CN101518661B - 基于生理信号的心室辅助系统 - Google Patents
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Abstract
基于生理信号的心室辅助系统，属于生物医学工程技术领域，涉及一种心室辅助系统。该系统由控制器、与控制器通信连接的驱动模块、由驱动模块控制的血泵、采集血泵工作状态并加以处理后传送给控制器的信号采集模块、与信号采集模块和控制器连接的可显示血泵状态和控制器信息的显示模块组成，其特征在于：该系统还有一套通过信号采集模块接到控制器的可检测人体血压、血温、心率、血流量生理状态的人体生理探测系统。其中控制器具有六种模式：常规模式、抽吸处理模式、肺淤血处理模式、信号采集模块故障处理模式、搏动模式、启动模式。本发明能够实时的检测病人的生理状态，并以此为基础调整血泵的工作状态，以适应病人的生理需求。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种心室辅助系统。
背景技术
心室辅助系统属于人工心脏范畴，主要应用在救治心脏衰竭的病人。心室辅助系统主要包括血泵、控制器及执行和反馈机构。
国际上，美国MICROMED CARDIVASCULAR，INC.在2006年申报的国际专利WO2006/055745 A2-心泵远程数据监控系统，对人工心脏控制系统提出了较好的设计思路：利用控制器来控制血泵，通过无线通讯媒介远程监控。澳大利亚Woodard John等，在2006年申报的专利A61M 1/10(2006.01)20060101AF2007050-旋转血泵脉动控制系统，是一个控制旋转血泵速度的系统，改变血泵的转速来产生脉动的压力。美国THECLEVELAND CLINICFOUNDATION在2001年申请的国际专利WO 01/072352 A3-旋转动力血泵的长期控制系统：在左心室辅助装置中，用DC电机来驱动旋转血泵，三个反馈通道分别将电压、电流、电机速度反馈给控制器和处理器。
在国内，清华大学白净教授等的专利CN1446592-微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法，是建立在由目标函数、控制参数、限制条件组成的调节血泵转速的优化模型之上的方法。但也由于其非恒速，对电力需求较大。
以上设计存在一些问题。一是，以上设计普遍耗能较大，都在15W以上，这样仪器的实用性就会降低，尤其在病人无法迅速充电的情况下，大量耗电会使病人情况非常危险。二是，由于其血泵的转速较大或速度变化率大，对血液的破坏较大。三是，没有直接根据病人的生理情况来控制人工心脏中血泵的转速，使人工心脏工作在适合病人病情的最佳状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于生理信号的心室辅助系统，可以探测病人的生理状态，从而让人工心脏选择不同的工作模式，达到适合病人病情的最佳工作状态。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一种基于生理信号的心室辅助系统，由控制器、与控制器通信连接的驱动模块、由驱动模块控制的血泵、采集血泵工作状态并加以处理后传送给控制器的信号采集模块、与信号采集模块和控制器连接的可显示血泵状态和控制器信息的显示模块组成，其特征在于：该系统还有一套通过信号采集模块接到控制器的可检测人体血压、血温、心率、血流量生理状态的人体生理探测系统。
所述的控制器具有可根据输入的人体生理状态进行切换的六种模式：常规模式、抽吸处理模式、肺淤血处理模式、信号采集模块故障处理模式、搏动模式、启动模式。
所述的信号采集模块具有多路的由滤波器和放大器构成的输入信号预处理系统，由单片机构成的将预处理后的输入信号进行模数转换的A/D转换系统，将处理后的数据送到显示模块和控制器的数据传输系统。
所述的人体生理探测系统由分别测量血流量、血压和心率信号的流量传感器、双有创压力传感器、心电电极构成。
所述的显示模块由单片机和数码管构成，单片机通过触发中断来计时、计数输入信息，并以二进制形式存入寄存器中，多次计时取平均值后，通过驱动8位数码管显示数据。其中的驱动数码管的驱动芯片选用CH452。
本发明的有益效果是：能够实时的检测病人的生理状态，并以此为基础调整血泵的工作状态，以适应病人的生理需求。
附图说明
图1为本系统的结构框图。
具体实施方式
如图1所示，本系统由控制器、驱动模块、血泵、人体生理探测系统、信号采集模块、显示模块组成。其中，控制器与驱动模块串口通信；驱动模块控制血泵的转速；血泵本身的工作状态信号，包括血泵外表面温度、血泵叶片转速及电压、电流，通过信号采集模块输送到控制器；人体生理探测系统的人体生理状态信号，包括人体的血压、血温、心率、血流量，也通过信号采集模块输送到控制器；显示模块可显示血泵状态和控制器信息。
控制器采用PC机，根据输入的血泵状态信号和人体生理状态信号，通过软件实现6种工作模式：
①常规模式：为常规情况下控制系统的一种工作模式。在这种模式下，以病人心率和心率变化率作为一种控制信号，也就是根据病人心率的变化，来调整血泵的转速，从而改变血泵的流率以适应病人的生理需求。
②抽吸处理模式：当血泵入口端压力急剧降低时，会发生心室抽吸的现象，一旦发生抽吸，心室会在低压作用下被抽瘪，心室压变为负压。这将会极大的降低自然心脏和血泵的泵血能力，并对血液和其他器官造成损害。应对抽吸的办法就是降低血泵的转速，使心室能够重新得到充盈，正常的血液循环才能得以恢复。
③肺淤血处理模式：当左心室功能减退时，左心室排血量减少，不能及时将回心血量排出，会导致肺淤血。肺淤血将会导致肺动脉压急剧的升高。解决肺淤血的办法就是增加血泵的转速，从而增加血泵的流量，使得回心血量及时地排出，并避免主动脉的灌注不足。
④信号采集模块故障处理模式：当信号采集模块发生故障时，不能正常地检测到当前的生理状态，所以此时只能让血泵工作在一个相对比较安全的恒定转速下。
⑤搏动模式：为一种比较特殊的工作模式。在这种模式下，将根据血压和流量的变化特点，在血压的收缩期或血压的舒张期，给出搏动式的流量变化。
⑥启动模式：应用于手术中和手术刚刚结束拆除循环机时，控制系统的一种工作模式。在这种模式下，将保证血泵工作在合理的恒定流量的状态下。
各模式的输出以数字信号的形式通过串口传送到驱动模块。
驱动模块具有三相电流型PWM控制功能，输出三相的变频电压到血泵，其电路为PWM电路。驱动模块的输入端接收PC机的控制信号，根据信息的不同，控制PWM电路输出不同的变频电压。
血泵采用专利2005100053033介绍的采用三相电机的磁力与流体动压混合悬浮的人工心脏血液泵。血泵可反馈血泵外表面温度、血泵叶片转速、电压、电流给信号采集模块。
人体生理探测系统包括流量传感器、双有创压力传感器、心电电极。其中，流量传感器采用超声多普勒血流仪；双有创压力传感器的两个压力探头分别设置在血泵的进口后出口；心电电极采用多参数生理信号采集仪，可采集血液温度和心率。各传感器和采集仪的输出信号接到信号采集模块。
信号采集模块为8通道数据采集与处理模块：由单片机C8051F330及具有放大、滤波的预处理电路，A/D转换电路，通信电路组成。可采集血泵前后的血压、血液温度、血泵外表面温度、血泵叶片转速、血液流量、血泵的电压和电流。其中，血泵的转速、电压、电流基于驱动模块中芯片的反馈；血液流量通过放大电路、滤波电路、A/D转换和计算得出；血泵前后的血压、血液温度、血泵叶片表面温度经放大电路、滤波电路和A/D转换得出。各种参量的数据由通信电路送到显示模块和控制器。
显示模块采用单片机和数码管实现。单片机C8051F330中P CA捕捉上升沿触发中断来计时、计数并以二进制形式存入寄存器中，多次计时取平均值。8位数码管驱动芯片CH452与单片机连接，译码后，在数码管上显示数据。这样便于患者及医生观察人工心脏的使用情况。
显示模块工作的具体过程为：Init_Device()函数来初始化单片机，将PCA0配置到P0.1管脚，设置单片机的时钟频率为12.25MHz，设置P0.7管脚为外部中断0，设置参考电压为VDD。之后，为了消除因为外界干扰和本身单片机的捕捉失败导致的测量误差，设定捕捉10个周期的数据值，取平均值的方法得到10次的平均周次，进而得到10次的平均值。这样的设定一方面可以有效的减小测量误差，另一方面又可以最大限度地提高测量的实时性，以便适应单片机测量较高频率的信号的要求。当程序开始运行之后，一旦在P0.1脚有一个上升沿就会触发单片机的一个PCA中断，这时会将该时刻PCA计数器中的计数值捕捉到单片机的PCA0CPH0和PCA0CPL0两个寄存器中。
采用数码管作为显示媒介。数码管的驱动芯片选用CH452，该芯片可以驱动8位数码管。单片机计算得到的各参量数据以二进制形式发送到CH452中，CH452对得到的数据进行译码，变成适合数码管的编码，驱动数码管显示。
本发明以心率、血压和流量为控制信号实时调节血泵的工作状态。在控制方法中，提出以实际的生理状态为基础的六种控制模式，以此为基础调整血泵的工作状态，以适应病人的生理需求。当然以本系统为基础，根据实际情况的需要，还可以实现更多的控制模式。
Claims (5)
1.基于生理信号的心室辅助系统，由控制器、与控制器通信连接的驱动模块、由驱动模块控制的血泵、采集血泵工作状态并加以处理后传送给控制器的信号采集模块、与信号采集模块和控制器连接的可显示血泵状态和控制器信息的显示模块组成，其特征在于，该系统还有一套通过信号采集模块接到控制器的可检测人体血压、血温、心率、血流量生理状态的人体生理探测系统，该系统包括流量传感器、双有创压力传感器、心电电极；并且所述控制器中设有根据输入的人体生理状态进行切换的六种模式，
1)常规模式：以病人心率和心率变化率来调整血泵的转速；
2)抽吸处理模式：当心室压变为负压时，降低血泵的转速，使心室能够重新得到充盈；
3)肺淤血处理模式：当肺动脉压急剧升高时，增加血泵的流量，使得回心血量及时地排出；
4)信号采集模块故障处理模式：当信号采集模块发生故障，不能正常地检测到当前的生理状态时，让血泵工作在相对安全的恒定转速下；
5)搏动模式：根据血压和流量的变化，在血压的收缩期或血压的舒张期，给出搏动式的流量变化；
6)启动模式：控制血泵工作在合理的恒定流量的状态下。
2.根据权利要求1所述的基于生理信号的心室辅助系统，其特征在于：所述的信号采集模块具有多路的由滤波器和放大器构成的输入信号预处理系统，由单片机构成的将预处理后的输入信号进行模数转换的A/D转换系统，将处理后的数据送到显示模块和控制器的数据传输系统。
3.根据权利要求1所述的基于生理信号的心室辅助系统，其特征在于：所述的人体生理探测系统由分别测量血流量、血压和心率信号的流量传感器、双有创压力传感器、心电电极构成。
4.根据权利要求1所述的基于生理信号的心室辅助系统，其特征在于：所述的显示模块由单片机和数码管构成，单片机通过触发中断来计时、计数输入信息，并以二进制形式存入寄存器中，多次计时取平均值后，通过驱动8位数码管显示数据。
5.根据权利要求4所述的基于生理信号的心室辅助系统，其特征在于：其中的驱动数码管的驱动芯片选用CH452。
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