基于容積血流脈搏波的心血管血流參數(shù)監(jiān)護模塊的研制

基于容積血流脈搏波的心血管血流參數(shù)監(jiān)護模塊的研制

心血管疾病是危害人類健康的最大殺手，每年導致1200萬人死亡。心血管血流參數(shù)如心搏出量、外周阻力、血管順應性等的實時監(jiān)護,對心血管內(nèi)外科的病理診斷、治療和預后、危重病員的搶救、運動醫(yī)學的探討、老年康復醫(yī)學的研究、手術麻醉期的臨床監(jiān)護、體外反搏期的觀察以及藥效的評估等領域都有重要的應用。隨著電子技術日新月異的發(fā)展,各類監(jiān)護儀在近二十年也得到飛速的發(fā)展,但心血管參數(shù)的監(jiān)護還只局限在心電、脈率和血氧飽和度等幾個參數(shù)上,遠遠不能滿足臨床的需要,尤其是心血管血流參數(shù),由于受到檢測手段的局限,還沒能實現(xiàn)真正意義上的實時監(jiān)護。本文中所設計的心血管血流參數(shù)監(jiān)護模塊,采用基于脈搏波波形系數(shù)法計算心血管血流參數(shù),可以通過血氧探頭得到的脈搏波實時的計算出心搏出量、心輸出量、心臟指數(shù)、外周阻力、血管順應性等心血管血流參數(shù)滿足了臨床對心功能監(jiān)護的需要,同時也可用于社區(qū)和家庭檢測心血管血流參數(shù)。1透射血氧接頭測試系統(tǒng)根據(jù)功能開發(fā)出合適的檢測模塊是目前監(jiān)護儀研發(fā)的主要手段,本文所設計的模塊既是在這種思路下完成的功能模塊。本模塊要實現(xiàn)指端光電容積血流脈搏波的采集與調(diào)理、波形的數(shù)字處理、脈搏波的檢出、參數(shù)的計算、參數(shù)的傳輸?shù)裙δ?。根?jù)對模塊功能的分析,設計硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本模塊的傳感器是采用BCI的指夾式透射血氧探頭,該探頭結(jié)構(gòu)設計合理,能夠避免外界光源對接收管的干擾,已經(jīng)在臨床上廣泛的使用。發(fā)光管由555芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路提供觸發(fā)電平,這種觸發(fā)方式能消除背景光的干擾,減少誤差,提高測量的準確性。輸入的容積血流脈搏波信號很微弱,一般在幾毫伏到十幾毫伏,采用由TL084組成的具有高共模抑制比的測算放大器進行放大。由于指端容積血流脈搏波信號的主頻不大于3Hz,95%的能量主要集中在0～6Hz,A/D的采樣頻率設在100Hz,所以在A/D采樣電路和放大電路之間加入了頻帶為0.1～40Hz的帶通濾波器。模塊的單片機采用Winbond的W77e58,這款芯片的運算速度高于普通51芯片的1.5～3倍,基本可以滿足實時運算速度的要求。經(jīng)過分析和計算后的數(shù)據(jù)可以通過串口通訊傳給監(jiān)護系統(tǒng)主機或普通PC機,同時還要將計算時所需的參數(shù)從主機讀入。邏輯控制回路主要將CPU的指令發(fā)給A/D轉(zhuǎn)換電路,對系統(tǒng)進行調(diào)整。2模塊軟硬設計新型心血管血流參數(shù)監(jiān)護模塊功能實現(xiàn)的關鍵在于軟件的算法。本模塊軟件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集單元、脈搏波信號數(shù)字處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元三部分。2.1數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元主要是控制A/D完成脈搏波信號的采集,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集單元由定時器控制采樣頻率為100Hz。在處理脈搏波數(shù)據(jù)時,是以300個點為一組進行分析處理的,所以還要同時控制數(shù)據(jù)的采集量,在完成300個點時將數(shù)據(jù)傳給信號處理單元的數(shù)組,同時繼續(xù)采集脈搏波波形數(shù)據(jù)。2.2號的數(shù)字處理該單元主要完成脈搏波信號數(shù)字處理和參數(shù)計算功能。由A/D采集到的脈搏波信號盡管經(jīng)過了模擬的帶通濾波器,但往往還要受到工頻及其它一些電磁信號的干擾,還有由于呼吸、肌肉抖動等原因造成的運動偽差的影響,因此還需要對信號進行數(shù)字處理。由于采用的是51系列單片機,因此也要求算法不能太復雜。2.2.1低通濾波器設計脈搏波信號的數(shù)字處理主要任務是去除基線漂移、噪聲及雜波信號的干擾,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。首先采用一個低通整數(shù)濾波器對波形進行簡單處理,消除噪聲和雜波信號的干擾。根據(jù)脈搏波的頻率特點,其95%的能量主要集中在0～6Hz,設計了一個整系數(shù)的低通濾波器。它的傳遞函數(shù)是:Η(z)=136(1-z-61-z-1)2H(z)=136(1?z?61?z?1)2由于系統(tǒng)的采樣頻率是100Hz,所以該濾波器的截止頻率是5.3Hz,增益為36。經(jīng)過上述濾波器的處理后脈搏波信號,往往還會有基線漂移,考慮到算法復雜度,將在參數(shù)計算時去除基線漂移的影響。2.2.2yn+xn+xnt+t的學習過程為了實現(xiàn)模塊的實時監(jiān)護功能,要求計算心血管血流參數(shù)所需的脈搏波能夠自動檢出,可采用差分閾值法來實現(xiàn)脈搏波的自動檢出。首先,采用五點差分公式計算波形的差分。y(nΤ)=18[2x(nΤ)+x(nΤ-Τ)-x(nΤ-3Τ)-2x(nΤ-4Τ)]y(nT)=18[2x(nT)+x(nT?T)?x(nT?3T)?2x(nT?4T)]然后,再根據(jù)差分數(shù)組及原始波形數(shù)組的數(shù)據(jù)分別確定差分閾值、波形的上升支時間閾值和波形幅度閾值,這是一個自學習過程,需要要求病人在監(jiān)護開始后的15～30s內(nèi)保持平靜狀態(tài),連續(xù)學習3組數(shù)據(jù)。最后,根據(jù)3組閾值檢出相應的脈搏波單波波形,同時根據(jù)檢出的單波數(shù)據(jù)相應的對閾值進行調(diào)整。2.2.3脈沖群算法計算在參數(shù)計算前,應對檢出的單波波形的基線漂移做處理。本系統(tǒng)是采用的面積補償法來處理基漂的影響的,具體方法如下所述。如圖4所示,如果波形的兩個端點的差值過大,則基于脈搏波波形系數(shù)法的血流參數(shù)計算將不夠準確。因為基漂的產(chǎn)生原因較多,所以采用一般的濾波的方法并不能很好的解決。脈搏波波形系數(shù)法的關鍵是通過求脈搏波的面積確定平均動脈壓,進而獲得脈搏波的波形系數(shù)的,因此采用面積補償法。即當發(fā)生基線漂移時,按照積分計算脈搏波波形面積時,所得結(jié)果將或多或少的偏離準確值,而其所差的將是Sb×Δ,其中Sb如圖4所示,Δ為一個小于1的常數(shù),經(jīng)過對30個典型脈搏波信號的分析,本系統(tǒng)中Δ=1/3。則經(jīng)過補償后的波形面積為S=Sa±Sb3S=Sa±Sb3,再經(jīng)過面積補償法后就可以根據(jù)相應的公式得到波形系數(shù)以及心搏出量、心輸出量、外周阻力、血管順應性等心血管血流參數(shù)。2.3監(jiān)護模式的輸出和控制基于脈搏波波形系數(shù)法的心血管血流參數(shù)的計算,需要從主機獲得檢測者的收縮壓、舒張壓、身高、體重等個人信息,而當心血管血流參數(shù)計算完成后也要將參數(shù)計算結(jié)果傳遞給主機,因此在監(jiān)護模塊和系統(tǒng)主機之間通過MAX232接口芯片建立了標準的串口通訊(RS-232),并通過建立相應的通訊協(xié)議,完成個人信息以及監(jiān)護模式的輸入和參數(shù)的輸出功能。3參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)本模塊設計完成后,通過與PC機相連,組成了相應的心血管血流參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)。利用本文所設計的監(jiān)護系統(tǒng),進行與TP-CBSⅡ型心功能血流參數(shù)無損傷檢測儀的對比實驗,共采集87例樣本,數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性達到了93.2%,典型的兩組數(shù)據(jù)如表1所示。4心功能參數(shù)監(jiān)護模塊本文所設計的新型心血管血流參數(shù)監(jiān)護模塊,可