呼吸机智能语音报警系统的研究

Design of voice alarm system for ventilator

王东峰，王辉林
（山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000）

       摘要：随着人工智能和智慧医疗的兴起，为了满足当前医疗监护设备智能化、人性化的发展需求，提出了以语
音合成为核心的呼吸机智能语音报警技术，将呼吸机的报警内容通过真人语音的形式进行播报。经过试验测试
并且与同类产品进行对比，满足行业标准要求。语音报警信号相较于传统的听觉报警信号，更直观、准确、人
性化，符合智慧医疗的发展需求。由此可见，使用语音芯片合成语音报警信号的方法是完全可行的，该设计也
可应用于其它医疗设备或产品。
       关键词：语音合成；呼吸机；语音报警；智能化

　　0 引言

       呼吸机早年对声音报警信号没有特别要求，常规方法是用蜂鸣器或喇叭发出单一声音。在2005年呼吸机报警专用标准开始实施，2009年标准又一次更新，即《YY 0709-2009医用电气设备 第1-8部分：安全通用要求并列标准：通用要求 医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南》。标准中规定听觉报警信号可以用脉冲群来实现，也可以用语音合成的方式来完成。通过脉冲群产生听觉报警信号时，报警内容需要通过指示灯或图形等方式来显示，需要医护人员在听见报警信号的时候，及时观察报警内容，根据报警内容进行处置，另外也容易与其它医疗设备的报警声音混淆，这些都增加了医护人员的工作量。
　　针对以上问题，设计了呼吸机智能语音报警系统。
　　系统采用语音合成芯片，将呼吸机报警内容以真人语音的形式进行播报，可保证呼吸机报警信号的准确性高、可靠性好、实时性好。语音报警信号传达的信息准确、直观、便于医护人员和家属及时分析和处理问题，为患者提供更安全的保障；呼吸机语音报警信号有别于其它医疗设备的报警声音，在病房中，便于医护人员分辨，可以降低医护人员劳动强度，提高工作效率；语音报警更加智能化、人性化，使报警变得不再单调和冰冷，缩短了人机交互的距离；随着技术发展，可以从这方面作为一个切入点将设备融入到大范围的智慧医疗系统中。
　　1 工作原理

       呼吸机报警的判定是通过实测值与设定值进行比较得出。实测值通过采集传感器信号得到，设定值通过程序输入，当实测值超出设定值范围时，报警就会产生。
　　根据表1，控制报警引脚输出对应的电平信号。当语音报警系统查询到报警引脚电平变化时，根据表1，播报语音报警内容。
　　为了提高报警的可靠性，防止误报警。传感器容易受到外界影响导致数据出现偏差，在程序中采用算数平均值方法，选取相邻5组数据，计算平均值，可减小偏差；当语音报警系统检查到报警引脚电平有变化时，程序要进行判断（消抖），减少干扰因素。
　　例如：压力高报警设定值：压力低报警设定值：压力实测值：注：P1、P2、P3、P4、P5为相邻单次压力采样值依据表2就可进行压力报警的检测。
　　2 设计方案

       2.1 系统框图

       图1是系统框图，呼吸机控制系统对传感器数据进行算数平均值处理，报警检查。如果有报警产生，查询表1，输出对应的引脚电平。语音报警控制系统检查到引脚电平变化，对信号进行“消抖”
　　处 理 ， 确 认 为 报 警 信 号后，查询表1，通过串口发送语音报警信息给语音合成芯片，然后播放语音报警信息。
　　2.2 控制部分

       图2为智能语音报警控制部分电路。采用STC12C5410AD单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但是速度快8~12倍，内部集成专用复位电路，通用全双工异步串行口，也可实现多串口。工作电压为3.8 V~5.5 V。

　　控制部分的功能是通过检查报警引脚电平变化来接收呼吸机报警信息，通过串口将报警内容发送给语音合成模块。通过P1端口连接呼吸机报警信号输出端口，通过P3口发送报警信息内容。单片机采用阻容复位，在电源输入端口加0.1 μf耦合电容。另外，采用的晶振，便于软件中设置串口波特率。
　　2.2 语音合成部分

       图3位语音合成部分电路。语音合成部分采用SYN6288，该芯片是北京语音天下科技有限公司的一款中文语音合成芯片，通过串口接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换。该芯片硬件接口简单，低功耗，音色清亮圆润、性价比很高。工作电压为。
　　有6组外接电源，每组电源均使用一个和一个0.1 μF的电容，如果想节省成本，可以在每组电源上均使用0.1 μF的电容，并对VDDPP和VDDA两组电源各加上一个47 μF电容。喇叭可以直接连接芯片的BP0，BN0引脚进行声音输出，也可以加功放电路。本设计直接连接喇叭。芯片需要外接高速晶振，搭配22 PF电容。串口通讯时上位机发给SYN6288的串口通讯数据必须是反相的数据，上位机可以选择程序代码反向方式或硬件电路反相方式。本设计选用硬件电路反相方式。

　　3 软件设计

       本系统软件设计分为主程序、报警查询程序、语音播报程序，图4为程序流程图。
　　3.1 主程序

       流程如图4所示。先进行定时器、串口、初始化，然后程序循环检测报警信号标志位是否置位，如果报警信号标志位置位，则播报对应语音信息，否则继续查询报警信号标志位是否置位。
　　3.2 报警查询程序：

       流程如图5所示。单片机按照定时器初始化设置的参数进入中断，当检测到报警信号引脚电平改变时，首先检测是否为干扰，如不是干扰，则将标志位置位，否则放弃，继续检测。
　　3.3 语音播报程序

       流程如图6所示。单片机首先发送5个字节（帧头），然后发送合成的语音文本数据，然后数据进行异或校验，最后发送校验字节。
　　4 系统测试

       主要验证在有报警发生时，报警系统性能的准确性和实时性。
　　以压力上限报警测试为例说明：测试方法：将压力上限报警阈值分别设置为2 kPa、4 kPa、，堵塞气路，向气路缓慢加正压，当发生声光报警时，用秒表和气流分析仪测试记录。每个报警阈值测试100次，然后将对应压力值记录并绘制曲线，如图5所示如表3：报警准确率A1=准确报警次数/总报警次数报警实时率A2=报警延时小于20 ms的次数/报警总次数说明：测试中人的反应时间无法控制，会使测试数据存在偏差。通过对压力上限报警测试可以看出，呼吸机智能语音报警系统的报警准确率高，报警实时率也满足要求。其它报警参数可采取类似方法测试。

　　5 结论

       呼吸机智能语音报警系统基于单片机和语音合成芯片来设计，将呼吸机报警信息以真人语音的形式进行播报。该系统的报警准确率高，报警实时率满足使用要求，比脉冲群报警表达信息准确，便于医护人员分辨，符合未来智慧医疗的发展趋势。这套智能语音报警系统已在产品中使用，效果良好。该设计也可以在其它产品中推广应用，语音报警可以体现产品的个性化、优势化，能给使用者留下深刻的印象。

       参考文献
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本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第58页，欢迎您写论文时引用，并注明出处