CN110448748B - 一种主动脉内球囊反搏系统及其控制方法 - Google Patents

一种主动脉内球囊反搏系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于体内反搏技术领域，特别是一种主动脉内球囊反搏系统及其控制方法，所述的控制方法包括：(1)异常心电模型搭建；(2)通过测试待治疗患者的多路生理信号，根据步骤(1)中模型得出待治疗患者的心电信号分类；(3)根据待治疗患者的心电信号分类，采用对应的反搏控制方法；本发明提供的主动脉内球囊反搏系统的控制方法，通过测试患者的12导联心电信号并将其输入模型，得出模型预测的概率最大的心电信号类型分类，并进一步通过分类后的心电信号类型，使算法在对应的波形上找对应的特征点来进行针对性的分类治疗，通过上述控制方法，实现了主动脉内球囊更为精准的反搏治疗，达到了更好的治疗效果。

Description

一种主动脉内球囊反搏系统及其控制方法
技术领域
本发明属于体内反搏技术领域，特别是一种主动脉内球囊反搏系统及其控制方法。
背景技术
主动脉内球囊反搏泵是在动脉内放置一条特制的球囊导管，通过电子与气源系统控制，令球囊在心脏舒张期充气、收缩期排气，使得主动脉内舒张压升高，收缩压下降，从而达到增加冠状动脉供血和减轻心脏后负荷的目的。主动脉内球囊反搏泵是目前临床最为常用的左室机械辅助设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动脉内球囊反搏系统的控制方法，提高主动脉内球囊反搏系统的治疗效果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种主动脉内球囊反搏系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)异常心电模型搭建
(1.1)通过大数据对心电信号进行分类，分别为正常、心房颤动、房室阻滞、传导阻滞、房性早搏、室性早搏、心动过速、窦性心律不齐和室颤共计9类；
(1.2)对于每个12导联记录得到12个针对每个导联的深度学习模型以及相应的人工特征，使用12个网络得到12组-9类别Softmax概率，取前8个概率得到96个数值作为特征，每个12导联记录至少持续24s数据；
根据参数设定，采样熵最终有两个返回值，得出人工特征数量为11个，进而得到107维特征；
(1.3)基于上述特征组合，训练XGBoost模型，融合上述信息，得到最终模型；
(2)通过测试待治疗患者的多路生理信号，根据步骤(1)中模型得出待治疗患者的心电信号分类；
(3)根据待治疗患者的心电信号分类，采用对应的反搏控制方法：
对于正常的心电波形，在前一个P-QRS-T波群的T波充气，在下一个P-QRS-T波群的P波放气；
对于心房颤动，在T波充气，R波实时放气；
对于房室阻滞，以QRS波群为参考点，心电周期以QRS-QRS计算，充气点为心动周期的百分比来计算，放气点以R点计算；
对于传导阻滞，检测RR间期是否呈现周而复始的逐渐缩短和延长，同时将P波识别作为参考，相应调节充放气时间；对于左右束肢传导阻滞，将对V1、V2波形下的识别R的窗口宽度增大，能有效识别顶峰切迹，降低充放气指令被干扰风险；
对于房性早搏，以畸形的QRS波群计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，P波放气；
对于室性早搏，若P波可见，P波充气，T波放气，否则以ST端计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，R波放气；
对于心动过速，以QRS波群计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，R波实时放气；
对于窦性心律不齐，以QRS波群为参考点，心电周期以QRS-QRS计算，充气点以心动周期的百分比来计算，P波放气；
对于室颤，若能检测到规律的颤动波，以颤动波的百分比进行充放气，否则使用固定频率触发，固定频率为80-140次/分钟。
本发明还提供了一种主动脉内球囊反搏系统，采用上述控制方法进行控制。
本发明中所述的主动脉内球囊反搏系统包括：
机架，
集成气路模块，设置在所述机架上；
多核异构核心模块AM5728，设置在所述机架上；
人体心电采集模块，其与所述的多核异构核心模块AM5728通信连接，用于采集待治疗患者的心电信号；
ADC信号采集模块，其与所述的多核异构核心模块AM5728通信连接，用于采集人体动脉血压、球囊大小信息、球囊压力波形、监护仪输入心电和监护仪输入动脉血压信息；
球囊模块，其通过微创手术置入待治疗患者的主动脉内，所述的集成气路模块与所述球囊模块相连并对其进行充气或放气动作；
气路电机控制模块，其与所述的多核异构核心模块AM5728通信连接，用于向所述的集成气路模块发送控制信号，对所述球囊模块充气或放气。
优选的，所述的ADC信号采集模块包括人体主动脉压力采集模块，监护仪心电信号采集模块，监护仪动脉压力采集接口，球囊压力采集模块，安全参数采集模块。
优选的，所述的机架包括底板及设置在所述底板上的钣金框架，所述钣金框架的上端设有顶板，所述的顶板上设有显示器与键盘；
所述顶板的四周边缘向下延伸至底板所在面以形成外壳，外壳、顶板和底板围合成一容置空间。
优选的，所述底板的下侧设有万向轮。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明提供的主动脉内球囊反搏系统的控制方法，通过测试患者的12导联心电信号并将其输入模型，得出模型预测的概率最大的心电信号类型分类，并进一步通过分类后的心电信号类型，使算法在对应的波形上找对应的特征点来进行针对性的分类治疗。通过上述控制方法，实现了主动脉内球囊更为精准的反搏治疗，达到了更好的治疗效果；
2、本发明提供的主动脉内球囊反搏系统的控制方法，通过深度学习对大数据异常心电信号的精准分类，为心衰患者提供了个性化、差异化的治疗；在具体的治疗过程中，通过采用高精度并口同步信号采集，同步性好，系统响应时间1ms以内，实时性强，治疗效果更佳。
附图说明
图1为本发明提供的一种主动脉内球囊反搏系统的结构示意图；
图2为图1中反搏系统在另一视角的结构示意图；
图3为图1中反搏系统加装外壳后的示意图；
图4为本发明提供的主动脉内球囊反搏系统的控制系统示意图；
图5为本发明提供最终模型的结构示意图；
图6为1:2模式的下反馈，没有反搏的动脉压波形与有反搏的动脉压波形的示意图；
图7为球囊模块充气作用下充气恰好时的动脉压波形示意图；
图8为充气过早时的动脉压波形图；
图9为充气过迟时的动脉压波形图；
图10为放气过早时的动脉压波形图；
图11为放气过迟时的动脉压波形图；
图12为多核异构核心模块AM5728的逻辑示意图；
图13为通过反馈调整动脉压波形到合适位置的示意图；
图中标号说明：10-机架，101-底板，102-钣金框架，103-顶板，104-外壳，105-万向轮，20-集成气路模块，30-多核异构核心模块AM5728，40-人体心电采集模块，50-ADC信号采集模块，60-气路电机控制模块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本发明。
结合图1、2、3所示为本发明提供的一种主动脉内球囊反搏系统，其包括机架10、集成气路模块20、多核异构核心模块AM5728 30、人体心电采集模块40、ADC信号采集模块50、球囊模块和气路电机控制模块60；
所述的集成气路模块20设置在所述机架10上，
所述的多核异构核心模块AM5728 30设置在所述机架10上；
所述的人体心电采集模块40与所述的多核异构核心模块AM5728 30通信连接，用于采集待治疗患者的心电信号；
所述的ADC信号采集模块50与所述的多核异构核心模块AM5728 30通信连接，用于采集人体动脉血压、球囊大小信息、球囊压力波形、监护仪输入心电和监护仪输入动脉血压信息；
所述的球囊模块通过微创手术置入待治疗患者的主动脉内，所述的集成气路模块20与所述球囊模块相连并对其进行充气或放气动作；
所述气路电机控制模块60与所述的多核异构核心模块AM5728 30通信连接，用于向所述的集成气路模块20发送控制信号，对所述球囊模块充气或放气。
具体的，所述的ADC信号采集模块50包括人体主动脉压力采集模块，监护仪心电信号采集模块，监护仪动脉压力采集接口，球囊压力采集模块，安全参数采集模块。
进一步的，本发明中，所述的机架10包括底板101及设置在所述底板101上的钣金框架102，所述钣金框架102的上端设有顶板103，所述的顶板103上设有显示器与键盘；所述顶板103的四周边缘向下延伸至底板101所在面以形成外壳104，外壳104、顶板103和底板101围合成一容置空间。
所述的多核异构核心模块AM5728 30、人体心电采集模块40、ADC信号采集模块50和气路电机控制模块60均固定安装在所述钣金框架102上。
进一步的，为了方便移动该主动脉内球囊反搏系统，所述底板101的下侧设有万向轮105。
具体的，结合图4所示为上述主动脉内球囊反搏系统的控制系统示意图；所述的多核异构核心模块AM5728 30通过多路信号并行同步采集的方式同步采集人体主动脉压力、人体心电信号、监护仪心电信号、监护仪动脉压力信号和球囊压力，确保了控制系统的同步性好，响应时间快；
多核异构核心模块AM5728 30通过命令控制气路电机控制模块对置入待治疗患者主动脉内的球囊进行充放气动作；在此过程中，多核异构核心模块AM5728 30实时监控安全参数的采集，并将整个结果通过显示GUI反馈给操作者。
本发明中，一种主动脉内球囊反搏系统的控制方法包括以下步骤：
(1)异常心电模型搭建
(1.1)通过大数据对心电信号进行分类，分别为正常、心房颤动、房室阻滞、传导阻滞、房性早搏、室性早搏、心动过速、窦性心律不齐和室颤共计9类；
(1.2)对于每个12导联记录得到12个针对每个导联的深度学习模型以及相应的人工特征，使用12个网络得到12组-9类别Softmax概率，取前8个概率得到96个数值作为特征，每个12导联记录至少持续24s数据；
根据参数设定，采样熵最终有两个返回值，得出人工特征数量为11个，进而得到107维特征；
(1.3)基于上述特征组合，训练一个XGBoost模型，融合上述信息，得到最终模型；
具体的，结合图5所示为最终模型的结构示意图。
(2)通过测试待治疗患者的多路生理信号，根据步骤(1)中模型得出待治疗患者的心电信号分类；
(3)根据待治疗患者的心电信号分类，采用对应的反搏控制方法：
对于正常的心电波形，在前一个P-QRS-T波群的T波充气，在下一个P-QRS-T波群的P波放气；
对于心房颤动，在T波充气，R波实时放气；
对于房室阻滞，以QRS波群为参考点，心电周期以QRS-QRS计算，充气点为心动周期的百分比来计算，放气点以R点计算；
具体的，该百分比的多少是以动脉压的反搏波形来确定，具体如图13中所示的通过动脉压反馈逐渐调整到合适位置的示意图。
对于传导阻滞，检测RR间期是否呈现周而复始的逐渐缩短和延长，同时将P波识别作为参考，相应调节充放气时间；对于左右束肢传导阻滞，将对V1、V2波形下的识别R的窗口宽度增大，能有效识别顶峰切迹，降低充放气指令被干扰风险；
对于房性早搏，以畸形的QRS波群计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，P波放气；
对于室性早搏，若P波可见，P波充气，T波放气，否则以ST端计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，R波放气；
对于心动过速，以QRS波群计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，R波实时放气；
对于窦性心律不齐，以QRS波群为参考点，心电周期以QRS-QRS计算，充气点以心动周期的百分比来计算，P波放气；
对于室颤，若能检测到规律的颤动波，以颤动波的百分比进行充放气，否则使用固定频率触发，固定频率为80-140次/分钟。
根据本发明，在球囊模块的压力作用下，动脉压波形会发生变化，算法通过变化的动脉压当前寻找到的心脏的状态特征点是恰好、过早、过迟。
具体的，如图6所示的是在1:2模式的下反馈(每隔一个DN触发一次)，没有反搏的动脉压波形与有反搏的动脉压波形的示意图；如图7所示的在球囊模块充气作用下充气恰好时的动脉压波形示意图，其中，充气阶段中，充气点在切记点DN位置，在DN前就是充气过早，在DN后就是充气过迟；放气阶段中，PDP到BAEDP段直线下滑表示放气过早，BAEDP大于PAEDP说明放气过晚。
如图8所示为充气过早时的动脉压波形图，图9所示为充气过迟时的动脉压波形图；图10所示为放气过早时的动脉压波形图；图11所示为放气过迟时的动脉压波形图。
图12为本发明中提供的多核异构核心模块AM5728的逻辑示意图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种主动脉内球囊反搏系统，其特征在于，包括：
机架，
集成气路模块，设置在所述机架上；
多核异构核心模块AM5728，设置在所述机架上；
人体心电采集模块，其与所述的多核异构核心模块AM5728通信连接，用于采集待治疗患者的心电信号；
ADC信号采集模块，其与所述的多核异构核心模块AM5728通信连接，用于采集人体动脉血压、球囊大小信息、球囊压力波形、监护仪输入心电和监护仪输入动脉血压信息；
球囊模块，其通过微创手术置入待治疗患者的主动脉内，所述的集成气路模块与所述球囊模块相连并对其进行充气或放气动作；
气路电机控制模块，其与所述的多核异构核心模块AM5728通信连接，用于向所述的集成气路模块发送控制信号，对所述球囊模块充气或放气；
所述主动脉内球囊反搏系统的控制方法包括以下步骤：
（1）异常心电模型搭建
（1.1）通过大数据对心电信号进行分类，分别为正常、心房颤动、房室阻滞、传导阻滞、房性早搏、室性早搏、心动过速、窦性心律不齐和室颤共计9类；
（1.2）对于每个12导联记录得到12个针对每个导联的深度学习模型以及相应的人工特征，使用12个网络得到12组-9类别Softmax概率，取前8个概率得到96个数值作为特征，每个12导联记录至少持续24s数据；
根据参数设定，采样熵最终有两个返回值，得出人工特征数量为11个，进而得到107维特征；
（1.3）基于上述107维特征，训练XGBoost模型，融合上述107维特征，得到最终模型；
（2）通过测试待治疗患者的多路生理信号，根据步骤（1）中模型得出待治疗患者的心电信号分类；
（3）根据待治疗患者的心电信号分类，采用对应的反搏控制方法：
对于正常的心电波形，在前一个P-QRS-T波群的T波充气，在下一个P-QRS-T波群的P波放气；
对于心房颤动，在T波充气，R波实时放气；
对于房室阻滞，以QRS波群为参考点，心电周期以QRS-QRS计算，充气点为心动周期的百分比来计算，放气点以R点计算；
对于传导阻滞，检测RR间期是否呈现周而复始的逐渐缩短和延长，同时将P波识别作为参考，相应调节充放气时间；对于左右束肢传导阻滞，将对V1、V2波形下的识别R的窗口宽度增大，能有效识别顶峰切迹，降低充放气指令被干扰风险；
对于房性早搏，以畸形的QRS波群计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，P波放气；
对于室性早搏，若P波可见，P波充气，T波放气，否则以ST端计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，R波放气；
对于心动过速，以QRS波群计算心动周期，再以心动周期的百分比计算充气时刻点，R波实时放气；
对于窦性心律不齐，以QRS波群为参考点，心电周期以QRS-QRS计算，充气点以心动周期的百分比来计算，P波放气；
对于室颤，若能检测到规律的颤动波，以颤动波的百分比进行充放气，否则使用固定频率触发，固定频率为80-140次/分钟。
2.根据权利要求1所述的主动脉内球囊反搏系统，其特征在于，所述的ADC信号采集模块包括人体主动脉压力采集模块，监护仪心电信号采集模块，监护仪动脉压力采集接口，球囊压力采集模块，安全参数采集模块。
3.根据权利要求1所述的主动脉内球囊反搏系统，其特征在于，所述的机架包括底板及设置在所述底板上的钣金框架，所述钣金框架的上端设有顶板，所述的顶板上设有显示器与键盘；
所述顶板的四周边缘向下延伸至底板所在面以形成外壳，外壳、顶板和底板围合成一容置空间。
4.根据权利要求3所述的主动脉内球囊反搏系统，其特征在于，所述底板的下侧设有万向轮。
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