窦房结电图检测仪的制作方法

专利名称：窦房结电图检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医疗检测仪器，特别是一种窦房结电图检测仪。
背景技术：
自1977年Cramer等(Circ Res, 1977 ；41 :292)首次记录到离体窦房结细胞跨膜 动作电位和细胞外SNE以来，SNE的实验与临床研究已取得了一些进展。但因SNE系微伏 级窦房结电图，其振幅仅在几微伏至几十微伏之间，临床上常用的体表心电图记录方法不 能检测。1978年，Hariman(Am J Cardiol，1978 ;41 :374)采取有创法，应用心外膜电极在 右心房界沟部记录到 SNE ；同年 Krongard (Circulation, 1978 ；58 (suppll) II :146〕采用心 导管自心内膜记录到SNE。但由于SNE属微伏级低频、低振幅心电信号，记录成功率较低， 加之手术操作过程复杂，设备条件要求较高，且存有一定危险，致使有创法记录SNE在临床 应用上受到很大限制。近年来，陆续见有无创法记录SNE的报道。1981年，Waldemar J等 (Circulation, 1981 ；64(Supp IV) IV :四8〕报道了从体表记录无创SNE的方法；1985年，郑 昶(中华心血管疾病杂志，1985 ；13 174)报道了无创记录食管SNE的方法(非平均法)； I986年，蔡毓英等〔南京医学院学报，I986 ；6 (2) 118〕报告采用C导联体表记录无创SNE的 方法；1991年，蔡毓英(南京医学院学报，1991 ；11 (3) :171)等又报道了采用程控双时值放 大器记录无创体表SNE的方法。但因无创SNE记录过程中均存有1)属低频、低振幅波易 引起基线飘移；2)非信号平均记录信噪比较低；3)缺乏与有创法所测SNE同步记录对比； 4)所记录的SNE存有波形易与极差电位相混淆，无特征性和规律性力)成功率低且重复性 差等问题，故目前对用无创法所记录的体表或食管SNE存在争议，其焦点集中于记录到的P 前波是否为SNE，如何辨认和分析等问题。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种性能稳 定、分辨率高的窦房结电图检测仪。本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是窦房结电图检测仪，其不同 之处在于其包括3路信号放大调节电路、多路选择开关、16位A/D转换器、QRS触发器、微 机系统，每路信号放大调节电路由传感器、前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级依 次联接而成，每路信号放大调节电路的增益调节级输出端均联接多路选择开关，多路选择 开关的输出端联接16位A/D转换器信号输入接口 ；每路传感器将信号依次通过前置放大 器、隔离放大器、滤波器、增益调节级输入到多路选择开关，多路选择开关将信号送到16位 A/D转换器，16位A/D转换器将信号处理后送至微机系统，前置放大器与隔离放大器之间的 公共接点与多路选择开关之间联接有QRS触发器。本实用新型的有益效果是本实用新型窦房结电图检测仪，可以提高信噪比，增 加信号分辨率防止波形失真，排除其它波形的干扰，防止基线飘移，以确保窦房结电图的记录。
图1是本实用新型结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型实施例窦房结电图检测仪，其包括3路信号放大调节电 路、多路选择开关、16位A/D转换器、QRS触发器、微机系统，每路信号放大调节电路由传感 器、前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级依次联接而成，每路信号放大调节电路的 增益调节级输出端均联接多路选择开关，多路选择开关的输出端联接16位A/D转换器信 号输入接口 ；每路传感器将信号依次通过前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级输 入到多路选择开关，多路选择开关将信号送到16位A/D转换器，16位A/D转换器将信号处 理后送至微机系统，前置放大器与隔离放大器之间的公共接点与多路选择开关之间联接有 QRS触发器。以下进一步具体说明本实用新型具体实施方式
。1.窦房结电图检测仪的设计构思窦房结电图检测仪的设计首先考虑的是用无创法，利用食管临近左房的解剖学特 点、经食道电极测量、信号平均显示、同步记录12导心电图(ECG)，建立一种新型记录无创 窦房结电图的方法。以预测引起猝死的危险因子是否存在。一旦发现可疑病变，应进行适 当的分类和预测，以便争取有效的治疗和采取相应的预防措施。2.窦房结电图检测仪的研制_集现代心脏病学、自动化科学、电脑科学与电
子技术于一身。1)采用改良的实时快速自适应算法消除电网干扰，它可以将干扰消除到ImV以 下，而对ECG信号的任何分量无丝毫影响。2)采用多项式逼近、相关和加数差分相关技术参照模板进行叠加。它使得入选的 QRS波群的相关系数大于0. 996，而噪声电平小于预定阈值。3)实时监测X、Y、Z的波形、相关系数、R-R间期、噪声电平情况。4)可以任选4极点、6极点、8极点Butterworth数字高通滤波器进行特殊滤波而 无后振铃现象。可将滤波后的信号进行任意倍的放大或缩小。数字滤波器转折频率可以任 选。不仅适于诊断，而且适于做研究工作。5)可以显示X、Y、Z导的原始信号和滤波后信号(分别和合并)；可以显示X、Y、Z 导的高分辨率ECG(分别或合并显示)；可以显示X、Y、Z滤波后的矢量幅度图。6)程序自动判断P波起点、P波终点、P波起始点。也可以人工修正。7)自动计算窦房结电图的诊断指标。8)在所有图形显示中均可调光标检测程序，可测量任何一段ECG信号的时间、电 平、滤波前后RMS电压。9)所有图形的电平刻度均有自适应功能，在将信号进行程控放大或缩小时自动调 整。10)功能目录、萤屏显示、随意选择、操作简便、容易掌握。11)高速高分辨率绘图。[0023]12)实时显示波形以利手动或自动选择。13)冻结波形，用光标线测量。14)高密度软磁盘储存受检查资料。15)备有12导心电放大器、心内心电放大器、窦房结电图放大器、P波检出器。集 成化程度高，操作简便。16)安全可靠。3.主要研究内容1)关键技术(1)研制由前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级、多路选择开关、信号平 均技术、16位A/D转换器、防飘软件、QRS触发器和微机系统组成的窦房结电图记录仪，提高 信噪比，增加信号分辨率防止波形失真，排除其它波形的干扰，防止基线飘移，以确保窦房 结电图的记录。工频干扰的消除消除工频干扰有两种方法一种是设计制造由电池供电的计算机 系统，包括生物电放大器，A/D转换器和所有的计算机分析系统，用这种方法，整个系统可以 完全浮地，而不存在使工频干扰进入的回路。不难看出，实现这种系统浮地技术关键依赖于 高集成制造能力的水平。因此，必须在严格的数学理论基础上建立稳定可靠的软件来消除 工频干扰。Cramer等提出了两个时间阈滤波方法，误差平方最小逼近滤波和同相滤波。这 两种方法都基于在整个数字化的ECG信号上估计干扰信号的幅度和相位。虽然这些技术比 常规低通滤波确实具有优势，而且在常规记录ECG信号上执行得相当好，但是还远远不能 满足微电势分析的严格要求。一个非常简单而有效地消除工频干扰方法是自适应噪声消除 技术。自适应噪声消除的优点是明显的。因为对自适应噪声消除器来说，干扰和原始输入 来源相同，因此执行过程中不会因为干扰的频率变化或干扰的一些传递过程而受到影响。 除了上面的有效措施使工频干扰消除到IuV以下外，应采取进一步的措施防止高幅度高频 率的QRS综合波干扰LMS/Newton算法。采用时序自适应技术，R波顶点被用来作为序列数， 权系列数的变化在每个序列数后80ms开始，并在下一个序列数之前MOms结束。用这一方 法，权系数的变化仅发生在ST段和T波后的等电位期间。这一时序技术保证了自适应权系 数稳定地收敛。关于信号平均的特殊考虑为解决了工频电网干扰问题，需设计一个高质量信号平 均软件，信号平均的质量可以通过下列两种方法来提高一种是严格控制检测ECG周期的 时间错位，另一种是在非平稳背景噪声下的最优信号平均。从信号平均原理，我们知道使 ECG波形精确对准是非常重要的。如果没有精确对准，例如在接受的波形中，时间错位相当 大，则包含低水平心脏微电位的高频生理信号经过平均后将被减弱或平滑掉。据报导Ims 的时间错位将造成HPS电位减少10倍。因此，为了有效地检测窦房结电图，必须使时间错 位小于1ms。为满足这一严格的技术要求，需设置一个低噪声的ECG波形样板，定义R波顶 点为基准点。然后每个采样的ECG周期首先通过基准点与样板对准。经过第一次对准，产 生了两个基于方程的误差平方和最小多项式来逼近样板ECG波形和随后的ECG波形。然 后，对两个多项式计算Pearson相关系数(CC)，CC可以很明显的反映两个正常的正弦节律 之间的时间错位。多项式逼近具有低通滤波器的作用，可以抵消计算CC中外加的随机噪声 的影响。有两个因素可以造成CC降低，第一个是样板和信号之间的时间错位；第二个是由于随机噪声和其它因素如心轴的变化等引起的波形的变化。多项式逼近在计算CC之前的 目的是要消除第二种因素的影响，因而CC可以有效地反映第一种因素的影响。设计中需把 CC设置一个阈值，在可接受的ECG周期内控制错位在Ims以内。如果CC的阈值大于或等于 0.996，则在任何可接受的ECG周期上可以控制错位Ims以内。在实际中，如果由于错位和 噪声引起所有的CC降落等于或小于0. 004，则可以肯定错位一定小于1ms。因为实际中，由 于随机噪声的存在，样板和信号的波形不可能完全相同，因而它也将造成CC的一个非零降 落，则单独由错位引起的CC降落一定小于0.004，所以错位一定小于lms。为了进一步提高 信号平均的质量，样板本身由接受到的波形经平均后更新。由于这一技术，样板中的噪声逐 渐被减少，因而可以帮助接受那些低噪声并且准确对准的ECG波形。技术参数输入阻抗大于IM Ω，共模抑制比大于120dB，放大器频响为0. I-IKHz, A/D转换器为16bit，系统采样频率为2000Hz，系统增益由软件程控设定，增益范围 200-100000倍。检测时，以QRS波起始点为触发参考点，信号平均时限为一个RR间期，即 触发点前占RR间期的90%时限，触发点占RR间期的10%时限，触发点前后时限的比例可 调，以保证SNE处于平均范围为准。分析信号导联数目为3，有数字滤波、频谱分析、光标与 自动分析，输出方式采用LQ1600打印机。软件编写采用信号平均原理，将被测信号进行N次平均，使信噪比改善φ倍。整 体软件采用Tutbo C语言和8088宏汇编语言混合编写。该软件利用宏汇编语言的高速度实 现数据采集、样板设计、频谱分析和增益控制等功能，利用C语言的强功能实现数字滤波、 绘图、基漂识别、参数计算、光标、波形平整、翻转和资料存取等功能。系统启动后，操作者选 择菜单中的某项功能，完成后，返回主菜单。样板程序在信号平均程序中，ITi-TaI决定平均的条件，其中Ta为样板，Ti为 瞬时心率。确定Ta的方法为预先采集12个心动周期信号，排除其中4个最大的和4个 最小的，再对余下心动周期信号求平均，以后继续进行信号平均时，样板将按公式Ta = α Ta+(1-α) Ta进行动态更新，设计中α为0.7。噪声测量噪声分为基线噪声标准差与信号标准差。基线噪声标准差按下式计算
NF= Σ Σ QW2，其中j = 1、2、3分别代表x、y、z三导联，m为每导联计算噪声的点 3m
数，Q2iuk为基线噪声的均方根电压。信号标准差为NF/+，η为平均的心动周期数，噪声计 算段取QRS波后60ms处5ms段长。当系统处于噪声阈值工作方式时，每次平均后，将所测信 号标准差与该阈值比较，直到达到该设定阈值为止；而系统处于信号平均次数工作方式时， 以信号平均的心动周期为阈值，完成后，计算总信号标准差。数字滤波数字滤波器的设计采用从模拟低通原型到数字带通滤波器的设计方案。 模拟低通原型滤波器采用Butterworth滤波器结构，归一化系统函数为H(P) = 1/(Ρ2+0.7 65367P+1) · (P2+l. 847759P+1)，分别将数字高、低通滤波器公式代入，可得高、低通数字滤波 系统函数 HH (Z)和 HL(Z) =HH(Z) = g1E(l-^)2/ii-a^+h^2] · (l-z-1) 7 [1-(^+(^2]， HL(Z) = ^Ld-z—1)7[1- +!^-2] ka-z-T/Tl-CL^+dLZ-2]，分别求系统函数 HH(Z)和 HL(Z)相应的差分方程yH(n)和A(η)，即可求得该数字带通滤波器。异常排除信号平均原理所要求的信号是周期性信号，因而必须排除异常心搏，通 常选择ITi-TaI <0.08秒条件作为信号平均的判据。然而理论分析表明采用这种固定值作判据的方法将导致信号平均结果的不均勻性，即心率慢时、信号平均的条件严；而心率 快时，信号平均的条件宽。为解决这一问题，本研究将固定值判据改为随样板变化的判据， 即|Ti_Ta| < TaX 15%改进了上述不足。此外信号平均前对基飘信号的识别很重要，平均 前须设置一定的基漂阈值，从而保证了当基飘小于该阈值时才进行信号平均，否则，不予平 均，从而保证高质量的处理结果。样板处理采用以多数心率进行平均的样板处理方法，保证对心电信号的测量，拓 宽信号平均方法的应用范围。(2)同步犬无创食管SNE与有创窦房结区SNE的对比分析应用信号平均原理，对犬无创食管SNE、有创窦房结区心外膜SNE和右心房电位三 导信号平均心电图进行同步对比研究，并对开胸犬采用钳夹法损伤心外膜窦房结区，建立 非窦性心律失常模型，证实了犬无创食管SNE与有创窦房结区心外膜SNE的一致性、真实性 和准确性。(3)同步人无创食管SNE与有创窦房结区SNE的对比分析在成功食管记录SNE的实验研究基础上，同步信号平均记录256例人无创食管 SNE、有创窦房结区心内膜SNE和右心房电位三导信号平均心电图，进一步论证了应用信号 平均心电图原理，经食管记录无创SNE的可行性、可靠性和实用性。(4)无创食管SNE的记录分析采用配有信号平均技术、16位A/D转换器和防飘程序软件三块自制功能板的心电 微电位检测仪，应用信号平均心电图原理，依据心电信号的周期性和噪声的随机特性，利用 左房临近食管的解剖学特点，将经食管采集的低频、低振幅的窦房结区心电信号进行N次 平均，提高信噪比，检测了 1289例心律失常患者，对1108例记录的食管SNE波形、时限、振 幅、相邻波之间的关系进行分析，有效地指导了心律失常患者的诊断和治疗。2)主要研究内容(1)应用信号平均心电图原理记录无创食管SNE应用信号平均原理，依据心电信号的周期性和噪声的随机特性，利用左房临近食 管的解剖学特点，采用配有信号平均技术、16位A/D转换器和防飘程序软件三块自制功能 板的心电微电位检测仪，将经食管采集的低频、低振幅微伏级窦房结心电信号进行N次平 均，提高信噪比，以记录到清晰可靠、重复性好、成功率高的无创食管SNE，为心脏电生理的 基础研究、心脏传导系统功能的评估、心血管疾病的临床诊治和心脏性猝死高危患者的预 测提供了理论和实验依据。(2)应用16位A/D转换器检测食管SNE现有微机均应用8位或10位A/D转换器，由于其分辨率较低，所测微伏级SNE经 其数字化后，在信号平均、判别、计算和显示等过程中，易引起波形失真。本研究直接将配有 信号平均技术、16位A/D转换器和防飘程序软件的三块自制功能板，安装在微机插板式结 构的扩展槽内，而不另占机器体积，以增加心电微电位检测仪的信号分辨率，提高信噪比， 为记录波形清晰、重复性好、成功率高的食管SNE提供有效的工具。(3)应用自编防飘程序软件记录食管SNE在记录低频、低振幅微伏级食管SNE的过程中，由于电极导管在食管中不易固定， 所测波形易受基线飘移等因素的影响，易和与QRS波形相关的低频、低振幅M波相混淆。为了克服不利因素的影响，成功地提取食管SNE，本研究利用自编防飘程序软件，在食管SNE 记录前设定一基飘阈值，当基飘小于此阈值时开始信号平均，否则不予信号平均，确保了高 质量食管SNE的记录。(4)同步记录犬食管SNE、窦房结区SNE和右心房三导信号平均心电图现国内外应用无创法记录的体表或食管SNE均存有波形易与极差电位相混淆、无 特征性和规律性、成功率低且重复性差等缺点，加之未与有创法记录的SNE进行同步对比 研究，因而许多学者对无创法记录的SNE存在争议。本研究率先应用信号平均原理，对犬无 创食管SNE、有创窦房结区心外膜SNE和右心房电位三导信号平均心电图进行同步对比研 究，并对开胸犬采用钳夹法损伤心外膜窦房结区，建立非窦性心律失常模型，结果示同步三 导信号平均心电图SNE消失，证实了犬无创食管SNE与有创窦房结区心外膜SNE的一致性、 真实性和准确性。(5)同步记录人食管SNE、窦房结区SNE和右心房三导信号平均心电图在成功食管记录SNE的实验研究基础上，率先应用配有信号平均技术，16位A/D转 换器和防飘程序软件三块自制功能板的心电微电位检测仪，同步信号平均记录人无创食管 SNE、有创窦房结区心内膜SNE和右心房电位三导信号平均心电图。256例患者经食管信号 平均心电图记录的SNE与心内有创记录的SNE同步对比研究结果表明，在经食管记录的高 大正负双向左房电位波和P波之间有一等电位线，时限相当于右房早于左房的除极时间， 其与左房电位之和为心电图P波时限，而P前波恰在等电位线之前，即SNE，证实了经食管信 号平均心电图所记录的P前波确为窦房结电位，进一步论证了采用无创法记录食管SNE的 可行性、可靠性和实用性。(6)经食管信号平均心电图记录无创SNE采用配有信号平均技术、16位A/D转换器和防飘程序软件三块自制功能板的心电 微电位检测仪，应用信号平均心电图原理，依据心电信号的周期性和噪声的随机特性，利用 左房临近食管的解剖学特点，将经食管采集的低频、低振幅的窦房结区心电信号进行N次 平均，提高信噪比。16位A/D转换器和防飘程序软件的应用，排除以往记录的由于心肌电活 动产生收缩的逆过程或“振铃”现象造成的M波所引起的伪P前波，为研究SNE提供有利条 件。通过对1289例患者经食管所记录的P前波分析研究，表明大多数窦房结功能正常者， 可记录到经食管信号平均SNE (成功率为86%)；适当的滤波，高增益，抗基线漂移技术是记 录信号平均食管窦房结电图的关键。以上实施例只是本实用新型的较佳实施例，并非对实用新型作任何形式的限制， 凡是依据本实用新型的技术本质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和修饰，均 仍属于本实用新型的保护范围内。
权利要求1.窦房结电图检测仪，其特征在于其包括3路信号放大调节电路、多路选择开关、16 位A/D转换器、QRS触发器、微机系统，每路信号放大调节电路由传感器、前置放大器、隔离 放大器、滤波器、增益调节级依次联接而成，每路信号放大调节电路的增益调节级输出端均 联接多路选择开关，多路选择开关的输出端联接16位A/D转换器信号输入接口 ；每路传感 器将信号依次通过前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级输入到多路选择开关，多 路选择开关将信号送到16位A/D转换器，16位A/D转换器将信号处理后送至微机系统，前 置放大器与隔离放大器之间的公共接点与多路选择开关之间联接有QRS触发器。
专利摘要本实用新型涉及医疗检测仪器，特别是一种窦房结电图检测仪，其包括3路信号放大调节电路、多路选择开关、16位A/D转换器、QRS触发器、微机系统，每路信号放大调节电路由传感器、前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级依次联接而成，每路信号放大调节电路的增益调节级输出端均联接多路选择开关，多路选择开关的输出端联接16位A/D转换器信号输入接口；每路传感器将信号依次通过前置放大器、隔离放大器、滤波器、增益调节级输入到多路选择开关，多路选择开关将信号送到16位A/D转换器，16位A/D转换器将信号处理后送至微机系统，前置放大器与隔离放大器之间的公共接点与多路选择开关之间联接有QRS触发器。
文档编号A61B5/0402GK201920719SQ20102065157
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者丁世芳, 卢青, 李志刚, 王仁学, 蒋桔泉, 郭赤, 陈志楠, 龚志刚 申请人:中国人民解放军广州军区武汉总医院