摘要：隨著人工智能和智慧醫療的興起，為了滿足當前醫療監護設備智能化、人性化的發展需求，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。經過試驗測試并且與同類產品進行對比，滿足行業標準要求。語音報警信號相較于傳統的聽覺報警信號，更直觀、準確、人性化，符合智慧醫療的發展需求。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療設備或產品。

0 引言

呼吸機早年對聲音報警信號沒有特別要求，常規方法是用蜂鳴器或喇叭發出單一聲音。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》。標準中規定聽覺報警信號可以用脈沖群來實現，也可以用語音合成的方式來完成。通過脈沖群產生聽覺報警信號時，報警內容需要通過指示燈或圖形等方式來顯示，需要醫護人員在聽見報警信號的時候，及時觀察報警內容，根據報警內容進行處置，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。

針對以上問題，設計了呼吸機智能語音報警系統。

系統采用語音合成芯片，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療系統中。

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，報警就會產生。

根據表1，控制報警引腳輸出對應的電平信號。當語音報警系統查詢到報警引腳電平變化時，根據表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；當語音報警系統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表2就可進行壓力報警的檢測。

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行算數平均值處理，報警檢查。如果有報警產生，查詢表1，輸出對應的引腳電平。語音報警控制系統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據，實現文本到語音的轉換。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，繼續檢測。

3.3 語音播報程序

流程如圖6所示。單片機首先發送5個字節（幀頭），然后發送合成的語音文本數據，然后數據進行異或校驗，最后發送校驗字節。

4 系統測試

主要驗證在有報警發生時，報警系統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/總報警次數報警實時率A2=報警延時小于20 ms的次數/報警總次數說明：測試中人的反應時間無法控制，會使測試數據存在偏差。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的報警準確率高，報警實時率也滿足要求。其它報警參數可采取類似方法測試。

5 結論

呼吸機智能語音報警系統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，便于醫護人員分辨，符合未來智慧醫療的發展趨勢。這套智能語音報警系統已在產品中使用，效果良好。該設計也可以在其它產品中推廣應用，語音報警可以體現產品的個性化、優勢化，能給使用者留下深刻的印象。