CN101066207A - 数字重建式心输出量仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种阻抗波形重建的心输出量仪。它由晶振高频恒流源、六道相同的阻抗检测电路、Z₀温度校正电路、心电放大器、心音放大器、定时脉冲发生器、A/D转换卡、隔离电源、计算机以及相应的测量软件组成。它通过波形重建，从左、右心循环共同产生的胸部体表混合阻抗信号中分离出主动脉、左侧肺部动脉、右侧肺部动脉、左心室、右心室的阻抗变化分量，并画出它们相应的波形图，利用左心循环的主动脉、左心室阻抗变化分量的波形图，自动测量、计算、显示和打印出左室心输出量等十项心功能指标。本发明问世，解决了目前阻抗心功能自动检测仪存在的诸多问题。

Description

数字重建式心输出量仪

技术领域：

本发明是一种利用重建心阻抗图测定心输出量等十项左室功能指标的医疗检测仪器，属于人体电生物阻抗信息检测技术领域，确切地说是一种数字重建式心输出量仪。

背景技术：

心输出量是指人体心脏每分钟排出的血量，其测量方法分两大类，有创法和无创法。有创法中有Fick法、染料稀释法、热稀释法等，这些方法需要将心导管插入心脏，对人体有一定损伤和风险，目前在临床上已基本不用。无创法有超声法、脉图法、阻抗法等，其中超声法和脉图法，由于其测量结果离散性大，可靠性较差，临床上也基本不用了。而阻抗法是利用心阻抗图(胸部体表的阻抗变化曲线)进行测量，一般采用1966年Kubicek等提出的检测方法和计算公式。由于心阻抗图间接地反映了胸腔内心脏和大血管的容积变化，携带着心血管活动的丰富信息，所以国内外许多学者对此十分关注，作了大量的基础探讨和临床应用研究，并发展了心导纳图(胸部体表导纳变化曲线)。

上世纪七、八十年代，国内外心阻抗图的研究和应用形成了高潮。国际上成立了专门的学术组织——国际电生物阻抗委员会，中国是理事国之一，每三年召开一次国际学术会议，明年七月是第十二次。国内也有相应的学术组织——中国电生物阻抗学会，还有专门的学术刊物——中国电阻抗杂志。当时国内有十几个厂家生产阻抗仪(或导纳仪)，据不完全统计，进入医院使用的该仪器有6000～7000台。八十年代初、中期，用多道记录仪同步描记心阻抗图(或心导纳图)、心电图、心音图等，手工测量和计算心输出量。到了八十年代后期，计算机技术开始引入心阻抗图检测，自动分析处理代替了人工测量计算。九十年代初期，国内生产这类心功能自动检测仪的，有北京、上海、山东、河北、陕西、湖北、江西、云南、深圳等地十多家，其中规模较大的是西安李志明的心功能自动多项检测仪(专利号：CN88205368.X)。1996年林钟香还利用Kubicek公式和单片机设计了携带式阻抗法心输出量监护仪(专利号：CN96116641.X)，用点状电极检测体表阻抗信号，无创伤动态24小时测定心功能。从上面的情况可知，对于心阻抗图(或心导纳图)的研究和应用，国内外阻抗学者做了大量的工作，据统计，发表基础研究和临床应用的文章上千篇。

但是，随着阻抗法的研究不断深入和临床应用的广泛展开，它的问题也逐渐暴露出来了。理论分析和动物实验证明，上述从胸部体表直接测得的心阻抗图(或心导纳图)是左、右心循环共同产生的综合性混合阻抗变化，缺乏唯一性，显然用它测得的心输出量来评价左室功能，在理论上是不正确的。另外，大量的临床应用发现，上述阻抗法测得的心输出量受胸围的影响大，胸围大者偏低，胸围小者偏高；测量结果的离散性大，高的特别高，低的特别低，正常值与异常值严重交叉，临床上不便于判定测量结果是正常还是异常；对于心功能不全患者，测量结果往往与临床实际不符。因此，国内外的医学工作者普遍认为，阻抗法缺乏正确的理论基础，检测技术不成熟，结果的可靠性差，临床价值不大。于是，到了九十年代中期，应用阻抗法测定心功能的医院越来越少，目前全国已没有几家使用阻抗仪，那些生产阻抗心功能自动检测仪的厂家或公司都一个个转产，中国电生物阻抗学会已9年没有开展学术活动，中国电阻抗杂志早在1997年就停刊了。这里应该指出，虽然阻抗法存在上述问题，但心阻抗图本身并没有问题，它确实包含了测定心输出量等心功能的信息，问题在于我们如何从中取出这种信息，并找到能够反映实际情况的计算方法。

本发明人是从事心阻抗图研究30多年的老阻抗工作者，为了解决上述问题，进行了长期的探索。2001年从胸部阻抗变化形成的机理出发，提出了胸部电生物阻抗波形重建的初步设想，历经5年的反复探讨和改进，建立了心阻抗图波形重建的实用测量方法和数学模型，得到了重建心阻抗图。所谓波形重建是指：通过求解胸部阻抗方程组，从左、右心循环共同产生的胸部体表混合阻抗变化波形图中，分离出左心循环的主动脉、左心室阻抗变化分量的波形图和右心循环的左侧肺部动脉、右侧肺部动脉、右心室阻抗变化分量的波形图；通过软件微分，又可得到相应分量的微分波形图。这两组分量波形图统称为重建心阻抗图，以区别于前面所述的从胸部体表直接测得的心阻抗图。据此，本发明人还进一步得到了重建心阻抗图测定左室功能的计算方法。临床1300多例的检测、ECT核素法的对比以及气囊导管阻塞主动脉的动物实验证明，上述波形重建的方法和计算公式是可行的，测量结果符合临床实际情况。本发明就是基于上述研究成果设计的，为临床提供一种测定左室功能的新型阻抗心输出量仪。

至于1992年李希臻等的小循环心功能检测仪(专利号：CN92110266.6)，是通过检测肺阻抗血流图(发明者称为肺血图)来分析、诊断肺循环的心功能，该仪器不提供心输出量、射血分数、心肌收缩力指数、左室舒张末压等左室功能参数。另外，阻抗图像重建(EIT)是国际上80年代后期发展起来的电生物阻抗信息检测的一项新技术，国内第四军医大学、中国医学科学院生物医学工程研究所等单位也开展了这项研究。它通过多电极检测和频率扫描等技术，测量生物组织的成像参数，重建不同组织导电性分布的断层解剖图像(目前国内外尚未进入临床实用阶段)，但该断层图像不反映心血管活动的信息。可见，上述两项阻抗检测技术与本发明涉及的心阻抗图波形重建的内容不同。

发明内容：

结合附图说明本发明内容：

1、仪器的设计思路

为了解决现有心阻抗图技术理论和实际上存在的问题，本仪器依据发明人况明星等提出的心阻抗图波形重建的测量方法和数学模型，用15个电极组成的六导联方式检测胸部六个对称部位的体表混合阻抗变化和相应的基础阻抗，将它们代入胸部阻抗联立方程组，经简化处理后，用代数重构技术求解方程组，通过计算机逐点求解和作图，可以分别得到主动脉AO、左侧肺部动脉PL、右侧肺部动脉PR、左心室LV、右心室RV阻抗变化分量的曲线，称为重建心阻抗容积图。经软件微分，又可分别得到相应的微分图AO′、PL′、PR′、LV′、RV′，称为重建心阻抗微分图，这样得到的容积图和微分图统称为重建心阻抗图。然后由计算机自动测量左心循环分量AO′、LV′的有关波幅和时间间期，按照重建心阻抗图测定左室功能的公式，计算心输出量、射血分数、心脏作功量、心肌收缩力指数、总外周阻力、主动脉顺应性、左室舒张指数、左室舒张末压等十项左室心功能参数，并自动判别它们是否正常。如果是异常，还要判别异常的等级。

2、仪器的基本组成

如附图1所示，仪器主要包括3个电流发送电极和12个阻抗电压检测电极，晶振高频恒流源、六道结构和性能完全相同的阻抗检测电路、基础阻抗Z₀温度校正电路、心电放大器、心音放大器、采集查询定时脉冲发生器、直流变换隔离电源、PCI光隔离A/D转换卡、计算机、显示器、打印机、键盘、鼠标，以及心电电极、心电导联线和心音传感器等。

3、仪器的电路原理

(1)晶振高频恒流源和采集查询定时脉冲发生器：如附图2所示，IC₁的10、11脚、晶体、R₁、C₁、C₂组成石英晶体振荡器，芯片IC₁又有计数器功能，晶振信号送该计数器分频后，经C₃、R₂耦合，输入运放A₁、A₂组成的恒流源推挽功率放大器(其正负电源由三端稳器构成，图中末画出)，它们的输出高频电压经C₄、C₅耦合和高值电阻R₅、R₆限流，得到高频恒定电流，经电流电极I₁、I₂、I₂′加于人体2芯片IC₂、IC₃和C₆、R₇构成采集查询定时脉冲发生器，C₆、R₇与IC₃的第一个施密特触发器组成正脉冲输出的单稳态电路。IC₁的3脚输出脉冲送到IC₂的1脚，IC₂的12脚输出脉冲经C₆、R₇微分后，加于IC₃的1脚，IC₃的2脚输出信号即为定时脉冲，送A/D卡的一个AD输入端，供采集程序查询，控制仪器采集的速率。

(2)阻抗检测和Z₀温度校正电路：六道阻抗检测电路都是相同的。如附图3所示，A₃是高频调幅放大器，D₁、D₂、C₉、C₁₀成倍压幅度检波器，A₄为ΔZ低频放大器，A₅为基础阻抗Z₀直流放大器，它们的正负电源由稳压二极管构成(图中末画出)。检测电极E-E′之间的高频调幅阻抗电压信号经C₇、R₈、C₈、R₉送入A₆放大，输出信号经C₉、D₁、D₂、C₁₀倍压检波后，再经R₁₁、C₁₁滤波，得到脉动的直流电压信号。其中反映阻抗变化ΔZ的脉动分量经C₁₂、C₁₃、R₁₄耦合，送A₄放大，由电位器W₁分压输出，送A/D卡；而反映基础阻抗Z₀的直流分量经R₁₂、R₁₃分压后送A₅放大，由电位器W₂分压输出，送A/D卡。应该指出，图中二极管D₁、D₂的幅度检波会使Z₀测量产生非线性误差，为此在采集软件中设置了Z₀的非线性校正程序，使Z₀的测量误差符合＜4％的指标要求。由于阻抗检测电路会使Z₀测量值随温度上升，出现正向漂移，即环境升高10～20℃时，测得的Z₀会偏高1～2％，所以本仪器设计了一个基础阻抗Z₀温度校正电路，由附图2中的R₁₉、D₃～D₇、C₁₆、W₃组成，该电路输出电压U_T随温度上升呈负向漂移，通过采集送计算机，由程序将U_T与测得的Z₀电压值结合起来进行校正。

(3)心电放大器：如附图4所示，运放A₆为前置放大器，A₇为跟随器，A₈为未级输出，R₂₇、R₂₈、C₂₂、C₂₃、R₂₉、C₂₄组成50周陷波器，运放的正负电源由电阻和稳压二极管构成(图中未画出)。导联线来的心电信号从输入端A、B经C₁₇、C₁₈、R₂₀、R₂₃耦合，输入A₆放大，A₇跟随后送50周陷波器，再送末级A₈放大，经电位器W₄分压后送A/D卡。

(4)心音放大器：如附图5所示，运放A₉、A₁₀组成两级阻容耦合心音放大器，其正负电源由电阻和稳压二极管构成(图中末画出)。从心音传感器来的心音电信号经C₂₅、R₃₄耦合，送A₉放大，其输出信号经C₂₇、R₃₈耦合加于第二级A₁₀放大，再由电位器W₅分压后送A/D卡。

(5)隔离电源和光隔离A/D卡：上述各部分电路由三块直流变换隔离电源模块供电，其中两块输出±15V，供阻抗检测电路、心音放大器、Z₀温度校正电路，另一块输出±24V，供晶振高频恒流源和心电放大器。隔离电源的输入电压为计算机的+12V电源，它与输出电压±15V、±24V不共地。另外，本仪器的A/D卡为光隔离的，使得整个检测电路与计算机不共地，即两者在电的传导上隔离了。这样在测量中，可保证安全，也可以提高检测电路的抗干扰性能。

4、仪器的软件流程框图：见附图6。

本发明主要技术特征在于：它由石英晶体振荡的无变压器耦合的高频恒流源、六道结构和性能完全相同的无变压器耦合的阻抗检测电路、基础阻抗Z₀温度校正电路、阻容耦合输入的心电放大器、带有有源滤波的心音放大器、采集查询定时脉冲发生器、PCI光隔离A/D转换卡、直流变换隔离电源和计算机组成。本发明由晶振高频恒流源、六道相同的阻抗检测电路、基础阻抗Z₀温度校正电路、心电放大器、心音放大器、采集查询定时脉冲发生器、A/D转换卡、隔离电源和计算机组成；晶振高频恒流源，由石英晶体振荡器、计数式分频器、运放推挽功率放大器、高阻限流电路组成，电路中无变压器耦合。与现有技术中的LC振荡、变压器耦合输出的恒流源相比，电路简单，抗干扰能力强，恒定电流的幅度和频率稳定；六道阻抗检测电路，每一道的结构和性能完全相同，均由高频调幅放大器、二极管倍压幅度检波器、ΔZ低频放大器、Z₀直流放大器组成，高频放大器的输入和输出无变压器耦合。与现有技术阻抗检测电路相比，电路的集成度高，结构大为简化，噪声低，工作稳定，各道的性能一致性好；基础阻抗Z₀温度校正电路，由负温度系数的硅二极管(与倍压检波二极管同型号)、电阻、电位器组成，其信号送A/D卡采集，与采集软件结合起来校正。从而克服了现有技术中Z₀随温度漂移的问题；心电放大器，由输入阻容耦合的前置放大器、运放跟随器、50周陷波电路、末级放大器组成。该电路简单，共模抑制比高，抗干扰性强，不会出现电极的极化电位所引起的电路阻塞；心音放大器，由两级阻容耦合放大器、有源滤波器以及与之配合的心音传感器构成。该电路可以清晰检测出人体心音图，50Hz处于其频带范围之外，有利于抑制工频50Hz的干扰；采集查询定时脉冲发生器，由计数式分频器、单稳触发器、RC电路组成，其输入信号来自恒流源的晶体振荡器，它输出的电压脉冲周期、脉冲宽度稳定。在15路信号同步采集的每一次循环开始，都先要查询此脉冲，当正脉冲出现时，程序即转入15路信号的同步采集。这样，可使信号采集的速率严格恒定，不受计算机的操作系统和机型的影响；A/D转换卡和隔离电源，采用PCI光隔离A/D转换卡和计算机供电的DC-DC变换的隔离电源模块。这样，与人体相连的心电、心音、阻抗等检测电路和漏电大的计算机不共“地”，即两者在电的传导上隔离了，可保证测量安全，也可提高检测电路的抗干扰能力。

本发明可概述为：本发明是一种阻抗波形重建的心输出量仪。它由晶振高频恒流源、六道相同的阻抗检测电路、Z₀温度校正电路、心电放大器、心音放大器、定时脉冲发生器、A/D转换卡、隔离电源、计算机以及相应的测量软件组成。它通过波形重建，从左、右心循环共同产生的胸部体表混合阻抗信号中分离出主动脉、左侧肺部动脉、右侧肺部动脉、左心室、右心室的阻抗变化分量，并画出它们相应的波形图，利用左心循环的主动脉、左心室阻抗变化分量的波形图，自动测量、计算、显示和打印出左室心输出量等十项心功能指标。本发明问世，解决了目前阻抗心功能自动检测仪存在的诸多问题。

附图说明

图1为本发明的硬件组成方框图。

图2为本发明恒流源和定时脉冲发生器电路示意简图。

图3为本发明阻抗检测和温度校正电路示意简图。

图4为本发明心电放大器电路示意简图。

图5为本发明心音放大器电路示意简图。

图6为本发明软件流程方框图。

图7为本发明仪器结构图(图中13的虚线与11的实线是不相接的)

具体实施例：

下面结合附图，详细说明本发明。

如图7所示：1是晶体振荡器，2是分频器，3是高频恒流源(由功率放大器和限流电阻组成)，4是心电恒流导联线，5是电流电极(由一条半环形电极和两块方片电极组成)，恒流源3输出的恒定电流通过4和5送入人体。分频器2的另一路输出加于脉冲发生器6，用于产生采集定时脉冲。7是心电电极(由四块方片电极组成)，8是导联转换电路，9是心电放大器(由集成运算放大器构成)，人体心电信号经7和8送心电放大器9放大。10是颈电极(由六块铝箔方片电极组成)，11是颈电极导联线，12是胸电极(也由六块铝箔方片电极组成)，13是胸电极导联线，14、15、16、17、18、19是性能和组成完全相同的阻抗检测电路(由高频放大器、检波器、Z0放大器、ΔZ放大器、输出调节等组成)，人体颈胸之间六个导联的阻抗高频信号通过颈导联线11和胸导联线13分别加于14、15、16、17、18、19六个阻抗检测测电路的输入端，它们分别输出各自的基础阻抗Z₀和阻抗变化ΔZ对应的低频信号。20是心音传感器，21是心音放大器(由集成运算放大器构成)。22是负温漂信号电路，23是温漂信号输出调节器，两者共同组成Z₀温度校正电路。

24是接口电路输出信号的电缆线，25是PCI光隔离A/D转换卡(由输入放大器、模数转换、光电隔离、数字输出电路、独立的直流隔离电源等组成)，26是计算机，27是显示器，28是打印机，29是鼠标，30是键盘。脉冲发生器6输出的采集定时脉冲、心电放大器9输出的心电信号、阻抗检测电路14、15、16、17、18、19输出的6路Z₀和6路ΔZ信号、心音放大器21输出的心音信号以及Z₀温度校正电路23输出的信号，共16路信号，经输出电缆线24送A/D卡25，计算机26在软件的控制下进行同步A/D转换和采集。虽然A/D卡25的输入放大器、模数转换电路与接口电路是共地的，但由于其光电转换电路和隔离电源的隔离作用，它与后续的数字输出电路及计算机在电的传导上是隔离的。

32、33、34是直流隔离电源，32给阻抗检测电路14、15、16及Z₀温度校正电路22、23供电，33给阻抗检测电路17、18、19供电，34给恒流源电路1、2、3、采集定时脉冲电路6、心电放大电路8、9、心音放大电路20、21供电，32、33、34的输入直流电压是计算机的开关电源31提供的，32、33、34的输出电压与开关电源31不共地，所以隔离电源32、33、34供电的所有电路与计算机之间在电的传导上是隔离的。

Claims (9)

1、一种数字重建式心输出量仪，其特征在于：它由石英晶体振荡的无变压器耦合的高频恒流源、六道结构和性能完全相同的无变压器耦合的阻抗检测电路、基础阻抗Z₀温度校正电路、阻容耦合输入的心电放大器、带有有源滤波的心音放大器、采集查询定时脉冲发生器、PCI光隔离A/D转换卡、直流变换隔离电源和计算机组成。

2、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：它由晶振高频恒流源、六道相同的阻抗检测电路、基础阻抗Z₀温度校正电路、心电放大器、心音放大器、采集查询定时脉冲发生器、A/D转换卡、隔离电源和计算机组成。

3、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：晶振高频恒流源，由石英晶体振荡器、计数式分频器、运放推挽功率放大器、高阻限流电路组成，电路中无变压器耦合。

4、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：六道阻抗检测电路，每一道的结构和性能完全相同，均由高频调幅放大器、二极管倍压幅度检波器、ΔZ低频放大器、Z₀直流放大器组成，高频放大器的输入和输出无变压器耦合。

5、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：基础阻抗Z₀温度校正电路，由负温度系数的硅二极管、电阻、电位器组成，其信号送A/D卡采集，与采集软件结合起来校正。

6、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：心电放大器，由输入阻容耦合的前置放大器、运放跟随器、50周陷波电路、末级放大器组成。

7、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：心音放大器，由两级阻容耦合放大器、有源滤波器以及与之配合的心音传感器构成。

8、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：采集查询定时脉冲发生器，由计数式分频器、单稳触发器、RC电路组成，其输入信号来自恒流源的晶体振荡器，它输出的电压脉冲周期、脉冲宽度稳定。在15路信号同步采集的每一次循环开始，都先要查询此脉冲，当正脉冲出现时，程序即转入15路信号的同步采集。

9、根据权利要求1所述的数字重建式心输出量仪，其特征在于：A/D转换卡和隔离电源，采用PCI光隔离A/D转换卡和计算机供电的DC-DC变换的隔离电源模块。

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