专利名称：心率变异性频谱分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种电子医疗分析仪器，尤其是一种心率变异性频谱分析仪器。
众所周知，心血管指标如血压、心电等均有周期性波动。七十年代以来，国内外学者在研究心电R－R周期(RRI)波动性即心率变异性方面做了许多工作，现已得出较为明确的结论心电RRI波动中的高、低频段与副交感神经有关，而其低频段主要与交感神经活动有关。随着计算机技术的发展，使心电RRI波动性研究更为深入并越来越多地显示出它的实用价值。但是，目前该技术仅局限于科研上使用，实验者大多利用手头现有的放大器、A／D接口、计算机等设备，编制实验室所需程序，完成心率变异性频谱分析。这些设备繁杂，使用麻烦，给推广应用心率变异性频谱分析方法带来很大不便。人们期待着专门的心率变异性频谱分析仪器的问世。
本实用新型的目的在于设计一种结构简单、使用方便的心率变异性频谱分析仪器。
本实用新型包括微机、二路前置放大器、多功能接口、显示器、打印机以及分析软件等几个部分。本实用新型中采用80286或80386作为主机，在其上扩充有二路前置放大器和多功能接口，并把三者集于一个机箱内，成为整机一体化结构。分析软件具有心率、呼吸检测、实验控制和频谱分析等功能。二路前置放大器中一路作为心电信号放大器，用于处理输入心电信号，另一路作为呼吸波信号放大器用于处理呼吸波信号，多功能接口由模／数转换器、程控(智能)放大器、数／模转换器、脉冲检测窗、外触发稳态电路经电路连接组成。前置放大器、多功能接口和微机用电缆联成一体。
以下结合附图进一步说明本实用新型的结构
图1为本实用新型的整机结构示意
图1.前置放大器，2.多功能接口卡，3.硬盘，4.软盘，5.打印机，6.显示器图2为心电前置放大器电原理图，它由下述元器件经电路连接而成AD620A为第一级放大器；R1为增益电阻，该级增益为10；电阻R2，R3，R4，R5，R6，电容C1组成人体接地驱动电路；电阻R7，电容C8－C12组成高频滤波网络；电容C2，C3－C7，电阻R8，R9组成低频滤波网络；A3为后级放大器；R10，R12－R16为增益电阻；W为位移电位器；A2，A4为射极跟随器；A2－A4均采用uA741运算放大器；A，B端接心电电极，C端接入体地，out接多功能接口。
图3为呼吸波前置放大器电原理图，它由下述元器件经电路连接而成AD620A为第一级放大器，R17为增益电阻，该级增益为10电阻R18，电容C13.C17为高频虑波网络电容C18为隔直电容，R19为取样电阻，R21为耦合电阻A6为后级放大器，R20，R22－R26为增益电阻W为位移电位器A5－A7为射极跟随器；A5－A7均采用uA741运算放大器；
D，E为张力换能器信号输入端；F，G为张力换能器供电端；H为接地图4为多功能接口框图，它由下述电路构成7.程控放大器8.增益控制电路9.位移控制电路10.通道选通11.脉冲检测窗12.上门槛电平控制电路13.下门槛电平控制电路14.脉冲寄存器15.二路数／模转换器16.通道选通17.模／数转换器18.端口译码19.为前置放大器输出与多功能接口的连接点20.PC机总线21.端口译码输出至各端口22.外触发稳态电路图5为智能放大器电原理图A8－A12均为LM324运算放大器A9的增益由程序控制，程序向集成电路74LS273中输入数据，使集成电路4051选通不同的电阻(R27－R30)从而改变A9的增益A10为11放大器，其正端接DAC0832的输出，程序向DAC0832输入不同的数据，使A10的输出电平产生相应的移动I，J分别为集成电路74LS273和DAC0832的选择信号，来自端口译码器R31R33R35为耦合电阻，R32为接地电阻，R34为反馈电阻，R36为耦合电阻，R370832为负载电阻图6为脉冲检测窗电原理图Q1，Q2(数／模转换器)控制脉冲检测窗的上下门槛电平A13，A14(LM339)为上下门槛电平比较器G1，G2，G3，G4为门电路Q5，Q6为单稳态电路A13，A14，G1，G2，Q4－Q6组成脉冲检测窗A15，A16为0832输出负载耦合电阻，可控制0832的输出幅度当脉冲上升沿过下门槛电平时，A13翻转，触发Q6(P10)，Q6(P12)输出低电平使Q5(D型触发器，7474)置1。当脉冲越过上门槛电平时，A4翻转，触发Q4(P2)，Q4(P13)输出高电平使Q5复零。
在脉冲的下降沿过下门槛电平时，A13再次翻转，触发Q4(P10)，Q4(P5)输出高电平使Q5的状态输出(Pout输出至脉冲寄存器)若G4输出低电平时，则触发Q6(P2)，Q6(P13)输出高电平使Q5复零，以等待下一脉的检测。
Q1，Q2受程序控制，A0，B0分别为二者的选通信号，来自端口译码器。
多功能接口中的其他电路为通常电路。
前置放大器的第一级采用高阻抗、低噪声的AD620A仪表放大器，在心电前置放大器中，为克服信号源的高阻抗，有效地改善信号的质量，在人体接地与仪器接地之间加了驱动电路。
前置放大器的主要技术指标如下1.输入阻抗＞1兆欧姆2.时间常数设0.001S，0.03S，0.1S，0.3S，2S五档(在呼吸波前放中固定为2S)3.高频波动设10Hz，30Hz，100Hz，300Hz，1000Hz五档4.增益设20，50，100，200，500五档多功能接口的主要技术指标可以选择如下1.模／数转换器17采用AD7574，字长8位，转换电压0－5V，转换时间15uS，单路最大采样率为50KHz，采样间隔由程序设定。
2.程控放大器7具有缓冲放大和直流补偿作用，输入阻抗为100千欧姆，放大倍数设×1、×2、×4、×8四档，直流补偿范围为±4V，放大倍数和直流补偿用键盘控制。
3.二路数／模转换，转换器15采用DAC0832，字长8位，输出满幅度为8V。
4.脉冲检测窗11的判断阈值可在0－8V的范围内用键盘调节，凡超过阈值的脉冲峰被检测。程序通过查询多功能接口卡上的状态寄存器14了解脉冲检测与否，若有，则作脉冲计数处理。程序中心电R－R间隔用脉冲检测窗11检测，而呼吸频率用软件检测5.稳态触发电路在需要时可触发信号使程序与其他仪器同步操作。
本仪器中，程序采用TURBOC语言和汇编语言编写，具有较强的实时处理能力；图象采用VGA方式显示，清晰美观，在实验过程中，心电及呼吸波在屏幕上动态显示，直观明了；原始的RRI数据可以存盘，以便日后复核；程序功能用键盘控制，使用十分方便。
程序采用时间序列方法求得RRI的功率谱，该方法对随机性强、长度短的序列较之常用的FFT方法更为可行，能更准确地分析RRI波动的规律性。RRI功率谱的求解过程是先检测256个(或512个)心电R－R间期构成一个数字序列，然后用Burg算法求得自回归模型(AR)的线性预测系数ai，进而通过变换求得其功率谱。
为了使被测者之间具有可比性，程序将有关频率与频谱幅度的参数根据被测者的心率作了归一化处理，其中将频谱幅度用心率作归一化处理的方法求得频谱幅度的绝对值，对评判植物神经系统的损害程度特别有用，是优于国外常规方法之处。
心电RRI频谱分析各参数的生理意义如下一、总变异性(方差)提示心动周期的离散程度正常值安静1227.7－2367.5心算1068.6－1969.8意义增加－植物神经中枢紧张性不稳定减低－植物神经中枢整合功能减退二、LF、HF、LF＋HF及LF／HF正常值安静LF35.86－49.26(规一化单位)29.09－67.58(绝对值)HF50.99－64.47(规一化单位)39.05－105.35(绝对值)LF＋HF73.33－167.73(绝对值)LF／HF0.6219－1.1334
心算LF59.88－73.85(规一化单位)38.46－82.68(绝对值)HF26.20－40.15(规一化单位)15.99－55.70(绝对值)LF＋HF56.66－136.16(绝对值)LF／HF1.7885－3.9134意义LF(低频成分)和HF(高频成分)的量值提示交感神经和副交感神经的活动状态。安静时的LF／HF值可用以评判交感神经和副交感神经对心血管活动支配的相对优势。LF／HF值增加提示交感神经中枢紧张性较高或副交感神经中枢紧张性相对较低；LF／HF值减低提示交感神经中枢紧张性较低或副交感神经中枢紧张性相对较高。高、低频的绝对量的下降提示植物神经功能减退。
三、应激时LF／HF变化百分率正常值153.5％－342.4％意义增加－交感神经反应性过高减低－交感神经反应性较低四、LF／LFpeak及HF／HFpeak反映LF(低频成分)和HF(高频成分)的频宽正常值安静LF／LFpeak8.8049－12.3443HF／HFpeak5.8320－11.7578心算LF／LFpeak9.9482－13.4194HF／HFpeak9.2736－13.9773
意义增加－频率成分过于分散减低－频率成分过于集中实施例一、对健康人群作应激前、后心率变异性频谱正常值的调查。
1.健康人131人(男女各半，年龄范围20－65岁)在安静状态下测试心率变异性频谱，测试结果表明(1)根据LF／HF的值可将健康人的植物神经活动状态分成交感中枢兴奋性占优势与迷走中枢兴奋性占优势两类。测试资料表明，上述两种类型约各占一半，在大于40岁的人群中以交感中枢兴奋性占优势具多，而在小于40岁的人群中则以迷走中枢兴奋性占优势具多。
(2)心动周期的总变异性及LF与HF的总面积随年龄的增大而减小，说明人体植物神经整合功能随年龄的增长而降低。
(3)健康人心率变异性频谱在男女之间无明显差异。
注1频谱参数的正常值范围已在前文列表说明注2被测试者在测试前三小时内禁服兴奋剂药物或饮料；测试时情绪放松；测试室保持安静2.给以上131名被测试者一定的刺激(96名给予冷刺激，35名做数学题心算)再测试其心率变异性频谱，所得结果与安静状态比较，发现LF增加，HF相对减少，LF／HF增加，说明正常人在应激情况下交感中枢反应性较大，使交感中枢兴奋性明显大于迷走中枢的兴奋性，并相应地使心率变异性频谱发生改变。
正常人应激前、后LF／HF变化百分率为251±58％。
二、对尿毒症病人作应激前、后心率变异性频谱测试。
(1)尿毒症病人26例(男21例，女5例；其中慢性肾炎22例，慢性肾盂肾炎1例，多囊肾2例，遗传性肾病1例，年龄范围在22－64岁)测试时安静状态和心算时的心率变异频谱主要参数如下总变异性安静603.23±106.34心算421.12±64.37LF＋HF安静26.71±6.60心算15.81±3.13心算前后LF／HF变化百分率为3.34±15.73(％)以上参数与正常人组作均数差别的显著性检验，P均小于0.001，说明尿毒症病人植物神经兴奋性较正常人明显降低，应激能力亦明显降低。
三、对高血压、糖尿病、神经衰弱病人作应激前、后心率变异性频谱测试。
测试结果表明糖尿病病人应激前、后心率变异性频谱变化情况与尿毒症病人相似，均表现为植物神经兴奋性明显降低，应激能力亦明显降低。而高血压病人与神经衰弱病人则表现为安静时交感中枢兴奋性增高及应激反应异常。
权利要求1.一种心率变异性频谱分析仪器，包括微机、二路前置放大器，多功能接口、显示器、打印机以及分析软件等几个部分，其特征在于作为微机的硬件扩充，前置放大器中的一路作为心电信号放大器，一路作为呼吸波信号放大器；多功能接口由模/数转换器、程控放大器、数/模转换器、脉冲检测器、外触发稳态电路经电路连接组成。
2.根据权利要求1所述的心率变异性频谱分析仪器，其特征在于心电前置放大器由下列部件电路连接组成以AD620A仪表放大器构成的第一级放大器，由电阻R2、R3、R4、R6和电容C1构成的人体接地驱动电路，电阻R7，电容C8～C12组成的高频滤波网络，电容C2，C3～C7，电阻R8，R9组成的低频滤波网络，后级放大器A3，位移电位器W，射极跟随器A2，A4，以及增益电阻R1，R10，R12～R16。
3.根据权利要求1所述的心率变异性频谱分析仪器，其特征在于呼吸波前置放大器由下列部件电路连接组成以AD620A仪表放大器构成的第一级放大器，由电阻R18，电容C13～C17组成的高频滤波网络，后级放大器A6，位移电位器，射极跟随器A5～A7，以及增益电阻R17，R20，R22～R26。
4.根据权利要求1所述的心率变异性频谱分析仪器，其特征在于多功能接口由下述电路构成程控放大器7，增益控制电路8，位移控制电路9，脉冲检测窗11，上门槛电平控制电路12，下门槛电平控制电路13，脉冲寄存器14，二路数／模转换器15，模／数转换器17，端口译码18，二路数／模转换器19，PC机总线20，通道选通10，16。
5.根据权利要求2、3所述的心率变异性频谱分析仪器，其特征在于二路前置放大器的输入阻抗为1兆欧姆；时间常数设为0.01S、0.03S、0.1S、0.3S、2S五档；高频波动设为10Hz、30Hz、100Hz、300Hz、1000Hz五档，增益设为20、50、100、200、500五档。
6.根据权利要求4所述的心率变异性频谱分析仪器，其特征在于多功能接口的技术参数设计如下(1)模／数转换器采用8位字长的AD7574，转换电压0－5V，转换时间15uS，单路最大采样率为50KHz；(2)程控放大器的输入阻抗为100千欧姆，放大倍数设为×1、×2、×4、×8四档，直流补偿范围为±4V；(3)二路数／模转换采用8位字长的DAC0832，输出满幅度为8V；(4)脉冲检测窗的判断阈值在0－8V范围，用键盘调节。
专利摘要一种电子医疗分析仪器，专用于心率变异性频谱分析，由微机、心电和呼吸波信号前置放大器、多功能接口、显示器、打印机等几部分组成，它们集中于一个机箱内，构成一体化整机。多功能接口卡由模/数转换器、程控放大器、二路数/模转换器、脉冲检测器、外触发稳态电路等连接而成。微机上开发了检测分析软件。本仪器结构简单，使用方便，功能齐全，能快速、准确地记录心电R-R间期并求得多种参数，可作为疾病预后和疗效判断的参考，具有较广阔的应用前景。
文档编号A61B5/024GK2164792SQ9322582
公开日1994年5月18日 申请日期1993年6月4日 优先权日1993年6月4日
发明者曹银祥, 李鹏 申请人:上海医科大学