- · 《心血管外科杂志(电子版[05/20]
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无创心血管功能参数检测仪的研制
作者:网站采编关键词:
摘要:心血管疾病包括内膜增生、动脉粥样硬化、高血压、高脂血症和冠心病等,已成为危害人类健康的重大公共卫生难题[1]。研究表明,心血管疾病是病理特征长期积累的结果,并伴随着血
心血管疾病包括内膜增生、动脉粥样硬化、高血压、高脂血症和冠心病等,已成为危害人类健康的重大公共卫生难题[1]。研究表明,心血管疾病是病理特征长期积累的结果,并伴随着血流动力学和血液流变指标的改变[2]。心搏出量、心输出量等心血管功能参数对于探究心血管疾病的形成机制、临床诊断及预防具有显著的生理和病理意义[3-5]。近年来,光电容积脉搏波描记术(photoplethysmographic,PPG)由于其不易受干扰、廉价易得、实时快速等特点,在新型血流动力学监测装置研制中发挥了重要作用[6]。本研究采用PPG 设计了一种无创心血管功能参数检测仪,可无创检测人体心搏出量、心输出量、外周阻力、心搏指数、心脏指数,现报道如下。
1 整体框架方案
1.1 心血管功能参数检测算法
1.1.1 PPG 信号测量原理算法
当强度为I0单色光入射到均匀物质时,对应光电检测器接收的出射光强度I 为:
式中, ε(λ)为物质对波长λ 的摩尔消光系数,c 为吸光物质浓度,d 为光程长。
1.1.2 心血管功能参数检测算法
PPG 信号波形参数(K)值定义为[7]:
式中,Pm、 Ps、Pd分别为平均动脉压、收缩压、舒张压。
体表面积(body surface area,BSA)定义为[7]:
式中,T、W 分别为人体身高(cm)和体质量(kg)。
心输出量(cardiac output,CO)计算公式如下:
心搏出量(stroke volume,SV)计算公式如下:
心脏指数(cardiacindex,CI)计算公式如下:
心搏指数(stroke index,SI)计算公式如下:
外周阻力(total peripheral resistance,TPR)计算公式如下:
1.2 总体框架结构
该检测仪采用反射模式采集PPG 信号并选用脚趾作为测量部位,其总体框架结构包括光电传感器、PPG 模拟前端、nRF微控制器模块、液晶显示模块、电池充电及电源管理模块、心电监测模块等,见图1。该检测仪的主要工作流程为,由光电传感器等组成的模拟终端模块通过透射模式采集脚趾PPG 信号及心电采集模块采集的心电信号,并通过蓝牙协议将所测得数据传输至上位机。
图1 系统架构框图
2 硬件设计
2.1 NELLCOR 血氧探头
NELLCOR 血氧探头传感器由双发射管和光敏二极管组成,通过转接电缆连接至主机。本研究为采集脚趾的脉搏波波形,将NELLCOR 血氧探头改为反射式,脚趾轻踩血氧探头即可采集人体脚趾的血流波形,见图2。
图2 NELLCOR 血氧探头
2.2 主控制器和蓝牙模块
控制电路采用Nordic 公司型号为nRF的主控芯片,该芯片是一款功能强大、高度灵活的超低功耗多协议系统蓝牙单芯片,可作为嵌入式2.4 GHz 无线传输收发器,非常适用于集成低功耗蓝牙、高级网络协议(advanced network tools,ANT)和2.4 GHz 超低功耗需求的无线应用;nRF芯片可在1.7 ~3.6 V 的电源电压下工作;当任务操作不需要时,所有独立的外设和时钟均可提供完全的断电灵活性,从而将功耗降至最低;此外,nRF芯片资源广泛,同时可以内置低功耗蓝牙协议栈,方便基于低功耗蓝牙的开发,TI 公司心电检测电路芯片ADS1291、PPG 信号检测电路芯片AFE4400与微控制器通过串行外设接口(serial peripheral interface, SPI)协议进行数据通信,高清液晶屏(liquid crystal display, LCD)通过集成电路(inter-integrated circuit,I2C)协议进行通信,同时微控制器通过通用输入/输出接口(general-purpose input/output,GPIO)控制稳压芯片的使能引脚,进而控制电源开关进行电源管理,见图3。
图3 主控制器电路
2.3 心电检测电路
由于心电信号微弱且存在工频干扰、电极噪声等,因此,本研究选取两路高集成度、采样率高达8 KSPS 的24位高分辨率ADC,可实现同步采样,模数转换器内置可编程增益,支持1、2、3、4、6、8、12倍放大,高达-105 dB的共模抑制比,内部具有右腿驱动放大和导联脱落检测电路及可持续断电检测芯片ADS1291,见图4。信号输入经过保护电路、低通RC 滤波器进入ADS1291的1通道,经过ADS1291内部处理及ADC 采样得到心电数据,并通过SPI接口传输至控制器,相比于构建模拟电路,不仅减小了电路规模,而且提高了电路的可靠性。
图4 心电检测电路
文章来源:《心血管外科杂志(电子版)》 网址: http://www.xxgwkzz.cn/qikandaodu/2021/0616/727.html