CN1086987A - 医用阻抗、导纳图呼吸波消除仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种与血波生理信号记录仪配用的呼 吸波消除仪。该仪具有一个对多路生理信号进行实 时数字化处理的高速微处理机系统和一个能完成各 生理信号的波形实时显示、信号分析和特征值计算及 结果打印的单板机终端微处理系统。该仪的高速微 处理机系统将阻抗图或导纳图仪输出的模拟信号转 换成数字信号，再用心电信号的周期对该信号的周期 进行同步识别，最后用自适应数字滤波的方法按心动 周期来消除该信号中的呼吸波干扰。

Description

本发明是一种与医用血波生理信号记录仪配用的呼吸波消除仪。

电阻抗图或电导纳图在医学上称为“血流图”，它是利用生物电阻抗或电导纳检查法描记被检区域内综合血液容积的波动状态。由于血流图技术可以无损伤性地观察到人体内部血液循环的波动状态，又具有简便、可反复进行的优点，因此，近年来，它的临床应用得到重视和发展，并形成了若干分支，比如：用此种方法观察脑循环血液波动状态的称为“脑血图”，观察小循环（也称肺循环）血液波动状态的称为“肺血图”。特别是肺血图，近年来逐步得到认识和应用，因为它能够从心脏机械效能和小循环血流动力角度反映心血管的功能状态，是早期诊断心脏病的有效途径。随着血流图技术的发展的血流图仪也就应该随之完善和发展。已有的血流图仪，也称血波生理信号记录仪，它们的测量由于是基于生物电阻抗原理，因而极易受人体生理干扰的影响，特别是测量肺血图时呼吸波的影响极为严重，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血流图也是不完全一样的，因此，消除呼吸波干扰，使人体在自由呼吸的状态下测量血流图具有重要的临床意义。

本发明的目的是针对上述情况提供一种医用阻抗、导纳图呼吸波消除仪与各种血流图仪配用，从而消除血波信号中的呼吸波干扰，使被测者在正常呼吸的情况下进行检测。

根据人体生理分析和实验表明，血波信号是随一心动周期变化的动脉血波和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被测区域内血容量的变化，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，则必然引起一个血波的波动周期;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，血波信号的周期和心脏电激动周期同步。

第二，血波信号和呼吸波是互不相关的两个周期信号的线性叠加。

第三，血波信号和呼吸波均是非平稳的周期信号，其非平稳性和周期性由个体差异和生理病变决定。

根据上述三点分析，本发明采用以下方案来实现本发明的目的：根据第一点判定，利用心电信号对血波信号的波动周期进行同步识别，根据第二点判定，用数字滤波的方法把呼吸波干扰与血波信号分离开，得到满足一定信噪比的血波信号，根据第三点判定，所选用的滤波方法必须适应血波信号的非平稳性，才能有效地抑制呼吸波干扰。本发明具体方案是：参见图2，它具有一个对血波信号，心电信号及其它生理信号进行实时数字化处理的高速微处理系统，该系统包括：接收血波信号，心电信号及其它生理信号输入的模拟开关8，接在各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，该系统还具有一个数据存储器14用于存储各路生理信号的A/D转换结果，一个为消除呼吸波干扰提供同步处理信号的心电信号识别电路16，该系统还具有一个高速微处理机15用于完成发出动作指令，使上述各单元电路有序地工作，即完成对各路信号的周期性采样，并对每次的采样结果进行依次选通、A/D转换及暂存，当每次采样周期结束后，将暂存在寄存器12中的A/D转换结果存入数据存储器中，高速微处理机15还将按照心电信号识别电路6所提供的同步处理信号对血波信号的周期进行同步识别，并将每个周期的血波数据进行实时处理，消除呼吸波干扰，即由消除呼吸波的子程序控制，对每个周期的血波数据进行频谱分析，并按照每个周期的特征频率确定数字滤波器的参数，然后进行血波数据的数字滤波，该仪还具有一个单板机终端处理系统，该系统通过一个共享数据存储器19与所述的高速微处理机系统联机，并通过键盘控制对高速微处理机系统15所提供的A/D转换数据进行多种处理，所作的数据处理包括如下：完成对任意所选定某路信号的各种谱分析，完成对指定某一路信号求微分或积分，完成指定信号的特征点求值，完成小循环信号的环路形成及分析处理，产生小循环诊断报告，完成各路信号波形的实时显示。

本发明的优越性在于：

1.采用同步识别和自适应数字滤波的方法利用计算机软件解决了这一非平稳信号的滤波问题，每个波动周期的滤波参数由频谱分析结果而决定，从而保证了滤波的准确性，有效地分离出由不同个体和不同病变体所给出的血波信号，较好地消除了呼吸波的干扰。这一功能的实现，解决了血流图仪在检测过程中的难题，提高了血流图的准确性，对血流图的临床诊断具有重要的意义。

2.本仪对各路信号进行了数字化处理，因而可方便地利用计算机软件技术对用户提出的要求实现对血波数据或其它生理数据的各种分析与计算，并使仪器的现代化程度提高。

3.本仪软件的应用，特别是消除呼吸波干扰软件的应用，大大简化了仪器的硬件结构，并使检测性能提高。

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，本发明的方框图。

图3，模拟开关的电路图。

图4，采样、多路选通、A/D转换、数据寄存时序电路的结构图。

图5，高速微处理机、数据存储器，共享数据存储器的电原理图。

图6，心电信号识别电路的原理图。

图7，心电信号示意图。

参见图3，本例的模拟开关8由两个CD4053器件8-1构成，它可以接纳六路模拟信号的输入，这些信号通过多孔插座5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，在只要求观察血流图波形的情况下，应同时输入心电和血波两路模拟信号，若还要求同时观察其它生理信号，可通过另外四路备用输入口输入相应的模拟信号。

参见图4，各路信号的采样保持器均由一个限随器9-1、采样保持器9-2和调节级9-3构成，多路选通开关由器件10构成，A/D转换由器件11-1构成，数据寄存器由器件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3、4电路的工作过程如下：工作时，微机15通过P_1.4口打开图3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4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2Q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2Q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模/数转换，模/数转换完成后，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1Q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4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5，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4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2中单板机系统4的数据，地址、控制总线相接，从而实现两个系统的联机。

参见图7，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血波信号的周期，并按照心动周期对血波信号作消除吸呼波干扰的处理。

参见图6，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7中各波的上升沿作检波，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16-4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血波信号进行同步识别。

微机15中消除呼吸波的子程序所采用的消除方法主要是自适应数字滤波法。该方法是按照血波信号的基础频谱建立低通，多带通数字滤波器。在实时处理时，首先对每个血波周期的血波数据进行频谱分析，然后选出特征频率来确定低通，多带通数字滤波器的参数，再进行数字滤波。上述滤波可去除稳定的低频波项，也就是基本消除呼吸波。为了使血波数据进一步满足一定的信噪比，还可以采用另外一些数据处理的措施，如每隔二、三个血波周期，采用线性方法或二次曲线方法及抗干扰分析方法消除血波数据中的趋势项和随机干扰项。

再参见图2，系统4是一个标准的单板机微终端处理系统，该系统配有键盘3，显示板1，打印机2和各路信号的D/A转换输出口，在该输出口处可以配有记录仪，显示板，打印机和记录仪均属输出设备，记录仪完成各路波形的描记，按照键盘操作的要求在显示器上可以进行各路波形的实时显示和某路波形的信号分析和特征值计算。如果需要，该系统还可以设置一个共享存储器6，以便和更大型的微计算机联机。本系统目前可以完成如下功能：

1、完成对任意所选定某路信号的各种谱分析;

2、完成对指定某一路信号求微分或积分;

3、完成指定信号的特征点求值：即可对指定信号作峰-峰值、极大值、时差等特征点求值;

4、完成小循环信号的环路形成及分析处理：可按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;

6、完成各路信号波形的实时显示。

由于本系统采用软件编程，所以还可以根据用户要求在不改变硬件的情况下增加新的数据处理功能。

参见图1，图2中的显示板1和键盘3安装在外壳上，2是打印机，5是信号输入插座，7是D/A转换输出口。

Claims (1)

1、医用阻抗、导纳图呼吸波消除仪，其特征是：

1.1、具有一个对血波信号、心电信号及其它生理信号进行实时数字化处理的高速微处理系统，该系统包括：

1.1.1、接收血波信号、心电信号及其它生理信号输入的模拟开关8，

1.1.2、接在各模拟开关输出端的采样保持器9，

1.1.3、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，

1.1.4、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，

1.1.5、对A/D转换器输出的信号进行数据暂存的数据寄存器12，

1.1.6、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，

1.1.7、具有一个数据存储器14用于存储各路生理信号的A/D转换结果，

1.1.8、一个为消除呼吸波干扰提供同步处理信号的心电信号识别电路16，

1.1.9、具有一个高速微处理机15，用于完成：

1.1.9.1、发出动作指令，使上述各单元电路有序地工作，即完成对各路信号的周期性采样，并对每次的采样结果进行依次选通、A/D转换及暂存，当每次采样周期结束后，将暂存在寄存器12中的A/D转换结果存入数据存储器中，

1.1.9.2、按照心电信号识别电路6所提供的同步处理信号对血波信号的周期进行同步识别，并将每个周期的血波数据进行实时处理，消除呼吸波干扰，即由消除呼吸波的子程序控制，对每个周期的血波数据进行频谱分析，并按照每个周期的特征频率确定数字滤波器的参数，然后进行血波数据的数字滤波。

1.2、具有一个单板机终端处理系统，该系统通过一个共享数据存储器19与所述的高速微处理机系统联机，并通过键盘控制对高速微处理机系统15所提供的A/D转换数据进行多种处理，所作的数据处理包括如下：

1.2.1、完成对任意所选定某路信号的各种谱分析，

1.2.2、完成对指定某一路信号求微分或积分，

1.2.3、完成指定信号的特征点求值，

1.2.4、完成小循环信号的环路形成及分析处理，

1.2.5、产生小循环诊断报告，

1.2.6、完成各路信号波形的实时显示。

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