專利名稱：一種基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人體心臟功能檢測系統(tǒng)和方法，特別是一種基于心音和心電的心臟功 能檢測系統(tǒng)和方法，屬于醫(yī)學(xué)電子儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
心音信號是人體最重要的聲信號之一，心音的改變和雜音的出現(xiàn)，往往是器質(zhì)性心臟 病的最早體征，當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生其他癥狀和體征(如病人痛覺、ECG異 常等)之前，可從心音中獲得有效的早期診斷信息。并且大多數(shù)心力衰竭病人的主要問題 是心肌收縮力的降低。心電圖檢査是心臟變時性和變傳導(dǎo)性的最佳監(jiān)測方法，但不能用來 監(jiān)測心臟的變力性。
心肌的機(jī)械泵功能變化先于電功能的變化。臨床上，心電圖不能作為心臟停跳與否的 直接依據(jù)。同理，期前興奮不等于期前收縮，憑心電圖只能診斷期前興奮，不能診斷期前 收縮。
心臟驟停是一種因心臟突然喪失泵血功能導(dǎo)致心排血量驟減或停止的緊急臨床事件， 如及時干預(yù)(如除顫等)可逆轉(zhuǎn)恢復(fù)，否則就是心性猝死。主要表現(xiàn)為頸動脈、股動脈等 大動脈及橈動脈搏動消失，心音消失，無血壓等。常見的機(jī)制為無脈性室速或室顫，無脈 電活動等。
無脈性電活動，過去稱為電機(jī)械分離，在心電圖上仍能顯示有規(guī)律的代表心肌除極和 復(fù)極過程，但心臟卻無有效的收縮，即未完成足夠的機(jī)械功。這一結(jié)果也被稱為"泵能力的 衰竭"。所以臨床上一旦出現(xiàn)電機(jī)械分離者，預(yù)后極差，幾乎是終末性結(jié)局。《2005年美國 心臟學(xué)會心肺復(fù)蘇和心血管急救指南》指出，時間決定了心血管急救的所有方面，隨心肺 功能的衰竭，生存機(jī)會可能明顯下降；并且救援者不能僅通過觸摸動脈搏動來決定是否進(jìn)行心肺復(fù)蘇。
心臟儲備指的是心臟功能的上調(diào)能力，包括心率儲備、舒張期儲備和收縮期儲備等。 心臟儲備還是正常人群和心臟病人運(yùn)動能力的重要決定因素，而運(yùn)動能力與生存率密切相 關(guān)。心臟衰竭時心臟功能失常的最重要的方面不是在基礎(chǔ)的靜息狀態(tài)下觀察到的心臟性能 的抑制，而是心臟儲備的喪失。
從心音信號中提取心肌收縮能力信號和心動周期信號，分析心力變化趨勢和心率變化 趨勢，從而對心臟儲備進(jìn)行無創(chuàng)的客觀量化評估。
1) 心臟自身供血時間評估指標(biāo)D/S
D/S指標(biāo)是心臟舒張期時限與收縮期時限的比值。由于心臟自身供血主要實(shí)現(xiàn)于舒張 期，故用該指標(biāo)來評估舒張期心臟自身供血時間是否充足。若舒張期時限較長，心臟自身 供血時間充足，就能為心臟在收縮期的工作儲備更多的養(yǎng)料和氧氣，此時，心肌收縮力強(qiáng)； 若舒張期時限太短，心室充盈不足，心輸出量低下，心臟自身供血不足，心肌收縮力便會 減弱，并可能引起心肌損傷，甚至導(dǎo)致心臟性猝死。
2) 心臟收縮能力和外周阻力的動態(tài)變化指標(biāo)Sl/S2
Sl/S2指的是心音圖第一心音幅值最大值(maxSl)對第二心音幅值最大值(maxS2) 的比值。第一心音幅值大小與左心室心肌收縮能力強(qiáng)弱高度相關(guān)，而第二心音幅值與外周 阻力有關(guān)，測Sl/S2可觀察心臟血管代償功能的動態(tài)變化。
3) 右心室和左心室的負(fù)荷狀態(tài)評估指標(biāo)T1/M1
用劍突下獲得心音圖Sl幅值最大值與心尖獲得心音圖Sl幅值最大值的比值(T1/M1) 來評估右心室和左心室的負(fù)荷狀態(tài)。
4) 心率變化趨勢HRI
HRI為根據(jù)完成7000焦耳和完成1750焦耳運(yùn)動量，運(yùn)動前靜息狀態(tài)記錄的心音圖和 運(yùn)動后即時記錄的心音圖分別提取心率，運(yùn)動后心率/運(yùn)動前心率，稱為心率變化趨勢指標(biāo)， 用來評估心肌變時性功能。
靜息心率快于75次/分鐘者猝死危險比低于60次/分鐘者高3.5倍；靜息心率過快而運(yùn) 動時心率加速慢者(增加少于89次/分鐘)的猝死危險比普通人高4倍；運(yùn)動后心率不能象 常人恢復(fù)者(降低少于25次/分鐘)猝死危險比普通人高2倍。5)心力變化趨勢指標(biāo)CCCT (1)禾QCCCT (1/4)
不同負(fù)荷下運(yùn)動后Sl最大幅值對安靜時Sl最大幅值增加的倍數(shù)定義為CCCT，用于 評估受試者的心力儲備。其中完成7000焦耳的運(yùn)動量所得CCCT記為CCCT(l)，完成1750 焦耳運(yùn)動量所得CCCT記為CCCT (1/4)。
心臟性猝死是人類社會與臨床醫(yī)學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。世界衛(wèi)生組織關(guān)于心臟性猝 死的定義是臨床上有心臟驟停的證據(jù)，從突發(fā)癥狀到死亡的時間在1小時之內(nèi)，不明原 因的死亡，之前24小時內(nèi)病人情況良好。但是這種定義有可能導(dǎo)致錯誤的分類，越來越多 的流行病學(xué)研究傾向于支持基于事件發(fā)生周圍環(huán)境狀況的多指標(biāo)聯(lián)合監(jiān)測實(shí)現(xiàn)明確分類。 目前用于篩選心臟性猝死高危患者的檢測方法和指標(biāo)都存在一定的局限性，且只能識別高 危人群，還不能識別高危個體。很多危險分層指標(biāo)(包括LVEF、室性異搏、HRV)都會隨 著時間的推移而變化。關(guān)于心臟性猝死的預(yù)警主要集中在對臨終時的臨床癥狀，并且研究 指標(biāo)主要是左室射血分?jǐn)?shù)和臨死時的心律變化，忽略了從心力、心律、心率等幾個方面全 面觀察研究(近年來，對心力衰竭深入研究后發(fā)現(xiàn)，大量心臟衰竭患者LVEF正常；心律失 常只是體力過勞或腦力過勞所致猝死的機(jī)制的終末環(huán)節(jié)或中間環(huán)節(jié)，而不一定是最初環(huán)節(jié) 或最初表現(xiàn))。心臟監(jiān)護(hù)室和危重病人監(jiān)護(hù)、麻醉監(jiān)護(hù)項(xiàng)目中關(guān)于心臟血管的監(jiān)測指標(biāo)沒有 心肌收縮能力指標(biāo)，忽略了從心力、心律、心率、血壓方面同時觀察研究。在臨床實(shí)際監(jiān) 測中，絕大部份孕產(chǎn)婦處于青壯年，心律失常的發(fā)生率極低，需要新的技術(shù)和方法應(yīng)用以 提高孕產(chǎn)婦的心臟安全。國內(nèi)外學(xué)者都意識到婦女在孕期和產(chǎn)程中的心臟安全性評估的重 要性，但缺乏從心臟儲備的角度來進(jìn)行心臟安全性評估的研究。
關(guān)于心音和心電的聯(lián)合檢測研究，國內(nèi)外已經(jīng)有比較多的嘗試，但以往的心功能檢測 儀，或者僅限于傳統(tǒng)的心臟聽診數(shù)字化，未充分利用心音的臨床應(yīng)用價值，或者利用了心 音和心電之間的一些生理學(xué)關(guān)系，檢測病人是否處于無脈性電活動狀態(tài)，但關(guān)于心音和心 電信號分析研究也僅限于傳統(tǒng)臨床應(yīng)用，未進(jìn)行應(yīng)用指標(biāo)的拓展。如中國專利95214529.4 公開的"無創(chuàng)性綜合心電心音分析儀"，中國專利200410011302.5公開的"家用實(shí)時分析心電 心音監(jiān)測儀"，美國專利No6440082公開的一種基于心音的心臟搏動檢測方法和裝置等。
綜上所述，現(xiàn)有公知的專利和文獻(xiàn)都有一些共同特點(diǎn)，對于心臟功能狀態(tài)的檢測都有 一定的局限性(如左室射血分?jǐn)?shù)、室性異搏和心率變異性等指標(biāo)，會隨著時間的推移而變
6化)，而且都未充分利用心音信號的臨床價值，未從心音中提取心臟儲備指標(biāo)，并與心電、 無創(chuàng)血壓指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)全面客觀、易普及應(yīng)用的心臟功能狀態(tài)檢測。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，以及臨床心臟功能狀態(tài)檢測的需求，本發(fā)明的目的在 于針對普通人群、心臟病人，尤其是孕產(chǎn)婦、高危心臟病人、圍麻醉期和圍手術(shù)期病人在 心臟功能狀態(tài)檢測方面的特殊需要，提供一種基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，從心 力、心律、心率和血壓四個方面同時檢測心臟功能狀態(tài)。
基于本心臟功能檢測系統(tǒng)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全面客觀、低成本、易普及應(yīng)用的心臟功能狀 態(tài)檢測，提高孕產(chǎn)婦的心臟安全性、圍麻醉期和圍手術(shù)期病人的心臟安全性以及高危心臟 病人的心臟安全性。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，包括多生理 參數(shù)信號硬件采集和處理模塊、USBHUB模塊、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和輸出設(shè)備，所述多生理 參數(shù)信號硬件采集和處理模塊由相互并聯(lián)的具有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制功能的心 音采集模塊、心電采集模塊和無創(chuàng)血壓采集模塊組成，分別用于采集受試者的心音信號、 心電信號和手臂動脈脈搏波信號并將采集得到的上述信號通過USB總線輸入USB HUB模 塊，USB HUB模塊實(shí)現(xiàn)人體與計(jì)算機(jī)之間的電氣安全隔離并將輸入的信號傳輸給計(jì)算機(jī)處 理系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對上述信號進(jìn)行處理從而得到受試者的心臟儲備指標(biāo)、心音圖 和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)和無創(chuàng)血壓指標(biāo)，所述指標(biāo)通過輸出設(shè)備輸出。
所述USB HUB模塊包括DC-DC降壓電路、電氣安全隔離電路、USB HUB控制器、 USB HUB電源控制器和USB總線接口 ；電氣安全隔離電路采用DC-DC隔離電源模塊實(shí)現(xiàn) 電源的電氣隔離，采用磁隔離器件實(shí)現(xiàn)信號的電氣隔離。
所述心音采集模塊包括心音傳感器、心音分頻段電路、增益控制電路、電平調(diào)理電路、 A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路；心電采集模塊包括體表心電極和三導(dǎo)聯(lián)一體式心電導(dǎo)聯(lián)線、 前置級安全保護(hù)電路、前置放大電路、帶通濾波電路(0.05-100Hz)、 50Hz陷波電路、電平 調(diào)理電路、右腿驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路；無創(chuàng)血壓信號采集模塊包括血 壓袖帶、袖帶壓力和脈搏信號檢測電路、氣泵氣閥控制電路、電平調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路，氣泵氣閥控制電路和電平調(diào)理電路并聯(lián)于袖帶壓力和脈搏信號檢測電 路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路之間。
所述心音分頻段電路由超低頻電路、極低頻電路、低頻電路、中頻電路和高頻電路組 成;其中，超低頻電路頻段為0.05-5Hz;極低頻電路頻段為5-30Hz;低頻電路頻段為30-80Hz; 中頻電路頻段為80-120Hz;高頻電路頻段為120-1000Hz。
使用上述心臟功能檢測系統(tǒng)對心臟進(jìn)行檢測的方法，其步驟為
(1) 利用上述基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，同步采集心音、心電、手臂動脈 脈搏波信號，獲得同步的心音圖、心電圖、脈搏波；
(2) 從同步的心音圖和心電圖提取心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖 指標(biāo)，從脈搏波提取無創(chuàng)血壓指標(biāo)；
(3) 從心力、心律、心率和血壓四個方面，綜合分析心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖 綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)和無創(chuàng)血壓指標(biāo)。
所述步驟(2)采用自適應(yīng)提升小波變換對心音信號、心電信號進(jìn)行去噪預(yù)處理，然后 采用希爾-伯特黃變換結(jié)合人工修正的方法來進(jìn)行心音圖成分、心電圖成分的定位，實(shí)現(xiàn)心 臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)的提取。
所述心臟儲備指標(biāo)包括心臟儲備靜息指標(biāo)和心臟儲備運(yùn)動指標(biāo)，心臟儲備靜息指標(biāo)包括 Sl/S2、 D/S、 T1/M1、 Sl和S2倒置和心率；心臟儲備運(yùn)動指標(biāo)包括HRI、 ％S3、 ％S4、 CCCT(l) 和CCCT(l/4);所述心電圖指標(biāo)包括P-P間期、P-R間期和S-T間期；所述心音圖和心電圖綜 合指標(biāo)包括EMAT、 AAFT禾nPAFT;所述無創(chuàng)血壓指標(biāo)包括收縮壓、舒張壓和平均動脈壓。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果
1、 通過一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)心音、心電和手臂動脈脈搏波信號同時監(jiān)測，獲得同步的心音圖、 心電圖、脈搏波，提取心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)、無創(chuàng)血壓 指標(biāo)；進(jìn)而提出一種基于心音和心電綜合分析人體心臟功能狀態(tài)的方法、心律不齊患者的 心臟儲備分析方法，實(shí)現(xiàn)心臟性猝死的預(yù)警，該方法不僅能識別心臟性猝死高危人群，還 能識別高危個體。
2、 為心臟監(jiān)護(hù)室和危重病人監(jiān)護(hù)、麻醉監(jiān)護(hù)的心臟功能狀態(tài)指標(biāo)補(bǔ)充心肌收縮能力指 標(biāo)的監(jiān)測，從心力、心律、心率和血壓四個方面同時檢測心臟功能狀態(tài)，達(dá)到提高危重病人心臟安全性，圍麻醉期和圍手術(shù)期病人心臟安全性的目的。
3、 在臨床實(shí)際監(jiān)測中，絕大部份孕產(chǎn)婦處于青壯年，心律失常的發(fā)生率極低。本發(fā)明 能通過一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)孕產(chǎn)婦的心力、心電和無創(chuàng)血壓指標(biāo)的檢測，達(dá)到提高孕產(chǎn)婦心臟安 全性的的目的。
4、 提出一種通過一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)心律不齊患者的心臟儲備指標(biāo)分析的方法；提出一種運(yùn)
動員心臟功能檢測方法，特別是同時采用D/S、 Sl/S2、 S1和S2倒置、HRI、 CCCT (1)、 CCCT (1/4)指標(biāo)評估運(yùn)動員的心臟功能狀態(tài)；提出一種無脈性電活動檢測方法，特別是從 心力、心律、心率和血壓四個方面同時檢測分析。
5、 本發(fā)明無創(chuàng)安全、簡便快捷、低成本、能在普通條件下廣泛應(yīng)用。


圖1- 一種基于心音和心電的心功能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2- —種基于心音和心電的心功能檢測系統(tǒng)原理框圖3-心臟聽診區(qū)示意圖4-心音圖的四個組成成份示意圖5-心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)提取示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本發(fā)明通過采用基于USB HUB的模塊化醫(yī)療儀器構(gòu)建方法，構(gòu)建一種基于心音和心電 的心臟功能檢測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)同步采集心音、心電和手臂動脈脈搏波信號；獲得同步 的心音圖、心電圖、脈搏波；提取心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)、 無創(chuàng)血壓指標(biāo)；從心力、心律、心率和血壓四個方面同時檢測分析心臟功能狀態(tài)；進(jìn)而提 出一種基于心音和心電的心功能檢測方法。
下面對檢測系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。如圖1所示，本發(fā)明基于心音和心電的心功能檢測系 統(tǒng)，包括多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊、USBHUB模塊、電源模塊、計(jì)算機(jī)處理系 統(tǒng)(內(nèi)含基于PC的軟件平臺)和輸出設(shè)備。其中，多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊包括心音信號采集模塊、心電信號采集模塊和無創(chuàng)血壓采集模塊。
見圖2，其中心音信號采集模塊按信號走向包括心音傳感器、心音分頻段電路、信號 調(diào)理電路(增益控制電路、電平調(diào)理電路)，A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路。心音分頻段電
路包括超低頻電路(0.05-5Hz)、極低頻電路(5-30Hz)、低頻電路(30-80Hz)、中頻電路 (80-120Hz)、高頻電路(120-1000Hz);增益控制電路由運(yùn)算放大器，電阻網(wǎng)絡(luò)，多路模 擬開關(guān)器件構(gòu)成，通過微處理器控制增益選擇；心音傳感器選擇有源心音傳感器(如北京 航天醫(yī)學(xué)工程研究所的JXH-5型心音傳感器)，其內(nèi)部包含有預(yù)放大電路，具有良好的抗干 擾性能，靈敏度高等特點(diǎn)；A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路，可由內(nèi)部集成ADC和USB控 制器的微處理器(如SILAB公司的C8051F32X/34X系列產(chǎn)品)，或者采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換 芯片、微控制器、USB接口芯片的方式實(shí)現(xiàn)。
其中，心電信號采集模塊按信號走向包括體表心電極和三導(dǎo)聯(lián)一體式心電導(dǎo)聯(lián)線、 前置級安全保護(hù)電路、信號調(diào)理電路(前置放大電路、帶通濾波電路(0.05-100Hz)、 50Hz 陷波電路、電平調(diào)理電路)、右腿驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路。50Hz陷波電 路采用集成開關(guān)電容濾波器來構(gòu)建(如采用美國凌力爾特公司的LTC1068-200實(shí)現(xiàn)了一個 八階巴特沃茲50Hz陷波器)；A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路，可由內(nèi)部集成ADC和USB 控制器的微處理器(如Silicon Laboratories公司的C8051F32X/34X系列產(chǎn)品)，或者采用 獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換芯片、微控制器、USB接口芯片的方式實(shí)現(xiàn)；其它電路釆用現(xiàn)有常用的設(shè) 計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。
其中，無創(chuàng)血壓信號采集模塊按信號走向包括血壓袖帶、袖帶壓力和脈搏信號檢測 電路、氣泵氣閥控制電路、電平調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路。氣泵氣閥控制 電路和電平調(diào)理電路并聯(lián)于袖帶壓力和脈搏信號檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路 之間，袖帶壓力和脈搏信號檢測電路包括壓力傳感器和差分放大電路、高通濾波放大電 路、二階低通濾波電路構(gòu)成(壓力傳感器采用德利康公司的BP01型壓力傳感器，該傳感器 采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式，從而提高了測量的精度、穩(wěn)定性以及可重復(fù)性；高通濾波 放大電路設(shè)計(jì)兩級RC高通濾波電路和運(yùn)放電路，用于將微弱的脈搏波信號和袖帶壓力信號 分開，以提取純凈的脈搏波信號；二階低通濾波電路去除脈搏波信號中的高頻干擾)；A/D 轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路，可單片由內(nèi)部集成ADC和USB控制器的微處理器(如美國Silicon Laboratories公司的C8051F32X/34X系列產(chǎn)品)，或者采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換芯片、微 控制器、USB接口芯片的方式實(shí)現(xiàn)；其它電路采用現(xiàn)有常用的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。 上述三個模塊具有各自獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換和USB通信功能。
其中，USB HUB模塊為具有電氣安全隔離功能的四口 USB HUB模塊，它包括DC-DC 降壓電路、電氣安全隔離電路、USBHUB控制器、USB總線接口。電氣安全隔離電路采用 DC-DC隔離電源模塊實(shí)現(xiàn)電源的電氣隔離(如金升陽公司G0505D-2W),采用磁隔離器件 實(shí)現(xiàn)信號的電氣隔離(如ADuM1250)，實(shí)現(xiàn)人體和計(jì)算機(jī)之間的電氣安全隔離和數(shù)據(jù)傳輸； USB HUB控制器采用美國TI公司的TUSB2046B實(shí)現(xiàn)；其它電路采用現(xiàn)有常用的設(shè)計(jì)方式 實(shí)現(xiàn)。
其中，電源模塊對系統(tǒng)進(jìn)行電源供給；電源模塊采用電源適配器和Li電池供電的方式 實(shí)現(xiàn)，多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊直接從USB總線獲取電源，包括220V交流適 配器(輸出15V， 1A直流電源)，Li電池充電電路(直接采用PC機(jī)USB端口電源為Li電 池供電，充電器采用Maxim公司的Maxl8U)， DC-DC升壓電路和DC-DC降壓電路(獲取 +3.3￥和+5.0￥，例如Maxim公司的Maxl797和Max1837)，電壓反向電路(所采用的反向 電荷泵如Maxim公司的MAX889)。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)通過USB驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)對各個模塊的識別、通信連接和數(shù)據(jù)傳輸， 實(shí)現(xiàn)信號采集、處理、同屏顯示、數(shù)據(jù)庫存儲，通過信號處理算法從心音圖中提取心臟儲 備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)和無創(chuàng)血壓指標(biāo)。它包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、 驅(qū)動程序、信號分析處理算法、用戶界面、數(shù)據(jù)庫等，數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對所采集數(shù)據(jù)的存儲。
輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)分析報告的打印輸出、心音的音頻輸出，包括打印機(jī)和音箱等。
使用上述心臟功能檢測系統(tǒng)對心臟進(jìn)行檢測的方法，其步驟為
(1) 利用上述心功能檢測系統(tǒng)，同步采集心音、心電、手臂動脈脈搏波信號，獲得同 步的心音圖、心電圖、脈搏波；
(2) 從同步的心音圖和心電圖中提取心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電 圖指標(biāo)，從脈搏波提取無創(chuàng)血壓指標(biāo)；
(3) 從心力、心律、心率和血壓四個方面，對上述心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜 合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)和無創(chuàng)血壓指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。下面對上述四種類型指標(biāo)下的具體指標(biāo)的定義及醫(yī)學(xué)意義進(jìn)行說明。 如圖4所示，每一個心動周期都包括第一心音(Sl)，第二心音(S2)，第三心音(S3)， 第四心音(S4)。正常人都可以記錄到S1和S2，有時可以記錄到S3和S4。 第一心音Sl的二尖瓣成分表示為Ml; 第一心音Sl的三尖瓣成分表示為Tl; 第二心音S2的主動脈瓣關(guān)閉成分表示為A2; 第二心音S2的肺動脈瓣關(guān)閉成分表示為P2。
其中心臟儲備指標(biāo)包括心臟儲備靜息指標(biāo)和心臟儲備運(yùn)動指標(biāo)，心臟儲備靜息指標(biāo)包 括Sl/S2、 D/S、 T1/M1、心率、S1和S2倒置(Sl和S2倒置定義進(jìn)行24秒的心音圖 屏氣檢測，分析所記錄的心音圖，開始檢測時的5個連續(xù)心動周期中Sl和S2的最大幅值 比值S1/S2S1，并且檢測結(jié)束時最后的5個連續(xù)心動周期中Sl和S2的最大幅值比值Sl/S2 <1 =;
心臟儲備運(yùn)動指標(biāo)包括HRI、 ％S3 (%S3計(jì)算公式為%S3=aS3-bS3xl00%，其中
N
aS3為受試者完成1750 7000焦耳運(yùn)動后，30秒記錄時間內(nèi)，S3出現(xiàn)的總次數(shù)，N為運(yùn)動 后30秒內(nèi)總心動周期數(shù)，bS3為運(yùn)動前靜息狀態(tài)，30秒記錄時間內(nèi)，S3出現(xiàn)的總次數(shù))、
%S4 (%S4計(jì)算公式為%S4=d。,腦％，其中aS4為受試者完成1750 7000焦耳
N
運(yùn)動后，30秒記錄時間內(nèi)，S4出現(xiàn)的總次數(shù)，N為運(yùn)動后30秒內(nèi)總心動周期數(shù)，bS4為運(yùn) 動前靜息狀態(tài)，30秒記錄時間內(nèi)，S4出現(xiàn)的總次數(shù))、CCCT(l)、 CCCT(1/4)。
其中心電圖指標(biāo)包括P-P間期、P-R間期、S-T間期。
心音圖和心電圖綜合指標(biāo)EMAT (Q波的起點(diǎn)到S1幅值最大點(diǎn)的時間間隔)、AAFT (P波的起點(diǎn)到S1的時間間隔)、PAFT (S2到P波的時間間隔)。 血壓指標(biāo)收縮壓、舒張壓、平均動脈壓。 主要指標(biāo)分級方法和醫(yī)學(xué)意義
D/S比的臨界值選作1.5。孕婦D/S逐漸降低，提示心臟自身供血時間逐漸縮短。本系 統(tǒng)將D/S分為五級1級21.50、 2級1.49-1.40、 3級1.39-1.30、 4級1.29-1.20、 5級<1.20。
1級表示舒張期心臟供血時間充足，2級表示舒張期心臟供血時間輕度縮短，3級表示舒張 期心臟供血時間中度縮短，4級表示舒張期心臟供血時間中度縮短，5級表示舒張期心臟供血時間重度縮短。
Sl/S2的統(tǒng)計(jì)值為1.89±0.94，分為以下三種情況
1. Sl/S2生理性代償性增高(Sl/S2>3.7):見于體力活動、第l-2產(chǎn)程、情緒激動等情 況，會自然復(fù)原。Sl/S2比值可用來無創(chuàng)評估孕期和產(chǎn)程中心臟儲備動態(tài)變化和產(chǎn)程中產(chǎn)婦 的安全性。
2. Sl/S2病理性代償性增高(Sl/S2>3.7):見于多種心肺和血管疾病以及對心血管功能 有重大影響的疾病，如高血壓、慢性阻塞性肺疾病、甲亢、糖尿病等。
3.Sl/S2降低當(dāng)血壓偏低時，若S1/S2比值〈，提示血壓偏低可能由心力減弱所致。 T1/M1分級
Tl/M1^3時，提示右心負(fù)荷過重，有右心衰竭危險。這時可用T1/M1監(jiān)測整個診療過 程，以期對慢性肺原性心臟病右心室肥大的診斷依據(jù)中的敘述"劍突下心音較心尖區(qū)心音強(qiáng)" 給以客觀量化的指標(biāo)。 S1和S2倒置提示心肌處于缺氧狀態(tài)，心臟微調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)，即心力調(diào)節(jié)與心率調(diào)節(jié)之 間的差異現(xiàn)象。例如，在運(yùn)動應(yīng)激過程中，心力變異性與心率變異性是不同向的，在運(yùn)動 應(yīng)激的恢復(fù)過程中，心力恢復(fù)趨勢與心率恢復(fù)趨勢是不同步的。
%S3和。/oS4:
%S3:受試者。/。S3^5。/。，提示心臟負(fù)擔(dān)加重，左心室舒張末期壓力增加和順應(yīng)性下降， 用于普通人群心臟功能檢測、冠心病的診斷及冠心病患者心臟功能檢測。
%S4:受試者e/。S4^5Q/。，提示心臟負(fù)擔(dān)加重，左心室舒張末期壓力增加和順應(yīng)性下降，
用于普通人群心臟功能檢測、冠心病的診斷及冠心病患者心臟功能檢測。
CCCT分級
CCCT (1)的臨界值選作5; CCCT (1/4)的臨界值選作"3"。六分鐘步行試驗(yàn)后心力 變化趨勢CCCK3，提示心力儲備降低，指導(dǎo)臨床具體分析原因。 心音圖和心電圖綜合指標(biāo)
EMAT心臟衰竭評估指標(biāo)；PAFT、 AAFT急性心肌梗死和心肌缺血評估指標(biāo)。 獲取各檢測分析指標(biāo)的方法
將心音傳感器固定在受試者各指標(biāo)獲取對應(yīng)的聽診區(qū)(如圖3所示)，將體表心電極固腳踝，血壓袖帶固定在受試者左手上臂；心音、心電、 血壓信號經(jīng)信號調(diào)理后輸入到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，通過USB驅(qū)動程序及各模塊中儲 存的特征信息，實(shí)現(xiàn)對各模塊的識別，建立與硬件系統(tǒng)的通信連接，完成對心音、心電、 血壓信號的記錄、預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析、顯示，數(shù)據(jù)存儲。其中信號記錄、預(yù)處理、顯示由 圖形化編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺Labview8.20編程實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)庫存儲采用MySQL Server5.0.67數(shù)據(jù) 庫，由圖形化編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺Labview8.20編程實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)分析處理算法采用Matlab7.0 編程，并通過labviewMathScript節(jié)點(diǎn)無縫的嵌入軟件系統(tǒng)，對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取 相關(guān)波形的特征點(diǎn)，并計(jì)算出相關(guān)指標(biāo)。
心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)提取如圖5所示
其中，心臟儲備指標(biāo)的獲取首先，對采集得到的心音信號采用自適應(yīng)提升小波變換 進(jìn)行去噪預(yù)處理；然后，對預(yù)處理后的信號采用希爾伯特-黃變換，獲取各階固有模態(tài)函數(shù) (IMF)。選取第一和第二階固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行希爾伯特變換，得到心音的包絡(luò)；最后，采用 希爾-伯特黃變換結(jié)合人工修正的方法，對第一心音(S1)和第二心音(S2)進(jìn)行了定位，獲取 Sl/S2， D/S，心率指標(biāo)、S1和S2倒置。
T1/M1:通過對劍突和心尖兩次記錄的心音信號Sl定位，取兩次S1幅值最大值，相除 得到T1/M1的指標(biāo)值。
按上述規(guī)則計(jì)算的特征點(diǎn)一般來說是準(zhǔn)確的，可以正確處理數(shù)據(jù)文件。但當(dāng)病人之間 的個體差異比較嚴(yán)重，或信號受到干擾造成波形改變而影響識別算法識別，或出現(xiàn)大量的 心臟雜音，需要在特征識別上增加人工修正，以得到準(zhǔn)確的指標(biāo)值。
其中，心電圖指標(biāo)的獲取先對采集的心電信號采用自適應(yīng)提升小波變換進(jìn)行去噪預(yù) 處理，然后采用希爾-伯特黃變換結(jié)合人工修正的方法，對心電信號進(jìn)行實(shí)時分析、識別病 人心電圖的P波、QRS波、T波、ST段(首先識別R波，然后在QRS波附近，按照P波、 T波與R波在心臟電生理上的時間間隔搜索P波和T波)，確定P、 QRS、 T波分界點(diǎn)后， 進(jìn)行各種參數(shù)測量和計(jì)算，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。測量參數(shù)包括P-P間期、P-R間期、S-T 間期指標(biāo)值。
按上述規(guī)則計(jì)算的特征點(diǎn)一般來說是準(zhǔn)確的，可以正確處理數(shù)據(jù)文件。但當(dāng)病人之間 的個體差異比較嚴(yán)重，或信號受到干擾造成波形改變而影響識別算法識別，需要在特征識別上增加人工修正，以得到準(zhǔn)確的指標(biāo)值。
心音圖和心電圖綜合指標(biāo)在S1， S2， P波，QRS波識別的基礎(chǔ)上，加入人工修正， 提取EMAT、 AAFT、 PAFT指標(biāo)值。
無創(chuàng)血壓指標(biāo)獲取基于測振法的基本原理，通過分析壓力階梯的脈搏信號實(shí)現(xiàn)對泵 和閥的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)的階梯壓力檢測，同時對每一階梯上的信號進(jìn)行調(diào)理、分析， 通過曲線擬合計(jì)算平均動脈壓，通過對階梯放氣后的脈搏波包絡(luò)拐點(diǎn)檢測，實(shí)現(xiàn)收縮壓、 舒張壓指標(biāo)提取。
利用基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)可以獲得上述系統(tǒng)的、全面的指標(biāo)，了解不 同的指標(biāo)及其組合即可實(shí)現(xiàn)不同類型受試者的身體狀況檢測，具體來講包含下述幾種但不 局限于以下幾種情況
1、 無脈性電活動檢測方法，通過采用一種基于心音和心電的心功能檢測系統(tǒng)，對病人 同時進(jìn)行心音、心電和無創(chuàng)血壓檢測，提取心臟儲備靜息指標(biāo)、心電圖指標(biāo)、無創(chuàng)血壓指 標(biāo)實(shí)現(xiàn)無脈性電活動檢測；其中，當(dāng)心臟儲備指標(biāo)D/S， Sl/S2，心率開始下降，提示心臟 儲備降低，心臟泵功能開始減弱；當(dāng)QRS波群出現(xiàn)之后，在20 40mS間隔內(nèi)沒有出現(xiàn)Sl， 同時血壓指標(biāo)值降低，提示心臟處于無脈性電活動狀態(tài)。
2、 心律不齊患者的心臟功能檢測方法，通過采用一種基于心音和心電的心功能檢測系 統(tǒng)，進(jìn)行心電圖檢測，當(dāng)獲取的心電圖指標(biāo)異常，顯示受試者為心律不齊患者時，同時進(jìn) 行心音、心電、無創(chuàng)血壓的檢測，提取心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖 指標(biāo)、無創(chuàng)血壓指標(biāo)，從心力、心律、心率、血壓四個方面，同時全面評估心律不齊患者 的心臟功能狀態(tài)。
3、 孕產(chǎn)婦心臟功能檢測方法，通過采用一種基于心音和心電的心功能檢測系統(tǒng)，對孕 產(chǎn)婦同時進(jìn)行心音、心電、無創(chuàng)血壓的檢測，獲取心臟儲備靜息指標(biāo)、心音圖和心電圖綜 合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)、無創(chuàng)血壓指標(biāo)，從心力、心律、心率、血壓四個方面，同時全面評 估孕產(chǎn)婦的心臟功能狀態(tài)；特別是同時采用D/S、 Sl/S2、 HR、 Sl和S2倒置指標(biāo)評估孕產(chǎn) 婦的心臟功能狀態(tài)。
4、 圍麻醉期和圍手術(shù)期病人或危重病人心臟功能檢測方法，通過采用一種基于心音和 心電的心功能檢測系統(tǒng)，對圍麻醉期和圍手術(shù)期病人或危重病人同時進(jìn)行心音、心電、無創(chuàng)血壓的檢測，獲取心臟儲備靜息指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)、無創(chuàng)血 壓指標(biāo)，從心力、心律、心率、血壓四個方面，同時全面評估圍麻醉期和圍手術(shù)期病人或 危重病人的心臟功能狀態(tài)；特別是同時采用D/S、 Sl/S2、 HR心臟儲備指標(biāo)評估圍麻醉期和 圍手術(shù)期病人或危重病人的心臟功能狀態(tài)；其中，心臟儲備靜息指標(biāo)S1和S2倒置不檢測。
5、運(yùn)動員心臟功能檢測方法，通過采用一種基于心音和心電的心功能檢測系統(tǒng)，對運(yùn) 動員同時進(jìn)行心音、心電、無創(chuàng)血壓的檢測，獲取心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指 標(biāo)、心電圖指標(biāo)、無創(chuàng)血壓指標(biāo)，從心力、心律、心率、血壓四個方面同時全面評估運(yùn)動 員的心臟功能狀態(tài)；特別是同時采用D/S、 Sl/S2、 S1和S2倒置、HRI、 CCCT (1)、 CCCT (1/4)指標(biāo)評估運(yùn)動員的心臟功能狀態(tài)。
本發(fā)明不限于本說明書所例舉的實(shí)施方式。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員采用公知的技術(shù)，作 出不脫離本發(fā)明的各種變化或改型均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，包括多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊、USB HUB模塊、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和輸出設(shè)備，其特征在于所述多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊由相互并聯(lián)的具有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制功能的心音采集模塊、心電采集模塊和無創(chuàng)血壓采集模塊組成，分別用于采集受試者的心音信號、心電信號和手臂動脈脈搏波信號，并將采集得到的上述信號通過USB總線輸入USB HUB模塊，USB HUB模塊實(shí)現(xiàn)人體與計(jì)算機(jī)之間的電氣安全隔離并將輸入的信號傳輸給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對上述信號進(jìn)行處理從而得到受試者的心臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)和無創(chuàng)血壓指標(biāo)，所述指標(biāo)通過輸出設(shè)備輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，其特征在于所述 USB HUB模塊包括電氣安全隔離電路、USB HUB控制器和USB總線接口 ；電氣安全隔離 電路采用DC-DC隔離電源模塊實(shí)現(xiàn)電源的電氣隔離，采用磁隔離器件實(shí)現(xiàn)信號的電氣隔離。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，其特征在于所 述心音采集模塊包括心音傳感器、心音分頻段電路、增益控制電路、電平調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路；心電釆集模塊包括體表心電極和三導(dǎo)聯(lián)一體式心電導(dǎo)聯(lián)線、前 置級安全保護(hù)電路、前置放大電路、帶通濾波電路、50Hz陷波電路、電平調(diào)理電路、右腿 驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路；手臂動脈脈搏波信號采集模塊包括血壓袖帶、 袖帶壓力和脈搏信號檢測電路、氣泵氣閥控制電路、電平調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換和USB通信 控制電路，氣泵氣閥控制電路和電平調(diào)理電路并聯(lián)于袖帶壓力和脈搏信號檢測電路、A/D 轉(zhuǎn)換和USB通信控制電路之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，其特征在于所述心 音分頻段電路由超低頻電路、極低頻電路、低頻電路、中頻電路和高頻電路組成；其中， 超低頻電路頻段為0.05-5Hz;極低頻電路頻段為5-30Hz;低頻電路頻段為30-80Hz;中頻 電路頻段為80-120Hz;高頻電路頻段為120-1000Hz。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，其特征在于所述心 臟儲備指標(biāo)、心音圖和心電圖綜合指標(biāo)、心電圖指標(biāo)以及無創(chuàng)血壓指標(biāo)同步采集而得。
6、根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的心臟功能檢測系統(tǒng)，其特征在于所述心臟儲備指標(biāo)包括心臟儲備靜息指標(biāo)和心臟儲備運(yùn)動指標(biāo)，心臟儲備靜息指標(biāo)包括Sl/S2、 D/S、 T1/M1、 S1和S2倒置和心率；心臟儲備運(yùn)動指標(biāo)包括HRI、 ％S3、 ％S4、 CCCT(1)禾Q CCCT(l/4);所述心電圖指標(biāo)包括P-P間期、P-R間期和S-T間期；所述心音圖和心電圖綜合指標(biāo)包括EMAT、 AAFT和PAFT;所述無創(chuàng)血壓指標(biāo)包括收縮壓、舒張壓和平均動脈壓；其中，％S3計(jì)算公式為%S3=aS3-bS3xlOO%，其中aS3為受試者完成1750 7000N焦耳運(yùn)動后，30秒記錄時間內(nèi)，S3出現(xiàn)的總次數(shù)；N為運(yùn)動后30秒內(nèi)總心動周期數(shù)；bS3 為運(yùn)動前靜息狀態(tài)，30秒記錄時間內(nèi)，S3出現(xiàn)的總次數(shù)；%S4計(jì)算公式為%S4=d ,100% ，其中aS4為受試者完成1750 7000焦耳運(yùn)N動后，30秒記錄時間內(nèi)，S4出現(xiàn)的總次數(shù)；N為運(yùn)動后30秒內(nèi)總心動周期數(shù)；bS4為運(yùn)動 前靜息狀態(tài)，30秒記錄時間內(nèi)，S4出現(xiàn)的總次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于心音和心電的心臟功能檢測系統(tǒng)，包括多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊、USB HUB模塊和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，多生理參數(shù)信號硬件采集和處理模塊由具有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換和USB通信控制功能的心音采集模塊、心電采集模塊和無創(chuàng)血壓采集模塊組成，USB HUB模塊實(shí)現(xiàn)人體與計(jì)算機(jī)之間的電氣安全隔離并將輸入的信號傳輸給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)從心力、心律、心率、血壓四個方面同時分析心臟功能狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)心肌缺氧檢測、無脈性電活動檢測、心律不齊患者的心臟儲備檢測等，有助于提早發(fā)現(xiàn)心臟異常及時采取相應(yīng)的醫(yī)療措施；提高心臟疾病診斷的準(zhǔn)確性，以及心臟病患者的生存率；有助于降低患者的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。
文檔編號A61B5/024GK101518439SQ20091010343
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者林輝杰, 東 王, 肖守中, 郭興明 申請人:重慶大學(xué)