会给GSM模块电路发送信号，然后 GSM 电路会向设定手机实时发送位置和求救信号4。报警系统：心脏病患者心跳出现异常时，装置会向设定的手机发送求救信息与位置，链接是手机 APP，手机 APP 以地图的形式显示求救地点。自救系统：该装置会在心脏病患者突发时将装置提前储存的急救药物送至嘴前并且等待一分钟后将氧气罩弹至鼻子前。取消系统：设置手动取消误报警求助的按钮。本项目首先完成系统的硬件设计，基于 51 单片机作为主控芯片，光电传感器作为检测患者的检测传感器，还有 GPS 模块作为患者发病地址定位的传感器以及一块 GSM 模块进行通知亲友。本项目增加了脉搏和温度的测量，实时监测病人的身体情况，并通过光电传感器检测患者是否心率异常，如果患者心率异常，蜂鸣器就会报警，如果在20s内患者未按下解除按钮，单片机会通过 GSM 模块给所绑定的手机号进行提示短信的发送，信息里有最近一次的 GPS 的定位信息。主程序流程图如下图 2：图 2 主程序流程图 开始阶段是由电源电路接通开始工作，开始之后控制电路初始化对电路中的所有信息进行清除及复位。数据采集是由光电传感器负责采集患者实时数据和信息，数据采集完成之后由 51 单片机进行数据处理和判断，将处理结果反馈于控制电路，最终通过控制器和控制电路控制执行部件完成工作5。针对智能防护式心脏病自救装置已经完成的硬件设计和软件设计，进行便携防护式设计，比如可以做成穿戴式衣服、腰带、胸牌挂在胸前等。2 光电传感器辅助装置 光学心率传感器是智能穿戴设备中最为普及的用于心率检测的传感器之一。它采用电光溶剂脉搏波描记法（PPG）来测量心率及其他生物计量指标。测量原理：通过电容灯光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接收并转换成电信号，再经过电信号转换成数字信号，再根据血液的吸光率算出心率。简化测量过程就是：发射光转换成电信号转换成数字信号。本项目中所涉及的光学原理工作如下图 3：图 3 光电心跳传感器基本结构 光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率：（1）光发射器，主要构成通常至少由两个光发射二极管（LED），通过二极管的工作原理，它们会将光波照进皮肤内部。（2）光电二极管和模拟前端（AFE），这些元件捕获穿戴者折射的光，并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。（3）加速计，加速计可测量运动，与光信号结合运用，作为 PPG 算法的输入。（4）算法，算法能够处理来自 AFE 和加速计的信号，然后将处理后的信号叠加到 PPG 波形上，由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。然而，要实现这一目标，我们还需要克服一些挑战。首先，光电传感器和心率检测器的精度和稳定性需要进一步提高，以确保在患者发生心脏病突发时能够准确、快速地发出警报6。其次，由于患者可能处于不同的环境中，如室内、室外、运动中等，因此，该装置中国科技期刊数据库 工业 A-8-需要具备较强的抗干扰能力，以适应各种复杂环境。此外，装置的自救系统需要更加智能化，例如，装置可以预先学习患者的心率变化特征，以便在发生紧急情况时，能够更准确地判断患者的状况，并采取相应的措施。未来，随着人工智能和物联网技术的发展，我们相信这种智能防护式心脏病报警自救装置将变得更加完善，能够更好地为心脏病患者提供及时、有效的救助。同时，我们也期待这种装置能够得到更广泛的应用，从而降低我国心脏病患者的死亡率，提高人民的生活质量。在推广应用方面，除了通过医疗机构和政府部门进行推广外，还可以通过社会公益组织、社区、家庭等多种途径进行宣传和普及。此外，还可以通过与保险公司、养老机构等合作，将这种装置作为心脏病患者的一项保险服务或养老服务提供，从而让更多的患者能够受益。总的来说，智能防护式心脏病报警自救装置是我国心脏病患者的一个重要的救生工具，它不仅能够提高患者的生存率，还能够减轻患者和家庭的心理压力和经济负担。我们期待这种装置能够在不久的将来得到广泛的应用，为我国心脏病患者提供更多的安全保障7。可穿戴技术的在老年人跌倒防控中的应用可归纳为三方面：1）能够在无创伤的情况下对老年人的平衡和步态活动进行客观的测量，并实时获取可靠的数据信息，能够帮助人们更好的洞察和理解那些平衡和步态受损者的行为特征，治疗专家就可以着重研究那些在完成特定动作中具有平衡和步态障碍的老年人其特殊的生理原因；2）使用便携式可穿戴动作监测系统测量平衡和步态的行为可以增强平衡和步态测量的敏感性，使用它们能鉴别老年人轻微的行动障碍并逐渐使其康复；3）站立姿势摇摆和步态特征，用可穿戴监测器可以给老年人实时提供生物反馈，以便能够提示老年人行动中集中注意力并增强身体活动的动作性能。除了智能防护式心脏病报警自救装置，未来还可以探索更多创新技术应用于心脏病患者的预警和自救8。例如：（1）心脏健康监测可穿戴设备：结合光电传感器、加速度计、血压计等生理传感器，可穿戴设备可以实时监测患者的心率、血压、运动状态等数据，并通过数据分析算法预测心脏病发作的风险。一旦检测到异常情况，设备可以及时发出预警，提醒患者采取措施。（2）人工智能辅助诊断：通过深度学习、大数据等技术，人工智能可以分析患者的心电图、心率变异等数据，协助医生更准确地诊断心脏病，并制定个性化的治疗方案。此外，人工智能还可以通过分析患者的病历和生理数据，预测患者心脏病发作的风险，从而帮助患者更好地预防疾病。（3）智能家居辅助系统：结合家庭物联网技术，智能家居设备可以实时监测患者的心脏病症状，并在发现异常时自动触发紧急求救机制，如呼叫救护车、通知亲友等。此外，智能家居设备还可以根据患者的需要，自动调整室内环境，如调节温度、湿度、灯光等，为患者创造更舒适的生活条件。（4）基于云平台的医疗服务：通过搭建云平台，将心脏病患者的生理数据、病历、诊断和治疗方案等信息进行整合和分析，可以为患者提供更全面、更精准的医疗服务。同时，云平台还可以实现远程会诊、在线咨询等功能，让患者在家就能获得专业的医疗建议和救助。总之，在科技创新的推动下，未来心脏病患者的预警和自救手段将更加丰富多样，为患者提供更高效、更便捷的医疗服务。同时，我们还需要加强心脏病预防和健康教育工作，提高公众对心脏病的认识和预防意识，从而降低心脏病发病率和死亡率。3 研究结论 该报警自救装置存在的优点主要有：结构简单、外观小巧、安装隐蔽，信号传输使用 GSM 模块完成；采用弹射装置，对于心脏病突发的患者，将弹射装置置于触发状态，当不需要对患者自救干预时，将开关断开即可；使用液晶显示屏对心跳进行数字显示。可以通过 GPS 和 GSM 对心跳异常患者进行定位；使用非接触磁力开关,结构简单，非接触方式避免反复挤压操作，大大提高装置使用寿命9；蜂鸣报警器根据病人是否心率异常而发出不同分贝警报音，根据具体心率情况实现求救信息发送和自救装置启动的功能；预见性报警、提醒，可减少突发心脏病导致死亡事件的发生，装置应变性较强。同时在使用期间我们也发现了一定的不足：装置固定性不强，装置部分元器件与电路固定在一起，目前该装置仍在实验观察中，虽然本装置中国科技期刊数据库 工业 A-9-能够明显减少心脏病突发死亡率，但仍有部分需要改进之处，将装置成熟、完善化仍任重而道远。参考文献 1赵原.把智能安全穿在身上J.劳动保护,2015(12):98-99.2孙思宇.燃气管道泄露定位与报警系统研究J.中国石油和化工标准与质量,2023,43(15),88-90.3兰天宇.室内意外跌落智能报警技术研究D.天津:天津大学,2018(2).4于清芝.ECGLAB-H-A 型动态心电图仪检测心脏病 100 例分析报告文献传递J.齐齐哈尔医学院学报,2011(8).5陈叶,龚敬宇,杜鹃年.经皮血氧饱和度检测仪在先天性心脏病筛查中的重要作用J.中国医疗器械信息,2019,25(18).6刘淑娟,陈豆霖,杨佰能年.儿童心脏手术前护理指导影片对病童母亲焦虑与相关知识之影响J.长庚护理,2016,27(3).7包志丹,万俊年.脉氧检测联合体格检查在新生儿先天性心脏病诊断中的价值J.中国妇幼健康研究,2015,26(5).8郝宝增年.NT-probs 检测在心脏病患者治疗中的应用价值J.实用妇科内分泌电子杂志,2018(21).9方嘉凯.心脏病检测的评价J.心血管病防治知识,2009(11).基金项目：陕西省大学生创新创业训练计划项目：智能防护式心脏病报警自救装置（项目编号：S202312715051）。