CN103495263A

CN103495263A - 一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统及基于该系统的控制方法

Info

Publication number: CN103495263A
Application number: CN201310442342.4A
Authority: CN
Inventors: 陈小龙
Original assignee: QINMING MEDICAL INSTRUMENTS CO Ltd SHAANXI
Current assignee: Le Pu medical electronic instrument Limited by Share Ltd
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103495263B

Abstract

本发明公开了一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统及基于该系统的控制方法，属于医疗器械技术领域。包括滤波电路、放大电路、模数转换器和CPU，由起搏器的加速度传感器输出的模拟信号通过滤波电路滤波后，传递给放大电路，经放大电路放大后的模拟信号通过模数转换器转换为数字信号，模数转换器将数字信号输入到CPU中，CPU与起搏器的微处理单元MCU相交互，且CPU能够通过输出不同频率的脉冲信号控制模数转换器的采样频率。本发明的植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统及基于该系统的控制方法，能够在保证采集的运动传感器信号不失真的前提下，通过自动调节采样频率减小不必要的功耗，从而有效延长心脏起搏器的使用寿命。

Description

一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统及基于该系统的控制方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统及基于该系统的控制方法。

背景技术

随着心脏起搏器的广泛应用，单一固定的起搏频率已经不能满足广大患者的需求。尤其对于变时性功能不良的患者，由于年龄、药物或心脏疾病等原因，他们的心率不能随着自身代谢率的提高而上升，这将导致机体代谢需求无法得到满足。若这类患者植入的是固定起搏频率的起搏器，有限心输出量将影响他们日常生活的质量。因此具备频率适应性起搏功能的心脏起搏器应运而生，且逐渐成为市场的主流起搏器所必备的功能。

目前的加速度传感器主要包括分钟通气量传感器、QT传感器、加速度传感器等。

分钟通气量传感器是基于呼吸的传感器，它通过潮气量和呼吸频率这两个参数衡量患者的运动量。其中，潮气量可通过经胸阻抗信号的振幅测得，呼吸频率可通过经胸阻抗信号的频率测得。综合上述两个参数即可获得患者的分钟通气量值，再由此可评估出与此分钟通气量相适应的患者的心脏起搏器起搏频率。

QT传感器是基于QT间期时长的传感器。当患者静息时，QT间期时长较长；当患者运动时，QT间期时长较短。因此可根据QT间期的时长，调节心脏起搏器的起搏频率，当QT间期较长时，起搏频率较慢；QT间期较短时，起搏频率较快。

加速度传感器是基于加速度计的传感器。加速度计能检测患者的运动加速度，并以模拟电压的形式体现出来。心脏起搏器通过检测这个电压信号的幅度和频率，可以评估此刻患者的运动状态，并计算出合适的起搏频率。

对于加速度传感器，其输出的模拟电压需要进行模数转换才能用于数字逻辑的处理。而模数转换过程中，需要保持足够高的采样频率，否则转换为数字信号后将会丢失有用的信息。根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于被采样信号中最高频率的2倍时，采样后的数字信号完整地保留了原模拟信号中的信息。因此，加速度传感器的采样频率，应该保持在原始信号最高频率的2倍以上。但是，在患者静息和运动时，原始信号的频率有较大的差异，静息时信号频率较低，运动时信号频率较高；且不同患者之间，他们的静息和运动信号频率也有较大的区别。因此，传统起搏器仅能将采样频率设定在一个较高的水平，才能满足不同患者、不同运动状态下的采样频率要求。

心脏起搏器的特殊性要求其必须有较长的使用寿命。但是，上述较高的采样频率将消耗较大的功耗。而且患者静息时和运动量较小时的原始信号频率较低，若仍用较高的采样频率也将产生不必要的功耗损耗。这都将影响心脏起搏器的使用寿命。

美国专利ACCELEROMETER-BASED RATE-ADAPTIVE CARDIACPACING WITH SECOND GENERATION SIGNAL PROCESSING-WO9718010A1公开了一种具有加速度传感器的可变频率心脏起搏器，它根据正负加速度的比例关系设定起搏器的起搏频率。但其描述的技术方案采用固定的采样频率对加速度传感器进行采样，因此在信号频率较低时仍保持较高的采样频率，从而消耗了不必要的功耗，缩短了心脏起搏器的使用寿命。

美国专利A heart pacemaker with a variable stimulation frequency-EP19960119346;EP0778049A2公开了一种通过加速度传感器检测患者脚步的频率和运动姿态，并以此调节起搏频率的心脏起搏器。但其描述的技术方案是对传感器输出的信号同时采用2个不同频带的滤波放大电路和采样处理电路，得到患者的脚步频率和运动姿态；再综合分析这两种信号得出适合患者的起搏频率。因此这种同时处理不同频段信号的方法，必须采用较高的采样频率，而当信号频率较低时无法避免消耗不必要的功耗。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统及基于该系统的控制方法，能够在保证采集的运动传感器信号不失真的前提下，通过自动调节采样频率减小不必要的功耗，从而有效延长心脏起搏器的使用寿命。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统，包括滤波电路、放大电路、模数转换器和CPU，起搏器的加速度传感器输出的模拟信号通过滤波电路滤波后，传递给放大电路，经放大电路放大后的模拟信号通过模数转换器转换为数字信号，模数转换器将数字信号输入到CPU中，CPU与起搏器的微处理单元MCU相交互，且CPU能够通过输出不同频率的脉冲信号控制模数转换器的采样频率。

所述的CPU包括采样频率决策模块、采样频率发生模块、通信模块和起搏频率决策模块。

所述的采样频率发生模块由压控振荡器和可控直流电压发生器构成；所述的通信模块采用通用串行接口SPI协议。

所述的滤波电路由二阶带通滤波器构成，其通带频率范围为3～13赫兹；所述的放大电路由运算放大器构成，且放大倍数为2倍；所述的模数转换器采用10位SAR结构。

一种基于植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统的控制方法，包括以下步骤：

1）CPU将模数转换器初始化为低采样频率状态，并设定固定时间间隔，等待固定时间间隔结束后，对该固定间隔时间内的运动次数进行判断：

如果运动次数未超过设定的运动次数阈值A，则认为该固定间隔时间内的运动量小，则仍然保持低采样频率的状态，并根据此状态下的运动次数，结合低采样频率计算公式，计算目标起搏频率，然后等待下一个固定时间间隔，继续判断运动次数是否超过设定的运动次数阈值A；

如果运动次数超过设定的运动次数阈值A，则认为该固定间隔时间内的运动量大，则清零运动次数，CPU将模数转换器设置为高采样频率进行采样，然后按照步骤2）进行操作；

2）模数转换器在高采样频率状态下，等待固定时间间隔结束，对该固定间隔时间内的运动次数进行判断：

如果运动次数超过设定的运动次数阈值B，则认为该固定间隔时间内的运动量大，则仍然保持高采样频率的状态，并根据此状态下的运动次数，结合高采样频率计算公式，计算目标起搏频率，然后等待下一个固定时间间隔，继续判断运动次数是否超过设定的运动次数阈值B；

如果运动次数未超过设定的运动次数阈值B，则认为该固定间隔时间内的运动量小，则清零运动次数，CPU将模数转换器设置为低采样频率进行采样，然后等待下一个时间间隔，重复步骤1）操作，直至完成采样操作。

所述的运动次数阈值A和运动次数阈值B的由CPU设定，且运动次数阈值A和运动次数阈值B设定的数值不相同。

所述的低采样频率计算公式为（1）：

f Low=B/T*4；（1）

其中，f Low表示低采样频率，B为运动次数阈值B的值，单位为次；T为固定间隔时间的值，单位为秒。

所述的高采样频率计算公式为（2）：

f High=N/T*4；（2）

其中，f High表示高采样频率，N为固定间隔时间内的运动次数值，单位为次，T为固定间隔时间的值，单位为秒。

所述的运动次数是CPU对传感器信号状态的记录，若传感器信号的采样值超出设定的幅度阈值，则CPU对运动次数累加1。

所述的幅度阈值为CPU设定的电压幅度阈值，CPU将被采样的加速度信号的电压值与该幅度阈值比较，当信号的电压值超过幅度阈值，则对运动次数累加1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统对加速度传感器产生的加速度信号进行滤波、放大后，首先以低采样频率进行采样，系统能够根据加速度信号的幅度和频率，自动调整采样频率；若信号幅度超过设定的幅度阈值，且出现频率大于设定的频率阈值，则所述系统自动调整为高采样频率对信号进行采样；若超过设定幅度阈值的信号的频率下降到小于设定的频率阈值，则系统自动调整为低采样频率进行采样。从而当加速度信号的频率较低时，采用较低的采样频率以降低采样功耗；当加速度信号的频率较高时，采用较高的采样频率以保证采样信号不失真。所述系统通过自动调节对加速度信号的采样频率，在保证采样信号不失真的前提下，尽可能降低信号采样的功耗，从而有效延长心脏起搏器的使用寿命。

附图说明

图1为是本发明的加速度传感器采集和处理系统的结构框图；

图2为图1中的CPU的功能模块结构框图；

图3为本发明的运动次数计数流程图；

图4是本发明的采样频率和目标起搏频率决策流程图。

图5为本发明的运动次数计数示意图。

其中，1为加速度传感器；2为滤波电路；3为放大电路；4为模数转换器；5为起搏器的微处理单元MCU；6为CPU；7为通信模块；8为起搏频率决策模块；9为采样频率决策模块；10为采样频率发生模块；

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统，由滤波电路2、放大电路3、模数转换器4和CPU6构成。起搏器的加速度传感器1输出的模拟信号连接到滤波电路2，滤波电路2由二阶带通滤波器构成，其通带频率范围为3～13赫兹。这个频带的滤波电路，能够较好地保留人体躯干部位的运动信号，滤除干扰信号和其他非生理性运动的信号；经滤波电路2滤波后的信号连接到放大电路3，放大电路3由运算放大器构成，其放大倍数为2倍，放大电路将经过滤波后的小信号进行放大，以获取较高的分辨力；经放大电路3放大后的信号输入到模数转换4，模拟信号被转换为数字信号输入到CPU6，模数转换器4将输入的模拟信号转换为数字信号，供CPU6进行数字的量化和运算，模数转换器4采用10位SAR结构，在保证转换精度的同时尽量降低系统的功耗，其采样频率由CPU6控制，可随着被采样信号频率的变化，实现采样频率自适应调整的功能。CPU6是系统的中央处理器，实现对模数转换器的通信和采样频率的控制，能够根据患者运动量计算与之相适应的目标起搏频率，并与起搏器的微处理单元MCU5通信，可通过输出不同频率的脉冲信号控制模数转换器的采样频率。

根据奈奎斯特采样定律，当采样频率大于被采样信号频率的两倍时，采样后的数字信号能够不失真地保留原始模拟信号中的信息。本发明基于这个采样定律，将采样频率设为被采样信号频率的4倍，因此能够保证不失真。

如图2所示，CPU6由4个功能模块构成：采样频率决策模块9、采样频率发生模块10、通信模块7、起搏频率决策模块8。

采样频率决策模块9若检测到加速度信号超过所设定的幅度阈值，且其出现的频率大于设定的频率阈值，则将模数转换器调整为高采样频率采样，否则仍保持低采样频率采样。此后若超过设定幅度阈值的加速度信号频率下降到小于设定的频率阈值，则将模数转换器调整为低采样频率采样；否则仍保持高采样频率。

通信模块7实现CPU6与起搏器微处理单元MCU5之间的数据、命令等信息的通信。本实施例中，通信模块采取通用串行接口SPI协议，主从方式，起搏器微处理单元MCU5为主机、CPU6为从机。

采样频率发生模块10由压控振荡器和可控直流电压发生器构成，可控直流电压发生器输出的直流电压控制压控振荡器，实现输出频率的调整，若采样频率为低频率时，采样频率发生模块输出低频率脉冲信号，并作为采样时钟信号输出到模数转换器4，模数转换器4以此低频信号的频率为采样频率进行采集、转换。若采样频率为高频率时，采样频率发生模块10输出高频率脉冲信号，并作为采样时钟信号输出到模数转换器4，模数转换器4以此高频信号的频率为采样频率进行采集、转换。

起搏频率决策模块8根据检测到的加速度信号的幅度和频率，计算目标起搏频率。此模块对加速度信号超过设定幅度阈值的次数进行统计，并在固定时间内，根据这个次数计算目标起搏频率。如本实施例中，每隔2秒钟统计前2秒内出现的次数，并据此计算目标起搏频率。在低采样频率和高采样频率两种情况下，所采用的计算方法不同，以便满足患者在不同运动强度下对起搏频率的需求。

如图3所示，初始化模数转换器4后，模数转换器4根据采样频率对加速度传感器1的加速度信号采样，若采样值超出设定的幅度阈值，则对运动次数累加1，再等待由采样频率决定的时间间隔，开始下次采样。其中，幅度阈值由CPU6设定，可根据不同患者之间运动幅度的差别进行个性化设置。幅度阈值用于判断加速度信号的电压幅度是否超过幅度阈值；若超过，则对运动次数累加1，经过一段固定时间后，统计这段时间内的运动次数，则反映出这段时间内超过幅度阈值的总次数。再用这个总次数与运动次数阈值比较，若总次数超过运动次数阈值，则说明信号的频率很快。参见图5，图中的曲线描述了信号的变化，当信号的幅度超过“幅度阈值”这条线后，运动次数累加1次。经过一段时间后，运动次数值为N。若N超过运动次数阈值A，则表明信号的频率较高，则提高采样频率。

如图4所示，本系统开始工作后，将模数转换器4初始化为低采样频率工作状态，并设定固定时间间隔（本实施例中，固定时间为2秒钟），等待固定时间间隔结束后，对该固定间隔时间内的运动次数进行判断。如果运动次数超过设定的运动次数阈值A，则认为这段时间间隔内的运动次数较大，即运动量较大，应转换为高采样频率工作状态；清零运动次数后，将模数转换器设置为高采样频率进行采样。

若这段时间间隔内的运动次数未超过设定的运动次数阈值A，则认为这段时间间隔内的运动次数较小，即运动量较小，仍保持在低采样频率工作状态；并根据此运动计数，结合低采样频率的计算公式，计算目标起搏频率；最后再次等待下一个固定时间间隔，并重复上述过程。所述的低采样频率计算公式为f Low=B/T*4；其中，f Low表示低采样频率，B为运动次数阈值B的值，单位为次；T为固定间隔时间的值，单位秒。

上述公式中，B/T即为加速度信号的最高频率，在此基础上乘以4，即将采样频率提高为加速度信号最高频率的4倍，从而满足奈奎斯特定律对采样频率的要求，将不失真的保留加速度信号的信息。

在高采样频率工作状态下，本系统等待固定时间间隔结束，对这段时间间隔内的运动次数进行判断。如果运动次数低于设定的运动次数阈值B，则认为这段时间间隔内的运动次数较小，即运动量较小，应转换为低采样频率工作状态；清零运动次数后，将模数转换器设置为低采样频率进行采样。

若这段时间间隔内的运动次数超过设定的运动次数阈值B，则认为这段时间间隔内的运动次数较大，即运动量较大，仍保持在高采样频率工作状态；并根据此运动计数，结合高采样频率的计算公式，计算目标起搏频率；最后再次等待下一个固定时间间隔，并重复上述过程。所述的高采样频率计算公式为：f High=N/T*4；其中，f High表示高采样频率，N为固定间隔时间内的运动次数值，单位为次，T为固定间隔时间的值，单位为秒。

上述公式中，N/T即为加速度信号的最高频率，在此基础上乘以4，即将采样频率提高为加速度信号最高频率的4倍，从而满足奈奎斯特定律对采样频率的要求，将不失真的保留加速度信号的信息。

其中，运动次数阈值A、运动次数阈值B的取值不同，且由CPU设定，可根据不同患者之间运动状态的差别进行个性化设置。

Claims

1.一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统，其特征在于，包括滤波电路（2）、放大电路（3）、模数转换器（4）和CPU（6），起搏器的加速度传感器（1）输出的模拟信号通过滤波电路（2）滤波后，传递给放大电路（3），经放大电路（3）放大后的模拟信号通过模数转换器（4）转换为数字信号，模数转换器（4）将数字信号输入到CPU（6）中，CPU（6）与起搏器的微处理单元MCU（5）相交互，且CPU（6）能够通过输出不同频率的脉冲信号控制模数转换器（4）的采样频率。

2.根据权利要求1所述的一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统，其特征在于，所述的CPU（6）包括采样频率决策模块（9）、采样频率发生模块（10）、通信模块（7）和起搏频率决策模块（8）。

3.根据权利要求2所述的一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统，其特征在于，所述的采样频率发生模块（10）由压控振荡器和可控直流电压发生器构成；所述的通信模块（7）采用通用串行接口SPI协议。

4.根据权利要求1所述的一种植入式心脏起搏器的传感器采集处理系统，其特征在于，所述的滤波电路（2）由二阶带通滤波器构成，其通带频率范围为3～13赫兹；所述的放大电路（3）由运算放大器构成，且放大倍数为2倍；所述的模数转换器（4）采用10位SAR结构。

5.一种基于权利要求1～4中任意一项所述的传感器采集处理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的运动次数阈值A和运动次数阈值B的由CPU设定，且运动次数阈值A和运动次数阈值B设定的数值不相同。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的低采样频率计算公式为（1）：

f Low=B/T*4；（1）

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的高采样频率计算公式为（2）：

f High=N/T*4；（2）

9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的运动次数是CPU对传感器信号状态的记录，若传感器信号的采样值超出设定的幅度阈值，则CPU对运动次数累加1。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述的幅度阈值为CPU设定的电压幅度阈值，CPU将被采样的加速度信号的电压值与该幅度阈值比较，当信号的电压值超过幅度阈值，则对运动次数累加1。