基于体外反搏控制的智能化家用保健仪及其控制方法与流程

本发明涉及家用医疗仪器，特别是涉及一种基于体外反搏控制的智能化家用保健仪及其控制方法。
背景技术：
：心衰竭、冠心病、心绞痛、脑中风等心脑血管疾病是人类的主要杀手，占总病死亡率63.5％。随着世界多数国家人口老龄化趋势的加剧，心脑血管疾病易感人群急剧增加，如何预防和治疗心脑血管疾病已经成为全球关注的重要课题。根据我国卫生部发布的2000-2006《中国卫生统计年鉴》的统计数据，这类疾病是导致我国人口死亡的主要原因之一，在这七年中一直处于前三位，不仅致残率高，死亡率也很高。一部分病人病情危重，经抢救脱险后又半身不遂、吞咽困难、失语或痴呆，给社会和家庭造成沉重的负担。目前对此类疾病的主要治疗手段包括药物治疗、血管再造、动脉搭桥以及血管内置气囊等。尽管此类方法见效快，疗效较为显著，但或存在药物反应、耐药性等问题，或因为介入性创伤手术存在大出血、感染以及其他后遗症风险。从1953年哈佛大学教授Kantrowitz提出反搏理论开始，经过纽约州立大学Soroff教授以及中山医科大学郑振声教授等不懈努力，体外反搏装置在过去50年中得到了大力的发展和改进，在治疗心脑血管疾病领域开创了一种非介入、安全有效、无副作用的新途径。其治疗原理为：在心脏舒张期，对包裹于小腿、大腿和臀部的气囊以大约0.03MPa的压强进行挤压或者序贯挤压，增加血液回流，改善血液循环。在动脉瓣关闭之前，快速完全地释放压力，不影响心脏收缩期的正常血流。近来年，在世界范围内陆续开展了以美国哈佛大学、哥伦比亚大学、耶鲁大学、纽约州立大学等组成的体外反搏多中心研究(MUST－ECP)和体外反搏治疗充血性心衰竭的前瞻性实验(PEECH)等。实验结果表明，体外反搏能有效减轻心绞痛，治疗慢性心衰竭、冠心病等多种疾病，并且被证明为能有效保护心脏 功能，提高生命质量。作为用于治疗心血管疾病的一项重要手段，该项技术已被美国食品和药物管理局(FoodandDrugAdministration－FDA)认可。2006年9月底，美国权威心脏病期刊《美国心脏病学会》杂志上发表了一篇体外反搏治疗心力衰竭的前瞻性研究文章《ProspectiveEvaluationofEECPinCongestiveHeartFailure:ThePEECHTrial》，指出体外反搏能改善正在接受治疗的心力衰竭患者的运动能力，减轻症状和改善生活质量。报告分析还显示，因动脉硬化导致的缺血性心衰患者使用EECP治疗效果比较好。但是，现有的体外反搏装置还是存在如下不足：1、现有装置均以气体作为动力源，其必备的空气压缩机和储气罐，体积和重量均较大，只适用于医院病房使用，由于疗程较长(以月为单位)，病患需每天前往医院，十分不便，对于老年病患更为辛苦；2、鉴于心血管疾病常可通过预防措施来降低发病率，但现有装置以治疗为主，在前期家庭预防方面无法发挥效果；3、智能性不强，现有装置大多由医生护士等专业人士进行操作，其人机交互功能不足。由此可见，体外反搏的小型化、智能化和家用化是摆脱目前体外反搏仪器市场和应用推广尴尬局面的必要手段。技术实现要素：基于此，本发明提供一种基于体外反搏原理的小型化、智能化且操作简单化的家用保健仪。一种基于体外反搏控制的智能化家用保健仪，包括设备主体，以及置于该设备主体内的体外反搏控制系统；所述设备主体包括有显示面板、外界设备连接口、内置气泵及气泵连接口；所述内置气泵与气泵连接口密封连接；所述体外反搏控制系统包括心电信号采集模块、指脉信号采集模块、信号处理模块及优化控制模块；所述心电信号采集模块用于获取心电信号，并将心电信号转化为数字心电信号；所述指脉信号采集模块用于获取指脉信号，并将 指脉信号转换为数字指脉信号；所述信号处理模块用于对数字心电信号和数字指脉信号进行处理，输出控制参数和启动命令；其中，所述智能化家用保健仪还包括腿部序贯式气囊组件、进气管及电磁阀；所述该腿部序贯式气囊组件包括压力传感器以及与压力传感器电连接的压力连接头；所述进气管将腿部序贯式气囊组件与设备主体上的气泵连接口密封贯通；所述电磁阀用于控制进气管的关断或导通；所述压力连接头与设备主体的外界设备连接口形成电连接，用于将压力传感器所感应到的腿部序贯式气囊组件内压力脉冲信号变化状态输送至设备主体；所述体外反搏控制系统还包括压力信号采集模块，该压力信号采集模块与设备主体的外界设备连接口形成电连接，并将所述压力传感器输送过来的压力变化状态采集后转化为数字压力信号；所述信号处理模块用于对所述数字心电信号和数字指脉信号进行处理，输出参考信息；所述优化控制模块用于根据所述参考信息和数字压力信号，优化所述腿部序贯式气囊组件工作状态的控制参数，并根据优化后的控制参数输出用以调整腿部序贯式气囊组件及电磁阀工作状态的控制命令。所述智能化家用保健仪，其中，所述设备主体还包括内置的散热风扇以及用于安装散热风扇的散热口。所述智能化家用保健仪，其中，所述设备主体还包括用于安装干电池的电池槽。所述智能化家用保健仪，其中，所述设备主体还包括设备固定装置，设置于设备主体的背侧，该设备固定装置可以相对与设备主体旋转。所述智能化家用保健仪，其中，所述设备固定装置包括弯曲的两个支撑臂，所述两个支撑臂相对独立设计或所述两个支撑臂通过各自末端上的横杆一体设计。所述智能化家用保健仪，其中，所述体外反搏控制系统还包括人机交互及接口模块，所述人机交互及接口模块与设置在设备主体上的功能控制按钮电连接，并通过信号处理模块输出监测信号。所述智能化家用保健仪，其中，所述体外反搏控制系统还包括数据存储模 块，所述数据存储模块用于存储记录所述数字心电信号、数字指脉信号及数字压力信号中各自对应的控制参数。所述智能化家用保健仪，其中，所述体外反搏控制系统还包括优化控制模块，该优化控制模块用于根据数字心电信号、数字指脉信号及数字压力信号对控制参数进行优化，输出控制参数和启动命令。所述智能化家用保健仪，其中，所述体外反搏控制系统还包括执行机构控制器，该执行机构控制器用于接收控制参数和启动命令，并将控制参数和启动命令转化为执行机构操作的电信号。针对上述智能化家用保健仪，本发明还提供一种控制方法，包括如下步骤：S1、开启电磁阀使进气管与腿部序贯式气囊组件导通,通过压力传感器获知腿部序贯式气囊组件内的压力变化状态，根据预置的控制参数，依据压力变化状态调整电磁阀的闭合状态，用以控制进气管与腿部序贯式气囊组件导通或关断；S2、判断检测起始时间距离开机后的时间间隔是否大于第一预设值；如果是，则检测指脉信号；否则，转步骤S3；S3、判断本次检测起始时间距离上一次检测结束时间是否超过第二预设值；如果是，则检测指脉信号；否则，返回步骤S1；S4、根据检测的指脉信号以及检测获得的心电信号，优化上述步骤S1中的控制参数，并根据优化后的控制参数输出用以调整腿部序贯式气囊组件及电磁阀工作状态的控制命令，并返回步骤S1；S5、在显示面板上实时显示检测数据。本发明提供的基于体外反搏控制的智能化家用保健仪，体积小、重量轻，无需大的空气压缩机和储气罐在家庭使用者，也可避免高压装置所带来的安全隐患，并壳实现一键式启动；该保健仪可使更多的人能够更加方便地受益于该项技术，并将体外反搏理论推广到疾病预防与家庭保健领域。附图说明图1A、图1B、图1C及图1D为智能化家用保健仪的外部结构和内部结构示 意图；图2为序贯式气囊结构示意图；图3为智能化家用保健仪的体外反搏控制系统方框图；图4为优化控制模块实现流程图；图5为控制参数与心电图对应关系示意图；图6为指脉信号收缩波和反搏波对应关系示意图；图7为R信号波检查示意图；图8为R信号波延迟时间T确定方法图；图9为述智能化家用保健仪的使用方法流程图。具体实施方式反搏是通过机械的方式，使主动脉内收缩期血压降低和舒张期血压增高，以达到辅助心脏做功,改善血液循环,增加心、脑、肾等器官的血流灌注的一种辅助循环方法。反搏通过提高主动脉舒张压以增加冠状动脉的供血，抢救缺血的心肌，使心脏泵血功能得到增进。常用的反搏方法有主动脉内气囊反搏和体外反搏两种。体外反搏(ExternalCounterpulsation,ECP)体外反搏是一种通过体外无创性按压下半身的方法，减轻和消除心绞痛症状，改善机体重要脏器的缺氧缺血状态，同时也是一种用于防治心脑血管疾病的医疗设备。它是通过包裹在四肢和臀部的气囊，在心脏舒张期对气囊充气加压，促使肢体动脉的血液驱返至主动脉，使舒张压明显增高，为心脏增加血流，降低心脏后负荷；在心脏收缩期气囊迅速排气，压力解除，促使主动脉内收缩压下降，最大限度减轻心脏射血期阻力，血液加速流向远端，从而达到反搏效应。体外反搏治疗的独特之处在于它是无创性的治疗，避免了侵入性治疗所产生的副作用，同时操作简便、易于推广普及。这种治疗不需要病人住院，在门诊即可完成。在心脑血管病防治与康复领域有广泛的应用前景，同时也有益于运动员疲劳恢复，糖尿病、功能性性功能障碍等相关疾病的治疗。如图1A、图1B、图1C、图1D、图2和图3所示，本发明提供的一种基于体外反搏控制的智能化家用保健仪，包括设备主体4，以及置于该设备主体内的 体外反搏控制系统；设备主体4包括有显示面板3、外界设备连接口(图中未示出)、内置气泵17(见图1D中)及外界气压设备连接口7；上述内置气泵17与外界气压设备连接口7密封连接；显示面板3设有控制键，通过控制键的控制实现对血栓检测过程的控制。显示面板3为弧度面板，设于设备的正上面。显示面板3与水平面的夹角的范围为20°-40°。进一步的，设备主体上4还设有方便提携的设备把手1，设备把手1的大小与设备外壳4尺寸相适应。再进一步的，在设备主体上4还设有用于安装备用干电池的电池槽6，设备主体4内部还设有散热装置，如散热扇，以及用于安装散热风扇的散热口5，散热口5由多个小孔组成；散热口5设置在设备的侧面并与设备把手连接端相邻，电池置于设备侧面下端的底部，外界气压设备连接口7连接外部气囊装置，气囊装置可实现对人体部位的按摩。更进一步的，设备主体上4还设有固定装置2，设备固定装置2固定在后背板8上面。为了便于患者在病床或椅子等周边有固定环境的情况下，本的设备固定装置2设有弯曲的支撑臂，设在设备端的设备固定装置2为可旋转，可旋转的角度为180°。通过弯曲的支撑臂可提高固定的效果，根据患者的位置调整可旋转的角度进而实现控制面板角度的调整；上述设备固定装置2包括至少两个支撑臂独立，两个支撑臂之间的夹角应大于90°；或者上述设备固定装置2由至少两个支撑臂通过各自末端上的横杆一体设计组成，最底部的臂主要用于稳定支撑。如图1D和图3中，体外反搏控制系统包括心电信号采集模块14、指脉信号采集模块15、信号处理模块111及优化控制模块112；上述心电信号采集模块14用于获取心电信号，并将心电信号转化为数字心电信号；上述指脉信号采集模块15用于获取指脉信号，并将指脉信号转换为数字指脉信号；上述信号处理模块111用于对数字心电信号和数字指脉信号进行处理，输出参考信息；上述智能化家用保健仪还包括腿部序贯式气囊组件21、进气管13及电磁阀18；上述该腿部序贯式气囊组件21包括压力传感器20以及与压力传感器电连 接的压力连接头(图1D中与20相连的部分，但未标出)；上述进气管将腿部序贯式气囊组件的进气口与设备主体上的气泵连接口密封贯通；上述电磁阀18用于控制进气管的关断或导通；上述压力连接头与设备主体的外界设备连接口形成电连接，用于将压力传感器20所感应到的腿部序贯式气囊组件内压力变化状态输送至设备主体；上述体外反搏控制系统还包括压力信号采集模块121，该压力信号采集模块与设备主体的外界设备连接口形成电连接，并将上述压力传感器20输送过来的脉冲压力信号采集后转化为数字压力信号；上述信号处理模块用于对上述数字心电信号和数字指脉信号进行处理，输出参考信息；上述优化控制模块用于根据上述参考信息和数字压力信号，优化上述腿部序贯式气囊组件工作状态的控制参数，并根据优化后的控制参数输出用以调整腿部序贯式气囊组件及电磁阀、气泵工作状态的控制命令。如图2和图1D所示，腿部序贯式气囊组件21的工作状态包括序贯式气囊211的充气和放气两种工作状态，而上述控制参数主要是用以控制序贯式气囊在充气和放气两种工作状态间进行切换。在本发明的实施例中，通过压力传感器感测气囊内的气体压力情况，然后结合上述数字心电信号和数字指脉信号来优化用以控制腿部序贯式气囊组件在充气和放气两种工作状态之间进行切换的控制参数。然而，腿部序贯式气囊组件充气工作时，通过启动微型气泵17和微型电磁阀18来使进气管向气囊内充气，腿部序贯式气囊组件放气工作时，通过关闭微型气泵17和微型电磁阀18来使进气管不向气囊内充气，并泄放气囊内部气体。如图2和图1D所示，腿部序贯式气囊组件21包括图2所示的序贯式气囊、压力传感器20以及与压力传感器电连接的压力连接头(图中未标出)，其序贯式气囊主要功能为在执行机构控制器115给出的电信号驱动下，执行对人体下肢的挤压动作，主要分为三段：脚踝、小腿、大腿。压力传感器20主要设置在主控板12上，该主控板12上还设置有：心电信号采集模块14、指脉信号采集模块15、信号处理模块111及优化控制模块112等等控制组件。另外在图1D中，还包括电源控制板11，该电源控制板11与主控板12电连接。智能化家用保健仪通过设备主体4内置的体外反搏控制系统和背部设有的气泵结构进行血栓检测。上述体外反搏控制系统中：心电信号采集模块14，其主要功能为获取人体心电信号，并经过硬件信号处理和变化，将数字信号送入计算机或者单片机。首先将三个心电采集电极分别置于人体前胸、左腹部和右腹部三个部位，其固定方法为将电极置于贴身背心中。采集到的人体表面电位经过隔离电路进行隔离后，经过运算及放大电路转换为0-5伏特之间的II导联或者III导联心电信号，采取何种导联可根据外部按钮进行切换。放大器要求：输入阻抗≥2MΩ，共模抑制比≥80dB。经过放大的心电信号由A/D转换模块变送为数字信号送入计算机或者单片机，采样频率为200Hz。指脉信号采集模块15，其主要功能为利用光电传感器采集人手指的实时血氧含量，利用血氧含量与血流量的正比性获取指脉信号，并经过A/D变换后送入计算机或者单片机，采样频率为20Hz。压力信号采集模块121，其主要功能为利用压力传感器采集气囊中的当前压力，用于监测是否正常。信号处理模块111，其主要功能为对输入计算机或者单片机的心电、指脉数字信号进行软件滤波去噪，并对电磁阀等关键器件进行监测，保证能自检，如出现机器故障，可以提示用户。体表心电信号十分微弱，其幅值范围为10uV-5mV，及易被噪声信号干扰。这些噪声信号包括接触噪声、肌电信号干扰、仪器噪声以及工频干扰。高性能的前端放大器将有助于提高噪声抑制能力，同时还需要进行软件滤波去噪。首先将心电信号经过一个0.1-100Hz的带通滤波，从而滤除低频和高频噪音。然后利用50Hz工频陷波消除工频干扰。最后经过一个7点平滑滤波器，消除波形上的毛刺，以便后续处理。如图3所示，进一步地，上述体外反搏控制系统还包括如下模块：人机交互及接口模块114，分别与心电信号采集模块14、指脉信号采集模块15、压力信号采集模块121电连接；其主要功能为接收人对该保健仪发出的控制信号(如设备主体面板上的按钮等)以及机器内部对微型气泵、电磁阀等 关键器件的监测信号，并将保健仪的状态通过可视化(如面板上的LED灯、内部的蜂鸣器、消声器、风扇等)的方式显示给使用者；同时，将心电信号采集模块、指脉信号采集模块、压力信号采集模块的各自的信号进行制式转换后输送至信号处理模块。数据存储模块113，所述数据存储模块用于存储记录所述数字心电信号、数字指脉信号及数字压力信号中各自对应的控制参数。优化控制模块112，该优化控制模块用于根据数字心电信号、数字指脉信号及数字压力信号对控制参数进行优化，输出控制参数和启动命令。优化控制模块主要功能为优化执行机构操作参数，并正确检测到R波信号，将控制命令发送到执行机构控制器，其流程图如图4所示。具体控制流程步骤入下：步骤S11，根据信号处理模块输出的控制参数，如，智能诊断模块结果，判断智能诊断模块是否诊断出现异常；如果判断出现异常，则转至步骤S12；否则转至步骤S13；步骤S12，通过上述人机交互模块显示诊断结果，如，通过设备主体上的显示面板显示，并转步骤S16；步骤S13，根据指脉信号，调用存储在数据存储模块中的历史控制参数，并进行比对，然后根据比对结果，优化当前的控制参数；步骤S14，对优化后的控制参数进行检查，并判断是否检测到R信号波；如果有转步骤S15，否则转步骤S16；步骤S15，向执行机构控制器发送优化后的控制参数，并延迟T时间发出启动命令；步骤S16，转数据存储模块进行存储。上述执行机构控制器115用于接收控制参数和启动命令，并将控制参数和启动命令转化为执行机构操作的电信号，该电信号主要是用以控制电磁阀18、风扇16、微型气泵17等进行工作。此外如图1D所示，在与微型气泵17连通的气路上设置消音器19，用于降低气泵打气的噪音，提高用户体验度。如图4流程所示，所述的控制参数包括：从R波出现到开始对腿部进行加 压的延迟时间T_delay(延迟)，从开始加压到完全释放压力的压力保持时间T_keep(保持)以及加压压力峰值P_peak(峰值)；三个控制参数与心电图信号对应关系如图5至图8所示。其中，根据指脉信号、历史控制参数优化当前的控制参数的方法为：(1)根据指脉信号，确定由心脏收缩引发的收缩波ASB段和由体外反搏引发的反搏波BDC段，如下图所示。(2)计算两个波段的峰值比以及面积比其中P(t)为t时刻的指脉值，并作为优化的目标。(3)利用在线优化算法，动态调整控制参数，使得优化目标最大化，即：maxD/Sp＝f(T_delay,T_keep,P_peak)或maxD/Sa＝f(T_delay,T_keep,P_peak)或转化为多目标优化问题maxD/Sp=f(T_delay,T_keep,P_peak)maxD/Sa=f(T_delay,T_keep,P_peak).]]>(4)对优化所得的控制参数进行上下界检验，若控制越界，则赋予对应的边界值。其中，R波检测的方法为：基于差分算法进行R波检测。通过计算心电信号的差分函数，消除或减弱P波T波以及其他干扰信号对R波检测的影响。差分方程为：d(t)＝2f(t)-f(t+Δt)-f(t-Δt)其中f(t)为原始心电数据，d(t)为差分信号，Δt为差分阶数。基于差分算法的R波检测具体步骤如下：(a)根据采样率确定合适的Δt，按差分方程计算心电数据的差分，对于首尾的几个数据做清零处理。(b)查找差分结果的最大值dmax，将αdmax作为阈值dlim。(c)遍历差分结果，将差分结果同dlim相比较，若出现大于dlim的数据，则在此数据和此数据后80ms的范围内查找最大值作为一次R波。(d)在此R波后200ms处继续开始重复(c)，直至查找完全部数据。通过试验得出，当Δt＝5ts～8ts时(ts为采样周期)，P和T波得到了很好的抑制，R波特征明显。其中，延迟时间T的确定方法为：如图7所示，为正确检测R波峰值时刻，需要在R波峰值出现一段时间以后才能开始计算，设计算时刻为TJ，计算出R波峰值时刻为TR，则延迟时间T＝T_delay-(TJ-TR)。如图9所示，针对上述智能化家用保健仪，本发明还提供一种控制方法，包括如下步骤：步骤S1、开启电磁阀使进气管与腿部序贯式气囊组件导通,通过压力传感器获知腿部序贯式气囊组件内的压力变化状态，根据预置的控制参数，依据压力变化状态调整电磁阀和气泵的工作状态，用以控制进气管与腿部序贯式气囊组件导通或关断。步骤S2、判断检测起始时间距离开机后的时间间隔是否大于第一预设值；如果是，则检测指脉信号；否则，转步骤S3。本步骤中检测起始时间是指执行上述步骤S1的时间。第一预设值用以通过时间判断在设备启动正常后启动指脉检测实现步骤S1的优化控制，其可以是一个很小的时间范围，例如0.5-2分钟。步骤S3、判断本次检测起始时间距离上一次检测结束时间是否超过第二预设值；如果是，则检测指脉信号；否则，返回步骤S1。第二预设值大于第一预设值，例如10-35分钟，第二预设值用以通过时间界限的判断重新启动上述步骤S1，避免太长时间处于检测状态而产生误操作。步骤S4、根据检测的指脉信号以及检测获得的心电信号，优化上述步骤S1中的控制参数，并根据优化后的控制参数输出用以调整腿部序贯式气囊组件及电磁阀、气泵工作状态的控制命令，并返回步骤S1。此步骤中有关控制参数的优化过程参见前文相关内容所述，例如，步骤S4包括：首先，根据指脉信号，调用存储在数据存储模块中的历史控制参数，并进行比对，然后根据比对结果，优化当前的控制参数；然后，对优化后的控制参数进行检查，并判断是否检测 到R信号波，如果有，则向执行机构控制器发送优化后的控制参数，并延迟T时间发出启动命令，否则转数据存储模块进行存储。步骤S5、在显示面板上实时显示检测数据。如图1D所示，在显示面板22上可以显示前文提到的指脉信号、心电信号、压力信号、起搏次数、腿部序贯式气囊组件的当前工作状态、电磁阀的当前工作状态等检测数据。在本发明的其中一个实施例中，在步骤S1之前还包括：将序贯式气囊与设备主体连接好，并接通设备主体电源，同时确定序贯式气囊已经绑定于患者的小腿上。在本发明的其中一个实施例中，在步骤S1之前还包括：启动设置在设备主体上的电源按钮，使智能化家用保健仪进行初始化设置，此时，依次进行显示面板上的面板灯的检测、电磁阀和气泵的检测以及序贯式气囊的检测。本发明提供的基于体外反搏控制的智能化家用保健仪，体积小、重量轻，无需大的空气压缩机和储气罐在家庭使用者，也可避免高压装置所带来的安全隐患，并壳实现一键式启动；该保健仪可使更多的人能够更加方便地受益于该项技术，并将体外反搏理论推广到疾病预防与家庭保健领域。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3