专利名称：心脏功能自动无创检测仪的制作方法
本系统是一个利用微机技术实现心脏功能无创自动检测的仪器。该系统可用于对心血管病人、正常人(如正常人体检、选拔运动员和宇航员检测等)的心脏功能进行全面检测，也可以根据病人用药前后的心脏功能变化，以研究药物性能。故本系统可用于医院、医学院、生物研究所、药物研究所、体育部门以及学校、机关、部队等单位。
目前国内使用的心脏功能检测仪分为两种，一种是有创法，另一种是无创法。有创法如漂浮导管法有许多缺点，它操作复杂、费用昂贵，给病人带来很多痛苦，更重要的是可能引起静脉血拴、感染、出血或并发症等。无创法所使用的心脏功能检测仪，一般采用心阻抗图法，但是全部参数均由人工测量和计算，速度很慢，对一个受检者作一份检测报告单需要花费1至2小时时间，而且准确性和重复性较差，因而难于临床应用。美国的宝美(BOMed)公司生产的“无创血流动力心功能监护仪”也是采用心阻抗图法，但该装置只显示6个心功能参数，只作为监护用，售价1.3万美元，价格昂贵。国内尚未见到同类产品。
鉴于现有技术存在的问题，本发明目的是研制一种自动无创心功能检测仪。采用微型计算机对信号进行自动检测和处理，不受呼吸影响，工作速度快，仅用两分钟左右的时间就可以自动完成对信号的定标、定基线、采样、计算并打印出一份具有三个图形(心电图ECG、心阻抗信号IRG和心音信号图PCG)及32个心脏功能检测参数的报告单、医生和病人当时能看到结果。
本发明所提供的是一种微机阻抗法心功能检测仪。该系统由硬件和软件组成。硬件如
图1所示有两部分，第一部分是信号的采集放大部分;第二部分是信号转换、处理计算及输入输出。第一部分包括高频恒流信号源(1)、人体基础阻抗测量、显示器(2)、IRG(心阻抗信号)放大器(3)、PCG(心音信号)放大器(5)。第二部分包括A/D转换器(6)、运行状态指示灯(7)、微机主机(8)、键盘(9)、工作状态选择开关(10)、显示器(11)、打印机(12)等，所有硬件全部装入由金属制成或塑料挤压成型的机箱(13)中、如图2所示在机箱(13)的上面板上安装有打印机(12)、停打开关(19)、停打指示灯(20)、电源开关(21)、电源开关指示灯(22)、键盘(9)、显示器(11)、运行状态指示灯(7)等。在机箱(13)的前面板上安装有人体基础阻抗测量、显示器(1)、ZO旋钮(18)、PCG插孔(15)、ECG插孔(14)、IRG插座(16)、GAIN旋钮(17)及工作状态选择开关(10)。
本系统要检测三种信号即心电信号ECG、心音信号PCG、和心阻抗信号IRG。检测方法如下第一，测心电信号ECG，将心电电极电缆一端的三个电极分别吸附在人体的胸部、右臂和左下肢，并从胸部、右臂和左下肢电极上测得心电信号ECG，电缆的另一端插在机箱(13)的前面板ECG插孔(14)中，并联接电路ECG放大器(4)。第二，测心音信号PCG，将心音电极电缆一端的心音换能器，吸附在人体的胸骨柄左缘第三、四肋骨之间并由该电极上测得心音信号PCG，电缆的另一端插在机箱(13)的前面板PCG插孔(15)中，并联接电路PCG放大器(5)。第三，测心阻抗信号IRG和基础阻抗ZO值的方法是将具有4个电极的电缆的一端，其中两个电极分别捆在人体的颈根部、另两个电极，分别捆在人体的剑突下缘部位，(详见图3)由高频恒流源(1)产生50KHZ的恒流信号加到受检者颈根部上电极和剑突下缘的上电极，测出基础阻抗ZO值、和心阻抗信号IRG，电缆的另一端插在机箱(13)的前面板IRG插座(16)中，并由插座(16)分别联接电路高频恒流信号源(1)、人体基础阻抗测量、显示器(2)和IRG放大器(3)。当受检者(X)身上按要求将各个电极吸附、绑好后，此时即可通电，由该系统键盘上键入受检者(X)的体检参数，键入完毕，系统进入自动定基线、定标同时相应的指示灯自动点亮，对心电信号ECG、心音信号PCG和心阻抗信号IRG进行自动采集、采集来的信号是模拟信号分别再经图5上的放大器(26)进一步放大，送至A/D转换器(6)中，将模拟电压转换为数字量，然后送至图6微机主机(8)中。图5中的触发器(27)74LS76用以将2MHZ的时钟变为500KHZ的时钟脉冲供A/D转换器(6)使用。结合图6介绍一下为满足本系统速度、精度和内存容量的要求所选用的芯片。中央处理机选肸80CPU，本系统要求只读存贮器ROM(32)的容量为16KB故选用27128，要求随机存贮器RAM(31)的容量为8KB故选用6264。但为了适应今后功能的扩展，故内存留有扩展余地，已扩到64KB(图6中只画出了32KB)。存贮器的片选依赖Y0、Y1等，由译码器(29)74LS138(1)产生。为了达到输入输出的要求，又用3/8译码器(30)74LS138(2)和图5中译码器(28)74LS138(3)两块芯片。由译码器(30)74LS138(2)产生PS1信号作为CTC(34)的片选信号，产生的PS6信号加到图5中的译码器(28)74LS138(3)的C端经译码后由Y0端产生98H片选信号用以选通运行状态指示灯驱动器(37)74LS374，然后再驱动运行状态指示灯(7)。使系统在运行过程中所对应的状态指示灯点亮。
结合图2和图7介绍一下键盘(9)和实现其功能的电路。本系统选用的是具有32键的键盘，实际用了25键。其中有10个数字键0-9。有9个命令键有重新开始键(START)、下键(NEXT)、上键(LAST)、C键(清除)、从头检查键、测量键、重打图表键、重打表键、复位键等。有2个性别键A键(女)、B键(男)。有4个备用键供以后扩展新的功能。键盘电路是图7所示的一组行、列闭合开关电路，有6行5列，由数据总线D5-D0送来的信号经字位锁存器(36)74LS273及非门反相后，送到各行进行扫描。5条列线各串接100K的电阻接+5V，在没有行扫描或有行扫描但无键按下时;5条列线均为高电位。当有行扫描(即该行为低电位时)同时在该行上有键按下，则所在的列线也变为低电位。列信号通过三态门(38)74LS244送至微机主机(8)。根据行信号和列信号就可以确定按下的是哪个键，并由显示器(11)显示输出。显示器(11)是由六个共阴极七段数码显示管组成。他显示的字形代码经数据总线D6-D0，通过字形锁存器(35)74LS273，锁存经三极管FS9012放大后，送往每个数码管的七段上，与此同时字位代码经D5-D0、经字位锁存器(36)74LS273。锁存、反相后送往六个数码管的阴极，控制数码管显示。
本发明使用的软件是用Z80汇编语言写成。程序编好后固化在16K的只读存贮器(33)即ROM27128中。下面结合软件流程8对本发明所使用的软件进行一下描述当本心脏功能自动无创检测仪通电后，系统自动执行初始化程序进行自动清除、复位。然后进入显示程序，当有键按下时，系统进入键盘分析程序，对键值进行识别分析，键入完毕后，系统自动执行处理程序段进行自动定基线、定标及控制相应的状态标志，自动进行数据采集、处理、分析、计算等。当该段程序执行完后，系统自动执行打印输出程序，打印输出ECG、PCG、IRG三条曲线波形图和32个心脏功能参数。输出结束后系统执行自动显示程序同时进行键盘扫描，当有键按下时系统又循环到相应的程序段。
下面结合图4对利用微机技术对心脏功能所检测参数作进一步说明图中标号是心电图ECG曲线(23)、心阻抗微分图IRG曲线(24)、心音图PCG曲线(25)。心阻抗信号由人体取出经过放大电路放大和微分电路微分形成心阻抗微分信号，心阻抗微分信号可以反映出血管瞬时流量的变化即血液流速，如心阻抗微分图(24)C点即dz/dt｜max代表血管最大瞬时流量、A2代表血管最大回缩速率、O点代表血管最大再扩张速率、S点代表血管再回缩速率。因此根据心脏血流心阻抗微分图(24)上若干特征点的幅度和时间间隔，就可反映出心脏血液流动力学状态，同时也可以判断心脏功能。利用心电图ECG曲线(23)和心音图PCG曲线(25)能在心阻抗微分图IRG曲线上对各特征点进行准确的时间定点。例如C点、A2点和O点的各时间间隔分别是Q-BO(或B15)、BO(或B15)-A2(或X)、A2(或X)-O和R-R。以上数据均可以由本系统自动测出。再根据输入受检者的体验参数则可算出其它的心脏功能参数。下面将本系统可测算打印出的32个心脏功能参数及其数字表达式列表如下1.AMPC阻抗微分图幅度，IRG最大值(扩张波幅)。
2.AMPO∶O波幅度(再扩张波幅)。
3.AMPA∶A波幅度(回缩波幅)。
4.Q-B。(或B15)ECG的Q波起点到BO(或B15)的间隔时间，是左心室射血前期。
5.Q-Z左室功能指数。是Q波起点到阻抗微分图最大值C点的间隔时间。
6.B0(或B15)-A2(或X)是左心室射血期。
7.A2(或X)-0是左心室等容舒张期。
8.R-R是相邻两R波的间隔时间即心动周期。
9.HR心率数学公式HR＝60000/(R-R)次/min10.MAP平均动脉压。
数学公式MAP＝DP+SPmmHg11.BSA体表面积。
数学公式BSA＝0.0128Wkg+0.0061Hcm-0.153M212.rho血液电阻率。
13.SV心脏每搏输出量数学公式SV＝ρ·(1/z)·dz/dt｜max·TmL/B式中ρ血液的电阻率约为135Ω-cm;
L测量电极(吸附人体颈根部下电极和剑突下缘上电极)间的距离约为25cm;
ZO测量电级(吸附人体颈根部下电极和剑突上电极)间的阻抗，正常值为22-35Ω;
dz/dt｜max心血流微分阻抗图的最大值;
T是左心室射血时间即由B0或B15到A2的间隔时间，正常值约为280至300ms。
14.CO心脏每分钟输出量数学公式CO＝SV·HRL/min15.SVI搏指数数学公式SVI＝SV/BSA L/min/M216.CI心指数数学公式CI＝CO/BSA mL/B/M217.HI心脏收缩功能指数数学公式HI＝dz/dt｜man÷(Q-Z) Ω/S218.PEP/LVET左心室射血前期/左心室射血期数学公式PEP/LVET＝(Q-B15)/(B15-A2)19.EF射血分数数学公式EF＝1.125-1.25·(PEP/LVET)20.O/C再扩张波幅/扩张波幅。
21.A/C回缩波幅/扩张波幅。
22.Q-A2(或X)左心室射血前期与射血期之和。
23.TPR总外周阻力数学公式TPR＝MAP÷CO×80dyne·sec·cm-524.AC主动脉顺应性数学公式AC＝SV÷(SP-DP)mL/mmHg25.PAWP肺毛细血管楔压数学公式PAWP＝18.8·(Q-B15)/(A2-O)+1.8mmHg26.LVEDP左心室舒张末期压数学公式LVEDP＝21.6(Q-B15)/(A2-O)+1.1mmHg27.SW每搏左心室作功数学公式SW＝SV×MAP×13.6×1000kg·m/B28.CW每分钟左心室作功数学公式CW＝CO×MAPkg·m/min29.SWI搏功指数数学公式SWI＝SW÷BSA kg·m/B/M230.CWI心功指数数学公式CWI＝CW÷BSA kg·m/min/M231.HS心肌耗氧量数学公式HS＝HR·SBP32.CAPP冠状动脉灌注压数学公式CAPP＝DBP-PAWPmmHg本心脏功能自动无创检测仪的优点是工作可靠、性能稳定、自动化程度高、速度快、能准确的反应心脏功能状态、不受呼吸影响，尤其是其重复性好。而且操作方便，易学易用，体积小、成本低、便于临床推广使用，不但可在大医院使用，而且可以推广到中、小医院使用。目前只有大医院才有能力购置昂贵的进口心功能监测仪，而且大部分参数均由人工计算。本系统对于广泛推广开展心功能检测具有较大的推动作用。
本发明有如下附1.原理方框2.心脏功能自动无创检测仪外形3.受检者测量示意4.ECG、IRG、PCG三条曲线5.电路6.电路7.电路8.程序流程图。
图中标号如下1.高频恒流信号源
2.人体基础阻抗测量、显示器3.IRG放大器4.ECG放大器5.PCG放大器6.A/D转换器(ADC0809)7.运行状态指示灯8.微机主机(Z8CPU)9.键盘10.工作状态选择开关11.显示器(数码管)12.打印机13.机箱14.ECG插孔15.PCG插孔16.IEG插座17.GAIN旋钮18.Zo旋钮19.停打开关20.停打指示灯21.电源开关22.电源指示灯23.ECG(心电信号)曲线24.IRG(心阻抗)曲线25.PCG(心音信号)曲线26.放大器27.触发器(74LS76)28.译码器(74LS138(3))29.译码器(74LS138(1))30.译码器(74LS138(2))
31.随机存贮器RAM(6264)32.只读存贮器ROM(2764)33.只读存贮器ROM(27128)34.CTC35.字形锁存器(74LS273)36.字位锁存器(74LS273)37.运行状态指示灯驱动器(74LS374)38.三态门(74LS244)X.受检者本发明的工作过程和具体实施结合附图介绍如下接通电源后，显示IRCg，说明本系统工作正常，处于待命状态。按一下“下键”(NEXT)，根据提示字符，键入相应的内容即键入受检者的体检参数(要求键入的内容用英文缩写字母表示)。
SE性别。男，键入A;女，键入B。
AG年龄，键入1到3位数。
Ht身高(cm)，键入3位数。
Ut体重(kg)，键入2位数。
Hp收缩压(mmHg)，键入2到3位数。
Lp舒张压(mmHg)，键入2到3位数。
Zo将工作控制开关置于“定标”位，调基础阻抗为30，再将上开关置“测量”位，就可求出被检者的人体基础阻抗Zo值。键入三位数。
Lo绑在身体颈根部下电极和剑突下缘的上电极之间的距离(cm)值。键入三位数。
Hc血球压积，键入359。
体检参数键入完毕，按一下“测量”键，系统进入自动定基线、定标、测量和处理，最后打印出ECG、IRG、PCG的曲线图和一个具有32个心脏功能参数的检测报告单。
实现上述功能的硬件有高频恒流信号源(1)产生50KHZ的高频电流加到受检者身上的有关电极上，由受检查身上的心电电极ECG，心音电极PCG、和心阻抗电极IRG上取得ECG、IRG、PCG信号，并将所取得的信号通过IRG放大器(3)、ECG放大器(4)、PCG放大器(5)放大到一定幅度。该三个放大器放大的信号为模拟电压。模拟信号ECG、IRG、PCG分别送到图5所示的放大器(26)，再进一步放大后由输出端分别送入A/D转换器(6)的IN0、IN1、IN2输入端，A/D转换器(6)将模拟量转化为数字量，由D0-D7输出通过数据总线送入图6中微机主机(8)。触发器(27)74LS76将2MHZ的时钟分频为500KHZ的时钟脉冲供A/D转换器(6)使用。
图6中微机主机(8)的数据总线D0-D7分别连接随机存贮器RAM(31)、只读存贮器ROM(32)(33)。CTC(34)、打印机(12)字形锁存器(35)、字位锁存器(36)等。地址线A0-A12分别连接随机存贮器RAM(31)、只读存贮器ROM(32)(33)、译码器(30)。存贮器的片选信号由译码器(29)Y0、Y1等产生。译码器(30)产生PS1信号作为CTC的片选信号，由译码器(30)产生的PS6信号加到图5中的译码器(28)的C端，经译码后由输出端Y0产生98H信号，以选通运行状态指示灯驱动器(37)，去驱动运行状态指示灯(7)。
图7中是输入受检者体检参数的键盘电路，键盘是一组闭合的行列开关，有6行5列，5列列线分别串一个100K电阻后接+5V正源。列信号通过三态门(38)送入微机主机(8)。字位锁存器(36)的D0-D5经反相后接到6行行线上，然后再连接显示器(11)的阴极。字形锁存器(35)的D0-D6经三极管输出后连接显示器(11)的7段上。
由微机主机(8)产生的IOR、IOW、和译码器(30)产生的PS7等信号连接打印机。
权利要求
1.心脏功能自动无创检测仪，该系统由两大部分硬件组成后装入机箱(13)中，第一部分是信号的采集放大及高频恒流信号源(1)，人体基础阻抗测量、显示器(2)等硬件组成，第二部分是由信号转换处理计算及输入输出等硬件组成，其特征在于实现信号转换、处理、计算、输入输出的硬件有A/D转换器(6)、运行状态指示灯(7)、微机主机(8)、键盘(9)、工作状态选择开关(10)、显示器(11)、打印机(12)等和系统运行所用的软件。
2.根据权利要求1所述的心脏功能自动无创检测仪，其特征在于在机箱(13)的上面板安装有打印机(12)、电源开关指示灯(22)、键盘(9)、显示器(11)、运行状态指示灯(7)等。在机箱(13)的前面板上安装有人体基础阻抗测量、显示器(2)、ZO旋钮(18)、PCG插孔(15)、ECG插孔(14)、IRG插孔(16)、GAIN旋钮(17)及工作状态选择开关(10)。
3.根据权利要求1或2所述的心脏功能自动无创检测仪，其特征在于由人体采来的心电信号ECG、心音信号PCG和心阻抗信号IRG均为模似信号，经放大器(26)进一步放大后送至A/D转换器(6)中将模拟量转换为数字量，然后送入微机主机(8)中进行数据处理计算;由微机主机(8)发出的信号IOW IOR和译码器(30)发出P57信号及数据总线D0-D9信号连接打印机(12)。A/D转换器(6)所使用的500KHZ的时钟脉冲，是由触发器(27)将2MHZ的时钟分频后形成的。
4.根据权利要求3所述的心脏功能自动无创检测仪，其特征在于随机存贮器RAM(31)容量为8KB、只读存贮器ROM为16KB，为便于功能扩展，已共扩展到64KB。存贮器所使用的片选信号Y0、Y1由译码器(29)产生。由译码器(30)产生PS1信号做为CTC(34)的片选信号，产生的P56信号送译码器(28)的C端，译码后产生98H片选信号，去选通运行状态指示灯驱动器(37)，然后去驱动运行状态指示灯(7)。即系统在运行过程中所对应的状态指示灯点亮。
5.根据权利要求1或2或4所述的心脏功能自动无创检测仪，其特征在于该系统使用的是具有32键的键盘，实际使用了25键，其中0-9、是10个数字键。有9个命令键，命令键有重新开始键(START)、下键(NEXT)、上键(LAST)、C键(清除)、从头检查键、测量键、重打图表键、重打表键、复位键等。有两个性别键，A键(女)、B键(男)有4个备用键。
6.根据权利要求5所述的心脏功能自动无创检测仪，其特征在于实现键盘功能的电路是一组闭合的行、列开关，有6行5列。由数据总线D5-P0送来的信号，经字位锁存器(36)锁存、及8/3的反相后送至各行，同时还送至显示器(11)。5条列线各串接100K电阻接+5V，列信号通过三态门(38)送微机主机(8)。当有行扫描并在该行上有键按下，根据行、列信号则可确定按下的是何键，并由显示器(11)显示输出。显示器是由六个共阴极七段数码管组成。要显示的字形代码由数据总线D6-D0发出，通过字形锁存器(35)锁存，经三级管放大后送到每个数码管的七段上，字位代码由D5-D0数据总线发出，通过字位锁存器(36)锁存、反相后送往六个数码管的阴极。
7.根据权利要求1或2或4所述的心脏功能自动无创检测仪，其特征在于本系统使用的软件是用Z80汇编语言写成。程序编好后，固化在16KB的只读存贮器ROM(33)中。其中软件程序包括有初始化程序，键盘分析程序;数据采集、处理、分析、计算程序段及输入输出程序。输出程序可以打印32个心功能参数和三条曲线。
全文摘要
一种心脏功能自动无创检测仪，由信号采集放大部分和信号转换，处理计算及输入输出部分组成。利用微型计算机对人体的心电信号、心音信号和心阻抗信号进行自动检测和处理，该系统抗干扰能力强、不受呼吸影响、时间定点准确，工作速度快，重复性好，用两分钟左右的时间就可以完成自动定标、定基线、采样、计算并打印出心电信号ECG、心音信号PCG和心阻抗信号IRG等三条曲线，和打印出一份具有32个心脏功能参数的报告单。本系统操作简单，可用于医院、研究所、工厂等单位。
文档编号A61B5/04GK1034665SQ88100018
公开日1989年8月16日 申请日期1988年1月8日 优先权日1988年1月8日
发明者马立业 申请人:北京航空学院