CN109965877B - 基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪 - Google Patents

基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，包括主控模块、可编程恒流源、阻抗电极阵列、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器、控制面板、显示屏和电池供电模块；在电池供电模块供电下，主控模块控制可编程恒流源输出所需要频点的激励电流信号，通过阻抗电极阵列中的激励电极施加到人体腹部，宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路将各激励频率对应的电阻抗实部和虚部的模拟值传递给AD转换器进行数模转换，转换后的电阻抗实部和虚部数据传递给缓冲器，主控模块通过组织血流灌注实时动态评估程序计算出组织血流灌注值，并通过显示器显示。本发明能够实现院前休克患者组织血流灌注的实时动态监护。

Description

基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪
技术领域
本发明属于院前急救抗休克技术领域，具体涉及一种基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪。
背景技术
失血性休克的早期死亡率高达40％-50％，病人死亡的原因往往是组织低灌注等因素导致的多器官功能障碍综合症。在临床上，往往把神志改善、血压升高、心律降低和尿量增加作为判定失血性休克复苏效果好的判据。然而高达50％-85％的失血性休克患者在达到上述复苏目标后仍然处于组织低灌注状态，该状态的持续是导致患者死亡的关键因素，组织的血流灌注已为评估休克程度的关键指标。如果能在休克的早期复苏中(院前环境下)实时监测患者的组织血流灌注状况，将给复苏策略的动态调整提供依据和指导，那么就能获得高质量的抗休克复苏效果。
目前院内能用于组织血流灌注监测的设备如CT灌注成像、激光多普勒血流仪和超声多普勒血流仪等因体积大、功耗大，而无法用于院前。研究中的组织血流灌注监测技术有近红外光谱技术、扩散相关光谱和扩散反射光谱技术、激光散斑成像等，但这些光谱设备对测量环境的稳定性要求较高，校准程序繁琐，甚至需要激光直接测量和其它参数间接监测比对才能评估组织的血流灌注(如CN 109124616A)，不适于院前恶劣环境下快速评估休克患者组织血流灌注的需求。由于胃肠等消化系统是休克缺氧最早累及的器官，也是复苏后最后恢复的器官，腹部的组织血流灌注在休克的全程中都有变化，这一变化势必导致腹部电阻抗频谱参数的变化，所以能够利用腹部的电阻抗频谱参数来监护休克患者组织血流灌注的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，以实现院前休克患者组织血流灌注的实时动态监护。
本发明所述的一种基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，包括主控模块、可编程恒流源、阻抗电极阵列、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器、控制面板、显示屏和电池供电模块，主控模块分别与可编程恒流源、缓存器、控制面板和显示屏连接，可编程恒流源和宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路分别与阻抗电极阵列连接，AD转换器分别与宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路和缓存器连接；
在电池供电模块供电下，主控模块控制可编程恒流源输出所需要频点的激励电流信号，通过阻抗电极阵列中的激励电极施加到人体腹部，宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路将各激励频率对应的电阻抗实部和虚部的模拟值传递给AD转换器进行数模转换，转换后的电阻抗实部和虚部数据传递给缓冲器，主控模块读取缓冲器中的各个频点的电阻抗实部和虚部数据，计算出组织血流灌注值，并通过所述显示屏显示。
进一步，所述主控模块通过设置在其内的组织血流灌注实时动态评估程序计算出组织血流灌注值，具体为：
首先建立存储数据的空白数组，然后读取缓存器中的某个频点的电阻抗数据，判断是否为新采集到的数据，如果不是新数据，则继续读缓存器中的电阻抗数据，如果是新数据，则将数据存储于主控模块的数组1，判断包含K个频点的一组电阻抗频谱数据是否采集完成，如没有采集完，则继续读缓存器中的电阻抗数据，如果一组电阻抗频谱数据已经采集完成，则将电阻抗频谱数据中的实部数据作为横坐标，将电阻抗频谱数据中的虚部数据作为纵坐标，按照最小二乘法拟合Cole-Cole圆弧，该Cole-Cole圆弧与横坐标有两个交点，横坐标较大的那个交点的横坐标值为电阻抗频谱参数直流电阻抗R0，将R0作为自变量x带入关系式(1)得到估算的组织血流灌注值，并将此组织血流灌注值存入数组2，然后控制显示器显示组织血流灌注值，判断数组2是否已满，若否，则继续从缓存器中读取电阻抗数据并运行后面的流程，若数组2已满，则判断有无结束指令，若有结束指令，则结束流程进入低功耗待机状态，若无结束指令，则继续读取缓存器中的电阻抗数据并运行后面的流程；
所述关系式(1)为y＝106e-0.002x,其中x为电阻抗频谱参数直流电阻抗R0，y为估算的组织血流灌注值。
进一步，所述K为100；
所述数组1是一个二维数组a[3][100],其中a[0]存放100个频率值，a[1]存放100个电阻抗实部，a[2]存放100个电阻抗虚部；
所述数组2是一个一维数组b[1800],用于存放每秒计算出的组织血流灌注值，总共可放30分钟的数据。
进一步，所述阻抗电极阵列包括四个电阻抗测量电极；
监测时，将四个电阻抗测量电极的中心沿着腹部冠状面与人体表面相交且高于肚脐中心5cm的曲线间隔布置，且内侧两个电阻抗测量电极和外侧两个电阻抗测量电极均关于人体正中矢状面对称；
其中：位于内侧的两个电阻抗测量电极分别与宽频带腹部电阻抗频谱数据采集电路连接，位于外侧的两个电阻抗测量电极分别与可编程恒流源连接。
进一步，相邻两个电阻抗测量电极的中心间距为3cm。
进一步，所述可编程恒流源包括程控时钟发生器、MCU主控接口、FPGA、16位高速DAC、平滑滤波和电压/电流转换，所述FPGA包括时钟控制接口、MCU接口、512进制计数器、16位ROM和DAC幅度及漂移控制，所述程控时钟发生器分别与512进制计数器和时钟控制接口连接，MCU主控接口与MCU接口连接，MCU接口分别与时钟控制接口、DAC幅度及漂移控制和16位ROM连接，512进制计数器与16位ROM连接，16位ROM与16位高速DAC连接，DAC幅度及偏移控制与16位高速DAC中的DAC控制接口连接，16位高速DAC与平滑滤波连接，平滑滤波与电压/电流转换连接；
在主控模块的控制下，FPGA中的时钟控制接口设置好时钟的频率，所产生的时钟信号被送往512进制计数器，计数结果作为寻址信号被送往16位ROM，从而使16位ROM周期性地输出512个数字量，并依次送往16位高速DAC，再经平滑滤波后便可合成正弦波信号，经电压/电流转换器形成激励电流信号，经阻抗电极阵列外侧两个电极流经被测对象的腹部。
进一步，所述显示屏采用点阵式液晶显示屏，在主控模块的控制下显示组织血流灌注值及其在30分钟内每分钟组织血流灌注值平均值的变化曲线。
进一步，所述电池供电模块用于输出9V直流电压，经过电压调整模块调整出主控模块、可编程恒流源、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器和显示屏正常工作所需的直流电压。
本发明具有以下优点：它能够实现稳定地评估人体腹部组织的血流灌注及其变化趋势的功能，以实现院前休克患者组织血流灌注的实时动态监护。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中可编程恒流源的结构组成图；
图3为本发明中组织血流灌注实时动态评估程序的流程图；
图4为本发明中阻抗电极阵列的布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，包括主控模块、可编程恒流源、阻抗电极阵列、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器、控制面板、显示屏和电池供电模块，主控模块分别与可编程恒流源、缓存器、控制面板和显示屏连接，可编程恒流源和宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路分别与阻抗电极阵列连接，AD转换器分别与宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路和缓存器连接。在电池供电模块供电下，主控模块控制可编程恒流源输出所需要频点的激励电流信号，通过阻抗电极阵列中的激励电极施加给人体腹部，宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路将各激励频率对应的电阻抗实部和虚部模拟值传递给AD转换器进行数模转换，转换后的电阻抗实部和虚部数据传递给缓冲器，主控模块通过组织血流灌注实时动态评估程序计算出组织血流灌注值，并通过显示屏显示该组织血流灌注值及其动态刷新值，并以曲线的形式展示一段时间内组织血流灌注值的动态发展。本发明能够实现稳定地评估人体腹部组织的血流灌注及其变化趋势的功能。
本实施例中，电池供电模块采用6节7#电池串联输出9V直流电压，经过电压调整模块调整出主控模块、可编程恒流源、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器和显示屏正常工作所需的直流电压，如±9V，±5V和3.3V。
如图4所示，本实施例中，阻抗电极阵列采用四个成人型摁扣式心电电极片作为电阻抗测量电极。监测时，将四个电阻抗测量电极2的中心沿着腹部冠状面与人体表面相交且高于肚脐3中心5cm的曲线1间隔布置，相邻两个电阻抗测量电极的中心间距均为3cm；位于内侧的两个电阻抗测量电极2和位于外侧的两个电阻抗测量电极2均关于人体正中矢状面对称。使用前，将四个电阻抗测量电极中最外侧两个电阻抗测量电极连接可编程恒流源的电流输入和输出，四个电阻抗测量电极的内侧两个电极连接宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路。
本实施例中，主控模块以低功耗单片机STM32L151为核心的最小系统为硬件，其上运行控制程序，控制可编程恒流源输出所需要频点的激励电流信号，读取缓冲器中的各个频点的电阻抗实部和虚部数据，并运行组织血流灌注实时动态评估程序，按照一定的频率控制和刷新显示屏的显示内容。
本实施例中，如图2所示，可编程恒流源基于数字合成技术，其包括程控时钟发生器、MCU主控接口、FPGA、16位高速DAC、平滑滤波和电压/电流转换，所述FPGA包括时钟控制接口、MCU接口、512进制计数器、16位ROM和DAC幅度及漂移控制，所述程控时钟发生器分别与512进制计数器和时钟控制接口连接，MCU主控接口与MCU接口连接，MCU接口分别与时钟控制接口、DAC幅度及漂移控制和16位ROM连接，512进制计数器与16位ROM连接，16位ROM与16位高速DAC连接，DAC幅度及偏移控制与16位高速DAC中的DAC控制接口连接，16位高速DAC与平滑滤波连接，平滑滤波与电压/电流转换连接。在主控模块的控制下，FPGA中的时钟控制接口设置好时钟的频率，所产生的时钟信号被送往512进制计数器，计数结果作为寻址信号被送往16位ROM，从而使16位ROM周期性地输出512个数字量，并依次送往16位高速DAC，再经平滑滤波后便可合成正弦波信号，经电压/电流转换器形成激励电流信号，经阻抗电极阵列外侧两个电极流经被测对象的腹部。
本实施例中，512个数字量为对一个周期正弦信号的512点等间隔采样值。
本实施例中，所需要的频点是指1kHz-1MHz频率范围内100个等间隔的频点；
本实施例中，组织血流灌注实时动态评估程序，先建立存储数据的空白数组，然后读取缓存器中的某个频点的电阻抗数据，判断是否为新采集到的数据，如果不是新数据，则继续读缓存器，如果是新数据，则将数据存储于主控模块的数组1，判断包含K(以100为例)个频点的一组电阻抗频谱数据是否采集完成，如没有采集完，则继续读缓存器中的电阻抗数据，如果一组电阻抗频谱数据已经采集完成，则将电阻抗频谱数据中的实部数据作为横坐标，将电阻抗频谱数据中的虚部数据作为纵坐标，按照最小二乘法拟合Cole-Cole圆弧，该Cole-Cole圆弧与横坐标有两个交点，横坐标较大的那个交点的横坐标值为电阻抗频谱参数直流电阻抗R0，将R0作为自变量x带入关系式(1)得到估算的腹部的组织血流灌注值，并将最新的组织血流灌注值存入数组2，然后控制显示器显示组织血流灌注值(每秒钟刷新1次)，并将最近1分钟内的组织血流灌注值的平均值显示在组织血流灌注值变化曲线的最前端，判断数组2是否已满，若否，则继续从缓存器中读取电阻抗数据并运行后面的流程，若数组2已满，则判断有无结束指令，若有结束指令，则结束流程进入低功耗待机状态，若无结束指令，则继续读取缓存器中的电阻抗数据并运行后面的流程，程序的流程图见图3。
关系式(1)是y＝106e-0.002x,其中x为电阻抗频谱参数直流电阻抗R0，y为估算的腹部组织血流灌注值，e是自然对数的底数。
数组1是一个二维数组a[3][100],其中a[0]存放100个频率值，a[1]存放100个电阻抗实部，a[2]存放100个电阻抗虚部。
数组2是一个一维数组b[1800],用于存放每秒计算出的组织血流灌注值，总共可放30分钟的数据。
本实施例中，显示屏是点阵式液晶显示屏，在主控模块的控制下显示组织血流灌注值及其在30分钟内每分钟组织血流灌注值平均值的变化曲线。
本实施例中，宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路是利用基于AD5933的复阻抗测量电路(Analog Device Inc.,ADI)将测到的电压值转换成相应电阻抗的实部和虚部。
本实施例中，AD转换器采用16位ADC芯片MAX11046将测得的各个频点的电阻抗的实部和虚部的模拟量进行数模转换后变成数字量，然后传递给缓冲器。
本实施例中，缓冲器是单片机STM32L151内的RAM存储器。

Claims (7)

1.一种基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：包括主控模块、可编程恒流源、阻抗电极阵列、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器、控制面板、显示屏和电池供电模块，主控模块分别与可编程恒流源、缓存器、控制面板和显示屏连接，可编程恒流源和宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路分别与阻抗电极阵列连接，AD转换器分别与宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路和缓存器连接；
在电池供电模块供电下，主控模块控制可编程恒流源输出所需要频点的激励电流信号，通过阻抗电极阵列中的激励电极施加到人体腹部，宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路将各激励频率对应的电阻抗实部和虚部的模拟值传递给AD转换器进行数模转换，转换后的电阻抗实部和虚部数据传递给缓冲器，主控模块读取缓冲器中的各个频点的电阻抗实部和虚部数据，计算出组织血流灌注值，并通过显示屏显示；
所述主控模块通过设置在其内的组织血流灌注实时动态评估程序计算出组织血流灌注值，具体为：
首先建立存储数据的空白数组，然后读取缓存器中的某个频点的电阻抗数据，判断是否为新采集到的数据，如果不是新数据，则继续读缓存器中的电阻抗数据，如果是新数据，则将数据存储于主控模块的数组1，判断包含K个频点的一组电阻抗频谱数据是否采集完成，如没有采集完，则继续读缓存器中的电阻抗数据，如果一组电阻抗频谱数据已经采集完成，则将电阻抗频谱数据中的实部数据作为横坐标，将电阻抗频谱数据中的虚部数据作为纵坐标，按照最小二乘法拟合Cole-Cole圆弧，该Cole-Cole圆弧与横坐标有两个交点，横坐标较大的那个交点的横坐标值为电阻抗频谱参数直流电阻抗R0，将R0作为自变量x带入关系式(1)得到估算的组织血流灌注值，并将此组织血流灌注值存入数组2，然后控制显示器显示组织血流灌注值，判断数组2是否已满，若否，则继续从缓存器中读取电阻抗数据并运行后面的流程，若数组2已满，则判断有无结束指令，若有结束指令，则结束流程进入低功耗待机状态，若无结束指令，则继续读取缓存器中的电阻抗数据并运行后面的流程；
所述关系式(1)为y＝106e-0.002x，其中x为电阻抗频谱参数直流电阻抗R0，y为估算的组织血流灌注值。
2.根据权利要求1所述的基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：所述K为100；
所述数组1是一个二维数组a[3][100],其中a[0]存放100个频率值，a[1]存放100个电阻抗实部，a[2]存放100个电阻抗虚部；
所述数组2是一个一维数组b[1800],用于存放每秒计算出的组织血流灌注值，总共可放30分钟的数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：所述阻抗电极阵列包括四个电阻抗测量电极；
监测时，将四个电阻抗测量电极(2)的中心沿着腹部冠状面与人体表面相交且高于肚脐(3)中心5cm的曲线(1)间隔布置，且内侧两个电阻抗测量电极(2)和外侧两个电阻抗测量电极(2)均关于人体正中矢状面对称；
其中：位于内侧的两个电阻抗测量电极分别与宽频带腹部电阻抗频谱数据采集电路连接，位于外侧的两个电阻抗测量电极分别与可编程恒流源连接。
4.根据权利要求3所述的基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：相邻两个电阻抗测量电极(2)的中心间距为3cm。
5.根据权利要求1或2或4所述的基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：所述可编程恒流源包括程控时钟发生器、MCU主控接口、FPGA、16位高速DAC、平滑滤波和电压/电流转换，所述FPGA包括时钟控制接口、MCU接口、512进制计数器、16位ROM和DAC幅度及漂移控制，所述程控时钟发生器分别与512进制计数器和时钟控制接口连接，MCU主控接口与MCU接口连接，MCU接口分别与时钟控制接口、DAC幅度及漂移控制和16位ROM连接，512进制计数器与16位ROM连接，16位ROM与16位高速DAC连接，DAC幅度及偏移控制与16位高速DAC中的DAC控制接口连接，16位高速DAC与平滑滤波连接，平滑滤波与电压/电流转换连接；
在主控模块的控制下，FPGA中的时钟控制接口设置好时钟的频率，所产生的时钟信号被送往512进制计数器，计数结果作为寻址信号被送往16位ROM，从而使16位ROM周期性地输出512个数字量，并依次送往16位高速DAC，再经平滑滤波后便可合成正弦波信号，经电压/电流转换器形成激励电流信号，经阻抗电极阵列外侧两个电极流经被测对象的腹部。
6.根据权利要求5所述的基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：所述显示屏采用点阵式液晶显示屏，在主控模块的控制下显示组织血流灌注值及其在30分钟内每分钟组织血流灌注值平均值的变化曲线。
7.根据权利要求1或2或4或6所述的基于腹部电阻抗频谱参数的便携式组织血流灌注监护仪，其特征在于：所述电池供电模块用于输出9V直流电压，经过电压调整模块调整出主控模块、可编程恒流源、宽频段腹部电阻抗频谱数据采集电路、AD转换器、缓存器和显示屏正常工作所需的直流电压。
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