便携式心阻抗血流动力监测系统研究

技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第１０－１期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》数采与监测方艳红：讲师硕士基金项目：便携式心阻抗血流图仪系统研制，四川省教育厅青年基金（２００６Ａ００８）便携式心阻抗血流动力监测系统研究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｙｓｔｅｍｏｆＩｍｐｅｄａｎｃｅＣａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙＢａｓｅｄＨｅｍｏｄｙｎａｍｉｃＤｉａｇｎｏｓｉｎｇａｎｄＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ（１．西南科技大学信息工程学院；２．电子科技大学电子工程学院）方艳红１赵海龙１赵曙光２唐旻２ＦＡＮＧＹａｎ－ｈｏｎｇＺＨＡＯＨａｉ－ｌｏｎｇＺＨＡＯＳｈｕ－ｇｕａｎｇＴＡＮＧＭｉｎ摘要：研究一种便携式的心阻抗血流动力监测系统，用以监测病人的血流动力参数。

设计中考虑了ＩＣＧ信号的采集、传输问题，开发了基于ＵＳＢ接口的便携式ＩＣＧ采集系统，同时利用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋开发了相应的软件系统，两者配合，便可构成高性／价比的便携式血流动力监测系统。

关键词：心阻抗血流图；ＵＳＢ２．０接口；监测系统中图分类号：ＴＨ７７６文献标识码：ＢＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｏａｋｉｎｄｏｆｐｏｒｔａｂｌｅＩＣＧｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｄｉａｇｎｏｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｔｏｍｏｎｉｔｏｒｐａｔｉｅｎｔ’ｓｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＩＣＧｓｉｇｎａｌｓｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，ａｎｄａｐｏｒｔａｂｌｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓ－ｔｅｍｗｉｔｈＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ａｒｅｌｅｖａｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇＶｉｓｕａｌＣ＋＋ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｍａｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｎＩＣＧ－ｂａｓｅｄｍｅｄｉｃａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｄｉａｇｎｏｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｃｏｍｅｔｒｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩｍｐｅｄａｎｃｅＣａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ；ＵＳＢ２．０ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｄｉａｇｎｏｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ文章编号：１００８－０５７０（２００８）１０－１－０１６６－０３引言心／胸阻抗血流图（ＩｍｐｅｄａｎｃｅＣａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ，ＩＣＧ）检测是人体阻抗测量技术在心血管血流动力学方面的一个典型应用。

由于人体中血液的导电率高于胸腔中其它组织的导电率，所以在心脏搏动时，血液有规律地射入主动脉，使主动脉容积随之变化，从而造成胸阻抗的变化。

如果在胸腔两端加上一个恒流电源，则这种变化就可以转化成电压的变化。

通过对人体胸腔的生物电阻抗及其变化进行无创性测量，可以得到包括心输出量等多种连续变化的生理参数。

再经过对所参数作特定预处理，在提高准确性的同时，减少个体差异，就能够较为准确地计算出被测对象的血流动力学活动并获得相关的生理参数，并可对尚未表现出临床症状的某些疾病做出前瞻性预报。

胸阻抗测量法有利于相关疾病的普查、预防和早期治疗，具有十分重要的现实意义。

本文研究基于ＵＳＢ２．０接口的心阻抗血流图数据采集与分析系统———其功能是拾取、放大、采集阻抗血流图信号并通过ＵＳＢ２．０接口送入计算机；同时基于先进的信号处理和模式识别方法和技术，利用可视化程序设计语言ＶＣ＋＋，设计工作于Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的心阻抗血流动力检测／监测软件系统，它应具备数据采集、波形及参数显示、参数测算、报告打印、生命状态识别及异常状态报警等主要功能。

这两部分相配合，便可构成高性／价比的便携式血流动力监测系统。

１系统硬件实现整个系统被设计为由基于ＵＳＢ２．０接口硬件数据采集系统和基于ＶＣ＋＋语言编写的软件监测系统组成。

其硬件系统框图如图１所示，该系统主要由心电信号采集电路、阻抗信号采集电路、生理信号放大电路、ＭＣＰ３２０８型Ａ／Ｄ采样板、ＵＳＢ接口电路等组成。

心电、心阻抗微分等信号数据经ＵＳＢ接口总线驱动上传到ＰＣ主机上，在主机上，通过一定的波形分析与处理获得对心功能各参数的诊断。

图１系统构成信号采集电路与ＵＳＢ２．０接口电路为该系统硬件设计的主要内容。

该系统需要采集的生理信号包括基础阻抗（Ｚ０）、阻抗变化（△Ｚ）、阻抗微分（ｄＺ／ｄｔ）和心电（ＥＣＧ）信号等，相应地，信号采集电路主要由阻抗信号采集电路和心电信号采集电路构成。

阻抗信号采集电路的框图如图２所示，由信号源（ＩＣＬ８０３８）、波形检测电路和滤波电路等组成。

图２阻抗信号采集电路框图１６６－－邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新数采与监测《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注其工作原理是先由恒流信号源产生２ｍＡ、５０ＫＨｚ的载波信号通过变压线圈和导联耦合至被测对象的胸腔（变压线圈既充当耦合器，又实现浮地隔离功能），在信号采集电路的输入端可以得到被测肢体的调制信号，它反映了组织的阻抗变化即血管的容积变化对载波的调制。

为了确保信号采集的准确，抑制噪声干扰，本方案采用了宽频带、高共模抑制比、低噪声的前置放大和二级放大电路；再经过整流器进行全波整流，以获取容积变化的包络信号；其输出信号再经过一个低通滤波器滤波（截止频率为４０Ｈｚ），得到两路缓变的信号，其一作为Ｚｏ输出，另一路耦合至三级放大电路（增益可控）后输出得到△Ｚ。

将△Ｚ信号输入微分电路并由一个六阶滤波电路（０～８０Ｈｚ）滤波后就可以得到ｄＺ／ｄｔ信号。

为保证检测的精度，在开始测试前需先将导联接至定标电阻Ｚｏ（３０Ω）上，对设备进行定标。

与ＩＣＧ信号采集电路不同，心电信号无需激励源，仅依靠安置在体表规定位置的心电电极即可拾取和得到心电信号，如图３所示。

以本系统采用的标Ⅱ导联为例，心电信号是通过安置在手腕和脚腕的心电电极取得的，由于心电电极和皮肤之间存在接触电阻和极化电压，并且会引入工频干扰和肌电干扰，所以我们要求各级放大器具有较高的共模抑制比和超低的漂移，而且要有较高的输入阻抗。

心电信号属于低频，弱电信号，容易被噪声干扰，所以除了需要对其进行放大外，还需要通过设计滤波器减小外界干扰，特别是减小５０Ｈｚ的工频干扰，为此我们专门设计了５０Ｈｚ陷波器和二阶低通滤波器用来抑制各种干扰，信号经过放大和滤波之后，送入Ａ／Ｄ转换器。

图３心电信号采集电路框图系统中的ＵＳＢ２．０接口电路具有总线供电（＋５Ｖ）特性，必要时可以与笔记本电脑相连以构成移动监护系统，从而大大提高了便携性。

２系统软件设计心阻抗血流动力监测软件系统按功能分主要有数据采集、数据保存及波形回放、波形特征点分析等几部分。

２．１数据采集数据采集模块主要完成心电以及心阻抗微分信号的数据“采集”，即通过ＵＳＢ接口接收下位机上传的数据以及显示。

若对心电和心阻抗微分两道信号进行实时采集与显示的话，系统采用６５０×４５７的窗口显示模式。

数据采集和数据的实时显示可以依靠多线程，抢先多任务机制来实现。

在选择数据采集工作方式时，系统首先调用ＵｓｂＯｐｅｎＤｒｉｖｅｒ（＆ｈＤｅｖｉｃｅ，Ｄｅｖｉｃｅ－Ｎａｍｅ）函数，打开指定的ＵＳＢ设备；然后调用Ｒｅｃｉｖｅｄａｔａ（）函数启动接收数据线程，接收ＭＣＰ３２０８（本系统中所使用的Ａ／Ｄ采样板）进行模数转换后的数据，同时将接收数据缓存中的数据转换到数据缓存中；接着设置定时器，分别调用各自绘图函数绘制波形，利用定时函数实现数据的实时显示。

在系统调用Ｒｅｃｉｖｅｄａｔａ（）函数从ＵＳＢ端口接收数据时，以块传输的方式进行接收。

每次往数据缓存中压入两个数据，其中低８位与高８位中的前４位为数据位，高８位中的后４位为通道号，当通道号ｕｎＣｈａｎｎｅｌＮｕｍ＝＝０ｘ２时，压到心电数据缓存中，当通道号ｕｎＣｈａｎｎｅｌＮｕｍ＝＝０ｘ１时，压到心阻抗微分数据缓存中。

２．２数据保存及波形回放当采集一定量数据后，可以选择将数据保存，以便以后波形回放及波形特征点分析。

接着对已采集的数据进行波形回放，以便分析每一心动周期的信号特征。

在进行波形回放时，系统首先获取波形数据，然后设置波形回放定时器，调用波形绘制函数进行波形回放。

在波形回放的过程中，可以随时按下波形冻结键，以便观察某一波段的信号特征。

２．３波形特征点分析在该系统中我们采用差分算法进行波形特征点的自动识别。

即首先将波形中各采样点按波形升降特性将采样点分为上升段、下降段和平段三种，计算各段导数平均值；然后对波形分周期，求出每个周期中的波形特征点，对于每个心电周期中的Ｒ波一般具有最大的导数平均值，从而可以确定出心电图中的Ｑ点、Ｒ点、Ｓ点；心电图中Ｔ波一般被认为是一个心电周期中Ｒ波之后的最高波，通过求最大值点的方法可以找到Ｔ点；心阻抗血流图中Ｃ波，可依据寻找最大值点的方法找到，Ｂ点被认为是Ｒ点之后Ｃ波幅值的０．１５处，Ｘ点被认为是Ｔ波之终点，心阻抗血流图中的最低点。

在确定了心阻抗血流图中的特征点位置后，通过Ｋｕｂｉｃｅｋ提出的每搏左室输出量（ＳＶ）计算公式可以计算出病人的一些血流动力学参数，从而完成对病人心功能的监测。

由于波形的变化，有时用自动识别算法找到的特征点位置可能不够准确，这就需要在自动识别的基础上进行手动调整。

其方法是通过捕捉鼠标移动信息，将特征点标志线移动至准确的位置。

３ＵＳＢ驱动程序的设计ＵＳＢ驱动程序按照实现的功能不同分为即插即用（ＰｎＰ）模块、ＵＳＢ初始化模块、ＵＳＢ设备ＩＯ模块和电源管理模块。

其中ＰｎＰ模块实现ＵＳＢ设备的热插拔和动态配置。

电源管理模块用来阻止ＵＳＢ设备的挂起。

ＵＳＢ初始化模块负责检测ＵＳＢ设备是否启动，读取设备描述符，以确定设备的类别、与ＵＳＢ规范的兼容程度、端点０的最大包尺寸、厂家ＩＤ、产品ＩＤ等。

对于本系统中的ＵＳＢ设备主机端进行数据采集时，其具体过程是首先获取ＵＳＢ设备句柄，其次读取配置描述符以及设备描述符，然后就是选择ＵＳＢ通信接口，读取管道信息，获取有效通道后，进行数据采集。

其中获取ＵＳＢ设备句柄为程序的关键部分，它由程序中的ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ函数完成，即首先需要获得所操作的设备句柄，然后就是进行相应的ＩＯ操作，将ＩＯ操作的数据输入缓冲区地址，并获得操作的异步或同步选择参数。

１６７－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第１０－１期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》数采与监测４结论实验结果表明，该系统在主要的功能和性能上已接近实用化，并且具有操作简便、工作可靠、测量准确等优点，为今后将该便携式血流动力监测系统投入临床实验和应用打下了较好的基础。