基于脈圖的心輸出量無創(chuàng)檢測儀的研究

【作 者】李閃珠，張珣

杭州電子科技大學(xué)，電子信息學(xué)院，浙江，杭州，310037

心輸出量(Cardiac Output, CO)是指左心室每分鐘射出的總血量。以一個心動周期為時間單位計量左心室輸出血量稱為每搏血量(Stroke Volume, SV)。心輸出量(CO)為每搏血量(SV)與心率（Heart Rate, HR）的乘積，是評價循環(huán)系統(tǒng)效率、心臟功能的最重要指標(biāo)[1]。目前，心輸出量監(jiān)測主要用于重、急、危等疾病患者的緊急搶救中。心輸出量監(jiān)測對于掌握病情和早期發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)功能異常，具有非常重要的意義。已有研究表明，心輸出量(CO)與充血性心力衰竭(CHF)等心血管疾病的嚴(yán)重程度及預(yù)警有密切相關(guān)性[2]。因此，心輸出量監(jiān)測在心衰等心血管病患者的家庭監(jiān)護(hù)、普通病人甚至健康人的普通檢查中的重要性日益突出[3]。

目前心輸出量（CO）的測量方法有肺動脈漂浮導(dǎo)管法、超聲心動圖法、經(jīng)胸電阻抗法、CO2部分重吸收法[4]。通過肺動脈漂浮導(dǎo)管的熱稀釋法是CO測量的金標(biāo)準(zhǔn)，但因費用昂貴、操作復(fù)雜、對病患有創(chuàng)傷和不能做長時間監(jiān)測等弱點，限制了它的廣泛應(yīng)用。超聲心動圖屬于無創(chuàng)檢查，在評價心功能方面使用較為普遍，但受技術(shù)水平影響對使用環(huán)境有較高的要求[5]。長期以來，眾多研究者都在尋找一種無損傷、便捷、實時的心輸出量測算方法。脈搏波是心臟周期運動在體表的反映，我國學(xué)者張大祥以此展開研究，推出了脈圖法[6]。脈圖法是一種無創(chuàng)傷、可連續(xù)檢測心血管功能的方法，在分析疾病狀態(tài)、輔助診斷、指導(dǎo)治療和預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。本文就以脈圖法為理論基礎(chǔ)，采集橈動脈處脈搏信號，通過單片機(jī)實現(xiàn)心輸出量的實時計算。

1 脈圖指標(biāo)的計算模型

心臟每收縮一次，動脈的壓力就發(fā)生一次周期性的變化，動脈脈搏波便是這種周期性的壓力變化引起的血管波動。由此可以看出，脈搏波不僅受到心臟本身的影響，同時也受到流經(jīng)的動脈及其分支的影響，這使動脈波中包含極其豐富的心血管生理病理信息。早在兩千年前，我國祖先便以手指切脈作為疾病診斷方法，發(fā)展成為了舉世矚目的中醫(yī)脈象學(xué)。

我國學(xué)者張大祥在此基礎(chǔ)上首創(chuàng)“脈圖法”[6]。他對橈動脈處脈搏波進(jìn)行血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析，利用狀態(tài)空間法建立血液循環(huán)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并以此為依據(jù)推導(dǎo)各類參數(shù)計算式，用這些計算式算得的結(jié)果能較好地滿足臨床醫(yī)療對心功能評估的要求。 “脈圖法”通過各標(biāo)志點的確定，將一個心動周期劃分為若干部分，如圖1所示。

圖1 脈搏波標(biāo)志點示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse wave landmarks

自20世紀(jì)60年代以來，眾多科研工作者投入到利用脈搏波波形導(dǎo)出流量的方法計算心輸出量。1983年，Wesseling提出了用彈性管模型計算CO的方法。1987年，羅志昌等在前者的基礎(chǔ)上繼續(xù)簡化，提出了只需檢測SP、DP和K值就能計算CO的方法，雖然做了較多的近似，但因檢測量簡單且結(jié)果較可靠，也得到了很好的應(yīng)用[7]。文獻(xiàn)[8]密切結(jié)合“脈圖法”理論基礎(chǔ)，運用比較完備的心輸出量計算方法[6]。本文在前面已提及CO與SV、HR的關(guān)系，即：

PP間期為脈圖中bb時值，要實現(xiàn)CO的準(zhǔn)確測量，依據(jù)式(1)、式(2)及式(3)，可將CO的計算細(xì)分為射流壓力EP(e1)、噴射壓力JP和左心舒張末容量LDV。

1.1 射流壓力EP(e1)

射流壓力指一搏間左心室有效輸入主動脈血液所具有的壓力，定義式為：

其中，除8這一系數(shù)是綜合考慮系統(tǒng)硬件設(shè)計時的采用的采樣率而定的，不同系統(tǒng)會有所不同。TA為一搏期間動脈壓力曲線的面積；SA、DA分別為收縮期和舒張期壓力曲線面積；在脈圖中以e1點作為劃分標(biāo)志，E1為e1點相對于b點高度；BK為動脈輸運系數(shù)，EK為壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)，可通過系統(tǒng)軟件壓力校準(zhǔn)計算測得。

1.2 噴射壓力

JP指左心室收縮期內(nèi)（t0—te1）對血液做功而造成的增壓(djP)的累積。定義式為：

其中，等號后左半部分描述的是等容收縮期的噴射壓力，即主動脈噴血期前的壓力值DP；右半部分表示噴血期的噴射壓力，為有效輸入主動脈血液的壓力（射流壓力EP(e1)）與在t=te1時心室仍保留的壓力值PP(e1)之和，而PP（e1）與測得的動脈壓力（AP(e1)）之間具有準(zhǔn)線性關(guān)系。因此：

1.3 左心舒張末容量LDV

左心舒張末容量是指左心室舒張期末和收縮期前這一瞬間左心室內(nèi)充盈的血液體積。據(jù)著名的心臟生理學(xué)中的Starling定律：在心率一定的條件下，左心舒張末容量與噴射壓力或每搏血量成函數(shù)關(guān)系。前人依據(jù)曲線擬合，得出LDV的方程表達(dá)式為：

式(7)中，EPC表示射流壓力時間常數(shù)，指射流壓力的變化率與射流壓力的比例系數(shù)，取EPC=0.344S-1。t表示脈圖標(biāo)志點a—e1表示的時值，可依據(jù)脈圖計算得到。

完成對以上指標(biāo)的整理分析后，我們就可以利用式(1)得出心輸出量。所有相關(guān)指標(biāo)都可通過完成特征點標(biāo)記的脈圖計算得到，在計算過程中也并未做過多的估計近似，可以使計算結(jié)果具有較強(qiáng)的可靠性。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)功能模塊的劃分，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它包含脈搏信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換、單片機(jī)控制、按鍵和顯示5部分。其中，由前端脈搏信號調(diào)理電路完成人體橈動脈處脈搏信號采集以及信號的放大、濾波，再將信號送入A/D轉(zhuǎn)換芯片。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號送入AT89C52單片機(jī)（脈搏信號數(shù)據(jù)較大，擴(kuò)展EEPROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及讀?。?，最后將計算得到的心輸出量通過數(shù)碼管顯示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

脈搏波信號經(jīng)過各級放大，幅值在3 V左右。AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓一般選+5 V或+2.56 V。如果選擇8位精度的ADC芯片，其量化誤差為10～20 mV，已經(jīng)在誤差允許的范圍內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換硬件電路如下圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 A/D conversion circuit diagram

圖4 24C02連接電路圖Fig.4 24C02 connection circuit diagram

如上圖4所示，由于本文的數(shù)據(jù)量較大，而AT89C52的片內(nèi)只有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，所以我們使用了EEPROM存儲實時采集的脈搏波數(shù)據(jù)。24C02是CMOS 2048位串行EEPROM，內(nèi)部組織成256*8位，16字節(jié)頁面讀寫，與AT89C52接口如上圖4所示。根據(jù)連接方式可知，其讀數(shù)據(jù)的地址為A1，寫數(shù)據(jù)的地址為A0。由于SDA是漏極開路輸出，且可以與任何數(shù)目的漏極開路或集電極開路輸出“線或”（wire-OR）連接。上拉電阻的選擇可參考24C02的數(shù)據(jù)手冊（一般為10K）。24C02的I2C總線讀寫時序圖和起始時序圖，如圖5、圖6所示。

圖5 24C02讀寫時序圖Fig.5 24C02 read-write timing diagram

圖6 24C02起止時序圖Fig.6 24C02 start-stop timing diagram

圖7 按鍵及數(shù)碼管顯示電路圖Fig.7 Circuit diagram of buttons and LED display

如上圖7所示，本文用到的擴(kuò)展器件為74HC244。它是由兩個單向的4位并入并出組成的一個8 位單向并入并出的總線驅(qū)動器，在此我們主要是用它對單片機(jī)數(shù)據(jù)線和矩陣鍵盤列線進(jìn)行隔離，只有在讀鍵選通信號有效時鍵盤的列數(shù)據(jù)才會反映到單片機(jī)總線上。使用74HC574鎖存器，鎖存數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為處理核心，完成對脈搏信號的處理以及指標(biāo)計算及顯示。本系統(tǒng)軟件可分為初始化模塊、特征點提取模塊、按鍵模塊、壓力換算模塊、指標(biāo)計算模塊以及數(shù)碼管顯示模塊。主程序由初始化、特征點提取和按鍵模塊組成。按鍵模塊分別完成其他子程序的調(diào)用，最終在數(shù)碼管完成心輸出量的顯示，圖8為相應(yīng)的程序流程圖。

圖8 主程序流程圖Fig.8 The main program fl ow chart

在特征點提取模塊采用5點差分閾值判別法，閾值過大或過小均會影響特征點定位的準(zhǔn)確度。因此，本系統(tǒng)對閾值的設(shè)定進(jìn)行了多次的測試，最終以PC分析采集的脈搏信號數(shù)據(jù)中每個脈搏周期最大差分平均值的一半作為最佳差分閾值。幅度閾值選取脈搏幅度平均值的0.6—1.4倍作為上下限，這樣使漏檢和誤檢的概率達(dá)到最低。5點差分閾值法具體步驟為掃描脈搏數(shù)據(jù)，尋找5點差分大于差分閾值點，找到則向前向后搜索拐點。計算兩拐點幅度差與幅度閾值比較，正確則進(jìn)行b、c的記錄，反之繼續(xù)向后查找。同理可通過二階差分法找到e1特征點。

壓力換算模塊目的是計算壓力換算系數(shù)，為后期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力單位做準(zhǔn)備。軟件部分通過4個按鍵進(jìn)行SP、DP手動輸入，完成壓力校準(zhǔn)，這一模塊可以提高后續(xù)計算精度，只在首次測量時才需進(jìn)行本次操作。在系統(tǒng)中也設(shè)置了另一按鍵，可輕松跳過這一環(huán)節(jié)，利用已保存的壓力換算系數(shù)值進(jìn)行指標(biāo)計算。指標(biāo)計算模塊便是依據(jù)脈圖法理論及公式計算心輸出量，并通過數(shù)碼管模塊進(jìn)行實時顯示。

4 實驗數(shù)據(jù)分析及總結(jié)

對24位正常人進(jìn)行了實驗測量，并與導(dǎo)管法等主要的心輸出量檢測方法的正常范圍進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)具有較高的符合度，能滿足日常心輸出量的監(jiān)護(hù)要求。兩種不同方法計算得到的正常值比較如表1所示。

表1 本測定儀與不同方法測定心輸出量正常值比較Tab.1 The normal cardiac output comparison of using different determination methods

本系統(tǒng)設(shè)計的心輸出量檢測儀基本滿足了臨床和監(jiān)測要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。該系統(tǒng)攜帶方便，操作簡便，適用于家庭監(jiān)護(hù)，具有較廣的應(yīng)用價值。

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