CN101518667A - 智能中频双向方波除颤方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能中频双向方波除颤方法：5KHz的中频恒定电流检测胸阻抗；微处理器根据胸阻抗和选择的除颤能量自动调节除颤波形、波宽；对高压储能电容进行智能充电；心电图检测电路检测适宜除颤时，AED除颤模块对人体发出5KHz中频双向除颤丛状脉冲方波。相应于该方法，智能中频双向方波除颤器包括微处理器、胸阻抗测量电路、心电图检测电路、高压充电电路和刺激、胸阻抗测量、心电记录三用的自粘性电极，高压充电电路包括储能电容和IGBT桥式输出。本发明可实现AED智能化、个体化、低电压、低能量的除颤，实现不同胸阻抗病人的精确除颤，减少高能量除颤容易引起心肌受损的副作用，消除指数衰减双向波的尖峰电流的副作用。

Description

智能中频双向方波除颤方法

技术领域

本发明涉及一种智能中频双向方波除颤方法，用于自动体外除颤器(AED)中，属于电子医疗技术领域。

背景技术

对于心脏骤停，医学界目前唯一有效地解决办法就是在尽可能短的时间内进行体外电除颤，使心脏恢复到正常的心电节律。

AED包括心电图检测，心脏节律分析系统和电击咨询系统，可以建议何时进行电击除颤，而由操作者执行按下″电击″按钮便实施了电除颤；AED有微电脑微处理器，可分析心电信号的多种参数，如心电频率、幅度、斜率、波形的形态特点；可检测QRS波信号，房室传导以及由于电极松脱或接触不良形成的50赫兹的干扰波；AED操作简单，适用于无意识，无呼吸和无心跳的室颤发作期患者。

AED除颤波形与能量：除颤器所释放电流应是能够终止室颤的最低能量。一般成人的除颤的阈值电流为10～15A，能量最低时波宽为4～5ms。能量过大或电流过高则会导致皮肤烧灼和心肌损害，特别是对缺血性心脏损害更大。表现为血清心肌酶的升高、心电图ST段改变，心脏传导功能抑制、再度室颤、低血压等。为减少心肌损伤和除颤过量的副作用，应采用低能量复律除颤。

AED有二种除颤波形：单相和双相波，不同的波形对能量的需求不同，早期的AED使用单向波除颤。1996年美国首次使用了双相波电除颤器，双相波即在除颤的一半过程，除颤波的极性倒转，形成两个相反方向的脉冲，试验证实了双相波形优于单相波形。临床研究比较双向波形的115J和130J能量与单向波形200J及360J相当，并且前者心电图ST段的变化更小。

目前，市场上的AED多为指数衰减型双向波除颤器，除颤器假设人体胸阻抗为50欧姆，能量为120～200焦耳，双向波的第一相波为正向4～5毫秒，第二相波为负向4～5毫秒，中间间隔0.4毫秒，单个波宽约10毫秒，频率约100Hz，除颤电压在2000V至3000V。一般人体的胸阻抗在20～150欧姆左右，个体差异很大，现在的AED用固定不变的双向波除颤，仅仅只改变输出电压来决定输出能量，由于不能个体化精确的决定除颤能量，使胸阻抗小的除颤能量过大，胸阻抗大的除颤能量不足，造成心肌受损的副作用或除颤无效。

中国专利200510120801.2A“除颤双相波的波形产生方法”用于包括高压电容和充放电能量控制电路的心脏除颤设备，包括步骤：检测胸阻；设置电荷比和预定的波形参数；对所述电容进行充电；所述电容放电，产生最终施加于心脏的双相除颤脉冲波。所述波形参数包括除颤脉冲的固定周期，还包括除颤脉冲周期的放电起始电压。中国专利200580047116.A“具有在形成治疗双相波形中使用的离散感测脉冲的自动外部除颤器(AED)”，该感测脉冲用于在释放治疗波形之前确定病人特定参数(例如：胸廓阻抗)。除颤器在向病人释放治疗波形之前基于病人特定参数调整该治疗波形。中国专利200710046179.4A“用窄脉冲实现低能量除颤的方法及装置”是当除颤的放电波形为双相指数截尾波时，每次电击的脉冲宽度为0.5ms～4ms；相应于该方法，除颤装置包括心电采集模块、总控模块、除颤模块和液晶显示+触摸屏，其中，总控模块以嵌入式系统为核心，心电采集模块和除颤模块中各包含一个用于控制各自模块工作的单片机。其中，除颤模块中的放电脉冲宽度为0.5ms～4ms。以上专利虽然都采用了双向波，但第一相和第二相只有一个波，并呈指数下降形式，因此频率仍然较低，指数波的尖峰部分过道超过除颤阈值，既使能量浪费又容易产生过强刺激对心肌产生副作用。

发明内容

为了克服现有的AED采用指数衰减型双向波，除颤能量不能精确控制，指数型衰减型双向波的尖峰电流对心肌会有损伤的缺点，本发明提供了一种智能中频双向方波除颤方法，其智能5KHz中频双向方波除颤技术，可消除指数衰减双向波的尖峰电流的副作用，在有效除颤的前提下，进一步减低除颤能量，减小除颤对心肌的损伤，减小AED的体积和重量，增加AED的便携性和待机能力。

本发明的技术方案是：智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：步骤如下：

A、5KHz的中频恒定电流检测胸阻抗；

B、由微处理器自动根据胸阻抗和输出能量的选择，调节输出电压，根据电容放电呈指数下降规律，按指数增加脉冲波的占空比，使输出电流近似矩形方波，并调节第一和第二相从宽时程；

C、对高压储能电容进行智能充电；

D、心电图检测电路检测适宜除颤时，AED除颤模块对人体发出5KHz的中频双向除颤丛状脉冲方波。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤A包括由微处理器发出的5KHz中频信号，由贴在病人胸前的表面电极输出1mA非损伤性5KHz中频电流，来检测电极两端的电压降计算测量胸阻抗。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤B中参数调节的优先排序为先调电压，再调占空比，最后调节丛宽。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：胸阻抗小、和/或选择能量小时，在100～1800V的范围内调节储能电容电压，波形占空比在10～90％调节，第一相丛宽为5～7毫秒，第二相丛宽为4～6毫秒，间隔0.4毫秒，使输出等效方波。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：胸阻抗较大、和/或选择能量较大，在1000～1800V的范围内改变5KHz脉冲波的占空比，改变范围为10～90％，使输出能量随之增加。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：胸阻抗高、和/或选择能量大时，在1000～1800V的范围内改变5KHz脉冲波的占空比达到90％，还未满足输出能量时，可增加除颤波丛宽时间，第一相丛宽时间的调节范围为5～7毫秒，第二相丛宽时间调节范围4～6毫秒。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤C由微处理器根据胸阻抗和除颤能量自动选择储能电容的充电电压，控制充电电压的范围为100～1800V。

如上所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤D在建议除颤的前提下，检测到除颤按钮动作后，由微处理器发出5KHz脉宽调制中频除颤波，控制高压IGBT桥式输出，按微处理器设置的波宽、丛宽、控制第一和第二相输出。

本发明的工作原理是：本发明除颤前通过自粘性电极测量病人在5KHz时的胸阻抗，根据输出能量的设置，经过微处理器计算，确定电容充电电压和5KHz双向除颤波的波宽、丛宽(波宽是一个脉冲的宽度，丛宽里面包括多个脉冲)和波形，用低能量可以达到同样的除颤效果。

胸阻抗是由电极和皮肤、皮下组织、胸骨、心脏这些组织的阻抗串并联形成的。胸阻抗与病人的年龄、性别、体型、体重、皮肤阻抗、电极位置、电极粘贴接触电阻、除颤次数有关，差异很大。胸阻抗除了电极因素外，所有的这些人体组织可分解为细胞和细胞外液，细胞都有细胞膜，细胞膜有电容性结构和特点，所以人体阻抗可等效为电阻和电容的串并联，容抗(电容阻抗)为频率的倒数，容抗随着频率的增加而减小。

用5KHz的中频波比一般的双向波100Hz高50倍，细胞的阻抗(容抗)就小50倍，再与细胞内外液串并联时整体等效阻抗大为降低，所以人体的胸阻抗是频率的函数，频率越高阻抗越低，电流越容易流过。但是人体的可兴奋组织，如神经、肌肉，对于电刺激有特定的时值和阈值，过高的频率意味着刺激脉冲时间太短，不会引起神经肌肉兴奋，5KHz的频率，单个脉冲周期为200微秒，在第一相5毫秒的时程内有25个脉冲的连续刺激，其积累效应可使神经和肌肉强烈兴奋，有利于达到除颤的目的，而且储能电容电压随着放电时间成指数下降，25个脉冲的占空比随时间成指数增加，即电压高时脉冲宽度小，电压低时脉冲宽度大，每个脉冲的功率相等，等效为一个5毫秒波宽的方波。方波可消除指数衰减波动尖峰电流，是理想的除颤电流。

除颤电压＝电流×胸阻抗，电流是除颤最根本的因素，保持除颤电流不变，胸阻抗减小，所需的除颤电压减小。

除颤能量＝电压×电流×第一相波宽(通用公式是第一相波宽，而这里具体指第一相丛宽)，电压减小使输出能量减小，副作用减少。同时储能电容减小，减小了除颤器的体积和重量。

本发明的有益效果是：(1)中频波：采用5KHz中频波胸阻抗检测和除颤，能降低胸阻抗，减小除颤电压和除颤能量，本发明根据胸阻抗个体化差异，精确调节除颤参数，弥补常规双向波调节参数少，除颤能量不精确的不足，减少了常规除颤能量不准确对心肌的损伤或除颤效果不佳的缺陷。(2)变脉宽：5KHz的频率，单个脉冲周期为200微秒，在第一相5毫秒的时程内有25个脉冲的连续刺激，其积累效应可使神经和肌肉强烈兴奋，有利于达到除颤的目的；用变宽脉冲，当储能电容刚开始放电时，电压高，输出脉宽小(20微秒)，随着电容电压成指数下降，输出脉宽随指数增加，到180微秒等效为刚刚超过除颤阈值的恒流刺激，每个脉冲的功率相等，等效为一个5毫秒波宽的方波，消除了指数衰减双向波的尖峰电流的副作用。(3)同时本发明减小了除颤电压和能量，可减小储能电容的体积和容量，减少充电时间，减小高压输出IGBT的耐压值，对成批生产AED能减少成本，减少体积和重量，减少电池充电的消耗，延长电池使用寿命。

附图说明

图1，本发明实施例除颤器装置框图。

图2，现有AED除颤电流曲线示意图。

图3，本发明实施例智能中频双向方波除颤电流曲线示意图。

图4，本发明实施例除颤参数调整流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明智能中频双向方波除颤方法做进一步的说明。

图1中的标记：1～AED外壳，2～电极，3～心电图检测电路，4～胸阻抗测量电路，5～高压充放电电路，6～喇叭，7～麦克风，8～储存器，9～按键，10～液晶屏显示器，11～微处理器，12～电源。

如图1所示，智能中频双向方波自动体外除颤器包括AED外壳1、电极2、心电图检测电路3、胸阻抗测量电路4、液晶屏显示器10、微处理器11和电源12和除颤模块；除颤模块包括高压充放电电路5、喇叭6、麦克风7、储存器8和按键9；其中心电图检测电路3包括除颤高压保护电路、升压和恒流源电路、前置放大器、滤波器和A/D转化电路；高压充放电电路5由储能电容、高压变压器、整流器、取样比较器和桥式IGBT双向输出电路组成；按键9包括电源开关、功能选择和除颤按键；电源12包括充电电池，电源管理，浮置电源和电量指示电路；储存器8指SD卡、机内ROM和RAM；

微处理器11连接心电图检测电路3、胸阻抗测量电路4、液晶屏显示器10和除颤模块；两个多用途自粘性电极2直接接触人体，分别连接心电图检测电路3、胸阻抗测量电路4和高压充放电电路5；电源12供应整机电源。

刺激、胸阻抗测量、心电记录三用的自粘性电极2直接接触人体，用于记录心电图、测量胸阻抗和电击除颤，可在除颤时向人体放电，也可在除颤前后作为记录电极而检测病人的心电图变化。心电图检测电路3根据采集到的心电数据到微处理器11分析处理，判断是否适宜除颤。胸阻抗测量电路4：由微处理器11产生5KHz方波的恒流源信号，注入电极2，根据伏安法阻抗测量基本原理，由欧姆定律可以求得胸阻抗，电极两端的胸阻抗＝电压÷电流，如果注入5KHz恒流1毫安，所测电极上的电压降为30毫伏，胸阻抗为30欧姆。由胸阻抗测量电路4把电极电压放大，并换算成胸阻抗，存入微处理器11作为调节除颤参数的依据。高压充放电电路5除颤时，给除颤电极充电以及除颤后的放电。它根据选择的除颤能量、胸阻抗自动调节充电电压，适宜除颤时提示除颤，提示10秒钟不按除颤按钮时，自动机内泄放高压电容的能量。喇叭6的作用是声音提示仪器状态，提示操作步骤，并发出心率声音、胸外按压节律声音和报警信息。麦克风7自动记录除颤前后半小时的除颤器现场的声音。储存器8自动记录除颤前后半小时的心电图、除颤能量、胸阻抗、波形参数和声音等信息。液晶屏10是3寸、320*240点阵，它提供由文字、图象显示仪器状态、操作步骤、显示心电图、胸阻抗、除颤参数、时间和除颤次数。微处理器11是由ARM和DSP组成的双核处理器，它负责心电图分析、智能判断除颤条件，根据胸阻抗和能量设置自动调节除颤能量和波形、全面控制仪器功能和定时自检，电源12供5V、3.3V充电电池以及充电电路。

在图2中所示为现有AED除颤电流曲线示意图，除颤能量假设人体阻抗为50欧姆，只是以储能电容固定的电压来决定除颤能量，用最大能量放电时，胸阻抗大电流小，胸阻抗小电流大；结果胸阻抗低的人除颤电流明显高于胸阻抗高的病人，造成胸阻抗低的除颤能量过大，对心肌产生损伤，胸阻抗高的，除颤能量不足，达不到除颤效果。

在图3所示本发明实施例中，AED除颤由高压充放电电路5中的储能电容通过电极2两端的胸阻抗对心脏放电除颤，是典型的电阻电容电路，电路符合RC微分方程，在放电过程中，电路中的电流为 $i=\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}=\frac{E}{R}{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},$ 电容电压 $V_c=\frac{q}{c}={\mathrm{Ee}}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}.$ 时间常数τ＝RC，是电路放电快慢的标志，整个电路的电压和电流都成指数衰减。胸阻抗不同，电流和电压的变换大不相同。在相同的除颤能量(除颤电压)下，胸阻抗小，除颤电流明显过大，反之胸阻抗大时除颤电流明显减小。电流是除颤的关键，最理想的电压和电流波形应该是方波。本发明实施例采用5KHz中频脉冲，把第一相5毫秒的除颤波分成25个脉冲波，电容电压随着放电时间成指数下降，而25个脉冲的占空比随时间成指数增加，即电压高时脉冲宽度小，电压低时脉冲宽度大，每个脉冲的功率相等，等效为一个5毫秒波宽的方波。同时5KHz的电流使胸阻抗明显下降，所需的除颤电流、除颤能量减小，既能有效除颤又对心肌没有损伤。

图3中外轮廓线是现有AED除颤电流曲线，中间脉冲宽度随时间变化成指数增加，图中直线到坐标轴之间的矩形(外轮廓线范围内)表示等效方波除颤电流。

在图4所示本发明实施例中，详细描述除颤过程及波形参数调节：当AED电源开关打开后，机器通过自检提示安装电极2，以5KHz恒流方波通过电极2后进行胸阻抗测量(胸阻抗测量电路4)，如果所测的胸阻抗小于10欧姆，喇叭6和液晶屏显示器10提示电极2可能短路，当所测胸阻抗大于180欧姆时，提示电极2接触不良，重新回到胸阻抗检测，如果胸阻抗在10～180欧姆之间，进入下一步。机器自动选择除颤能量，微处理器11根据能量和胸阻抗，计算充电电压，决定起始脉冲宽度，根据RC常数逐个增加脉冲宽度，使除颤近似于方波。充电时，显示充电过程，充电到设定值时提示除颤准备就绪，同时检测心电图，如果出现室颤波，建议马上除颤。如果心电正常或完全心博停止，则不建议除颤，如充电10秒钟后没有除颤要求，没有按动除颤按钮，机器内部自动泄放电容能量。如果有除颤需要，全自动AED可提醒旁人离开病人，自动放电除颤，半自动AED需按动除颤按钮，才进行电击除颤，同时检测心电图，记录除颤现场声音、心电、除颤能量和过程。

除颤能量J＝I²*R*S(1)，由公式(1)得到除颤电流 $I=\sqrt{\frac{J}{R*S}}\left(2\right)$ 和除颤电压 $V=\sqrt{\frac{J*R}{S}}\left(3\right),$ 临床上常用除颤能量为150焦耳(J)，如果胸阻抗为50欧姆，选择的除颤电压为： $V=\sqrt{\frac{150J*50\mathrm{\Ω}}{0.005S}}\≈1225V,$ 除颤电流为

$\sqrt{\frac{150J}{50\mathrm{\Ω}*0.005S}}\≈24A,$ 如果用中频脉冲除颤、胸阻抗减少到25Ω，如果保持除颤电流仍然为24A，那么根据公式(1)可得到除颤能量为75J，除颤电压为600V，因此除颤能量和除颤电压随着胸阻抗的减小而相应减小。选择除颤能量最关键的因素是除颤电流，一般为10～30安培，公式(1)中S为第一相丛宽，调节范围5～7毫秒。

智能中频双向方波自动体外除颤器的具体实施例包括如下步骤：

A、5KHz的中频恒定电流检测胸阻抗；

B、根据胸阻抗和选择除颤能量自动确定除颤电压、波形、波宽；

C、对所述高压储能电容进行智能充电；

D、心电图检测分析，适宜除颤时，AED建议除颤。储能电容通过桥式IGBT双向输出电路输出，对人体发出5KHz的中频调宽双向除颤脉冲方波。

所述步骤A是由微处理器11发出的5KHz中频信号，经过心电图检测电路3中的升压和恒流源电路，由贴在病人胸前的表面电极2输出1mA非损伤性5KHz中频电流，并通过前置放大器，检测电极2两端的电压降计算测量胸阻抗。微处理器11储存胸阻抗值，作为调节输出参数的基础。

如果所测得的胸阻抗过小，说明负载可能短路，如果所测胸阻抗过大，可能是电极开路或接触不良，AED将提示可能出现的故障，停止执行下一步骤。反复检测胸阻抗，直到10欧姆<胸阻抗<180欧姆，进入下一步骤。

所述步骤B由微处理器11自动根据胸阻抗、输出能量的选择，依次调节参数为：调节输出电压，按指数规律调节增加脉冲波的占空比、设置第一和第二相丛宽时程。

所述步骤B中，如果胸阻抗小、和/或选择能量小时，在100～1800V的范围内调节储能电容电压，波形占空比在10～90％调节，第一相丛宽为5～7毫秒，第二相丛宽为4～6毫秒，间隔0.4毫秒，使输出等效方波。

所述步骤B中，如果胸阻抗较大、和/或选择能量较大，在1000～1800V的范围内改变5KHz脉冲波的占空比，改变范围为10～90％，使输出能量随之增加。

所述步骤B中，如果胸阻抗高、和/或选择能量大时，在1000～1800V的范围内改变5KHz脉冲波的占空比达到90％，还不能满足输出能量时，可增加除颤波丛宽时间，第一相丛宽时间的调节范围为5～7毫秒，第二相丛宽时间调节范围4～6毫秒。

所述步骤B中，参数调节的优先排序为先调电压，再调占空比，最后调节丛宽；储能电压调节范围100～1800V，占空比调节范围10～90％，丛宽固定为第一相5毫秒，调节范围5～7毫秒，间歇0.4毫秒，第二相固定为4毫秒，调节范围4～6毫秒。

所述步骤C中，根据心电图的变化，如有除颤必要，由微处理器11根据胸阻抗和除颤能量自动选择储能电容的充电电压，由取样比较器控制充电电压的范围为100～1800V。如果未按动除颤按钮，10秒钟后机内自动放电。

所述步骤D中，在检测到除颤按钮动作后，由微处理器11发出5KHz中频脉冲，控制高压桥式IGBT双向输出，以改变波宽、丛宽、控制第一和第二相输出。

Claims (8)

1、智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：步骤如下：

A、5KHz的中频恒定电流检测胸阻抗；

B、由微处理器自动根据胸阻抗和输出能量的选择，调节输出电压，根据电容放电呈指数下降规律，按指数增加脉冲波的占空比，使输出电流近似矩形方波，并调节第一和第二相从宽时程；

C、对高压储能电容进行智能充电；

D、心电图检测电路检测适宜除颤时，AED除颤模块对人体发出5KHz的中频双向除颤丛状脉冲方波。

2、如权利要求1所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤A包括由微处理器发出的5KHz中频信号，由贴在病人胸前的表面电极输出1mA非损伤性5KHz中频电流，来检测电极两端的电压降计算测量胸阻抗。

3、如权利要求1所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤B中参数调节的优先排序为先调电压，再调占空比，最后调节丛宽。

4、如权利要求3所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：胸阻抗小、和/或选择能量小时，在100～1800V的范围内调节储能电容电压，波形占空比在10～90％调节，第一相丛宽为5～7毫秒，第二相丛宽为4～6毫秒，间隔0.4毫秒，使输出等效方波。

5、如权利要求3所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：胸阻抗较大、和/或选择能量较大，在1000～1800V的范围内改变5KHz脉冲波的占空比，改变范围为10～90％，使输出能量随之增加。

6、如权利要求3所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：胸阻抗高、和/或选择能量大时，在1000～1800V的范围内改变5KHz脉冲波的占空比达到90％，还未满足输出能量时，增加除颤波丛宽时间，第一相丛宽时间的调节范围为5～7毫秒，第二相丛宽时间调节范围4～6毫秒。

7、如权利要求1所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤C由微处理器根据胸阻抗和除颤能量自动选择储能电容的充电电压，控制充电电压的范围为100～1800V。

8、如权利要求1所述的智能中频双向方波除颤方法，其特征在于：所述步骤D在建议除颤的前提下，检测到除颤按钮动作后，由微处理器发出5KHz脉宽调制中频除颤波，控制高压IGBT桥式输出，按微处理器设置的波宽、丛宽、控制第一和第二相输出。

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