專利名稱：心臟功能自動無創檢測儀的制作方法
本系統是一個利用微機技術實現心臟功能無創自動檢測的儀器。該系統可用于對心血管病人、正常人(如正常人體檢、選拔運動員和宇航員檢測等)的心臟功能進行全面檢測，也可以根據病人用藥前后的心臟功能變化，以研究藥物性能。故本系統可用于醫院、醫學院、生物研究所、藥物研究所、體育部門以及學校、機關、部隊等單位。
目前國內使用的心臟功能檢測儀分為兩種，一種是有創法，另一種是無創法。有創法如漂浮導管法有許多缺點，它操作復雜、費用昂貴，給病人帶來很多痛苦，更重要的是可能引起靜脈血拴、感染、出血或并發癥等。無創法所使用的心臟功能檢測儀，一般采用心阻抗圖法，但是全部參數均由人工測量和計算，速度很慢，對一個受檢者作一份檢測報告單需要花費1至2小時時間，而且準確性和重復性較差，因而難于臨床應用。美國的寶美(BOMed)公司生產的“無創血流動力心功能監護儀”也是采用心阻抗圖法，但該裝置只顯示6個心功能參數，只作為監護用，售價1.3萬美元，價格昂貴。國內尚未見到同類產品。
鑒于現有技術存在的問題，本發明目的是研制一種自動無創心功能檢測儀。采用微型計算機對信號進行自動檢測和處理，不受呼吸影響，工作速度快，僅用兩分鐘左右的時間就可以自動完成對信號的定標、定基線、采樣、計算并打印出一份具有三個圖形(心電圖ECG、心阻抗信號IRG和心音信號圖PCG)及32個心臟功能檢測參數的報告單、醫生和病人當時能看到結果。
本發明所提供的是一種微機阻抗法心功能檢測儀。該系統由硬件和軟件組成。硬件如
圖1所示有兩部分，第一部分是信號的采集放大部分;第二部分是信號轉換、處理計算及輸入輸出。第一部分包括高頻恒流信號源(1)、人體基礎阻抗測量、顯示器(2)、IRG(心阻抗信號)放大器(3)、PCG(心音信號)放大器(5)。第二部分包括A/D轉換器(6)、運行狀態指示燈(7)、微機主機(8)、鍵盤(9)、工作狀態選擇開關(10)、顯示器(11)、打印機(12)等，所有硬件全部裝入由金屬制成或塑料擠壓成型的機箱(13)中、如圖2所示在機箱(13)的上面板上安裝有打印機(12)、停打開關(19)、停打指示燈(20)、電源開關(21)、電源開關指示燈(22)、鍵盤(9)、顯示器(11)、運行狀態指示燈(7)等。在機箱(13)的前面板上安裝有人體基礎阻抗測量、顯示器(1)、ZO旋鈕(18)、PCG插孔(15)、ECG插孔(14)、IRG插座(16)、GAIN旋鈕(17)及工作狀態選擇開關(10)。
本系統要檢測三種信號即心電信號ECG、心音信號PCG、和心阻抗信號IRG。檢測方法如下第一，測心電信號ECG，將心電電極電纜一端的三個電極分別吸附在人體的胸部、右臂和左下肢，并從胸部、右臂和左下肢電極上測得心電信號ECG，電纜的另一端插在機箱(13)的前面板ECG插孔(14)中，并聯接電路ECG放大器(4)。第二，測心音信號PCG，將心音電極電纜一端的心音換能器，吸附在人體的胸骨柄左緣第三、四肋骨之間并由該電極上測得心音信號PCG，電纜的另一端插在機箱(13)的前面板PCG插孔(15)中，并聯接電路PCG放大器(5)。第三，測心阻抗信號IRG和基礎阻抗ZO值的方法是將具有4個電極的電纜的一端，其中兩個電極分別捆在人體的頸根部、另兩個電極，分別捆在人體的劍突下緣部位，(詳見圖3)由高頻恒流源(1)產生50KHZ的恒流信號加到受檢者頸根部上電極和劍突下緣的上電極，測出基礎阻抗ZO值、和心阻抗信號IRG，電纜的另一端插在機箱(13)的前面板IRG插座(16)中，并由插座(16)分別聯接電路高頻恒流信號源(1)、人體基礎阻抗測量、顯示器(2)和IRG放大器(3)。當受檢者(X)身上按要求將各個電極吸附、綁好后，此時即可通電，由該系統鍵盤上鍵入受檢者(X)的體檢參數，鍵入完畢，系統進入自動定基線、定標同時相應的指示燈自動點亮，對心電信號ECG、心音信號PCG和心阻抗信號IRG進行自動采集、采集來的信號是模擬信號分別再經圖5上的放大器(26)進一步放大，送至A/D轉換器(6)中，將模擬電壓轉換為數字量，然后送至圖6微機主機(8)中。圖5中的觸發器(27)74LS76用以將2MHZ的時鐘變為500KHZ的時鐘脈沖供A/D轉換器(6)使用。結合圖6介紹一下為滿足本系統速度、精度和內存容量的要求所選用的芯片。中央處理機選肸80CPU，本系統要求只讀存貯器ROM(32)的容量為16KB故選用27128，要求隨機存貯器RAM(31)的容量為8KB故選用6264。但為了適應今后功能的擴展，故內存留有擴展余地，已擴到64KB(圖6中只畫出了32KB)。存貯器的片選依賴Y0、Y1等，由譯碼器(29)74LS138(1)產生。為了達到輸入輸出的要求，又用3/8譯碼器(30)74LS138(2)和圖5中譯碼器(28)74LS138(3)兩塊芯片。由譯碼器(30)74LS138(2)產生PS1信號作為CTC(34)的片選信號，產生的PS6信號加到圖5中的譯碼器(28)74LS138(3)的C端經譯碼后由Y0端產生98H片選信號用以選通運行狀態指示燈驅動器(37)74LS374，然后再驅動運行狀態指示燈(7)。使系統在運行過程中所對應的狀態指示燈點亮。
結合圖2和圖7介紹一下鍵盤(9)和實現其功能的電路。本系統選用的是具有32鍵的鍵盤，實際用了25鍵。其中有10個數字鍵0-9。有9個命令鍵有重新開始鍵(START)、下鍵(NEXT)、上鍵(LAST)、C鍵(清除)、從頭檢查鍵、測量鍵、重打圖表鍵、重打表鍵、復位鍵等。有2個性別鍵A鍵(女)、B鍵(男)。有4個備用鍵供以后擴展新的功能。鍵盤電路是圖7所示的一組行、列閉合開關電路，有6行5列，由數據總線D5-D0送來的信號經字位鎖存器(36)74LS273及非門反相后，送到各行進行掃描。5條列線各串接100K的電阻接+5V，在沒有行掃描或有行掃描但無鍵按下時;5條列線均為高電位。當有行掃描(即該行為低電位時)同時在該行上有鍵按下，則所在的列線也變為低電位。列信號通過三態門(38)74LS244送至微機主機(8)。根據行信號和列信號就可以確定按下的是哪個鍵，并由顯示器(11)顯示輸出。顯示器(11)是由六個共陰極七段數碼顯示管組成。他顯示的字形代碼經數據總線D6-D0，通過字形鎖存器(35)74LS273，鎖存經三極管FS9012放大后，送往每個數碼管的七段上，與此同時字位代碼經D5-D0、經字位鎖存器(36)74LS273。鎖存、反相后送往六個數碼管的陰極，控制數碼管顯示。
本發明使用的軟件是用Z80匯編語言寫成。程序編好后固化在16K的只讀存貯器(33)即ROM27128中。下面結合軟件流程8對本發明所使用的軟件進行一下描述當本心臟功能自動無創檢測儀通電后，系統自動執行初始化程序進行自動清除、復位。然后進入顯示程序，當有鍵按下時，系統進入鍵盤分析程序，對鍵值進行識別分析，鍵入完畢后，系統自動執行處理程序段進行自動定基線、定標及控制相應的狀態標志，自動進行數據采集、處理、分析、計算等。當該段程序執行完后，系統自動執行打印輸出程序，打印輸出ECG、PCG、IRG三條曲線波形圖和32個心臟功能參數。輸出結束后系統執行自動顯示程序同時進行鍵盤掃描，當有鍵按下時系統又循環到相應的程序段。
下面結合圖4對利用微機技術對心臟功能所檢測參數作進一步說明圖中標號是心電圖ECG曲線(23)、心阻抗微分圖IRG曲線(24)、心音圖PCG曲線(25)。心阻抗信號由人體取出經過放大電路放大和微分電路微分形成心阻抗微分信號，心阻抗微分信號可以反映出血管瞬時流量的變化即血液流速，如心阻抗微分圖(24)C點即dz/dt｜max代表血管最大瞬時流量、A2代表血管最大回縮速率、O點代表血管最大再擴張速率、S點代表血管再回縮速率。因此根據心臟血流心阻抗微分圖(24)上若干特征點的幅度和時間間隔，就可反映出心臟血液流動力學狀態，同時也可以判斷心臟功能。利用心電圖ECG曲線(23)和心音圖PCG曲線(25)能在心阻抗微分圖IRG曲線上對各特征點進行準確的時間定點。例如C點、A2點和O點的各時間間隔分別是Q-BO(或B15)、BO(或B15)-A2(或X)、A2(或X)-O和R-R。以上數據均可以由本系統自動測出。再根據輸入受檢者的體驗參數則可算出其它的心臟功能參數。下面將本系統可測算打印出的32個心臟功能參數及其數字表達式列表如下1.AMPC阻抗微分圖幅度，IRG最大值(擴張波幅)。
2.AMPO∶O波幅度(再擴張波幅)。
3.AMPA∶A波幅度(回縮波幅)。
4.Q-B。(或B15)ECG的Q波起點到BO(或B15)的間隔時間，是左心室射血前期。
5.Q-Z左室功能指數。是Q波起點到阻抗微分圖最大值C點的間隔時間。
6.B0(或B15)-A2(或X)是左心室射血期。
7.A2(或X)-0是左心室等容舒張期。
8.R-R是相鄰兩R波的間隔時間即心動周期。
9.HR心率數學公式HR＝60000/(R-R)次/min10.MAP平均動脈壓。
數學公式MAP＝DP+SPmmHg11.BSA體表面積。
數學公式BSA＝0.0128Wkg+0.0061Hcm-0.153M212.rho血液電阻率。
13.SV心臟每搏輸出量數學公式SV＝ρ·(1/z)·dz/dt｜max·TmL/B式中ρ血液的電阻率約為135Ω-cm;
L測量電極(吸附人體頸根部下電極和劍突下緣上電極)間的距離約為25cm;
ZO測量電級(吸附人體頸根部下電極和劍突上電極)間的阻抗，正常值為22-35Ω;
dz/dt｜max心血流微分阻抗圖的最大值;
T是左心室射血時間即由B0或B15到A2的間隔時間，正常值約為280至300ms。
14.CO心臟每分鐘輸出量數學公式CO＝SV·HRL/min15.SVI搏指數數學公式SVI＝SV/BSA L/min/M216.CI心指數數學公式CI＝CO/BSA mL/B/M217.HI心臟收縮功能指數數學公式HI＝dz/dt｜man÷(Q-Z) Ω/S218.PEP/LVET左心室射血前期/左心室射血期數學公式PEP/LVET＝(Q-B15)/(B15-A2)19.EF射血分數數學公式EF＝1.125-1.25·(PEP/LVET)20.O/C再擴張波幅/擴張波幅。
21.A/C回縮波幅/擴張波幅。
22.Q-A2(或X)左心室射血前期與射血期之和。
23.TPR總外周阻力數學公式TPR＝MAP÷CO×80dyne·sec·cm-524.AC主動脈順應性數學公式AC＝SV÷(SP-DP)mL/mmHg25.PAWP肺毛細血管楔壓數學公式PAWP＝18.8·(Q-B15)/(A2-O)+1.8mmHg26.LVEDP左心室舒張末期壓數學公式LVEDP＝21.6(Q-B15)/(A2-O)+1.1mmHg27.SW每搏左心室作功數學公式SW＝SV×MAP×13.6×1000kg·m/B28.CW每分鐘左心室作功數學公式CW＝CO×MAPkg·m/min29.SWI搏功指數數學公式SWI＝SW÷BSA kg·m/B/M230.CWI心功指數數學公式CWI＝CW÷BSA kg·m/min/M231.HS心肌耗氧量數學公式HS＝HR·SBP32.CAPP冠狀動脈灌注壓數學公式CAPP＝DBP-PAWPmmHg本心臟功能自動無創檢測儀的優點是工作可靠、性能穩定、自動化程度高、速度快、能準確的反應心臟功能狀態、不受呼吸影響，尤其是其重復性好。而且操作方便，易學易用，體積小、成本低、便于臨床推廣使用，不但可在大醫院使用，而且可以推廣到中、小醫院使用。目前只有大醫院才有能力購置昂貴的進口心功能監測儀，而且大部分參數均由人工計算。本系統對于廣泛推廣開展心功能檢測具有較大的推動作用。
本發明有如下附1.原理方框2.心臟功能自動無創檢測儀外形3.受檢者測量示意4.ECG、IRG、PCG三條曲線5.電路6.電路7.電路8.程序流程圖。
圖中標號如下1.高頻恒流信號源
2.人體基礎阻抗測量、顯示器3.IRG放大器4.ECG放大器5.PCG放大器6.A/D轉換器(ADC0809)7.運行狀態指示燈8.微機主機(Z8CPU)9.鍵盤10.工作狀態選擇開關11.顯示器(數碼管)12.打印機13.機箱14.ECG插孔15.PCG插孔16.IEG插座17.GAIN旋鈕18.Zo旋鈕19.停打開關20.停打指示燈21.電源開關22.電源指示燈23.ECG(心電信號)曲線24.IRG(心阻抗)曲線25.PCG(心音信號)曲線26.放大器27.觸發器(74LS76)28.譯碼器(74LS138(3))29.譯碼器(74LS138(1))30.譯碼器(74LS138(2))
31.隨機存貯器RAM(6264)32.只讀存貯器ROM(2764)33.只讀存貯器ROM(27128)34.CTC35.字形鎖存器(74LS273)36.字位鎖存器(74LS273)37.運行狀態指示燈驅動器(74LS374)38.三態門(74LS244)X.受檢者本發明的工作過程和具體實施結合附圖介紹如下接通電源后，顯示IRCg，說明本系統工作正常，處于待命狀態。按一下“下鍵”(NEXT)，根據提示字符，鍵入相應的內容即鍵入受檢者的體檢參數(要求鍵入的內容用英文縮寫字母表示)。
SE性別。男，鍵入A;女，鍵入B。
AG年齡，鍵入1到3位數。
Ht身高(cm)，鍵入3位數。
Ut體重(kg)，鍵入2位數。
Hp收縮壓(mmHg)，鍵入2到3位數。
Lp舒張壓(mmHg)，鍵入2到3位數。
Zo將工作控制開關置于“定標”位，調基礎阻抗為30，再將上開關置“測量”位，就可求出被檢者的人體基礎阻抗Zo值。鍵入三位數。
Lo綁在身體頸根部下電極和劍突下緣的上電極之間的距離(cm)值。鍵入三位數。
Hc血球壓積，鍵入359。
體檢參數鍵入完畢，按一下“測量”鍵，系統進入自動定基線、定標、測量和處理，最后打印出ECG、IRG、PCG的曲線圖和一個具有32個心臟功能參數的檢測報告單。
實現上述功能的硬件有高頻恒流信號源(1)產生50KHZ的高頻電流加到受檢者身上的有關電極上，由受檢查身上的心電電極ECG，心音電極PCG、和心阻抗電極IRG上取得ECG、IRG、PCG信號，并將所取得的信號通過IRG放大器(3)、ECG放大器(4)、PCG放大器(5)放大到一定幅度。該三個放大器放大的信號為模擬電壓。模擬信號ECG、IRG、PCG分別送到圖5所示的放大器(26)，再進一步放大后由輸出端分別送入A/D轉換器(6)的IN0、IN1、IN2輸入端，A/D轉換器(6)將模擬量轉化為數字量，由D0-D7輸出通過數據總線送入圖6中微機主機(8)。觸發器(27)74LS76將2MHZ的時鐘分頻為500KHZ的時鐘脈沖供A/D轉換器(6)使用。
圖6中微機主機(8)的數據總線D0-D7分別連接隨機存貯器RAM(31)、只讀存貯器ROM(32)(33)。CTC(34)、打印機(12)字形鎖存器(35)、字位鎖存器(36)等。地址線A0-A12分別連接隨機存貯器RAM(31)、只讀存貯器ROM(32)(33)、譯碼器(30)。存貯器的片選信號由譯碼器(29)Y0、Y1等產生。譯碼器(30)產生PS1信號作為CTC的片選信號，由譯碼器(30)產生的PS6信號加到圖5中的譯碼器(28)的C端，經譯碼后由輸出端Y0產生98H信號，以選通運行狀態指示燈驅動器(37)，去驅動運行狀態指示燈(7)。
圖7中是輸入受檢者體檢參數的鍵盤電路，鍵盤是一組閉合的行列開關，有6行5列，5列列線分別串一個100K電阻后接+5V正源。列信號通過三態門(38)送入微機主機(8)。字位鎖存器(36)的D0-D5經反相后接到6行行線上，然后再連接顯示器(11)的陰極。字形鎖存器(35)的D0-D6經三極管輸出后連接顯示器(11)的7段上。
由微機主機(8)產生的IOR、IOW、和譯碼器(30)產生的PS7等信號連接打印機。
權利要求
1.心臟功能自動無創檢測儀，該系統由兩大部分硬件組成后裝入機箱(13)中，第一部分是信號的采集放大及高頻恒流信號源(1)，人體基礎阻抗測量、顯示器(2)等硬件組成，第二部分是由信號轉換處理計算及輸入輸出等硬件組成，其特征在于實現信號轉換、處理、計算、輸入輸出的硬件有A/D轉換器(6)、運行狀態指示燈(7)、微機主機(8)、鍵盤(9)、工作狀態選擇開關(10)、顯示器(11)、打印機(12)等和系統運行所用的軟件。
2.根據權利要求1所述的心臟功能自動無創檢測儀，其特征在于在機箱(13)的上面板安裝有打印機(12)、電源開關指示燈(22)、鍵盤(9)、顯示器(11)、運行狀態指示燈(7)等。在機箱(13)的前面板上安裝有人體基礎阻抗測量、顯示器(2)、ZO旋鈕(18)、PCG插孔(15)、ECG插孔(14)、IRG插孔(16)、GAIN旋鈕(17)及工作狀態選擇開關(10)。
3.根據權利要求1或2所述的心臟功能自動無創檢測儀，其特征在于由人體采來的心電信號ECG、心音信號PCG和心阻抗信號IRG均為模似信號，經放大器(26)進一步放大后送至A/D轉換器(6)中將模擬量轉換為數字量，然后送入微機主機(8)中進行數據處理計算;由微機主機(8)發出的信號IOW IOR和譯碼器(30)發出P57信號及數據總線D0-D9信號連接打印機(12)。A/D轉換器(6)所使用的500KHZ的時鐘脈沖，是由觸發器(27)將2MHZ的時鐘分頻后形成的。
4.根據權利要求3所述的心臟功能自動無創檢測儀，其特征在于隨機存貯器RAM(31)容量為8KB、只讀存貯器ROM為16KB，為便于功能擴展，已共擴展到64KB。存貯器所使用的片選信號Y0、Y1由譯碼器(29)產生。由譯碼器(30)產生PS1信號做為CTC(34)的片選信號，產生的P56信號送譯碼器(28)的C端，譯碼后產生98H片選信號，去選通運行狀態指示燈驅動器(37)，然后去驅動運行狀態指示燈(7)。即系統在運行過程中所對應的狀態指示燈點亮。
5.根據權利要求1或2或4所述的心臟功能自動無創檢測儀，其特征在于該系統使用的是具有32鍵的鍵盤，實際使用了25鍵，其中0-9、是10個數字鍵。有9個命令鍵，命令鍵有重新開始鍵(START)、下鍵(NEXT)、上鍵(LAST)、C鍵(清除)、從頭檢查鍵、測量鍵、重打圖表鍵、重打表鍵、復位鍵等。有兩個性別鍵，A鍵(女)、B鍵(男)有4個備用鍵。
6.根據權利要求5所述的心臟功能自動無創檢測儀，其特征在于實現鍵盤功能的電路是一組閉合的行、列開關，有6行5列。由數據總線D5-P0送來的信號，經字位鎖存器(36)鎖存、及8/3的反相后送至各行，同時還送至顯示器(11)。5條列線各串接100K電阻接+5V，列信號通過三態門(38)送微機主機(8)。當有行掃描并在該行上有鍵按下，根據行、列信號則可確定按下的是何鍵，并由顯示器(11)顯示輸出。顯示器是由六個共陰極七段數碼管組成。要顯示的字形代碼由數據總線D6-D0發出，通過字形鎖存器(35)鎖存，經三級管放大后送到每個數碼管的七段上，字位代碼由D5-D0數據總線發出，通過字位鎖存器(36)鎖存、反相后送往六個數碼管的陰極。
7.根據權利要求1或2或4所述的心臟功能自動無創檢測儀，其特征在于本系統使用的軟件是用Z80匯編語言寫成。程序編好后，固化在16KB的只讀存貯器ROM(33)中。其中軟件程序包括有初始化程序，鍵盤分析程序;數據采集、處理、分析、計算程序段及輸入輸出程序。輸出程序可以打印32個心功能參數和三條曲線。
全文摘要
一種心臟功能自動無創檢測儀，由信號采集放大部分和信號轉換，處理計算及輸入輸出部分組成。利用微型計算機對人體的心電信號、心音信號和心阻抗信號進行自動檢測和處理，該系統抗干擾能力強、不受呼吸影響、時間定點準確，工作速度快，重復性好，用兩分鐘左右的時間就可以完成自動定標、定基線、采樣、計算并打印出心電信號ECG、心音信號PCG和心阻抗信號IRG等三條曲線，和打印出一份具有32個心臟功能參數的報告單。本系統操作簡單，可用于醫院、研究所、工廠等單位。
文檔編號A61B5/04GK1034665SQ88100018
公開日1989年8月16日 申請日期1988年1月8日 優先權日1988年1月8日
發明者馬立業 申請人:北京航空學院