一种心肺复苏模型的生理反馈系统及方法与流程

1.本发明涉及心肺复苏训练设备技术领域，特别是涉及一种心肺复苏模型的生理反馈系统及方法。


背景技术：

2.心脏骤停是死亡的主要原因之一，而心肺复苏（cpr）被认为是最有效和直接的医疗手段，cpr通过增加胸内压(胸泵机制)或直接挤压心脏(心泵机制)产生血流，使氧气输送到大脑和其他生命器官，从而建立临时性的人工循环。
3.尽管指南规定了按压深度和频率，但目前人工cpr非常依赖施救者的经验，大多医疗技术工作者、教练人员和普通大众并没有实战经验，按压深度、次数不足或过度都会造成不良后果。因此，在训练过程中如何全面、智能评估cpr质量是十分必要的。
4.现有技术中有两种方式可以评价按压效果：一是被施救患者本身生理指标的实时监测反馈，二是按压深度和频率的直接测量。后者可能因患者的个体条件差异，或因患者在cpr过程中出现自主恢复循环的现象，导致按压相关参数无法真实反应患者身体状况的实际效果。但是学习训练过程中，cpr病人模型如何真实、全面的反映生理指标是个待解决问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种心肺复苏模型的生理反馈系统及方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种心肺复苏模型的生理反馈系统，包括：参数设定模块，用于在执行心肺复苏操作前根据病例预设体征状态，以及在执行心肺复苏操作过程中恢复病人自主循环，并将体征状态和自主循环所需的生理参数输入数据处理模块；测量模块，用于采集心肺按压参数信息；数据处理模块，用于构建cpr模拟模型，并根据所述体征状态对所述cpr模型进行校正，以及根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息，所述cpr模拟模型包括心脏动力公式、血流动力学、肺动力公式、呼吸力学公式、肺换气的模拟公式；输出模块，用于根据所述生理反馈信息生成心肺影像动画，并将所述心肺影像动画显示给心肺按压人员。
7.一种心肺复苏模型的生理反馈方法，包括：构建cpr模拟模型，所述cpr模拟模型包括心血管系统、呼吸系统、能量代谢和神经调控机制的模拟公式；设置病人的体征状态，所述体征状态包括性别、年龄、体重、身高和胸部状态中的
一种或多种；根据所述体征状态校正cpr模拟模型；采集心肺按压参数信息，并将所述心肺按压参数信息输入校正后的cpr模拟模型；cpr模拟模型根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息；根据所述生理反馈信息生成反馈结果，并将所述反馈结果显示给心肺按压人员。
8.优选的，所述生理反馈方法还包括：构建目标参数模型；根据所述生理反馈参数，利用目标参数模型得到目标按压深度和频率；将所述目标按压深度和频率显示给心肺按压人员。
9.优选的，根据所述体征状态校正cpr模拟模型，包括：根据身高和体重计算病人的体表面积；根据所述病人的体表面积与cpr模拟模型的默认体表面积计算缩放倍数；根据所述缩放倍数校正cpr模拟模型中各器官组织的结构参数；根据病人的身高、体重、年龄和性别，通过哈里斯-本尼迪克特公式计算基础代谢率；根据所述基础代谢率和cpr模拟模型中各器官组织的结构参数计算各器官组织的基础代谢量。
10.优选的，所述心肺按压参数信息为人体模型口鼻处的气流数据。
11.优选的，cpr模拟模型根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息，包括：根据人体模型口鼻处的气流数据计算口鼻内气压，计算公式为：式中，为口鼻内气压，为大气压，，为气流数据，为口鼻处气流阻力；根据所述口鼻内气压计算胸膜腔内压，计算公式如下：式中，为口鼻内气压，为大气压，为口鼻处气流阻力，为口鼻的顺应性，为气管的顺应性，为支气管的顺应性，为肺泡的顺应性，为胸廓的顺应性，为气管内气流阻力，为支气管内气流阻力，为肺泡内气流阻力，为呼吸肌收缩压，为气管内气压，为支气管内气压，为肺泡内气压，为胸膜腔内压；
cpr模型根据所述胸膜腔内压模拟出所述生理反馈参数。
12.优选的，所述心肺按压参数信息为按压压力。
13.优选的，cpr模拟模型根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息，包括：根据所述按压压力计算胸膜腔内压，计算公式为：式中，为胸膜腔内压，为心脏骤停且无按压动作时胸膜腔内压，为按压压力；cpr模型根据所述胸膜腔内压模拟出所述生理反馈参数。
14.优选的，所述生理反馈方法还包括：cpr模型根据所述胸膜腔内压模拟出按压数据，所述按压数据包括按压深度、按压频率和按压间歇中的一种或多种；将所述按压数据显示给心肺按压人员。
15.优选的，所述生理反馈信息包括血氧饱和度、动脉血压、肺通气量、呼气二氧化碳分数、各组织血流灌注中的一种或多种。
16.本发明的有益效果是：本发明中的心肺复苏模型的生理反馈系统通过cpr模拟模型实时模拟血氧、血压、呼吸气流等300余项生理参数，并通过多种方式表现生理反馈，解决了学习训练过程中cpr病人模型无法真实、全面的反映生理指标的问题，使受训者获得全面的训练经验。
附图说明
17.图1为本发明中心肺复苏模型的生理反馈系统的一种组成框图；图2为本发明中心肺复苏模型的生理反馈方法的一种流程框图。
具体实施方式
18.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.参阅图1-图2，本实施例提供了一种心肺复苏模型的生理反馈系统及方法：如图1所示，一种心肺复苏模型的生理反馈系统，包括参数设定模块、测量模块、数据处理模块和输出模块。
20.所述参数设定模块用于在执行心肺复苏操作前根据病例预设体征状态，以及在执行心肺复苏操作过程中恢复病人自主循环，并将体征状态和自主循环所需的生理参数输入数据处理模块。
21.所述测量模块用于采集心肺按压参数信息，一般的，所述心肺按压参数信息为人体模型口鼻处的气流数据或按压人员的按压压力。所述人体模型口鼻处的气流数据利用气流传感器测量人体模型口鼻处的气流得到，所述按压压力可使用激光位移传感器、机械游卡式位移传感器、加速度传感器等测得。
22.所述数据处理模块用于构建cpr模拟模型，并根据所述体征状态对所述cpr模型进行校正，以及根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息，所述cpr模拟模型包括心血管系统、呼吸系统、能量代谢和神经调控机制的模拟公式。此外，所述数据处理模块还用于构建用目标参数模型，以及根据所述生理反馈参数，利用目标参数模型得到目标按压深度和频率。一般的，所述生理反馈信息包括血氧饱和度、动脉血压、肺通气量、呼气二氧化碳分数、各组织血流灌注中的一种或多种。
23.所述输出模块用于根据所述生理反馈信息生成心肺影像动画，并将所述心肺影像动画显示给心肺按压人员，以及将所述目标按压深度和频率显示给心肺按压人员。
24.在一些实施例中，输出模块包括ar头显设备、普通的屏显设备、效应器和扬声器，所述ar头显设备用于佩戴在心肺按压人员的头部，使得心肺按压人员观察人体模型（硅胶模型）时在人体模型上呈现虚拟化的心肺系统生理过程，根据数据处理模块输出的生理反馈信息等参数生成心脏受按压或自主搏动的动画、血管血流颜色及流动效果、肺结构扩张与收缩动画等。所述屏显设备用于显示人体模型的监护参数，如血氧饱和度、血压、通气量、呼气二氧化碳分数、各组织血流灌注压等；此外，所述屏显设备还用于显示目标按压深度和频率等参数信息。所述效应器设置在人体模型上，用于模拟人体模型的皮肤颜色、瞳孔和颈动脉搏等；具体的，所述效应器包括瞳孔模拟器、指端皮肤颜色模拟器、颈动脉搏动模拟器等，指端皮肤颜色模拟器由四肢皮肤组织的血氧数据（sjo2）驱动，其颜色改变由led实现；颈动脉搏动模拟器使用电磁方式，其搏动强度和频率由颈动脉压力（psa）决定；瞳孔模拟器根据是否恢复自主循环进行放大/恢复模拟。所述扬声器用于输出心音和呼吸声等，心音频率根据恢复自主循环后的心率决定，呼吸声根据气流数据进行模拟。
25.如图2所示，一种心肺复苏模型的生理反馈方法，包括：s1.构建cpr模拟模型，所述cpr模拟模型包括心脏动力公式、血流动力学、肺动力公式、呼吸力学公式、肺换气的模拟公式。
26.s2.设置病人的体征状态，所述体征状态包括性别、年龄、体重、身高和胸部状态中的一种或多种。
27.一般的，所述胸部状态包括气压性创伤、血胸、气胸、主支气管中插管和连枷胸案例等生理参数中的一种或多种。
28.s3.根据所述体征状态校正cpr模拟模型。
29.在一些实施例中，根据所述体征状态校正cpr模拟模型，包括：根据身高和体重计算病人的体表面积；根据所述病人的体表面积与cpr模拟模型的默认体表面积计算缩放倍数；根据所述缩放倍数校正cpr模拟模型中各器官组织的结构参数，所述结构参数包括各血管、气管结构的管腔阻力、顺应性、容积、心肌收缩力和呼吸肌收缩力中的一种或多种；根据病人的身高、体重、年龄和性别，通过哈里斯-本尼迪克特公式（harris and benedict公式）计算基础代谢率；根据所述基础代谢率和cpr模拟模型中各器官组织的结构参数计算各器官组织的基础代谢量。
30.s4.采集心肺按压参数信息，并将所述心肺按压参数信息输入校正后的cpr模拟模型。
31.一般的，所述心肺按压参数信息为人体模型口鼻处的气流数据或按压人员的按压压力。所述人体模型口鼻处的气流数据利用气流传感器测量人体模型口鼻处的气流得到，
所述按压压力可使用激光位移传感器、机械游卡式位移传感器、加速度传感器等测得。
32.s5.cpr模拟模型根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息。
33.在一些实施例中，cpr模拟模型根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息，包括：s501.根据人体模型口鼻处的气流数据计算口鼻内气压，计算公式为：式中，为口鼻内气压，为大气压，，为气流数据，为口鼻处气流阻力。
34.s502.根据所述口鼻内气压计算胸膜腔内压（非线性常微分方程利用rk4龙格库塔法求解），计算公式如下：式中，为口鼻内气压，为大气压，为口鼻处气流阻力，为口鼻的顺应性，为气管的顺应性，为支气管的顺应性，为肺泡的顺应性，为胸廓的顺应性，为气管内气流阻力，为支气管内气流阻力，为肺泡内气流阻力，为气管内气压，为支气管内气压，为肺泡内气压，为胸膜腔内压，为呼吸肌收缩压，心脏骤停时，当恢复自主循环时由肺动力公式进行模拟：式中，ti为吸气阶段的时长，te分别为呼气阶段的时长，ie
ratio
为ti和te的比值（0.6），rr为固有呼吸频率，p
mus,min
为固有呼吸肌收缩力，t为呼吸周期，t为模拟时间，τ表示常数。
35.s503.cpr模型根据所述胸膜腔内压模拟出所述生理反馈参数。
36.首先，利用cpr模拟模型模拟循环系统血流动力学参数。循环系统内受按压压力影响的主要是胸腔内的心脏（左心室lv，右心室rv，左心房la，右心房ra）、胸腔静脉tv、肺主动脉pa、肺静脉pv、肺毛细血管pp、肺分流血管ps。在心脏骤停时，心脏自主收缩产生的血流压
力为0，即（p
lv
=0，p
rv
=0，p
la
=0，p
ra
=0），心脏恢复自主循环时由心脏动力公式进行模拟：由此得到p
lv
（p
rv
,p
ra
,p
la
求解公式同理），式中，e
max,lv
为左室最大收缩力，v
lv
,v
u,lv
为左室体积和左室无应力体积，r
lv
为左心室血流阻力，f
o,l
为模拟血流流量。
37.各段血管内血流和压力由下列血流动力学公式（windkessel模型）进行模拟：式中，下标j代表各血管，lj代表流动惯性，流进血压pj经过血管阻力rj的影响后变为流出血压p
j+1
，血管由于其内在弹性特性（顺应性cj）使其在受到血压pj的挤压时会发生扩张作用，加上初始状态（无应力时）的血管容积v
u,j
，则为实时的血管容积vj。
38.同时，根据呼吸力学公式，模拟肺脏内气流和体积变化：式中，vu表示固有体积，、a分别表示口鼻处和肺泡处的气流变化，vd、va表示解剖死腔和肺泡的组织体积。
39.当模拟出呼吸力学、a、vd、v
a 后，根据血流动力学模拟出的v
pp
, q
pa
, q
pp
, q
ps
值，利用肺换气公式，可以模拟出血液内气体含量（c
pp,gas
表示肺泡出毛细血管内血气含量）：式中，f表示气体含量，v表示组织体积，表示气流，c表示血液中气体含量，下标d表示解剖死腔，i表示口鼻处，a表示肺泡，gas表示o2或co2，由上述模拟出的数据，经换算可得到血氧饱和度s
jo2
、动脉血压psa、肺通气量pv，呼气二氧化碳分数f
ico2
，各组织血流灌注压pj等。
40.一般的，所述生理反馈信息包括血氧饱和度、动脉血压、肺通气量、呼气二氧化碳分数、各组织血流灌注中的一种或多种。
41.在一些实施例中，cpr模拟模型根据所述心肺按压参数信息模拟得到生理反馈信息，包括：s511.根据所述按压压力计算胸膜腔内压，计算公式为：
式中，为胸膜腔内压，为心脏骤停且无按压动作时胸膜腔内压，为按压压力。
42.s512.cpr模型根据所述胸膜腔内压模拟出所述生理反馈参数。
43.例如，根据所述胸膜腔内压，利用cpr模拟模型模拟循环系统血流动力学参数。循环系统内受按压压力影响的主要是胸腔内的心脏（左心室lv，右心室rv，左心房la，右心房ra）、胸腔静脉tv、肺主动脉pa、肺静脉pv、肺毛细血管pp、肺分流血管ps。在心脏骤停时，心脏自主收缩产生的血流压力为0，即（p
lv
=0，p
rv
=0，p
la
=0，p
ra
=0），心脏恢复自主循环时由心脏动力公式进行模拟。
44.以下公式中，下标j表示胸膜腔内的循环组织血管或心脏，cj表示血管顺应性，q
j+1
表示血管前端的血流，qj表示血管末端的血流，pj表示血管内血液压力，p
j-1
表示下一段循环血管内的血液压力，rj表示当段血管血流阻力，vj表示当段血管体积，v
u,j
表示不受压力影响时的血管自然体积，kj表示当段血管受按压部位与距离的影响因子，kj值越大表示离按压部位越近（如心脏），受按压压力作用效果越大。
45.例如，根据所述胸膜腔内压，利用cpr模拟模型模拟血流动力学、呼吸力学、呼气气体运输与交换、神经调节相关生理参数，得到血氧饱和度s
jo2
、动脉血压psa、肺通气量pv，呼气二氧化碳分数f
ico2
，各组织血流灌注压pj等。
46.在一些实施例中，所述生理反馈方法还包括：cpr模型根据所述胸膜腔内压模拟出按压数据，所述按压数据包括按压深度、按压频率和按压间歇中的一种或多种；将所述按压数据显示给心肺按压人员。通过计算得到按压深度、按压频率和按压间歇等数据，并将其显示给心肺按压人员，便于心肺按压人员知晓当前的按压参数。
47.s6.根据所述生理反馈信息生成反馈结果，并将所述反馈结果显示给心肺按压人员。
48.所述反馈结果包括心肺影像动画、生理参数和按压参数等中的一种或多种。
49.在一些实施例中，所述心肺影像动画通过ar头显设备显示给心肺按压人员。
50.在一些实施例中，所述生理参数和按压参数通过屏显设备显示给心肺按压人员。所述生理参数包括血氧饱和度s
jo2
、动脉血压psa、通气量pv、呼气二氧化碳分数f
ico2
、各组织血流灌注压pj等，所述按压参数包括按压深度、按压频率和按压间歇等。
51.在一些实施例中，所述生理反馈方法还包括：根据生理反馈信息，利用效应器模拟表现人体模型的生理现象。具体的，所述效应器包括瞳孔模拟器、指端皮肤颜色模拟器、颈动脉搏动模拟器等，指端皮肤颜色模拟器由四肢皮肤组织的血氧数据（sjo2）驱动，其颜色改变由led实现；颈动脉搏动模拟器使用电磁方式，其搏动强度和频率由颈动脉压力（psa）决定；瞳孔模拟器根据是否恢复自主循环进行放大/恢复模拟。所述扬声器用于输出心音和呼吸声等，心音频率根据恢复自主循环后的心率决定，呼吸声根据气流数据进行模拟。
52.在一些实施例中，所述生理反馈方法还包括：构建目标参数模型；根据所述生理反馈参数，利用目标参数模型得到目标按压深度和频率；将所述目标按压深度和频率显示给
心肺按压人员。这些实施例中，根据生理反馈信息得到目标按压深度和频率，并显示给心肺按压人员，使得心肺按压人员能够根据生理参数的变化实时调节按压参数，从而提高按压的准确性。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。