課題申報書：基于AI視覺分析技術(shù)的智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

教育科學(xué)規(guī)劃2025年度重點(diǎn)課題申報書、課題設(shè)計論證求知探理明教育，創(chuàng)新鑄魂興未來。基于AI視覺分析技術(shù)的智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究課題設(shè)計論證（一）研究現(xiàn)狀A(yù)I視覺分析技術(shù)在智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸興起。目前，已有部分研究將人工智能技術(shù)引入心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)，實現(xiàn)對培訓(xùn)人員身體形態(tài)、動作幅度和操作指標(biāo)等全流程監(jiān)控和考核。例如，《人工智能技術(shù)應(yīng)用于心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)的初步探討》一文提到，現(xiàn)有的心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)多為對操作指標(biāo)進(jìn)行判斷，如按壓深度、按壓頻率、通氣量等，對操作人員的現(xiàn)場操作方法、操作步驟及操作流程等卻只能憑人工監(jiān)測，主觀判斷較強(qiáng)，且無法對大量考生同時監(jiān)考。將人工智能技術(shù)引入到心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)中，可實現(xiàn)對心肺復(fù)蘇培訓(xùn)人員的身體形態(tài)、動作幅度和操作指標(biāo)等全流程監(jiān)控和考核，為心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核提供科學(xué)、客觀的評估方法。此外，華為云與久心醫(yī)療聯(lián)合開發(fā)的AED心肺復(fù)蘇動作AI輔助測評系統(tǒng)，即將通過最后測試。該系統(tǒng)改變了以往心肺復(fù)蘇傳統(tǒng)培訓(xùn)模式，通過華為云算法的機(jī)器視覺進(jìn)行權(quán)威判定，實現(xiàn)了培訓(xùn)向輕量化、低成本化的優(yōu)化演進(jìn)。（二）選題意義提高心肺復(fù)蘇培訓(xùn)的質(zhì)量和效果，為急救培訓(xùn)提供科學(xué)、客觀的評估方法。在心臟驟停事件頻發(fā)的當(dāng)下，提高公眾的心肺復(fù)蘇技能至關(guān)重要。心肺復(fù)蘇是挽救生命的關(guān)鍵措施，通過胸外按壓和人工呼吸，可以暫時替代心臟和肺的功能，為等待專業(yè)救援爭取寶貴時間。然而，傳統(tǒng)的心肺復(fù)蘇培訓(xùn)模式存在一些問題，如人工監(jiān)測主觀判斷較強(qiáng)、難以對大量考生同時監(jiān)考等。引入AI視覺分析技術(shù)，可以實現(xiàn)對培訓(xùn)人員的全流程監(jiān)控和考核，提高培訓(xùn)的質(zhì)量和效果。（三）研究價值利用AI視覺分析技術(shù)，為心肺復(fù)蘇培訓(xùn)提供更精準(zhǔn)、高效的方法?？梢詼p少人工監(jiān)測的主觀性，提高考核的準(zhǔn)確性，同時為學(xué)員提供個性化的學(xué)習(xí)體驗。AI視覺分析技術(shù)可以實時監(jiān)測學(xué)員的操作，及時反饋按壓指標(biāo)，并實現(xiàn)智能糾錯，自動出具訓(xùn)練報告。還能實現(xiàn)自主考核，自動統(tǒng)計胸外按壓考核成績。通過互動動畫，提供完整的AED急救流程操作教學(xué)。此外，AI技術(shù)還可以根據(jù)學(xué)員的實際操作情況進(jìn)行針對性的指導(dǎo)與改進(jìn)，提高學(xué)習(xí)效率，記錄學(xué)員的進(jìn)步，通過數(shù)據(jù)分析提供長期的訓(xùn)練建議。二、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容、重要觀點(diǎn)研究目標(biāo)本研究的目標(biāo)是構(gòu)建基于AI視覺分析技術(shù)的智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)，提高培訓(xùn)的效率和質(zhì)量。具體而言，有以下幾個方面的目標(biāo)：實現(xiàn)對學(xué)員操作的準(zhǔn)確評估：通過智能培訓(xùn)系統(tǒng)，對學(xué)員在心肺復(fù)蘇操作中的各項指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)評估，包括按壓深度、按壓頻率、動作規(guī)范性等，為學(xué)員提供客觀、準(zhǔn)確的反饋。提供個性化培訓(xùn)方案：根據(jù)學(xué)員的操作數(shù)據(jù)和評估結(jié)果，為學(xué)員制定個性化的培訓(xùn)方案，針對其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對性的訓(xùn)練，提高學(xué)習(xí)效果。研究內(nèi)容智能培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)：包括人機(jī)交互設(shè)備、主機(jī)、攝像設(shè)備和仿真人的設(shè)計與整合。學(xué)員可以通過人機(jī)交互設(shè)備選擇自主練習(xí)或自主考核，獲取相應(yīng)的培訓(xùn)內(nèi)容或考核內(nèi)容，并在仿真人上進(jìn)行急救操作。仿真人采集學(xué)員的急救操作數(shù)據(jù)，攝像設(shè)備拍攝學(xué)員的操作視頻圖像，主機(jī)對操作數(shù)據(jù)和視頻圖像進(jìn)行分析，實現(xiàn)動作識別和正確性評判，并給出相應(yīng)的反饋和打分。AI視覺分析技術(shù)的應(yīng)用：采用OpenPose方法在視頻圖像中提取學(xué)員的人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)，連接構(gòu)成人體骨架模型，利用時空圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動作識別。時空圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括9層依次連接的STGCN模塊，不同層次輸出不同維度的特征，且每一層都設(shè)置resnet機(jī)制。通過對歷史視頻圖像中隨機(jī)抽取的片段進(jìn)行訓(xùn)練，不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，提高動作識別的準(zhǔn)確性。培訓(xùn)效果的評估：在學(xué)員進(jìn)行自主練習(xí)時，主機(jī)根據(jù)急救操作數(shù)據(jù)評判操作的準(zhǔn)確度，根據(jù)視頻信號進(jìn)行動作識別后評判動作的正確性，并在評判急救操作出現(xiàn)失誤時，在人機(jī)交互設(shè)備上顯示錯誤操作提示。在學(xué)員進(jìn)行自主考核時，主機(jī)根據(jù)急救操作數(shù)據(jù)和視頻信號進(jìn)行動作打分，最終獲得考核分?jǐn)?shù)。同時，統(tǒng)計學(xué)員信息、年齡段通過率、班次通過率、學(xué)員通過率和單個動作錯誤率等數(shù)據(jù)，對培訓(xùn)效果進(jìn)行全面評估。重要觀點(diǎn)AI視覺分析技術(shù)能夠為心肺復(fù)蘇培訓(xùn)帶來重大變革，提高培訓(xùn)的科學(xué)性和有效性。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：提高考核準(zhǔn)確性：AI視覺分析技術(shù)可以減少人工監(jiān)測的主觀性，對學(xué)員的操作進(jìn)行精準(zhǔn)評估，提高考核的準(zhǔn)確性。提供個性化學(xué)習(xí)體驗：根據(jù)學(xué)員的實際操作情況進(jìn)行針對性的指導(dǎo)與改進(jìn)，為學(xué)員提供個性化的學(xué)習(xí)體驗，提高學(xué)習(xí)效率。記錄學(xué)員進(jìn)步：通過數(shù)據(jù)分析記錄學(xué)員的進(jìn)步，為學(xué)員提供長期的訓(xùn)練建議，幫助學(xué)員不斷提高心肺復(fù)蘇技能。三、研究思路、研究方法、創(chuàng)新之處1.研究思路本研究的思路清晰明確，旨在構(gòu)建基于AI視覺分析技術(shù)的智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)，提高培訓(xùn)的效率和質(zhì)量。首先，對現(xiàn)有CPR培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，明確其優(yōu)勢與不足，確定AI視覺分析技術(shù)的應(yīng)用需求。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，如《人工智能技術(shù)應(yīng)用于心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)的初步探討》等，了解當(dāng)前心肺復(fù)蘇培訓(xùn)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢，為智能培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支持。接著，進(jìn)行智能培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。將人機(jī)交互設(shè)備、主機(jī)、攝像設(shè)備和仿真人進(jìn)行整合設(shè)計。學(xué)員可以通過人機(jī)交互設(shè)備選擇自主練習(xí)或自主考核，獲取相應(yīng)的培訓(xùn)內(nèi)容或考核內(nèi)容，并在仿真人上進(jìn)行急救操作。仿真人采集學(xué)員的急救操作數(shù)據(jù)，攝像設(shè)備拍攝學(xué)員的操作視頻圖像，主機(jī)對操作數(shù)據(jù)和視頻圖像進(jìn)行分析。其中，處理單元采用OpenPose方法在視頻圖像中提取學(xué)員的人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)，連接構(gòu)成人體骨架模型，利用時空圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動作識別。時空圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括9層依次連接的STGCN模塊，不同層次輸出不同維度的特征，且每一層都設(shè)置resnet機(jī)制。通過對歷史視頻圖像中隨機(jī)抽取的片段進(jìn)行訓(xùn)練，不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，提高動作識別的準(zhǔn)確性。最后，進(jìn)行實驗驗證和效果評估。在學(xué)員進(jìn)行自主練習(xí)時，主機(jī)根據(jù)急救操作數(shù)據(jù)評判操作的準(zhǔn)確度，根據(jù)視頻信號進(jìn)行動作識別后評判動作的正確性，并在人機(jī)交互設(shè)備上顯示錯誤操作提示。在學(xué)員進(jìn)行自主考核時，主機(jī)根據(jù)急救操作數(shù)據(jù)和視頻信號進(jìn)行動作打分，最終獲得考核分?jǐn)?shù)。同時，統(tǒng)計學(xué)員信息、年齡段通過率、班次通過率、學(xué)員通過率和單個動作錯誤率等數(shù)據(jù)，對培訓(xùn)效果進(jìn)行全面評估。2.研究方法本研究采用多種研究方法，確保研究的科學(xué)性和有效性。文獻(xiàn)研究法：通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解心肺復(fù)蘇培訓(xùn)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢，為智能培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支持。例如，參考《人工智能技術(shù)應(yīng)用于心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)的初步探討》等文獻(xiàn)，了解現(xiàn)有心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)的不足以及人工智能技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。實驗法：通過實驗驗證智能培訓(xùn)系統(tǒng)的效果。將學(xué)員分為實驗組和對照組，實驗組使用智能培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)，對照組使用傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)。比較兩組學(xué)員的考核成績和操作熟練度，評估智能培訓(xùn)系統(tǒng)的有效性。數(shù)據(jù)分析法：通過數(shù)據(jù)分析評估培訓(xùn)質(zhì)量。統(tǒng)計學(xué)員信息、年齡段通過率、班次通過率、學(xué)員通過率和單個動作錯誤率等數(shù)據(jù)，分析智能培訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足，為系統(tǒng)的改進(jìn)提供依據(jù)。3.創(chuàng)新之處本研究的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下兩個方面：技術(shù)創(chuàng)新：將AI視覺分析技術(shù)應(yīng)用于CPR培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)全流程監(jiān)控和個性化培訓(xùn)。利用時空圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動作識別，提高了識別的準(zhǔn)確性。相比傳統(tǒng)的心肺復(fù)蘇培訓(xùn)模式，智能培訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測學(xué)員的操作，及時反饋按壓指標(biāo)，并實現(xiàn)智能糾錯，自動出具訓(xùn)練報告。還能實現(xiàn)自主考核，自動統(tǒng)計胸外按壓考核成績。通過互動動畫，提供完整的AED急救流程操作教學(xué)。此外，AI技術(shù)還可以根據(jù)學(xué)員的實際操作情況進(jìn)行針對性的指導(dǎo)與改進(jìn)，提高學(xué)習(xí)效率，記錄學(xué)員的進(jìn)步，通過數(shù)據(jù)分析提供長期的訓(xùn)練建議。方法創(chuàng)新：采用多種研究方法，如文獻(xiàn)研究法、實驗法、數(shù)據(jù)分析法等，對智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行全面研究。通過實驗驗證和數(shù)據(jù)分析，評估智能培訓(xùn)系統(tǒng)的效果和質(zhì)量，為系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。同時，結(jié)合智能模擬訓(xùn)練、虛擬病人交互等AI技術(shù)在醫(yī)學(xué)培訓(xùn)中的優(yōu)勢，為心肺復(fù)蘇培訓(xùn)帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。四、研究基礎(chǔ)、條件保障、研究步驟1.研究基礎(chǔ)團(tuán)隊成員具備醫(yī)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科背景，為基于AI視覺分析技術(shù)的智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究提供了有力支持。已有相關(guān)研究成果如《人工智能技術(shù)應(yīng)用于心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)的初步探討》等文獻(xiàn)，為本次研究提供了理論參考和實踐經(jīng)驗。此外，天津大學(xué)溫州安全（應(yīng)急）研究院的相關(guān)專利如“一種智能心肺復(fù)蘇培訓(xùn)系統(tǒng)”等，也為本次研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2.條件保障實驗設(shè)備：具備先進(jìn)的攝像設(shè)備，如雙目攝像頭，能夠清晰拍攝學(xué)員進(jìn)行急救操作的視頻圖像。同時，還有仿真人，包括單片機(jī)和多個傳感器，如電阻式壓敏傳感器、壓力傳感器、氣體流量傳感器和光電門傳感器等，能夠準(zhǔn)確采集學(xué)員的急救操作數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資源：擁有豐富的心肺復(fù)蘇培訓(xùn)數(shù)據(jù)資源，包括攝像設(shè)備拍攝的歷史視頻圖像等，可用于時空圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。研究經(jīng)費(fèi)：有足夠的研究經(jīng)費(fèi)支持，確保研究過程中設(shè)備的采購、維護(hù)以及人員的費(fèi)用支出。3.研究步驟準(zhǔn)備階段：進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，查閱相關(guān)文獻(xiàn)如《人工智能技術(shù)應(yīng)用于心肺復(fù)蘇培訓(xùn)考核系統(tǒng)的初步探討》《一種智能心肺復(fù)蘇培訓(xùn)系統(tǒng)》等，了解當(dāng)前心肺復(fù)蘇培訓(xùn)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。同時，進(jìn)行需求分析，明確智能CPR培訓(xùn)系統(tǒng)的功能需求和性能要求。設(shè)計開發(fā)階段：構(gòu)建智能培訓(xùn)系統(tǒng)，包括人機(jī)交互設(shè)備、主機(jī)、攝像設(shè)備和仿真人的設(shè)計與整合。學(xué)員可以通過人機(jī)交互設(shè)備選擇自主練習(xí)或自主考核，獲取相應(yīng)的培訓(xùn)內(nèi)容或考核內(nèi)容，并在仿真人上進(jìn)行急救操作。仿真人采集學(xué)員的急救操作數(shù)據(jù)，攝像設(shè)備拍攝學(xué)員的操作視頻圖像，主機(jī)對操作數(shù)據(jù)和視頻圖像進(jìn)行分析，實現(xiàn)動作識別和正確性評判，并給出相應(yīng)的反饋和打分。實驗驗證階段：進(jìn)行系統(tǒng)測試和效果評估。在學(xué)員進(jìn)行自主練習(xí)時，主機(jī)根據(jù)急救操作數(shù)據(jù)評判操作的準(zhǔn)確度，根據(jù)視頻信號進(jìn)行動作識別后評判動作的正確性，并在評判急救操作出現(xiàn)失誤時，在人機(jī)交互設(shè)備上顯示錯誤操作提示。在學(xué)員進(jìn)行自主考核時，主機(jī)根據(jù)急救操作數(shù)據(jù)和視頻信號進(jìn)行動作打分，最終獲得考核分?jǐn)?shù)。同時，統(tǒng)計學(xué)員信息、年齡段通過率、班次通過率、學(xué)員通過率和單個動作錯誤率等數(shù)據(jù)，對培訓(xùn)效果進(jìn)行全面評估?？偨Y(jié)評估階段：撰寫研究報告和論文，總結(jié)研究成果和經(jīng)驗教訓(xùn)，為后續(xù)研究提供參考和借鑒。（全文共4310字）課題評審意見：本課題針對教育領(lǐng)域的重要問題進(jìn)行了深入探索，展現(xiàn)出了較高的研究價值和實際意義。研究目標(biāo)明確且具體，研究方法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)采集和分析過程規(guī)范，確保了研究成果的可靠性和有效性。通過本課題的研究，不僅豐富了相關(guān)領(lǐng)域的理論知識，還為教育實踐提供了有益的參考和指導(dǎo)。課題組成員在研究中展現(xiàn)出了扎實的專業(yè)素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度，對問題的剖析深入透徹，提出的解決方案和創(chuàng)新點(diǎn)具有較強(qiáng)的可操作性和實用性。此外，本課題在研究方法、數(shù)據(jù)分析等方面也具有一定的創(chuàng)新性，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的思路和視角。總之，這是一項具有較高水平和質(zhì)量的教科研課題，對于推動教育事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步具有重要意義。課題評審標(biāo)準(zhǔn)：1、研究價值與創(chuàng)新性評審關(guān)注課題是否針對教育領(lǐng)域的重要或前沿問題進(jìn)行研究，是否具有理論或?qū)嵺`上的創(chuàng)新點(diǎn)，能否為相關(guān)領(lǐng)域帶來新的見解或解決方案。2、研究設(shè)計與科學(xué)性課題的研究設(shè)計是否合理，研究方法是否科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)收集