CN204542061U - 麻醉监护仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种麻醉监护仪，其包括声刺激电路和信号采集电路，该信号采集电路包括依次连接的：信号采集电极，用于提取听觉诱发电位信号；前置放大电路，用于将所采集的信号放大，前置放大电路的共摸抑制比为120db，放大倍数为10倍；干扰信号抑制电路，用于对工频信号进行抑制；低通滤波电路，用于滤除高频信号；程控增益放大电路，用于将信号放大到适合进行模数转换；高通滤波电路，用于滤除低频信号；A/D转换电路，用于对信号进行采样和模数转换；微处理器控制电路，用于接收数字信号；USB接口电路，用于接收微处理器控制电路的数字信号并输出。本实用新型结构简单，能够准确检测患者的麻醉程度，避免给患者带来疼痛感。

Description

麻醉监护仪

技术领域

本实用新型涉及一种麻醉监护仪，特别是涉及一种基于听觉诱发电位分析方法的麻醉监护仪。

背景技术

如何有效地评估患者的麻醉深度，并对麻醉患者的麻醉深度进行可靠、连续和定量的监护，以提供麻醉医师可靠、科学的判断依据，是临床迫切需要解决的问题。在医疗领域，现有的麻醉监测主要有传统体征法、血气分析法、传统脑电图监测法、脑电双频指数分析法和诱发电位监测法。

中国发明专利申请200810105865.9公开了一种患者手术全麻知晓的定量监测指标设备，它包括：脑电信号表面电极、滤波电路、脑电放大电路、脑诱发电位放大器、模数转换器、计算40Hz诱发听稳态指数的计算机、声音刺激电路。计算机生成的两导脑诱发电位信号和脑电图信号曲线存入数据缓存器中；声音刺激电路包括：40Hz声音调制电路和声音放大电路；计算机同步于4个声音刺激，每100毫秒获得两导脑诱发和脑电数字信号，清除数据缓存器。

中国实用新型专利200620071063.7公开了一种麻醉深度检测装置，包括有电极、导联、放大器、A/D转换电路、数据处理分析单元、导联检测电路和刺激声音信号发生装置。放大器与数据处理分析单元之间设置有用于进行数字陷波的微处理器；数据处理分析单元与麻醉机给药控制机构通过数据线连接。数字放大器均采用16Bit－24Bit的高精度A/D数字放大器。

对听觉系统进行瞬态听觉刺激可以诱发出一定时长的暂态反应，典型的听觉诱发电位信号幅度通常在0.1μV至10μV的较小范围内，与此相对的，背景脑电及各种伪迹干扰信号的幅度可达到约20μV的较大值，甚至可达到150μV。因此，基于听觉诱发电位分析方法的麻醉监护仪对设备的抗干扰能力要求很高。但是，在上述麻醉监护仪中，受信号采集电路结构的限制，无法有效地剔除干扰信号，导致听觉诱发电位信号容易受到干扰，质量差，不能准确地反应患者的麻醉状态。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种麻醉监护仪，其通过简单的数字信号处理方法有效地剔除干扰信号，保留听觉诱发电位的有效波形，以准确地显示患者的麻醉状态。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种麻醉监护仪，其包括声刺激电路和信号采集电路，该信号采集电路包括：信号采集电极，用于提取听觉诱发电位信号；前置放大电路，用于将信号采集电极所采集的信号放大，前置放大电路的共摸抑制比为120db，放大倍数为10倍；干扰信号抑制电路，用于对前置放大电路输出信号中的工频信号进行抑制；低通滤波电路，用于滤除干扰信号抑制电路所输出信号中的高频信号；程控增益放大电路，用于将低通滤波电路所输出的信号放大到适合进行模数转换；高通滤波电路，用于滤除程控增益放大电路所输出信号中的低频信号；A/D转换电路，用于对高通滤波电路所输出的信号进行采样和模数转换；微处理器控制电路，用于接收A/D转换电路所输出的数字信号；USB接口电路，用于接收微处理器控制电路的数字信号并输出。

由以上技术方案可见，本实用新型的麻醉监护仪通过简单的数字信号处理方法剔除干扰，保留有效波形，即使在强干扰的手术室环境中，也能准确地显示病人的麻醉状态，使医生可靠地掌握患者的麻醉状态，从而合理控制麻药剂量，尽量避免患者因全麻而引发的后遗症，提高患者康复速度，缩短患者住院时间，减轻患者负担。

根据本实用新型的一具体实施方式，声刺激电路包括依次连接的D/A转换电路、声道切换和通断电路、音频功率放大电路和耳机。

根据本实用新型的另一具体实施方式，信号采集电极的数量为两个，其中一个电极为记录电极，另外一个电极为参考电极。

根据本实用新型的另一具体实施方式，前置放大电路包括位于前级的前置缓冲放大电路和位于后级的前置差动放大电路。

本实用新型的麻醉监护仪通过简单的数字信号处理方法剔除干扰，保留听觉诱发电位的有效波形，从而可准确地显示患者的麻醉状态及趋势。此外，本实用新型麻醉监护仪的系统结构简单，制备方便，不仅可用于麻醉、神经系统功能监控，还可用于听觉系统功能和病变检测，以及神经生理和心理研究。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

附图说明

图1是听觉脑干诱发电位波形图；

图2是本实用新型麻醉监护仪的系统组成方框图；

图3是本实用新型麻醉监护仪的声刺激电路的组成框图；

图4是本实用新型麻醉监护仪的信号采集电路的组成框图；

图5是本实用新型的软件算法流程图。

具体实施方式

以下具体实施方式涉及：一、完整的声刺激系统；二、以时间特性为指标的听觉诱发电位分析处理方法；三、麻醉监护仪。

一、完整声刺激系统的实施方案

各种复杂声刺激信号可由两部分完成，短声信号和短声发放。短声发放主要为各种给声方式，如单次、随机、混合、规律等。而一个短声信号最基本的物理量不外乎幅度、频率和时间，即声波幅度和频率随时间的变化。声刺激信号幅度由声音时间包络波调控：包括上升时间、稳态时间和下降时间(三段的时长为声长)，上升和下降段的幅度时间变化函数；声刺激信号频率包括纯音、调频音、咔嗒音和噪音等，由频率发生器生成。完整的声刺激方案包括声音刺激信号编辑和扫描任务控制。

1、刺激声音信号编辑

刺激声音信号编辑是指：用软件的方法设置作为刺激的短音包络和载波。

声音的包络包括：时程、上升时间和上升函数、下降时间和下降函数，用一个分段的窗函数(1)来实现：

$H\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}R\left(t\right)& 0<t<R_t\\ 1& R_t<t\&le;D_t-F_t\\ F\left(t\right)& D_t-F_t<t<D_t\\ 0& \mathrm{Other}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，D_t是短音的时程。

R_t是上升时间。

R(t)是上升时间函数，函数的取值范围为0-1，函数类型可选，其类型及编号如表一。

表一

F_t是下降时间。

F(t)是下降时间函数，函数取值和类型同R(t)。

声音载波函数由主信号发生器和调制信号发生器组成，主信号发生器和调制信号发生器类型可选，声音载波函数由公式(2)表示：

T(t)＝M1(α,β,γ,θ,t)·f(M2(α,β,γ,θ,),η,t)    (2)

其中，f为主信号发生器函数，M1()为幅度调制函数，M2()为频率调制函数，各参数的意义如表二。

表二

一般地，刺激声音信号由公式(3)表示，根据不同要求编辑好公式(1)和公式(2)的各个参数，就可以产生既定的刺激短音了，这是完整发声系统的核心部分。

Y(t)＝H(t)·T(t)    (3)

一般地，刺激短音的包络由时程D_t、上升时间R_t和上升时间函数R(t)、下降时间F_t和下降时间函数F(t)共同决定，用户只需按照特定的格式输入这些参数的对应的数值就可以编辑好一个刺激短音了。

值得注意的是，R_t、F_t和D_t的取值必须遵循D_t>R_t+F_t的关系。

可选地，f为一正弦函数，当M1为一常数，T(t)为调频音；当M2为一常数，T(t)为调谐音；当M1、M2都为常数，T(t)为纯音，纯音的强度为M1，频率为M2。

可选地，f为一方波函数，M1为方波幅度，其值为由参数β设定的一个常数，M2中的参数α无效，参数β为方波占空比，γ为方波频率，θ为方波直流成分。

可选地，f为一噪音函数，M1为噪音的幅度调制函数；M2为噪音频带选择函数，其中参数β为高通截止频率，参数γ为低通截止频率，参数α和θ无效。

2、扫描任务控制

所谓扫描任务控制，也就是控制每一短音的给声方式：触发一次刺激短音信号发声并记录相应的听觉诱发电位波形称为单次扫描；对声音参数列表中的所有刺激声音按一定时序连续扫描一遍称为一组扫描，一组参数的最大空间为3000个；一组扫描结束后又按相同的时序重复扫描，称为组循环扫描，最大可支持的组循环次数为1000。一次扫描任务由一组扫描和组循环次数组成，最大可达3X10⁶个短声刺激。一次扫描任务开始之前设定单次扫描的频率，这个频率一旦设定，在该次扫描任务完成之前不允许修改。在一次扫描任务开始之前设置听觉诱发电位波形的记录长度，但这个长度可以根据需要随时改变。扫描任务控制还包括发声和记录的同步控制，触发声刺激电路发出刺激短音，并在每次发声的同时准备好记录数据。

可选择地，一组扫描的参数可以为一个声音，也可以为多个不同的声音，这样就可以同时记录多个不同刺激声音诱发的听觉诱发电位，可选择的声音个数为1-3000。声音参数列表格式显示如下表三：

表三

可选择地，可以多次循环记录多个相同条件的多次听觉诱发电位，可选择的循环次数为1-1000。综合单次扫描频率、一组扫描数目和组循环次数可以精确分段定时。

可选择地，可以根据实际需要设置单次扫描的频率，合理编排刺激声音的时序还可以同时记录单个或多个声音的不同刺激频率的听觉诱发电位。

可选择地，可根据实际需要设置记录听觉诱发电位波形的长度，一般设置为100ms、200ms或500ms。

二、听觉诱发电位分析处理方法实施方案

所谓听觉诱发电位的时间反应特性，一般指以听觉诱发电位最大负向波的潜伏期(延时)作为分析参数。但实际分析可以任何相对幅度的产生时间点为参数，包括对不同时间产生各个不同波(如1、2、3等不同来源的波)的分析。一般地，听觉诱发电位的时间特性指标分析步骤包括：1、设置合适的声音刺激条件。2、听觉诱发电位波形的记录和处理。

1、设置合适的声音刺激条件。

我们实验证明诱发电位时间特性指标与生物体所接受刺激声音的参数(主要包括频率和瞬时声强)和生物体听觉神经元的状态有很好的相关性。但刺激声音参数的选择直接影响到诱发电位观测指标准确性和稳定性。刺激声音参数为幅度包络波(上升和下降时间、上升和下降幅度的时间变化函数、稳态幅度、声长)和频率。当前诱发电位仪给声刺激时为单一声音多次重复，过于单调，系统误差大；同时往往忽略了短音上升段和下降段及其幅度时间变化函数的作用，不仅所获得结果(如短潜伏期波的延时)的变异性大，也因数据连续性不足导致所获得数据不能系统有效处理。为能有效准确计算出不依赖于声刺激参数，直接反映外来刺激的生理转换、反应和传递状态与功能指标：最短延时(L_min)、时间转换指数(K)、时间转换系数(T)，合理有效选择设置声音刺激条件使听觉诱发电位的时间特性指标能高灵敏度地反映神经元状态差异的变化和听觉中枢功能是听觉诱发电位分析的关键步骤。

最佳声刺激参数选择：

包络波参数：上升时间应>20ms(最好为20-100ms，延时越长敏感度越高)，每次以三到五个上升时间为好；幅度时间上升函数以余弦或正弦函数首选，其指数为2-4最优，以二到三个函数为佳；稳态幅度(0-120dB SPL)，选择四到六个稳态幅度。下降时间应尽可能小(<5ms)，幅度时间下降函数同上升函数

频率的选择：主要取决于检测听觉诱发电位的目的：检测频率选择性的应选择不同频率的纯频短音，检测音调选择性的应选择调频短音，检测神经通路和状态特性应选择咔嗒声和噪声，等等。

扫描任务控制：由以上声刺激参数组成不同的刺激声音(以10-30个为优，可以获得有效的最短延时(L_min)、时间转换指数(K)、时间转换系数(T))，再以随机方式给声(减少系统误差和单调乏味刺激)。

特殊状态检测可选择单一声刺激，以诱发电位延时为反应参数直接以不同时间和/或状态进行比较，如用在昏迷和麻醉状态随时间变化的检测等。

2、听觉诱发电位波形记录、存储和处理。

如图5所示，听觉诱发电位波形记录、存储和处理主要为波形的平均叠加、波形时间特性的提取和处理，以及结果的存储与显示。

第一步，得到稳定的诱发电位波形，即波形数据的平均叠加。如果一次扫描任务包含多个声音刺激条件，或并包含多个时间点，波形的平均叠加要求分时分段、在相同声音刺激条件的基础上进行。所谓分时，就是多个声音刺激条件对应的听觉诱发电位交错进行叠加，需要叠加的声音刺激条件可选，并且叠加次数可选；所谓分段，就是不同时间段的相同声音刺激条件对应的波形分别叠加，时间段的选取一般根据声音扫描的循环次数来设置。原始和平均叠加后的诱发电位按规律存储，并可进行mat lab数据格式转化以进行个性化处理，可按声刺激参数或时段提取。

第二步，听觉诱发电位波形特性(时间和幅度特性)的提取、存储和显示。该步骤在波形平均叠加的基础上进行，即平均叠加后诱发电位的二次处理。该处理也包含以往常用的多种处理方式：如幅度和幅度时间积分处理等，主要增加和强化以时间特性为指标的处理。一般以听觉诱发电位最大负向波的潜伏期(延时)作为分析指标，但也可以选择任何相对幅度的产生时间点为指标，包括对不同时间产生各个不同波(如1、2、3等不同来源的波)的分析。听觉诱发电位时间特性指标在时间特性窗口中实时显示，纵坐标为时间特性指标，横坐标的设置包含两个方面：声音参数的选择和波形时间段的选择。固定某个声音参数，横坐标设置为时间段可考察不同时间段内该声音参数对应的听觉诱发电位时间特性指标的变化，并且可在同一窗口中显示多个声音参数的这种变化，不同参数对应的曲线用不同的图表标示；同理固定某个时间段，横坐标设置为声音参数可考察在一个时间段内听觉诱发电位指标与声音参数变化的关系。时间特性窗口可打开多个，每个窗口的坐标单独设置。每个窗口的图形可以JPG格式输出，并且图形中数据可以EXCEL文档输出并可进行mat lab数据格式转化。

第三步，受检测系统生理指标计算、显示与存储。同样，该处理也包含以往常用的多种指标(如幅度和幅度时间积分处理等)，但主要以时间特性为指标的生理信息处理。各指标分别与刺激声音的动态变化(瞬时强度和/或上升函数不变系数的对数)、各频率，以及各不同状态(如不同麻醉或昏迷时间等)等参数作图，从而直接反映受检系统生理状态和其变化。由于我们发现正常时不同频率声音和不同状态听觉诱发电位的延时-瞬时强度(或上升函数不变系数)反应曲线表现为曲率完全一致的特性：L-L_min＝ae^-bx或lg(L-L_min)＝-Kx+T(其中L是神经元对频率为CF的声音刺激反应的FSL，x刺激声音瞬时强度和/或上升函数不变系数的对数；L_min是当声强增加时延时在曲线上无限接近X轴时的最短延时；a和b为与神经元时间反应特性相关的常数，(K＝b/ln10，定义为时间转换指数；T＝lg a定义为时间转换系数)。因此，本实用新型最为主要的特点是可进行同一化回归后比较最短延时(L_min)、时间转换指数(K)、时间转换系数(T)三个反映检测系统的生理信息量。不同波的最短延时，而不是延时，分别反映外周声传和中枢神经纤维与突触传递的部位特性和改变或病变；诱发电位各波的时间转换指数(K)，应趋近于2，主要反映感受器声电转换，即毛细胞功能或损伤；各波的时间转换系数(T)，主要反映听觉系统不同状态下不同部位的敏感程度，包括毛细胞和神经系统的功能敏感程度。最短延时(L_min)、时间转换指数(K)、时间转换系数(T)的计算将为临床和科研提供直接明了的指标和依据，并极大地节省工作量、减少人为分析的不准确性。该步骤的结果可选择性地以图和/或数据直接输出和存储。

三、麻醉监护仪实施方案。

本实用新型采用计算机虚拟仪器的方法以软件模拟硬件功能，主要扩展声刺激包络波的编辑范围，从而实现所有实验刺激短音信号的自由编辑、扫描任务控制(给声方式)、波形显示和分析等功能，进而不仅达成以时间特性为指标的听觉诱发电位分析处理方法实施，进而进行同一化后比较，为临床和科研提供直接明了的指标和依据，从而深化麻醉监护仪的使用意义并拓宽其使用范围。

如图2所示，本实用新型提供的基于听觉诱发电位分析方法的麻醉监护仪包括：(一)用于刺激声音信号编辑、扫描任务控制、波形显示和分析的计算机虚拟仪器部分；(二)第一微处理器控制电路；(三)用于驱动刺激声音的声刺激电路；(四)用于采集、放大、滤波、A/D转换和传输听觉诱发电位波形信号的信号采集电路。

如图3所示，声刺激电路包括依次连接的D/A转换电路、声道切换和通断电路、音频功率放大电路和耳机。如图4所示，听觉诱发电位信号采集电路包括依次连接的信号采集电极、前置缓冲放大电路、前置差动放大电路、干扰信号抑制电路、低通滤波电路、程控增益放大电路、高通滤波电路、A/D转换电路、第二微处理器控制电路和USB接口电路。

(一)计算机虚拟仪器部分：

所谓计算机虚拟仪器部分是指用软件的方法模拟一部分硬件的功能，主要在计算机中由软件完成，本实用新型中的计算机虚拟仪器部分执行的功能包括刺激声音短音信号的编辑、扫描任务控制、波形显示和分析等功能。

所谓刺激声音信号编辑：实施完整声刺激系统的核心部分，其用于编辑刺激声音的各种参数，这包括声音的载波(纯音、调频音、噪音、咔哒音等)和包络(强度、声长、上升时间、上升时间函数、下降时间、下降时间函数等)，把编辑好的多个声音参数保存于声音参数列表，并按一定时序通过声刺激电路输出。

所谓扫描任务控制：听觉诱发电位记录仪器发声和记录控制的核心部分，用于同步刺激声音输出和听觉诱发电路波形记录，设置声音扫描频率和扫描时序，设置听觉诱发电位波形的记录长度，设置听觉诱发电位波形放大倍数和滤波频率。

所谓波形显示和分析：实施听觉诱发电位分析方法的核心部分。计算机接收到波形数据后，一方面在波形显示窗口中实时显示，另一方面可以实时对波形数据平均叠加和时间特性指标识别提取，时间特性指标按设定格式显示于时间特性窗口，并以JPG格式输出图形结果和以EXCEL文档方式输出对应的时间特性指标数据。听觉诱发电位波形除了实时显示和分析之外，同时以数据帧的形式存储于数据文件中以便做进一步分析，每个刺激声音对应的听觉诱发电位为一帧，帧的格式如下表四：

表四

(二)第一微处理器控制电路：

第一微处理器控制电路向诱发电位信号采集电路中的前置缓冲放大电路、前置差动放大电路、干扰信号抑制电路、低通滤波电路、程控增益放大电路、高通滤波电路、A/D转换电路和第二微处理器控制电路输出控制信号，控制其工作，并接收诱发电位信号采集电路中第二微处理器控制电路的信号。同时，第一微处理器控制电路输出数字声音信号至声刺激电路中的D/A转换电路。

(三)声刺激电路：

该部分的作用是输出刺激声音。编辑好声音参数后，通过USB接口电路输出数字声音信号，然后通过声音信号控制电路和D/A转换电路转变为模拟声音信号，模拟声音信号经声道切换和通断电路后，再由音频功率放大电路放大并通过耳机输出声音。声音驱动的最大频率为100kHz，最大声强为100db。

(四)信号采集电路：

该部分的作用是同步记录听觉诱发电位，然后放大、滤波、A/D转化，最后传输给计算机，其包括依次连接的：

信号采集电极(包括前放)：一般地，通过两个电极来采集患者的听觉诱发电位信号，其中一个电极为记录电极，另外一个电极为参考电极；

前置放大电路：用于将信号采集电极所采集的信号初步放大，前置放大器的共摸抑制比为120db,放大倍数设置为10倍；前置放大电路包括位于前级的前置缓冲放大电路和位于后级的前置差动放大电路；

干扰信号抑制电路：用于对前置放大电路所输出信号中的工频信号进行抑制；

低通滤波电路：用于滤除干扰信号抑制电路所输出信号中的高频信号，截止频率可选，由单片机程序控制；

程控增益放大电路：用于将低通滤波电路所输出的信号放大到适合进行模数转换，放大倍数可选，由单片机程序控制；

高通滤波电路：用于滤除程控增益放大电路所输出信号中的低频信号，截止频率可选，由单片机程序控制；

A/D转换电路：用于对高通滤波电路所输出的信号进行采样和模数转换，A/D采样频率为10kHz；

第二微处理器控制电路：用于接收A/D转换电路所输出的数字信号；

USB接口电路：用于接收微处理器控制电路的数字信号并输出。

通讯格式：通讯格式包括控制命令格式和波形数据传输格式。控制命令由计算机传给单片机，其格式如下表五：

表五

报头	波形长度	放大倍数	高通截止频率	低通截止频率	报尾
						&	…	…	…	…	$

波形数据由单片机传输至计算机，其格式如下表六：

表六

报头	数据长度	数据	报尾
				&	…	…	$

最后应当说明的是，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，但以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种麻醉监护仪，包括声刺激电路和诱发电位信号采集电路，其特征在于，所述诱发电位信号采集电路包括：

信号采集电极，用于提取听觉诱发电位信号；

前置放大电路，用于将所述信号采集电极所采集的信号放大，所述前置放大电路的共摸抑制比为120db，放大倍数为10倍；

干扰信号抑制电路，用于对所述前置放大电路所输出信号中的工频信号进行抑制；

低通滤波电路，用于滤除所述干扰信号抑制电路所输出信号中的高频信号；

程控增益放大电路，用于将所述低通滤波电路所输出的信号放大到适合进行模数转换；

高通滤波电路，用于滤除所述程控增益放大电路所输出信号中的低频信号；

A/D转换电路，用于对所述高通滤波电路所输出的信号进行采样和模数转换；

微处理器控制电路，用于接收所述A/D转换电路所输出的数字信号；和

USB接口电路，用于接收所述微处理器控制电路的数字信号并输出。

2.根据权利要求1所述的麻醉监护仪，其特征在于，所述声刺激电路包括依次连接的D/A转换电路、声道切换和通断电路、音频功率放大电路和耳机。

3.根据权利要求1所述的麻醉监护仪，其特征在于，所述信号采集电极的数量为两个，其中一个电极为记录电极，另外一个电极为参考电极。

4.根据权利要求1所述的麻醉监护仪，其特征在于，所述前置放大电路包括位于前级的前置缓冲放大电路和位于后级的前置差动放大电路。