呼吸機智能語(yǔ)音報警系統的研究

Design of voice alarm system for ventilator

王東峰，王輝林
（山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

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

　　0 引言

       呼吸機早年對聲音報警信號沒(méi)有特別要求，常規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(zhuān)用標準開(kāi)始實(shí)施，2009年標準又一次更新，即《YY 0709-2009醫用電氣設備 第1-8部分：安全通用要求并列標準：通用要求 醫用電氣設備和醫用電氣系統中報警系統的測試和指南》。標準中規定聽(tīng)覺(jué)報警信號可以用脈沖群來(lái)實(shí)現，也可以用語(yǔ)音合成的方式來(lái)完成。通過(guò)脈沖群產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)報警信號時(shí)，報警內容需要通過(guò)指示燈或圖形等方式來(lái)顯示，需要醫護人員在聽(tīng)見(jiàn)報警信號的時(shí)候，及時(shí)觀(guān)察報警內容，根據報警內容進(jìn)行處置，另外也容易與其它醫療設備的報警聲音混淆，這些都增加了醫護人員的工作量。
　　針對以上問(wèn)題，設計了呼吸機智能語(yǔ)音報警系統。
　　系統采用語(yǔ)音合成芯片，將呼吸機報警內容以真人語(yǔ)音的形式進(jìn)行播報，可保證呼吸機報警信號的準確性高、可靠性好、實(shí)時(shí)性好。語(yǔ)音報警信號傳達的信息準確、直觀(guān)、便于醫護人員和家屬及時(shí)分析和處理問(wèn)題，為患者提供更安全的保障；呼吸機語(yǔ)音報警信號有別于其它醫療設備的報警聲音，在病房中，便于醫護人員分辨，可以降低醫護人員勞動(dòng)強度，提高工作效率；語(yǔ)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(zhù)技術(shù)發(fā)展，可以從這方面作為一個(gè)切入點(diǎn)將設備融入到大范圍的智慧醫療系統中。
　　1 工作原理

       呼吸機報警的判定是通過(guò)實(shí)測值與設定值進(jìn)行比較得出。實(shí)測值通過(guò)采集傳感器信號得到，設定值通過(guò)程序輸入，當實(shí)測值超出設定值范圍時(shí)，報警就會(huì )產(chǎn)生。
　　根據表1，控制報警引腳輸出對應的電平信號。當語(yǔ)音報警系統查詢(xún)到報警引腳電平變化時(shí)，根據表1，播報語(yǔ)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據出現偏差，在程序中采用算數平均值方法，選取相鄰5組數據，計算平均值，可減小偏差；當語(yǔ)音報警系統檢查到報警引腳電平有變化時(shí)，程序要進(jìn)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(shí)測值：注：P1、P2、P3、P4、P5為相鄰單次壓力采樣值依據表2就可進(jìn)行壓力報警的檢測。
　　2 設計方案

       2.1 系統框圖

       圖1是系統框圖，呼吸機控制系統對傳感器數據進(jìn)行算數平均值處理，報警檢查。如果有報警產(chǎn)生，查詢(xún)表1，輸出對應的引腳電平。語(yǔ)音報警控制系統檢查到引腳電平變化，對信號進(jìn)行“消抖”
　　處 理 ， 確 認 為 報 警 信 號后，查詢(xún)表1，通過(guò)串口發(fā)送語(yǔ)音報警信息給語(yǔ)音合成芯片，然后播放語(yǔ)音報警信息。
　　2.2 控制部分

       圖2為智能語(yǔ)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(shí)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8051，但是速度快8~12倍，內部集成專(zhuān)用復位電路，通用全雙工異步串行口，也可實(shí)現多串口。工作電壓為3.8 V~5.5 V。

　　控制部分的功能是通過(guò)檢查報警引腳電平變化來(lái)接收呼吸機報警信息，通過(guò)串口將報警內容發(fā)送給語(yǔ)音合成模塊。通過(guò)P1端口連接呼吸機報警信號輸出端口，通過(guò)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(yǔ)音合成部分

       圖3位語(yǔ)音合成部分電路。語(yǔ)音合成部分采用SYN6288，該芯片是北京語(yǔ)音天下科技有限公司的一款中文語(yǔ)音合成芯片，通過(guò)串口接收待合成的文本數據，實(shí)現文本到語(yǔ)音的轉換。該芯片硬件接口簡(jiǎn)單，低功耗，音色清亮圓潤、性?xún)r(jià)比很高。工作電壓為。
　　有6組外接電源，每組電源均使用一個(gè)和一個(gè)0.1 μF的電容，如果想節省成本，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(gè)47 μF電容。喇叭可以直接連接芯片的BP0，BN0引腳進(jìn)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(shí)上位機發(fā)給SYN6288的串口通訊數據必須是反相的數據，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

       本系統軟件設計分為主程序、報警查詢(xún)程序、語(yǔ)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(jìn)行定時(shí)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(yǔ)音信息，否則繼續查詢(xún)報警信號標志位是否置位。
　　3.2 報警查詢(xún)程序：

       流程如圖5所示。單片機按照定時(shí)器初始化設置的參數進(jìn)入中斷，當檢測到報警信號引腳電平改變時(shí)，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，繼續檢測。
　　3.3 語(yǔ)音播報程序

       流程如圖6所示。單片機首先發(fā)送5個(gè)字節（幀頭），然后發(fā)送合成的語(yǔ)音文本數據，然后數據進(jìn)行異或校驗，最后發(fā)送校驗字節。
　　4 系統測試

       主要驗證在有報警發(fā)生時(shí)，報警系統性能的準確性和實(shí)時(shí)性。
　　以壓力上限報警測試為例說(shuō)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(shí)，用秒表和氣流分析儀測試記錄。每個(gè)報警閾值測試100次，然后將對應壓力值記錄并繪制曲線(xiàn)，如圖5所示如表3：報警準確率A1=準確報警次數/總報警次數報警實(shí)時(shí)率A2=報警延時(shí)小于20 ms的次數/報警總次數說(shuō)明：測試中人的反應時(shí)間無(wú)法控制，會(huì )使測試數據存在偏差。通過(guò)對壓力上限報警測試可以看出，呼吸機智能語(yǔ)音報警系統的報警準確率高，報警實(shí)時(shí)率也滿(mǎn)足要求。其它報警參數可采取類(lèi)似方法測試。

　　5 結論

       呼吸機智能語(yǔ)音報警系統基于單片機和語(yǔ)音合成芯片來(lái)設計，將呼吸機報警信息以真人語(yǔ)音的形式進(jìn)行播報。該系統的報警準確率高，報警實(shí)時(shí)率滿(mǎn)足使用要求，比脈沖群報警表達信息準確，便于醫護人員分辨，符合未來(lái)智慧醫療的發(fā)展趨勢。這套智能語(yǔ)音報警系統已在產(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(yǔ)音報警可以體現產(chǎn)品的個(gè)性化、優(yōu)勢化，能給使用者留下深刻的印象。

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