噎食急救衣裝置設(shè)計

顧明凱 程進(jìn) 鄒小平 王偉民 趙延潔 王浩 陳馨瑤 郭昕 桂若霞 黃仕賢

北京信息科技大學(xué)北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 前言

吃飯是每個人每天都要進(jìn)行的一項必需的行為，而在這一日三餐或者多餐的過程中由于各個方面的原因，也許是食物過于生硬、咀嚼次數(shù)不夠或進(jìn)食過快等原因，進(jìn)而直接導(dǎo)致了食道同行受阻，也就是我們常說的噎食[1]。一旦發(fā)生噎食，如果不能在黃金4分鐘[2]內(nèi)將堵塞物取出，那么噎食者便很可能會因為窒息而死亡。正確使用海姆立克急救法[3]能夠有效地對噎食者進(jìn)行急救。同樣基于海姆立克急救法也產(chǎn)生了一些裝置，現(xiàn)存的有浙江省腫瘤醫(yī)院申請了名為“便攜式嬰兒海姆立克急救裝置”的專利，該裝置通過對現(xiàn)有技術(shù)中看護(hù)嬰兒使用的腰凳進(jìn)行改進(jìn)，在便于攜帶的同時，可以配合嬰兒海姆立克急救法中的叩背法和叩胸法進(jìn)行叩擊搶救。但是這款裝置只適用于嬰幼兒群體，并不適用于成年人群體[4]；曲靖醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校也申請了名為“一種海姆立克法自救裝置”的專利，該實用新型公開了一種海姆立克法自救裝置。不足的是，該裝置前端的擠壓沖擊裝置必須靠人為手動去擠壓，對于噎食者來說很吃力[5]?；谝陨弦呀?jīng)有的裝置，我們基于海姆立克急救法原理[6]，設(shè)計了這款可穿戴的噎食急救衣。面對噎食緊急狀況的發(fā)生可以完成自救，不僅用電動推桿作為前端的擠壓沖擊的裝置，而且還加入了一個自動收緊的裝置，使搶救更加高效便捷。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體框架

本系統(tǒng)分為5個模塊：電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、沖擊模塊、收緊模塊。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，控制模塊采用STM32F103單片機(jī)進(jìn)行控制[7]；驅(qū)動模塊采用L298N電機(jī)驅(qū)動板模塊；沖擊模塊采用往復(fù)電機(jī)伸縮桿；收緊模塊采用電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動達(dá)到收緊的效果。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

1.2.1 控制模塊、驅(qū)動模塊和電源模塊

系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示，單片機(jī)采用STM32F103RCT6型號，單片機(jī)的PA8引腳接驅(qū)動板IN1端口、PA5引腳接驅(qū)動板IN2引腳、PA11引腳接驅(qū)動板IN3引腳、PA2引腳接驅(qū)動板IN4引腳，同時L298N采用220 V-12 V直流電源供電。除此之外，A、B兩項的正負(fù)極分別對應(yīng)接電機(jī)1和電機(jī)2的黑綠紅藍(lán)線，單片機(jī)的PA0連接開關(guān)。

1.2.2 沖擊模塊

沖擊模塊是由一個電動推桿、固定套筒、固定底座、支撐板和一個柔性的近似于水滴狀的沖擊頭組裝而成。通過螺栓將兩個裝置連接固定。通過L298N電機(jī)驅(qū)動板模塊[8]控制沖擊裝置直接沖擊，前方的沖擊頭參考了興安盟人民醫(yī)院公開的一種海姆立克急救輔助裝置，采用水滴的形狀，更有利于提供斜向上的沖擊力，達(dá)到更高效的沖擊膈肌，使胸腔剩余氣體快速沖出氣道，將異物沖出[9]。沖擊裝置如下圖3所示。

1.2.3 收緊模塊

收緊裝置如下圖4所示，收緊裝置由電機(jī)底座、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸蓋、電機(jī)和收緊帶組成，通過L298N電機(jī)驅(qū)動板控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)行轉(zhuǎn)動的同時將收緊帶進(jìn)行收緊。

1.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

本系統(tǒng)通過C語言編寫程序，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。首先是對各個模塊進(jìn)行初始化，檢測使用者是否按下開始按鈕，如果沒有按下開始按鈕，則繼續(xù)判斷是否按下開始按鈕，如果按下開始按鈕，通過對IN3和IN4管腳輸入高低電平，控制減速電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使收緊裝置進(jìn)行收緊，延時3秒的同時，通過對IN1和IN2管腳輸入低高電平，控制沖擊模塊進(jìn)行沖擊并延時1秒，再對IN1和IN2管腳輸入高低電平，控制沖擊模塊進(jìn)行收縮并延時2秒，判斷是否按下停止按鈕，如果沒有按下則持續(xù)運(yùn)行收緊和沖擊裝置的運(yùn)動，如果按下了停止按鈕，所有IN引腳全部輸入高電平，對沖擊模塊和收緊模塊進(jìn)行制動，停止工作。

1.3.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

主程序

#include "stm32f10x.h"http://引用STM32頭文件

#include "motor.h" //引用電機(jī)驅(qū)動頭文件

#include "delay.h" //引用延時頭文件

#include "key.h" //引用按鍵頭文件

#include "sys.h" //引用系統(tǒng)頭文件

u8 t;

int main(void)

{

delay_init(); //延時函數(shù)初始化

MOTOR_Init(); //LED端口初始化

KEY_Init(); //初始化與按鍵連接的硬件接口

while(1)

{

t=KEY_Scan(1);//按鍵掃描

if(t)

{

t=0;M2_1=0;//電機(jī)驅(qū)動板上控制收緊裝

置的IN3引腳置0 M2_2=1;//電機(jī)驅(qū)動板上控制收緊裝

置的IN4引腳置1

delay_ms(300);M1_1=0;//電機(jī)驅(qū)動板上控制沖擊裝

置的IN1引腳置0 M1_2=1;//電機(jī)驅(qū)動板上控制沖擊裝

置的IN2引腳置1

delay_ms(100);

M1_1=1;//IN1引腳置1

M1_2=0;//IN2引腳置0

delay_ms(200);

}

else

{

t=0;

M1_1=1;// IN1引腳置1

M1_2=1;// IN2引腳置1

M2_1=1;// IN3引腳置1

M2_2=1;// IN4引腳置1

}

}

}

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與驗證

為使噎食急救衣更容易穿戴和固定，在衣服中加入鋼板和棉墊作為支撐。最后將設(shè)計好的沖擊模塊和收緊模塊分別嵌入到急救衣的前端和后端，將控制模塊和電源模塊分別固定在急救衣的左右兩邊，通過線路與控制模塊和電源模塊相連接。

為了進(jìn)一步對系統(tǒng)功能進(jìn)行驗證，進(jìn)行了噎食急救衣功能演示流程，如圖6所示。獨處時發(fā)生緊急噎食（圖6（a）），通過固定背帶將急救衣先固定在脖子上（圖6（b）），再通過塑料插扣將衣服固定在腰部（圖6（c）、圖6（d）），啟動沖擊裝置，沖擊人體腹腔（圖6（e）），同時收緊裝置收緊人體腰腹（6（f）），最終噎食者得到緊急救治（圖6（g））。裝置整體實物圖如圖7所示。

3 結(jié)束語

為了得知人們對海姆立克急救法的認(rèn)知狀況[10-11]，分別對社區(qū)民眾和學(xué)生這兩個群體做問卷調(diào)查。利用問卷星軟件收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理、統(tǒng)計、分析。結(jié)果14.2%的調(diào)查對象表示能夠熟練、規(guī)范地應(yīng)用海姆立克急救法，30.9%的調(diào)查對象表示簡單了解過，54.9%的調(diào)查對象表示對海姆立克急救法非常陌生，因此我們設(shè)計了這一款容易攜帶的噎食急救衣。與絕大多數(shù)產(chǎn)品不同的是，本裝置不僅包括沖擊模塊還包括收緊模塊，收緊模塊的加入可以使急救衣的性能更加高效，更有利于對病人的緊急救助[12]。但是這款急救衣同樣也存在一定的不足，沖擊裝置和收緊裝置各種性能指標(biāo)所能達(dá)到的沖力和收緊力距離真正的要求還有一定距離，這也是日后所要研究的方向和目標(biāo)。