《FlexTech》：A Large-Area, Stretchable Accelerometer Array for Spatial Assessment of Chest Compressions in Cardiopulmonary Resuscitation
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本文报道了一种大面积可拉伸加速度计阵列，可同步监测胸廓多点按压深度并构建峰值按压时的胸部轮廓。该阵列具有良好的机械顺应性，通过创新的深度估计算法和峰值平均轮廓构建方法，在简单半圆柱体和复杂成人人体模型实验中均展现出高时空分辨率。该研究突破了传统单点反馈系统的局限，为推进心肺复苏（CPR）反馈技术提供了关键的空间感知技术支持。
大面积可拉伸加速度计阵列的设计
研究团队设计并制备了一种大面积可拉伸加速度计阵列，其多层结构包含离散的刚性加速度计传感单元、热塑性聚氨酯（TPU）薄膜基底、Eco-flex封装层、弹性织物保护层和硅胶粘合层。该阵列整体尺寸为56 cm × 5 cm，包含9个均匀分布的传感单元（间隔6 cm），采用刚性岛状结构设计，使其能够承受高达20%的拉伸应变、540°扭转以及曲率半径为2 cm的弯曲，从而确保与不同体型患者的胸廓表面保持共形接触。传感单元通过柔性印刷电路（FPC）与集成了直接内存访问（DMA）、硬件定时器（TIMER）和通用同步/异步收发器（USART）模块的STM32微控制器单元（MCU）连接，实现了多通道加速度信号的高速并行采集与传输。
胸外按压深度估计
为解决胸外按压过程中深度估计的难题，研究者开发了一种基于三轴加速度数据的压缩深度估计算法。该算法首先对原始加速度信号进行校正，去除重力加速度和零点偏移分量，并合成为结果加速度。假设传感器运动主轴与胸骨位移方向一致，通过对结果加速度进行时间积分得到速度，再进行二次积分得到位移。为抑制积分过程中基线漂移和噪声的影响，算法在每次积分前后应用截止频率为0.5 Hz的高通滤波器，并对最终位移输出应用12 Hz低通滤波器进行平滑处理。此外，采用动态周期峰值偏差法，通过识别最近完整压缩周期内的位移极值（波峰或波谷），实时计算瞬时胸外按压深度。
为验证算法准确性，研究者在空心半圆柱模型（模拟胸廓）上进行了控制压缩实验。加速度计阵列（18 cm × 2 cm）共形贴附于模型表面，采用胸外按压机（MCC-E20）以30 mm峰值压缩深度和0.6 s周期进行循环压缩。结果显示，位于按压头正下方的通道5的预测压缩深度曲线与预设参数在振幅和周期性上高度一致，平均预测峰值深度为29.82 mm（预设30 mm）。即使是不与按压头直接同步运动的通道4，其预测深度也与实验测量值合理吻合。算法在不同压缩深度（10、20、30 mm）下均表现出良好的准确性和重复性，并在30分钟连续压缩测试中显示出优异的信号稳定性，无明显振幅漂移。
胸部轮廓构建
传统的胸廓形变传感系统多局限于单点或局部测量，难以捕捉按压过程中整个胸廓的复杂非线性变形。本研究提出的加速度计阵列实现了多点同步监测，并进一步发展了一种基于峰值平均的胸部轮廓构建方法，重点关注峰值按压时刻的胸廓形态。
该方法首先通过手动测量确定传感器在未加载胸廓上的初始位置，并利用三次样条插值获得初始二维轮廓。计算初始轮廓上各传感器点处的切向量，进而得到局部表面法向量，将其近似为压缩位移的主方向。在CPR按压过程中，加速度信号经深度估计算法处理生成位移曲线。提取预定义时间窗口（如10秒，涵盖约17-20个压缩周期以抑制瞬态波动）内的峰值位移并进行平均，然后将平均位移沿各自法向量投影，得到峰值压缩状态下传感器的变形后位置。最后，再次应用三次样条插值构建出峰值按压时的胸廓变形轮廓。
在空心半圆柱模型的80秒压缩实验中，通道3-7（中心压缩区）显示向内压缩，而通道1、2、8、9（两侧）显示向外扩张。尽管位移波形存在非周期性波动，但采用10秒时间窗口进行峰值平均后，构建的预测变形轮廓与实验测量轮廓高度吻合。在成人人体模型实验中，阵列（56 cm × 5 cm）贴附于整个前胸表面，在50 mm压缩深度和0.6 s周期的条件下进行测试。构建的胸部轮廓清晰地显示了以通道5（按压点下方）为中心的最大压缩深度，并向两侧逐渐减小的对称变形趋势，验证了该方法在真实复杂胸廓结构上的有效性和适应性。
成人人体模型胸外按压实验
为增强临床相关性，研究在成人人体模型上进行了受控胸外按压实验。加速度计阵列共形贴合于人体模型前胸，胸外按压机以50 mm深度和0.6 s周期进行80秒压缩。通道5的加速度信号呈现清晰的周期性变化，预测压缩深度与预设参数精确匹配。所有九个通道的预测深度表明，通道3-7经历向内压缩，而通道1、2、8、9呈现向外扩张。 violin图显示核心压缩区（通道3-7）的峰值压缩深度呈梯度分布，通道5最深，通道4和6次之，通道3和7最浅，且对称通道响应近乎一致。基于最终10秒时间窗口的平均峰值深度构建的胸部变形轮廓，合理地再现了峰值按压时胸廓的形态变化，证明了该系统在真实CPR场景中的结构适应性和应用潜力。
结论
本研究成功设计并实现了一种具有良好机械顺应性与结构稳定性的大面积可拉伸加速度计阵列，实现了全胸廓多点加速度同步采集。基于简化运动假设开发的胸外按压深度估计算法，经实验验证具有准确性、稳定性和鲁棒性。提出的峰值平均胸部轮廓构建方法，实现了峰值按压时刻胸廓空间变形特征的定量评估。在空心半圆柱模型和成人人体模型上的实验证明，该系统能可靠获取实时多点胸外按压深度，且构建的轮廓与实验测量形状高度吻合。该技术克服了传统单点反馈系统的空间感知局限，为CPR的智能化、可视化及个性化监测提供了高时空分辨率的多点形变追踪关键技术支持。未来研究将致力于提升算法在更真实条件下（如传感器扭转或复杂运动模式）的稳定性和连续性，以进一步增强其临床实用性。
