呼吸機智能語音報警系統(tǒng)的研究

Design of voice alarm system for ventilator

王東峰，王輝林
（山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000）

       摘要：隨著人工智能和智慧醫(yī)療的興起，為了滿足當前醫(yī)療監(jiān)護設備智能化、人性化的發(fā)展需求，提出了以語
音合成為核心的呼吸機智能語音報警技術，將呼吸機的報警內容通過真人語音的形式進行播報。經(jīng)過試驗測試
并且與同類產(chǎn)品進行對比，滿足行業(yè)標準要求。語音報警信號相較于傳統(tǒng)的聽覺報警信號，更直觀、準確、人
性化，符合智慧醫(yī)療的發(fā)展需求。由此可見，使用語音芯片合成語音報警信號的方法是完全可行的，該設計也
可應用于其它醫(yī)療設備或產(chǎn)品。
       關鍵詞：語音合成；呼吸機；語音報警；智能化

　　0 引言

       呼吸機早年對聲音報警信號沒有特別要求，常規(guī)方法是用蜂鳴器或喇叭發(fā)出單一聲音。在2005年呼吸機報警專用標準開始實施，2009年標準又一次更新，即《YY 0709-2009醫(yī)用電氣設備 第1-8部分：安全通用要求并列標準：通用要求 醫(yī)用電氣設備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報警系統(tǒng)的測試和指南》。標準中規(guī)定聽覺報警信號可以用脈沖群來實現(xiàn)，也可以用語音合成的方式來完成。通過脈沖群產(chǎn)生聽覺報警信號時，報警內容需要通過指示燈或圖形等方式來顯示，需要醫(yī)護人員在聽見報警信號的時候，及時觀察報警內容，根據(jù)報警內容進行處置，另外也容易與其它醫(yī)療設備的報警聲音混淆，這些都增加了醫(yī)護人員的工作量。
　　針對以上問題，設計了呼吸機智能語音報警系統(tǒng)。
　　系統(tǒng)采用語音合成芯片，將呼吸機報警內容以真人語音的形式進行播報，可保證呼吸機報警信號的準確性高、可靠性好、實時性好。語音報警信號傳達的信息準確、直觀、便于醫(yī)護人員和家屬及時分析和處理問題，為患者提供更安全的保障；呼吸機語音報警信號有別于其它醫(yī)療設備的報警聲音，在病房中，便于醫(yī)護人員分辨，可以降低醫(yī)護人員勞動強度，提高工作效率；語音報警更加智能化、人性化，使報警變得不再單調和冰冷，縮短了人機交互的距離；隨著技術發(fā)展，可以從這方面作為一個切入點將設備融入到大范圍的智慧醫(yī)療系統(tǒng)中。
　　1 工作原理

       呼吸機報警的判定是通過實測值與設定值進行比較得出。實測值通過采集傳感器信號得到，設定值通過程序輸入，當實測值超出設定值范圍時，報警就會產(chǎn)生。
　　根據(jù)表1，控制報警引腳輸出對應的電平信號。當語音報警系統(tǒng)查詢到報警引腳電平變化時，根據(jù)表1，播報語音報警內容。
　　為了提高報警的可靠性，防止誤報警。傳感器容易受到外界影響導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，在程序中采用算數(shù)平均值方法，選取相鄰5組數(shù)據(jù)，計算平均值，可減小偏差；當語音報警系統(tǒng)檢查到報警引腳電平有變化時，程序要進行判斷（消抖），減少干擾因素。
　　例如：壓力高報警設定值：壓力低報警設定值：壓力實測值：注：P1、P2、P3、P4、P5為相鄰單次壓力采樣值依據(jù)表2就可進行壓力報警的檢測。
　　2 設計方案

       2.1 系統(tǒng)框圖

       圖1是系統(tǒng)框圖，呼吸機控制系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)進行算數(shù)平均值處理，報警檢查。如果有報警產(chǎn)生，查詢表1，輸出對應的引腳電平。語音報警控制系統(tǒng)檢查到引腳電平變化，對信號進行“消抖”
　　處 理 ， 確 認 為 報 警 信 號后，查詢表1，通過串口發(fā)送語音報警信息給語音合成芯片，然后播放語音報警信息。
　　2.2 控制部分

       圖2為智能語音報警控制部分電路。采用STC12C5410AD單片機，該單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但是速度快8~12倍，內部集成專用復位電路，通用全雙工異步串行口，也可實現(xiàn)多串口。工作電壓為3.8 V~5.5 V。

　　控制部分的功能是通過檢查報警引腳電平變化來接收呼吸機報警信息，通過串口將報警內容發(fā)送給語音合成模塊。通過P1端口連接呼吸機報警信號輸出端口，通過P3口發(fā)送報警信息內容。單片機采用阻容復位，在電源輸入端口加0.1 μf耦合電容。另外，采用的晶振，便于軟件中設置串口波特率。
　　2.2 語音合成部分

       圖3位語音合成部分電路。語音合成部分采用SYN6288，該芯片是北京語音天下科技有限公司的一款中文語音合成芯片，通過串口接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本到語音的轉換。該芯片硬件接口簡單，低功耗，音色清亮圓潤、性價比很高。工作電壓為。
　　有6組外接電源，每組電源均使用一個和一個0.1 μF的電容，如果想節(jié)省成本，可以在每組電源上均使用0.1 μF的電容，并對VDDPP和VDDA兩組電源各加上一個47 μF電容。喇叭可以直接連接芯片的BP0，BN0引腳進行聲音輸出，也可以加功放電路。本設計直接連接喇叭。芯片需要外接高速晶振，搭配22 PF電容。串口通訊時上位機發(fā)給SYN6288的串口通訊數(shù)據(jù)必須是反相的數(shù)據(jù)，上位機可以選擇程序代碼反向方式或硬件電路反相方式。本設計選用硬件電路反相方式。

　　3 軟件設計

       本系統(tǒng)軟件設計分為主程序、報警查詢程序、語音播報程序，圖4為程序流程圖。
　　3.1 主程序

       流程如圖4所示。先進行定時器、串口、初始化，然后程序循環(huán)檢測報警信號標志位是否置位，如果報警信號標志位置位，則播報對應語音信息，否則繼續(xù)查詢報警信號標志位是否置位。
　　3.2 報警查詢程序：

       流程如圖5所示。單片機按照定時器初始化設置的參數(shù)進入中斷，當檢測到報警信號引腳電平改變時，首先檢測是否為干擾，如不是干擾，則將標志位置位，否則放棄，繼續(xù)檢測。
　　3.3 語音播報程序

       流程如圖6所示。單片機首先發(fā)送5個字節(jié)（幀頭），然后發(fā)送合成的語音文本數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)進行異或校驗，最后發(fā)送校驗字節(jié)。
　　4 系統(tǒng)測試

       主要驗證在有報警發(fā)生時，報警系統(tǒng)性能的準確性和實時性。
　　以壓力上限報警測試為例說明：測試方法：將壓力上限報警閾值分別設置為2 kPa、4 kPa、，堵塞氣路，向氣路緩慢加正壓，當發(fā)生聲光報警時，用秒表和氣流分析儀測試記錄。每個報警閾值測試100次，然后將對應壓力值記錄并繪制曲線，如圖5所示如表3：報警準確率A1=準確報警次數(shù)/總報警次數(shù)報警實時率A2=報警延時小于20 ms的次數(shù)/報警總次數(shù)說明：測試中人的反應時間無法控制，會使測試數(shù)據(jù)存在偏差。通過對壓力上限報警測試可以看出，呼吸機智能語音報警系統(tǒng)的報警準確率高，報警實時率也滿足要求。其它報警參數(shù)可采取類似方法測試。

　　5 結論

       呼吸機智能語音報警系統(tǒng)基于單片機和語音合成芯片來設計，將呼吸機報警信息以真人語音的形式進行播報。該系統(tǒng)的報警準確率高，報警實時率滿足使用要求，比脈沖群報警表達信息準確，便于醫(yī)護人員分辨，符合未來智慧醫(yī)療的發(fā)展趨勢。這套智能語音報警系統(tǒng)已在產(chǎn)品中使用，效果良好。該設計也可以在其它產(chǎn)品中推廣應用，語音報警可以體現(xiàn)產(chǎn)品的個性化、優(yōu)勢化，能給使用者留下深刻的印象。

       參考文獻
[1]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化委員會. GB9706.28-2006.醫(yī)療電氣設備 第2部分：呼吸機安全專用要求 治療呼吸機.北京：中國標準出版社,2006.
[2]國家食品藥品監(jiān)督管理局.YY0709-2009.醫(yī)用電氣設備 第1-8部分 安全通用要求 并列標準 通用要求,醫(yī)用電氣設備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報警系統(tǒng)的測試和指南.北京：中國標準出版社,2009.
[3]郭軍濤，吳太虎．呼吸機控制理論及其運用技術.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2003，6：31～32.
[4]朱蕾，鈕善福.機械通氣(第二版).上海：上?？茖W技術出版社，2007：35～37.
[5]王保國.實用呼吸機治療學.人民衛(wèi)生出版社.1994:8-13.
[6]齊麗晶，張海明.解讀YY0709-2009醫(yī)用報警系統(tǒng)的測試，中國醫(yī)療器械，2011年第35卷第4期：291-293.

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第58頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處