CN1071327A - 小循环心功能检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种小循环心功能检测仪。它利用电 阻抗或电导纳方法采集小循环信号，并同时采集心 电、心音、颈动脉等相关的生理信号，然后通过高速微 处理机对各路信号进行实时处理，并消除小循环信号 中的呼吸波干扰，使病人能在正常呼吸的情况下进行 检测，最后通过微计算机系统实现各路信号的波形显 示与描记、和智能化信号分析与计算及结果的显示与 打印等。本发明的问世，解决了心脏病的早期诊断问 题。

Description

本发明是一种医疗诊断仪，具体地说，它是一种小循环心功能检测仪。

在已有技术中，通常对心脏病的无损伤性检查是采用心电图和X线及超声检查，心电图反映的是心脏的生物电及传导情况，X线及超声检查是从解剖上反映心血管的改变，这些检查均属于大循环检查，也称体循环检查。上述大循环检查是不能早期诊断心脏病的，这是因为人体具有较强的代偿能力，早期出现心衰时，由于体内的代偿作用，不会引起大循环的改变，也就是说心脏的排血量不会马上引起变化，只有心衰达到一定程度时，一般衰竭到70%以上时，才可能引起大循环的变化，此时，大循环检查才会有所体现。所以，大循环方面的心脏检查在某种程度上已失去其检查意义，特别是对于心脏的保健检查几乎是无意义的。迄今为止，心脏病的早期诊断仪仍是一个空白。

本发明的目的是为了填补这一空白，提供一种小循环心功能检测仪，以解决早期诊断心脏病的问题。

小循环也称肺循环，许多心、肺疾病往往主要引起小循环的改变，因而观察小循环的改变情况是早期诊断心脏病有效途径。但是，长期以来，由于临床上缺少小循环无损伤性观察方法及专用设备，使得人们对小循环的情况了解得很少。近几年来发明人之一李希臻医师对肺血图检查法进行了深入研究，已初步形成了一整套基础理论和初步规律性认识的检查方法，为临床观察小循环的波动状态提供了一项新的诊断技术，并且著有专著《临床肺血图》。肺血图检查法是一种无损伤性小循环的观察方法，对于每一心动周期而言，只有血液是随心和血管的舒缩呈现有规律地波动着的容积导电体，而人体内其它组织的导电容量针对一个心动周期而言是相对恒定的，利用这一特性，采用生物电阻抗方法可以从人体外部观察到小循环血液容积波动改变而产生的波形，这一波形是人体胸腔容积内电阻抗值随每一心动周期而变化的曲线图，医学上称之为“肺血图”。肺血图能从心脏的机械效能和小循环血流动力角度反映心血管的功能状态，特别是它能够无损伤地反映肺静脉情况。由于心力衰竭的早期改变是小循环的静脉瘀血，（医学上叫做左心前负荷增加），而这一静脉瘀血首先造成的是小循环血液容量的增加，其次才是血液压力的上升，肺血图检查法是直接反映小循环血液容积改变的方法，所以，本发明将肺血图检查法（即无损伤性小循环的观察方法）作为本仪突破早期诊断心脏病的根本。

根据《临床肺血图》所提供的诊断技术，肺血图的诊断必须同时参照心电图，心音图、颈动脉图、劲静脉图等，它是一个以肺血图为主参照其它有关生理信号图的综合诊断过程。为了实现这一综合诊断过程的自动化，本发明所采取的解决方案是：参见图2，该仪具有一个多路采集放大器，该多路采集放大器至少包括心电信号采集放大支路1、小循环信号（以下称肺血图信号为小循环信号）的采集放大支路5及其小循环信号的微分电路6、心音信号的采集放大支路4、颈动脉信号的采集放大支路2、颈静脉信号的采集放大支路3，在上述各采集放大支路上均接有对应该支路的生理信号采集头7;参见图3，该仪还具有一个对各路生理信号进行时实处理的高速微处理机系统，该系统包括接在采集放大器各生理信号输出端的模拟开关8、接在模拟开关输出端的采样保持器9、对各采样保持器输出的生理信号进行顺序选通的多路选通开关10、对多路选通开关依次输出的各采样信号进行模/数转换的A/D转换器11，对A/D转换器输出的信号进行数据暂存的数据寄存器12，控制采样、多路选通、A/D转换和数据寄存时序的时序电路13，用于发出动作指令使上述电路有序工作、并带有数据存储器14的高速微处理机15;在高速微处理机15中固化了一个采用自适应数字滤波等方法消除呼吸波干扰的子程序，并在所述的高速微处理机系统中有一个为该子程序提供标志信号的心电信号识别电路16;该仪还具有一个能够根据高速微处理机系统所提供的处理数据完成各生理信号波形的实时显示与描记和能完成数据存储、智能化数据分析和处理及结果打印的微计算机系统17，该系统通过一个共享数据储器19与所述的高速微处理机系统连机。

通过上述结构可以看出，本发明实现了上述综合诊断过程的自动化，即实现了多路生理信号的采集、实时处理及波形显示与记录，还实现了对各路信号的智能化分析与处理，同时，它还通过高速微处理机系统在仪器内部消除了小循环信号中的呼吸波干扰，使病人能在正常呼吸的情况下进行检测。

本发明的优越性在于：

第一，本仪的检查效果是任何一台已有的心脏检查仪所不能比拟的。即本仪能在人体心衰不到20%时做出相应的诊断反应，达到了早期诊断心脏病的目的。这主要是本仪采用了肺血图检查法，检查方法的正确直接导致了其检查效果的突破。

第二，本发明除了完成各路信号的波形显示与记录的功能外，它还利用计算机系统增设了对各路信号的谱分析、对小循环信号的环路形成及展开、对某路信号的积分和微分运算等功能。首次较完整、较系统地展现了人体小循环的波动情况，特别是小循环信号环的形成和小循环信号的频谱分析等信号图形都是随着仪器的诞生被首次展现的，它是小循环方面的第一台观察仪，它的问世不仅对心脏病的早期诊断有着重要的意义，同时，也为进一步继续探索小循环方面的问题提供了基本条件。

第三，本仪能在仪器内部消除呼吸波干扰，使被测者能在正常呼吸的情况下进行检测。由于肺血图的测量是基于生物电阻抗原理，因而极易受人体生理干扰的影响，特别是呼吸波的干扰极为严重，使信号产生严重失真，在临床应用时，为了避免这种干扰，不得不让被测者屏气，这对于病人、特别是对心脏病人或孩子是很难配合的，同时，由于屏气的程度不同，既使对于同一个人在不同时间测量的肺血图也是不完全一样的，因此，消除呼吸波干扰是很必要的。本仪能做到这一点，不仅解决了检测中的一个难点，同时还提高了它的检测性能。

下面根据实施例详细说明。

图1，本发明的外形结构示意图。

图2，多路采集放大器原理方框图。

图3，高速微处理器系统和微机计算机系统的原理方框图。

图4，小循环电阻抗信号采集放大支路和小循环微分信号电路图。

图5，小循环电导纳信号采集放大支路的电路图。

图6，心电信号采集放大支路的电路图。

图7，心音信号采集放大支路的电路图。

图8，颈动脉信号采集放大支路的电路图。

图9，颈静脉信号采集放大支路的电路图。

图10，模拟开关的电路图。

图11，采样、多路选通、A/D转换、数据寄存时序电路的结构图。

图12，高速微处理机、数据存储器，共享数据存储器的电原理图。

图13，心电信号识别电路的原理图。

图14，心电信号示意图。

参见图2，小循环信号的采集放大支路5包括电阻抗和导电纳信号两个采集支路，这两个支路共用一个恒流信号源5-1和采样电极7-5，并通过采样调整变换开关5-2进行变换。参见图4，当选择采集小循环电阻抗信号输出时，通过变换开关的变换，使信号源5-1的输出端直接接两个发送电极，两个接收电极则接在采样放大器5-3的输入端，本支路采用四极法采集小循环信号，四个采样电极分别固定在两个电极载片20、21上，每个电极载片上设置一个发送电极和一个接收电极，两电极的间隔为3CM左右，按照检测方法，一个电极载片置于右胸前面右锁骨中线外第二肋骨以下，另一电极载片置于右胸背面肩胛线第八胸椎处，检测时，恒流信号源提供一个安全恒流检测信号通过发送电极加在人体右胸的一侧，接收电极将在人体右胸另一侧接收到的检测信号送至采样放大器5-3进行信号放大，再经过有源检波器5-4的检波，指示放大器5-5、变量放大器5-6、5-7的放大，然后通过输出级22输出小循环电阻抗信号△Z，其中小循环信号的大小可通过指示放大器中的表头或图2中的数字显示器5-14示出。△Z信号的微分信号 (dZ)/(dt) 是通过在变量放大器5-6的输出端取出的阻抗信号经过低通滤波器6-1的滤波，微分器6-2的微分和微分放大器6-3的放大及带阻滤波器6-4的滤波而得到的。

参见图5，当选择采集小循环电导纳信号输出时，通过变换开关的变换，信号源5-1接在自动增益调节级5-11的输入端，发送电极接在恒压输出级5-12的输出端，接收电极接在恒压放大器5-8的输入端，恒压输出级的输出端通过采样电阻R与图4中采样放大器5-3的输入端相接。按照前述的检测方法将电极载片置于人体，检测时，恒流信号源5-1通过自动增益调节级和恒压输出级的变换输出一个恒压安全检测信号，并由发送电极加于人体，接收电极接收到的信号通过恒压放大器5-8的放大、二极管5-9的检波、比较放大器5-10的比较放大，送入自动增益调节级5-11进行放大器增益的自动调节，然后，通过采样电阻输出小循环电导纳信号△Y₁，该信号被送入图4中的采样放大器5-3，经过与电阻抗信号同样的放大处理，在输出级22的输出端输出电导纳信号△Y，在带阻滤器6-4的输出端输出电导纳的微分信号。导纳图技术也是近年来发展起来的，它比阻抗图优越的是可以消除基础阻抗Z_O所形成的误差。本例通过变换开关的变换可使阻抗和导纳支路相互转换，在仪器内实现两种测量信号的选择。

图2中的定标信号源5-13产生一个三角波信号，对每台仪器中的变量放大器5-6的增益进行定标校准以消除出厂前各仪器间的个体差异。

参见图6，采用心电二导联形式采集心电信号，前置放大器1-1的两个输入端均通过一个带屏蔽的导线与导联夹相接，导联夹7-1采集的信号送入前置放大器进行放大，再通过放大器1-2、1-3的再次放大，送入低通滤波器1-4和双T带阻滤波器1-5进行滤波后输出心电信号ECG。

参见图7，心音传感器7-2固定在一个胸部系带上，通过该系带23将传感器置于心脏部位，传感器输出的信号经过前置放大器4-1和放大器4-2的放大，再经高通滤波器4-3、六阶低通滤波器4-4及双T带阻滤波器4-5的滤波，输出心音信号PCG。

参见图8，颈动脉传感器7-2用胶带粘于颈动脉处，传感器输出的信号经过前置放大器2-1的前置放大和放大器2-2的放大，再经过低通滤波器2-3和双T带阻滤波器2-4的滤波，输出颈动脉信号CPT。

参见图9，颈静脉信号CPV的采集与放大与颈动脉的相同，由于颈静脉信号弱，所以多加一级放大器3-3。

上述电路中的传感器7-2、7-3、7-4均采用医用专用传感器。如国防科委航天医学工程研究所提供的JXH-4型有源心音传感器。

上述各采集支路中用集成块CF411接成放大器上接有一个电位器，它的中心抽头接负电源-V_C，用它可进行各支路信号的零线调整。

参见图10，图3中的模拟开关8由两个CD4053器件8-1构成，上述各采集支路输出的生理信号通过多孔插座24送入模拟开关的输入端，并由微机的P_1.4口控制模拟开关的开、闭。

参见图11，图3中各路信号的采样保持器9均由一个限随器9-1、采样保持器9-2和调节级9-3构成，多路选通开关10由器件CD4051构成，A/D转换器11由器件11-1构成，数据寄存器12由器件12-2构成，A/D转换器的时钟电路由晶体振荡器11-2和分频器11-3构成，该电路还同时为时序电路提供时序同步脉冲，时序电路13由同步计数器13-1和可编程阵列13-2及双单稳器件13-3构成，由同步计数器控制多路选通开关的选通顺序，并同时通过可编程阵列预置寄存器地址，由可编程阵列控制A/D转换和数据寄存的时序。

图10、11电路的工作过程如下：工作时，微机15通过P_1.4口打开图10中的模拟开关，各路信号通过跟随器进入采样保持器，然后微机每隔一个采样周期通过P_1.0口送出一个脉冲信号，启动图11中的电路工作一次，每次工作过程如下：微机的P_1.0口输出的采样信号，使器件13-3的2Q端产生一触发脉冲，该信号控制各采样保持器对各路信号进行同时采样并作保持，同时器件13-3的2 Q端产生的另一脉冲送入同步计数器13-1的LOAD端，将该器件置为初态，则该器件的Q_A、Q_B、Q_C端的初值加到多路选通开关10的A、B、C控制端，使其先选择一路信号通过，器件13-3的2 Q端脉冲还和同步计数器的初值一起送入可编程阵列，使其初始化，接着它的F₆端产生一启动A/D器件工作的信号，送入器件11-1的 SC端，则器件11-1对器件10送入的第一路模拟信号进行A/D转换，A/D转换完成后，通过它的 SS端发出完成信号，该信号送入器件13-1的CK端使其作同步计数，则它的Q_A、Q_B、Q_C端产生一新计数值，该计数值控制器件10选择另一路信号送入器件11-1，该完成信号还控制器件13-3的1 Q端输出一脉冲信号与器件13-1的新计数值一起输入器件13-2的I₁、I₂、I₃、I₄端，使其在F₅、F₄、F₃端产生写地址及控制信号，送入数据寄存器12-2的W_A、W_B、G_W端，则A/D器件11-1输出的第一路信号通过电平变换器12-1输入数据寄存器中暂存，接着器件13-2的F₆端又产生一个启动信号，启动器件11-1对另一路信号进行模/数转换，如此重复，直到所有各路信号都转换完并存入数据寄存器后，器件13-2的F₂端向微机的 INT₁口发出中断请求信号，微机及时检知中断请求后，通过P_1.1口送出一个回答信号送入器件13-2的I₅端，以清除F₂端的中断请求信号，接着微机从数据寄存器中取走各路数据存入数据存储器14中，然后再通过P_1.0口送出下一采样周期的触发信号，则图11中的电路再工作一次，如此重复下去，使得各路信号以数字的形式存入数据存储器14中。

参见图12，高速微处理机15采用单片机8051，它的数据地址和控制总线A接图11中的寄存器的数据、地址和控制总线，器件62256是数据存储器14，器件V61C32P是共享数据存储器19，它也称为双口数据存储器，它的一个通讯口与微机15的数据、地址，控制总线相接，另外一个通讯口与图3中微计算机系统17的数据，地址、控制总线相接，从而实现两个系统的连机。

参见图14，图中标示了心电信号的P波和QRS波及T波，该信号各波的命名是医学上通用的命名。图3中所述的心电信号识别电路16主要是对心电信号中的P波和QRS波进行识别，也就是说通过该电路的处理在P波和QRS波的上升沿处产生一个标志脉冲，送入微机15，微机按照该标志脉冲同步识别小循环信号的周期，并按照心动周期对小循环信号作消除吸呼波干扰的处理。

根据人体生理分析和实验表明，小循环信号（即阻抗图、导纳图或其微分图）是随一心动周期变化的肺动脉血波和肺静脉血波的波动状况在同位时相上总的显示，这一血液的波动表现在引起肺脏内血容量的变化，因此，它和心脏电激动是密切相关的，即：有一心脏电激动周期，则必然引起一小循环血流的波动周期;而呼吸波是由肺脏呼吸所引起的胸腔容积变化量的显示，它受人体呼吸规律决定，和心脏电激动周期无关。

根据上述分析和实验可以判定：

第一，小循环血波和呼吸波是互不相关的两个周期信号的线性叠加，小循环血波的周期和心脏电激动周期同步。

第二，小循环血波和呼吸波均是非平稳的周期信号，其非平稳性和周期性是由个体差异和生理病变决定的。

根据上述两点判定，在微机的小循环信号处理程序中先用心电信号对小循环信号的周期进行同步识别，然后本发明主要采用了自适应数字信号滤波的方法按心动周期来消除呼吸波的干扰，消除呼吸波干扰的程序固化在微机15中。

参见图13，心电信号通过微分放大器16-1的微分放大，由二极管16-2对图14中各波的上升沿检波，然后由比较放大器16-3控制各波在一定电平上产生一跳变脉冲，该脉冲触发双单稳器件16-4产生相应脉冲，采用两路是由于电平控制的需要，双单稳器件产生相同状态的两列脉冲经可编程阵列16-5组成序列状态，被送至微机15的P_1.2和P_1.3口，当它完成一个心动周期脉冲序列状态记忆之后，便向微机的 INT₀口发中断请求，微机及时回答，通过P_1.5口送出回答信号以消除F₆端的请求信号，然后微机根据该脉冲序列对小循环信号进行同步识别和上述周期处理，从而消除呼吸波干扰。

再参见图3，微计算机系统17是一个标准的微计算机终端处理系统，17-5是微计算机，17-3是微计算机的操作面板，17-1是显示器，17-7是D/A转换器。描记仪17-4、绘图仪17-6、打印机17-2是选配设备，可由用户自行选配。

本例的系统配置参数如下：

CPU：  80268-12

内存：  1MB

软驱：  360KB+1.2MB

硬盘：  20MB

TVGA图形显示卡、14^＊彩色显示器（1024×768分辩率）

本系统除了完成各路信号的实时波形显示以外，还可进行下述数据处理和分析：

1.信号的频谱分析：可完成对任意所选定某路信号的各种谱分析。

2.积分及微分处理：可完成对指定某一路信号求积分或微分。

3.特征点求取：可对指定信号作峰一峰值、极大值、时差等特征点求值。

4.“小循环”信号的环路形成及处理：按△Z及 (dZ)/(dt) 信号在同位时相上合成一个环形（二维图形），并可对该环形作展开及分析处理。

5.产生小循环诊断报告：可按小循环诊断指标对数据作综合处理，产生诊断报告。

上述分析和处理均可通过显示器或其它输出设备给出结果。

参见图1，图中示出本仪的外形结构。17-1是显示器，17-2是打印机，17-3是操作面板，25是多路采集放大器和高速微处理器，17-5是微计算机，17-4是描记仪。

Claims (1)

1、小循环心功能检测仪，其特征是：

1.1、具有一个多路采集放大器，该多路采集放大器至少包括：

1.1.1、心电信号采集放大支路1，

1.1.2、小循环信号的采集放大支路5及其小循环信号的微分电路6，

1.1.3、心音信号的采集放大支路4，

1.1.4、颈动脉信号的采集放大支路2，

1.1.5、颈静脉信号的采集放大支路3，在上述各采集放大支路上均接有对应该支路的生理信号采集头7；

1.2、具有一个对各路生理信号进行时实处理的高速微处理机系统，该系统包括：

1.2.1、接在采集放大器各生理信号输出端的模拟开关8、

1.2.2、接在各模拟开关输出端的采样保持器9，

1.2.3、对各采样保持器输出的生理信号进行顺序选通的多路选通开关10，

1.2.4、对多路选通开关依次输出的各采样信号进行模/数转换的A/D转换器11，

1.2.5、对A/D转换器输出的信号进行数据暂存的数据寄存器12，

1.2.6、控制采样、多路选通、A/D转换和数据寄存时序的时序电路13，

1.2.7、用于发出动作指令使上述电路有序工作、并带有数据存储器14的高速微处理机15，

1.2.8、在高速微处理机15中固化了一个采用自适应数字滤波等方法消除呼吸波干扰的子程序，并在所述的高速微处理机系统中有一个为该子程序提供标志信号的心电信号识别电路16，

1.3、具有一个能够根据高速微处理机系统所提供的处理数据完成各生理信号波形的实时显示与描记和能完成数据存储、智能化数据分析和处理及结果打印的微计算机系统17，该系统通过一个共享数据储器19与所述的高速微处理机系统连机。

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