CN201147314Y

CN201147314Y - 用于心脏除颤器的心电图r波快速检测电器

Info

Publication number: CN201147314Y
Application number: CNU2007200753868U
Authority: CN
Inventors: 邬小玫; 方祖祥; 李祥
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2017-10-11

Abstract

本实用新型医疗设备技术领域，具体为一种用于心脏除颤器的心电图R波快速检测电路。该电路由前置保护电路、心电放大模块、微分放大器、全波整流电路、多路电压窗口比较器和微处理器依次连接组成，其中心电放大模块为心电采集的主要部分，由前置放大器、50Hz滤波器、高通滤波器、可调增益控制器和有源低通滤波器依次连接组成，所述微分放大器、全波整流电路和多路电压窗口比较器依次连接组成心电图R波识别电路；本实用新型可在除室颤之外的心脏电复律的过程中实时、准确地识别出心电图中的R波作为除颤器放电的触发信号，可提高R波与心电图中其它波之间的差异；其适应性大大增加。

Description

用于心脏除颤器的心电图R波快速检测电器

技术领域

本实用新型属于医疗设备技术领域，具体涉及一种用于心脏除颤器的心电图R波快速检测电路，利用该电路可实现房颤、室速等的R波同步电复律。

背景技术

心律失常是一种发病急、进展快，致残致死率高的心血管疾病，严重威胁人类健康甚至生命。很多慢性、复杂性心律失常通常较难用药物控制和终止。

目前，临床上终止各种复杂性心律失常的有效方法是电击复律。即将高压(1000伏以上)，大电流(大于10安培)的电脉冲作用于心脏，使所有心肌细胞同时兴奋并进入不应期，以终止心脏上的各种电传导，一段时间之后即可恢复窦性(正常)心律。

在发生房颤、室速等心律失常时，心室肌细胞的电活动还基本同步，在进行电复律时，若电击脉冲落在心室肌细胞复极化过程中的易损期(对应于体表心电图中T波的上升沿)，则非常容易造成心室肌细胞电活动的紊乱，从而导致更为严重的心律失常，如室颤。因此，在对房颤、室速等进行电复律时，需要对电击脉冲的发放时刻进行控制，以避免其落入心室肌细胞电活动的易损期。

体表心电图中的R波对应于心室肌细胞的去极化过程，是体表心电图中的一个标志性波群，相对比较容易检测和识别。若用R波作为除颤器放电的同步信号(即R波同步电复律)，则可避免随机放电时出现的放电脉冲落在心室肌细胞电活动易损期的情况。

与其它的R波识别算法相比，R波同步电复律对R波识别的最特殊要求是“快速”，否则无法达到同步电复律的目的；另外，对R波识别的特异性的要求要高于敏感性要求，也即宁可漏判，不能误判。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可满足在R波同步电复律中对R波识别的实时性和特异性要求的一种用全硬件实现的用于心脏除颤器的心电图R波检测电路。

R波同步电复律主要应用于房颤、室速等心律失常，在这些情况下，体表心电图中R波区别于其它波的一个最显著的标志就是其上升沿和下降沿的斜率较大。本实用新型基于这一特点，设计了一个以斜率检测为核心的R波识别电路。

本实用新型提出的心电图R波检测电路，由前置保护电路、心电放大模块、微分放大器、全波整流电路、多路电压窗口比较器和微处理器(MCU)依次连接组成，见图2。其中心电放大模块为心电采集的主要部分，由前置放大器、Hz滤波器、高通滤波器、可调增益控制器(包括倍、倍、自动增益控制AGC三档)和有源低通滤波器依次连接组成，见图所示；所述微分放大器、全波整流电路和多路电压窗口比较器依次连接组成心电图R波识别电路；来自人体的原始心电信号经前置保护电路和心电放大模块后，被放大、滤波，然后进入R波检测电路；R波检测电路每识别出一个R波，就输送出一个脉冲至微处理器，作为R波识别输出；微处理器根据识别情况对多路电压窗口比较器的识别窗口进行自动调节。

前置放大器是一个由三个运算放大器组成的仪表放大器，其内部结构如图3所示。其中运算放大器U1和U2接成跟随器形式，以便增加输入阻抗，来自人体的心电信号v_i1和v_i2分别接到运算放大器U1和U2的同相输入端，运算放大器U1的反相输入端与输出端v_o1之间接电阻R₂，运算放大器U2的反相输入端与输出端v_o2之间接电阻R₃，运算放大器U1和U2的反相输入端之间接电阻R₁。运算放大器U3接成差分放大器的形式，仅对差分输入信号进行放大。运算放大器U1的输出v_o1通过电阻R₄接至运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U2的输出v_o2通过电阻R₅接至运算放大器U3的同相输入端；同时运算放大器U3的反相输入端与输出端之间通过反馈电阻R₆相连，运算放大器U3的同相输入端与地之间通过电阻R₇相连。为了保证前置放大器的共模抑制比，电路连接必须对称，即做到R₂＝R₃，R₄＝R₅，R₆＝R₇。

微分放大器电路如图4所示，以运算放大器U4为主体。心电放大模块的输出v_o3通过电阻R₈和电容C₁的串连接至运算放大器U4的反相输入端，运算放大器U4的输出v_o4通过电阻R₉和电容C₂的并联反馈到U4的反相端，运算放大器U4的同相端通过电阻R₁₀接地。

如图5所示，多级窗口比较器由电阻分压电路、两路多选一模拟开关(下面以使用四选一模拟开关为例进行说明)和窗口比较器组成。由电阻R₁₁，R₁₂，R₁₃，R₁₄依次串连构成电阻分压电路，其中R₁₁的一端接系统正电源+v_cc，R₁₄的一端接地。该分压电路可输出五档电压，分别用z₁，z₂，z₃，z₄，z₅表示。两路四选一模拟开关与电阻分压电路的连接方式如下：Y₀接z₁，Y₁接z₂，Y₂接z₃，Y₃接z₄；X₀接z₂，X₁接z₃，X₂接z₄，X₃接z₅。模拟开关的输出X通过电阻R₁₅与组成窗口比较电路的运算放大器U5的反相输入端相连；模拟开关的输出Y通过电阻R₁₆与组成窗口比较电路的运算放大器U6的同相输入端相连。运算放大器U5和U6的输出端接在一起作为窗口比较电路的输出，并通过上拉电阻R₁₇与正电源+v_cc相连。

图6所示为由氖泡N1构成的高压保护电路和由两个背对背的稳压管D1、D2接成串联电路形式的中压保护电路，两者共同构成前置保护电路。来自人体的心电信号v_i接在前置保护电路的一端，前置保护电路的另一端接地。

本实用新型的电路可归纳为两大部分，具体如下：

第一部分：心电信号采集部分，完成从人体采集心电信号的工作。该部分以前置放大器(由三运放组成的仪表放大器，保证了采集电路有很高的共模抑制比和输入阻抗)为核心构成，在采集电路的输入端，增加了由二级放电保护电路构成的前置保护电路，分别针对高电压(大于80V)，中等大小电压(10V～80V)，保证在放大器输入端出现大于放大器输入范围的电压时，心电放大模块不被损坏；根据体表心电图中R波的频谱范围(主要在10Hz～25Hz)和最终对输出信号的幅度要求，设计了相应的滤波电路(由50Hz陷波器2，高通滤波器3，有源低通滤波器组成，频带范围为2Hz～40Hz)和增益调节电路，达到了减小基线漂移和其它干扰的目的，实现了心电图的快速采集和预处理。

第二部分，R波检测电路。用硬件电路对采集到的心电信号进行处理，每检测到一个R波即输出一个电脉冲作为心脏同步除颤器的放电触发信号。这部分由微分放大器、全波整流电路和多路电压窗口比较器等几部分组成，MCU(微处理器)11对窗口比较器的窗口电压进行自动调节(分为四档)。根据R波的斜率通常远大于心电图中的其它波的斜率的特点，用微分放大器对采集到的心电信号进行微分处理，在R波的位置将得到幅度较大的脉冲；全波整流电路可将微分后的信号均调整为正向脉冲，为多路电压窗口比较器的处理做准备；多路电压窗口比较器的目的在于从微分后的心电图信号中识别出R波，其工作过程如下：先寻找出现在最高一级窗口中的脉冲，若2秒钟内未找到，则通过MCU将窗口电压向下调整一档，再寻找出现在第二级窗口中的脉冲，依此类推；采用这中多窗口比较的方法，可以在不同类型的心电图中比较准确地识别出R波。

本实用新型的有益效果是在除室颤之外的心脏电复律的过程中实时、准确地识别出心电图中的R波作为除颤器放电的触发信号。心电信号采集电路针对R波检测的要求设计，可获得稳定、干扰小的心电图信号；R波检测电路的设计则根据心电图中R波斜率最大的特点，用微分电路获得心电图的微分信号，可提高R波与心电图中其它波(特别是T波)之间的差异；可自动选择窗口电压的多窗口比较器10不仅能很好地识别出R波，还使该电路的适应性大大增加。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型一种实施例的心电信号检测部分电路图。

图2为本实用新型的前置放大器电路。

图3为本实用新型一种实施例的基本连接框图。

图4为本实用新型实施例的微分电路。

图5为本实用新型实施例的多路电压窗口比较电路。

图6为本实用新型实施例的前置保护电路。

具体实施方式

图1所示为心电放大模块原理框图。心电放大模块是心电采集的主要部分，包括前置放大器1、50Hz陷波器2、高通滤波器3、增益调节器4(包括5000倍、2500倍、自动增益控制AGC三档)、有源低通滤波器5等几个部分。前置放大器1为一由三运放构成的仪表放大器，可显著提高电路的共模抑制比及输入阻抗；50Hz陷波器2可大幅度衰减50Hz工频干扰；高通滤波器3由RC构成，用来消除信号中的直流和低频成分，不仅能消除极化电压的影响，同时可保持心电图基线的稳定；增益调节器4为心电信号设计了三档放大倍数，2500倍、5000倍和自动增益，可较好地满足不同信号强度时的需要；有源低通滤波器5将整个放大电路的频带设定在合适的位置，可有效地减少各种高频干扰的影响。

图2给出了电路各部分的总体连接框图，由前置保护电路6、心电放大模块7、微分放大器8、全波整流电路9、多路电压窗口比较器10和微处理器(MCU)11等几部分组成。其中“输入”为来自贴靠于人体的电极的原始心电信号。原始心电信号经放大、滤波等处理后送至R波识别电路(由微分放大器8、全波整流电路9、多路电压窗口比较器10构成)，基于斜率的R波识别电路每识别出一个R波就输出一个脉冲至MCU11(微处理器)作为“R波识别输出”信号，MCU11根据识别情况对多路电压窗口比较器10的窗口电压进行自动调节。

由于本R波识别电路主要用于心脏除颤装置，而除颤器释放的高压、大电流的电脉冲会损坏心电放大模块的输入级。因此特别设计了前置保护电路6，如图6所示。这里使用了两级高压冲击保护电路：(a)氖泡N1；(b)背对背串接稳压管D1、D2。当高电压(＞80V)作用于心电放大模块7的输入端时，氖泡N1被击穿，将高压短路到地；当中等大小电压(10V左右)作用于心电放大模块7的输入端时，背对背串接的稳压管D1、D2被击穿，将电压短路到地。因此，这些器件的电压限幅特性将保证出现在心电放大模块7输入端的电压不超过器件限幅电压值。

微分放大器8为R波识别的核心电路。它的主要作用是：根据R波的斜率远大于其它波的特点，通过对心电图的微分处理，大大衰减了T波等对R波识别的影响。T波是干扰R波正确识别的主要因素，而R波和T波的频带分别集中在25Hz和7Hz，因此经过微分电路后，T波被大大地衰减，R波能顺利检出。

由于R波形状类似三角波，因此微分之后会出现正负方波，为了满足窗口比较器检波的需要，采用全波整流电路使负电压部分反相。通常使用的无源全波整流电路有一定的电压损失，本设计采用的有源全波整流电路较好地解决了这个问题。

经过微分之后，R波与T波的斜率差异被凸现出来，并转化为各自微分信号的幅度差异，即可用多路电压窗口比较器10对R波进行检测。但由于在不同心电图中R波或T波的斜率有很大的差别，若仅设计一种固定电压的窗口比较器，很难适应所有情况。在此，本发明设计了一种可自动切换窗口电压的多路电压窗口比较器，取得了较好的检测效果。这部分电路由窗口比较器和双道四选一模拟开关组成。工作过程如下：当窗口比较器的的输入X＜U_in＜Y时，输出一个高电平脉冲。为了能正确识别R波，应该适当选择X和Y，使微分后的R波信号的幅度落在此范围，而T波信号的幅度在此范围之外。窗口电压的选择由模拟开关完成，两道模拟开关的输出X和Y分别作为多路电压窗口比较器的窗口电压。由于R波微分后明显比T波微分的信号大，因此R波的检测应该采用从高电压档开始并逐级向下切换的方式进行。模拟开关的切换由单片机控制，即在发出放电指令后，首先将X和Y设置为各自的最高电压(如Y＝5V，X＝4V)，若在2秒钟内未检测到R波，则将X和Y的电压同时向下切换一档(如Y＝4V，X＝3V)，依次类推，直到检测到R波。

Claims

1、一种用于心脏除颤器的心电图R波检测电路，其特征在于由前置保护电路(6)、心电放大模块(7)、微分放大器(8)、全波整流电路(9)、多路电压窗口比较器((10))和微处理器(11)依次连接组成，其中心电放大模块(7)由前置放大器(1)、50Hz滤波器(2)、高通滤波器(3)、可调增益控制器(4)和有源低通滤波器(5)依次连接组成，所述微分放大器(8)、全波整流电路(9)和多路电压窗口比较器(10)依次连接组成心电图R波识别电路；来自人体的原始心电信号经前置保护电路(6)和心电放大模块(7)后，被放大、滤波，然后进入R波检测电路；R波检测电路每识别出一个R波，就输送出一个脉冲至微处理器(11)，作为R波识别输出；微处理器(11)根据识别情况对多路电压窗口比较器(10)的识别窗口进行自动调节。

2、根据权利要求1所述的用于心脏除颤器的心电图R波检测电路，其特征在于所述前置放大器(1)是一个由三个运算放大器组成的仪表放大器其中运算放大器U1和U2接成跟随器形式，以便增加输入阻抗，来自人体的心电信号V_i1和v_i2分别接到运算放大器U1和U2的同相输入端，运算放大器U1的反相输入端与输出端v_o1之间接电阻R₂，运算放大器U2的反相输入端与输出端v_o2之间接电阻R₃，运算放大器U1和U2的反相输入端之间接电阻R₁；运算放大器U3接成差分放大器的形式，仅对差分输入信号进行放大；运算放大器U1的输出v_o1通过电阻R₄接至运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U2的输出v_o2通过电阻R₅接至运算放大器U3的同相输入端；同时运算放大器U3的反相输入端与输出端之间通过反馈电阻R₆相连，运算放大器U3的同相输入端与地之间通过电阻R₇相连；其中，R₂＝R₃，R₄＝R₅，R₆＝R₇。

3、根据权利要求1所述的用于心脏除颤器的心电图R波检测电路，其特征在于所述微分放大电路(8)以运算放大器U4为主体；心电放大模块的输出v_o3通过电阻R₈和电容C₁的串连接至运算放大器U4的反相输入端，运算放大器U4的输出v_o4通过电阻R₉和电容C₂的并联反馈到U4的反相端，运算放大器U4的同相端通过电阻R₁₀接地。

4、根据权利要求1所述的用于心脏除颤器的心电图R波检测电路，其特征在于所述多级窗口比较器(10)由电阻分压电路、两路多选一模拟开关和窗口比较器组成；由电阻R₁₁，R₁₂，R₁₃，R₁₄依次串连构成电阻分压电路，其中R₁₁的一端接系统正电源+v_cc，R₁₄的一端接地；该分压电路输出五档电压，分别用z₁，z₂，z₃，z₄，z₅表示；两路四选一模拟开关与电阻分压电路的连接方式如下：Y₀接z₁，Y₁接z₂，Y₂接z₃，Y₃接z₄；X₀接z₂，X₁接z₃，X₂接z₄，X₃接z₅；模拟开关的输出X通过电阻R₁₅与组成窗口比较电路的运算放大器U5的反相输入端相连；模拟开关的输出Y通过电阻R₁₆与组成窗口比较电路的运算放大器U6的同相输入端相连。运算放大器U5和U6的输出端接在一起作为窗口比较电路的输出，并通过上拉电阻R₁₇与正电源+v_cc相连。

5、根据权利要求1所述的用于心脏除颤器的心电图R波检测电路，其特征在于所述前置保护电路(6)由氖泡N1构成的高压保护电路和由两个背对背的稳压管D1、D2接成串联电路形式的中压保护电路共同构成，来自人体的心电信号v_i接在前置保护电路(6)的一端，前置保护电路的另一端接地。