（机械电子工程专业论文）心室复极高频波检测系统.pdf

摘要 摘要 心室复极高频波是一种发生在心脏复极期间的心电生理信号，其峰峰值在几 微伏到几十微伏之间，是由作者的导师首先发现的一种心电生理信号。心电生理 信号可以通过心电位变化的形式体现出来，用仪器记录出来的心脏电位信号变化 的曲线就是心电图，在临床上用于对心脏疾病的诊断。本项目是国家自然科学基 金( 基金项目编号：6 0 5 7 1 0 3 4 ) “心室复极高频波的检测、诊断与心脏猝死预测 系统 的一部分。 心室复极高频波检测系统能够为心脏疾病的临床诊断和心脏猝死风险的预 测提供新的依据和新的检测工具，同时也可以用于对心脏病患者进行监控和检 测。本文的任务是完成硬件平台的搭建和相关程序的设计，为心室复极高频波的 检测实验提供一个硬件平台。 心室复高频波检测的信号极其微弱，系统完成了信号的放大、模数转换和数 据采集的工作。为了方便系统的应用和检测，设计了基于z i g b e e 无线通信技术 的无线传输方案，并将检测端和接收端组建成星型网络。接收端通过基于 j s b l 1 协议的接口技术实现与电脑主机的连接，通过电脑主机端的应用程序完成数据的 处理和波形的显示。 系统设计抗干扰能力强，无线传输采用的是免许可的i s m 的2 4 g h z 频段， 传输速率为2 5 0 k b p s ，可以允许几个检测节点同时工作。放大器共模抑制比大于 8 0 d b ，采样频率为1 k h z 导联，采样精度为1 6 位。 通过实验可以看到心室复极高频波在心脏疾病诊断方面比普通心电图可以 展现更多的细节，系统运行稳定，满足基金项目的要求。 关键词：猝死心室复极高频波z i g b e e 心电图 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g hf r e q u e n c yv e n t r i c u l a rr e p o l a r i z a t i o nw a v e ( h f 涮) i san e wk i n do f c a r d i a ce l e c t r o p h y s i o l o g i c a ls i g n a lw h i c ha p p e a r si nt h ep e r i o do fv e n t r i c u l a r r e p o l a r i z a t i o n 。 i t sp e a k - t o p e a l ( a m p l i t u d ei s o n l ya b o u ts e v e r a lt o d o z e n so f m i c r o v o l t ，w h i c hw a sr e p o r t e db yt h ea u t h o r ss u p e r v i s o rf o rt h ef i r s tt i m e t h ec a r d i a ce l e c t r o p h y s i o l o g i c a ls i g n a lc a nb cr e f l e c t e db yt h ev a r i a t i o no ft h e h e a r te l e c t r i c a lp o t e n t i a l s ，a n dt h ee l e c t r o c a r d i o g r a p hi st h ev a r i a t i o nc b r v eo ft h e h e a r te l e c t r i c a lp o t e n t i a l s s i g n a l s ，w h i c hi su s e di nc l i n i c a lh e a r td i s e a s ed i a g n o s i s t h i sw o r ki s p a r to ft h ep r o j e c td e t e c t i o na n dd i a g n o s i so fh i g hf r e q u e n c y v e n t r i c u l a rr e p o l a r i z a t i o nw a v ea n dt h es u d d e nc a r d i a cd e a t hp r e d i c t i o ns y s t e m ( 6 0 5 7 1 0 3 4 ) ，w h i c hw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a 1 1 1 es y s t e mo fh f v r wc a l lp r o v i d ean e wb a s i st h e o r ya n dn e wt o o lf o rt 1 1 e d i a g n o s i so fh e a r td i s e a s ea n dt h ep r e d i c t i o no fs u d d e nc a r d i a cd e a t h t h i ss y s t e mc a l l a l s ob eu s e dt od e t e c tt h er i s ko fs u d d e nd e a t hf o r t h eh e a r td i s e a s ep a t i e n t s 功em a i n t a s k so ft h i st h e s i sa r et os e tu pt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt od e s i g nt h es o f t w a r ef o r t h i ss y s t e m ，w h i c hw i l lp r o v i d ea ne x p e r i m e n tf o rt h ed e t e c t i n go ft h eh f v r w t h es i g n a lo ft h eh f v r wi se x t r e m e l yw e a k t h ea m p l i f i c a t i o no ft h ec a r d i a c e l e c t r o p h y s i o l o g i c a ls i g n a l t h ea n a l o g - t o - d i g i t a l ( 加) c o n v e r t i o n ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n c a nb ea c c o m p l i s h e dw i t ht h i ss y s t e m f o rt h ec o n v e n i e n c eo fd e t e c t i n ga n da p p l y i n g ， w ed e s i g nt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nf u n c t i o nw h i c hi sb a s e do nt h ez i g b e ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e ，t h e d e t e c t i n gp o r t a n dt h er e c e i v i n gp o r tf o r m e das t a r n e t w o r k t h er e c e i v i n gp o r tc a nb ec o n n e c t e dt ot h eh o s tc o m p u t e rb ym e a n so f i n t e r f a c et e c h n i q u ew h i c hi sb a s e do nt h eu s b1 1p r o t o c 0 1 t h ea p p l i c a t i o ni nt h eh o s t c o m p u t e r si su s e dt oc o m p l e t et h ed a t ap r o c e s s i n ga n dw a v e f o n nd i s p l a y t h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h i ss y s t e mi sg o o d t h i ss y s t e ma d o p t st h e 2 。4 g h z b a n dw h i c hi sb a s e do nt h ei s mb a n df o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o n 1 1 1 et r a n s m i s s i o nr a t e c a l lr e a c ha sh i g ha s2 5 0 k b p s ，w h i c hp e r m i t t ss e v e r a ld e t e c t i n gn o d e st ow o r kat h e s a m et i m e 1 1 1 ec m r ro ft h ea m p l i f i e ri sg r e a t e rt h a n8 0d b ，a n dt h es a m p l i n g f r e q u e n c ya n da c c u r a c yi s1k h z l e a da n d16b i t s ，r e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，w ec a ns e et h a th f v r ws h o w sm o r ed e t a i l st h a nn o r m a l e l e c t r o c a r d i o g r a p hi nt h ed i a g n o s i so ft h eh e a r td i s e a s e ，a n dt h es y s t e mi sn m n i n g s t a b l y , w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t k e y w o r d ：s u d d e nd e a t h h i g hf r e q u e n c yv e n t r i c u l a rr e p o l a r i z a t i o nw a v e ( h f v r w ) ，z i g b e ew i r e l e s s ， e c g 插图目录 插图目录 心室肌细胞和窦房结细胞动作电位3 心脏传导系统4 正常人心电图5 1 2 导联心电图 心内检测的希氏束电图7 体表检测的希氏束电图7 典型心室复极高频波与参考心电8 心室复极高频波检测系统原理图：9 图2 1 系统结构框图1 5 图3 1限流保护电路。2 1 图3 2 高通滤波电路图。2 2 图3 35 0 h z 陷波滤波电路2 3 图3 4 前端信号放大电路图2 3 图3 5 信号放大部分总电路2 5 图3 6a d 9 7 6 功能框图。2 6 图3 7c s 信号固定为低电平的转换时序2 7 图3 8i d t 7 2 0 7 内部结构原理图2 8 图3 9m s p 4 3 0 f 1 4 9 结构框图。3 2 图3 1 0 检测端电路原理图3 3 图3 1 1 c c 2 4 3 0 简化模块图4 0 图3 1 2 系统无线模块电路图4 i 图3 1 3 电源电路4 2 图3 1 4u s b 通信结构4 4 图3 1 5u s b 的多层次通信模型。4 4 图3 1 6u s b 数据传输的结构类型4 7 图3 1 7 两个块传输i na n do u t “5 l 图3 1 8 中断传输5 2 图3 i9 等时传输5 3 图3 2 0 控制传输5 3 图3 2 1e z - u s b 结构框图5 8 图3 2 2 接收端模块示意图5 8 图3 2 3 接收端u s b 模块电路图5 9 图4 1 z i g b e e 协议栈示意图6 3 图4 2z i g , b e e 各信道划分“ 图4 3 星型网络和点对点网络6 8 图5 1 采集端发射流程图( 心d ) 7 5 图5 2 接收端网络建立及数据接收( f f d ) 7 6 v i 1 2 3 4 5 6 7 8，_，i_t_i_i图图图图图图图图 插图目录 图 图 图 图 3 固件程序框架。7 8 4 u s b 接口程序的关系结构8 1 5 w d m 中设备对象和驱动程序的层次结构8 2 6 应用程序界面8 8 图6 1 采集的原始信号。9 l 图6 2 原始信号在7 尺度上的低频分量信号9 l 图6 3 去除基线漂移的信号9 l 图6 4 原始信号的尺度l 到尺度3 分量9 2 图6 5 去除噪声后的信号9 2 图6 6 电极位置示意图9 3 图6 7 健康人心电图9 4 图6 8 室早患者心电波形9 4 图6 9 房颤患者心电图9 4 图6 1o 心电轴偏移患者心电图。9 4 附图l 附图2 附图3 附图4 附图5 附图6 附图7 附图8 附图9 附图l o 附图l l 放大模块电路图1 0 1 无线传输模块电路图1 0 2 系统检测端总电路图1 0 2 贴片电极和放大电路模块实物1 0 3 发射端和接收端实物图1 0 3 接收端和发射端实物俯视图1 0 4 本文作者检测的心室复极高频波波形1 0 4 系统设计获“挑战杯”科技类校内一等奖1 0 5 系统平台产品化实物图。1 0 5 系统平台推广获“挑战杯”全国金奖1 0 6 系统平台推广获安徽省金奖1 0 6 v i i 表格目录 表格目录 表3 1 几种无线技术比较3 7 表3 2 令牌包格式( o u t 、i n 、s e t u p ) 4 8 表3 3 起始包格式( s o f ) 4 8 表3 4 数据包。4 9 表3 5 握手包4 9 表3 6 握手包4 9 表3 7 传输类型、阶段与步骤的关系5 l 表3 8 各种数据传输的相关特性。5 4 表4 1z i g b e e 的主要特性6 i 表4 2 物理帧结构6 5 表4 3z i g b e e 的应用领域及市场6 9 v i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密(年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 随着中国经济不断的发展与科学技术的不断进步，国家对于医疗卫生事业投 入了巨大的财力物力，动用了各方面的力量来提高全国医疗卫生事业的水平，各 研究机构也在这方面进行不断的研究。伴随着全球经济的发展，关爱生命与健康 已成为全人类的共同追求。 1 1 课题研究的背景及意义 当前心脏疾病已经成为危及国人生命和健康的杀手，同时也是世界各国的头 号杀手。这其中占有重要比例的就是猝死。猝死( s u d d e nd e a t h ，简称s d ) 是 指突然、快速、意料不到的自然死亡，人类死亡中猝死占1 5 - - 3 2 。现阶段对 于猝死的时间定义尚未统一，我国采用的是世界卫生组织( w h o ) 规定的l 小 时作为猝死时间，这也是目前大多数国家所接受的猝死时间限度【1 3 1 。据统计， 全世界每年约有6 0 0 万人因猝死而丧生，我国每年有1 8 0 万人死于猝死，平均每 分钟有3 4 人发生猝死。猝死又分为心脏猝死( 6 0 7 5 ) 和非心脏猝死( 2 5 4 0 ) 两大类。心脏猝死( s u d d e nc a r d i a cd e a t h ，简称s c d ) 是指心脏原因意外 地引起猝然死亡。 心脏猝死的发生与年龄、有无心脏病史、职业特点和性别等因素有关，从性 别角度看，男性发生心脏猝死的概率要远高于女性，国内外的研究均证实了这一 点o - 6 。6 0 岁以上的心脏病患者，特别是冠心病患者，是心脏猝死风险最高的群 体。例如，原中共中央总书记胡耀邦、数学家华罗庚和著名作家陈逸飞等。一些 有成就的青壮年脑力劳动者，由于工作和精神压力大，经常加班加点地工作，又 不能坚持体育锻炼，猝死的风险也很大。如例，著名喜剧小品演员高秀敏，在没 有任何征兆的情况下突然辞世，专家表示，死因是心原性猝死，小说家王小波猝 死电脑桌前，北京电视台摄像记者郑立在拍摄奥运火炬传递时猝死在雅典等。近 年来，一些工作强度过大的非脑力劳动行业，如运动员、警察、出租车司机和农 民工等也不断发生不幸的猝死事件，甚至连身体健康状况经过严格筛选的军人与 飞行员也发生过心脏猝死。 心脏猝死是难以预料的悲剧性事故，特别是一些貌似健康的青壮年心脏猝 死，事发前没有任何危及生命的征兆。心脏方面的疾病重在预防，世界卫生组织 通过调查，发现我国心脏病高发的原因是健康意识淡薄和缺少健康的生活方式， 解决问题的关键是提倡自我保健并注重对于心脏疾病的预测和预防。世界卫生组 织向全人类倡导一个新的观念：2 1 世纪“最好的医生是自己，最好的药物是时 第1 章绪论 间，其含义就是要学会自我关爱和保健，有病早发现早治疗。从急救技术的发 展现状看，心脏停搏每超过1 分钟，电除颤抢救成功率降低7 1 0 ，如超过1 0 分钟，抢救成功率就微乎其微了，因此，避免心脏猝死主要靠预测、预防【2 4 ，7 ，引。 2 0 0 1 年欧洲心脏杂志发表了一篇欧洲心脏病学会( e u r o p e a ns o c i e t yo f c a r d i o l o g y ，简称e s c ) 关于心脏猝死的专题报告，对引发心脏猝死的多种危险 因素和已有的预测、预防方法进行了全面的评估，并提出了一系列很好的预测、 预防建议【3 】。2 0 0 2 年中国心脏起搏与心电生理杂志编辑部与中国生物医学工 程学会心脏起搏与电生理分会组织力量，借鉴欧洲心脏病学会的心脏猝死专题报 告，结合我国现状，编写了我国心脏猝死防治建议 4 1 。2 0 0 3 年美国心脏病学会 ( a m e r i c a nc o l l e g eo f c a r d i o l o g y ，简称a c c ) 又与e s c 共同发表了一份关于心 脏猝死的专家调查报告，就心脏猝死风险分级、预防提出很多新的建议，并指出 青壮年猝死预测仍是尚未解决的难题【9 】。 2 0 0 0 年美国正式批准t 波微伏交替检测系统可作为一种无创伤性心脏诊断 工具用于对于对心原性猝死高危患者进行筛选。尽管对心脏猝死的预测、预防取 得了一定的成就，但它仍是一个国际性的难点问题和研究热点。 因此，我们不难看出在心脏猝死预测领域，有很多研究课题需要科技工作者 和医学工作者的不断努力，对心脏功能检测的新技术、新方法进行研究。相关检 测医学电子仪器的开发应用也非常紧迫，它不仅能解决当前医学界面临的难题， 也能为推动我国医疗卫生事业的发展做出贡献。 1 2 心脏检测原理及心电位【3 ，4 ，6 ，7 ，1 0 , l l , 1 2 j 心脏是血液循环的动力器官，也是能自行发生电激动的器官。心脏主要由普 通心肌细胞、引起电活动的起搏细胞和特殊的传导组织等组成。普通心肌细胞， 又叫工作细胞，具有收缩功能，心房肌和心室肌主要为此类细胞。心脏的起搏传 导系统，具有极少或没有肌原纤维，不具备收缩功能，但它们具有自律性和传导 性，在每一心动周期中都发生有规律的电位变化。窦房结、房室结、希氏束和浦 肯野纤维都是由这类心肌细胞组成。由于心脏各个部分心肌细胞功能与形态的独 特特点，故其兴奋传导速度也就各有各的特征。 心肌细胞的电变化主要是细胞内、外的电位变化，也就是膜电位变化。膜电 位是细胞内、外离子活动的表现，由于细胞膜内外的离子浓度存在差异，导致细 胞膜两侧存在电位差。细胞内的阳离子主要是l 针，其浓度是细胞外液的三十多 倍，阴离子主要是有机离子。细胞外的阳离子主要为n a + 和c a + 钠离子，浓度是 细胞内的五倍左右，而钙离子浓度是内液的两万倍，阴离子主要是c 1 。膜内、 2 第l 章绪论 外的电位差继而对钾离子的外流起阻止作用，钾离子外流达到一定程度后趋于稳 定状态即静息状态。心室肌的静息电位约为9 0 m v ，窦房结的静息电位约为 7 0 m v ，而浦肯野纤维的约为9 0 m v 。 当心肌细胞一端的细胞膜受到一定强度的刺激时，对细胞内的离子通透性发 生改变，任何正电荷流入细胞内而减少膜电位的绝对值的过程称为去极化。兴奋 时心肌细胞从静息状态下的极化状态转为去极化状态，形成了动作电位的上升部 分；达到峰值后，继而转入复极化过程，最后恢复到原来的静息极化状态，此过 程发生的电位变化称为动作电位。图1 1 显示了心室肌细胞的膜电位动作过程， 其中：0 期为去极化期、1 期为快速复极初期、2 期为平台期、3 期为快速复极化 末期、4 期为静息期。 。( 之一 一一 o o 一2 0 - 4 0 - - 6 0 5 0 0 m v - 5 0 一i o o 时期l 歹 图1 1 心室肌细胞和窦房结细胞动作电位 每一个心动周期中各部分心肌细胞所产生的生物电活动将按照一定的途径 第j 章绪论 和时程，各个过程又有不同的特点。依次在窦房结、心房肌、房室结区、希氏束 及其柬支i l “、浦肯野纤维、心室肌等部分发生。各个部分如图1 2 所示。心脏 本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来。将测 量电极放置在人体表面的一定部位，用心电图机记录出来的心脏电信号变化曲 线就是目前临床上常规记录的体表心电图。心电图反映心肌的兴奋性、自律性 和传导性，而与心脏的机械收缩活动无直接关系。临床医学当中通过对于心电 图的判读用于帮助医生对心脏疾病进行辅助诊断。 b 脏传导系 图12 心脏传导系统 心脏猝死在医学界和学术界引起了很大的关注，越来越多的研究人员投入到 对猝死的研究当中。随着研究的不断深入，近年来一系列新的预测技术不断引入 到猝死预测当中。例如，生化检测、基因检测、心血管造影、超声心动图、希氏 束、心电图、信号平均心电图 心室晚电位、q ：r 变量和t 波微伏交替等。这些 技术的引入使心脏猝死的预测、预防研究有了较快进展6 , 7 ，“1 。 心电图q - t 问期是一次心动周期中心室的除极与复极时问的总和是反映 心肌复极状态的特性指标。由于先天性或后天性q t 综合征患者发生心脏猝死的 危险性很高，因此在人群研究中用q - t 间期和q - t 离散度作为危险性的判断指 标，可以用于猝死的预测。t 波微伏交替是指体表心电图的t 波的形状或幅值呈 现隔拍重复的现象，即连续心跳节拍的t 波的形状或幅度出现a b a b 形式的 规律性变化，t 渡微伏交替方法在预测恶性心律失常和心脏性猝死方面具有显著 的意义。 一豇申问 第1 章绪论 1 3 心电图与体表希氏束电图【1 2 1 心电图检查用于辅助临床诊断，正常心电图上的每个心动周期中出现的波形 曲线改变是有规律的，每次心动周期在心电图上都可以出现p 波、q r s 群波、t 波，有时在t 波后还出现一个小的u 波、p r 段( 或p q 段) 、q t 间期、j 点【1 1 , 1 2 】。图1 3 显示了典型的正常人体表心电图。其中，p 波代表心房的除极波， 反映左、右心房除极过程中得电位和时间变化。q r s 群波代表心室的除极波， 反映左、右心室除极过程中得电位和时间变化。t 波代表心室的复极波，反映心 室晚期复极过程中得电位和时间变化。p r 段代表由窦房结产生的兴奋经由心 房、房室结和希氏柬到达心室，并引起心室开始兴奋所需的时间，因其形成的电 位变化很微弱，一般记录不出电位变化而成等电位线。 图1 3 正常人心电图 q t 间期代表心脏的电收缩时间，$ - t 段代表心室各除极刚刚结束后尚处于缓 慢复极过程的时间，心室各部分之间没有电位差存在，曲线又恢复到基线水平。 当心脏受损或坏死时，心电活动的变化能正确及时地反映在心电图上，表现为各 个波形的异常变化，为医生提供的可靠诊断依据。 心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方 面，具有重要的参考价值。心电图可以分析与鉴别各种心律失常，也可以反映心 肌受损的程度和发展过程和心房、心室的功能结构情况。在指导心脏手术进行及 指示必要的药物处理上有参考价值。然而，心电图并非检查心脏功能状态必不可 少的指标。因为有时貌似正常的心电图不一定证明心功能正常；相反，心肌的损 第l 章绪论 伤和功能的缺陷并不总能显示出心电图的任何变化。所以心电图的检查必须结合 多种指标和临床资料，进行全面综合分析，才能对心脏的功能结构做出正确的判 断。通过导联线将心电信号通过心电图机显示，1 2 导联心电图是目前临床上国 际国内广泛采用的心电图检测方式。如图1 4 显示，就是现在医学当中常用的 1 2 导联心电图。 n 山队山n l q 、- 舢 ! h ：i - ，l 1 ，、。l 1 ，、。l 、 ， 一 i1 1 。1 j il ： i = v n l 7 ，| ：，j ： 。? ， 卜卟伸件产1 f 、小仲厂 品o 矗鼬帆悱r p 铲甲丫什叫叫叫叫叫叫h 发 、。k l l 一止l 祓。k l ，、k k k k ! ， 一 冗，、a 。、a 二一a ：一、a 人- 、 八二a 、一二l “+ 一 ”7“ 一 ，1 ： 图1 41 2 导联心电图 希氏柬( 又称房室束a u r i c u l o v c n t r i c u l a ru n d l e ) ，最初由希氏( w j h i s ) 报 道，所以也称作希氏束。是哺乳动物心脏的一种特殊心肌，是连接房室结和蒲金 野氏纤维的肌束。该肌束从房室结发出，而在心室中隔分枝，伸延到左右心室， 和蒲金野氏纤维连接。是刺激传导系统的一部分，可将房室结的兴奋传递给蒲金 野氏纤维。1 9 6 8 年s c h e r l a g 应用双极导管在心腔内首先检测到希氏束电位，从 而开始了希氏束电图的研究。希氏束电图现在广泛应用与临床检测，但是希氏柬 的检测主要通过体内检测，体内检测属于有创检查，不能反复测量。 1 9 7 3 年b e r b a r i 等人先后报道应用叠加平均的方法从体表检测到希氏束电位 【1 3 1 。应用心导管电极在右心房和右房室交界处记录到的希氏束电位活动，称为 希氏束电图。希氏束电图能够精确地反映心脏特殊传导系统的功能，对临床诊断、 治疗和研究都有重要意义。 由于希氏束信号在体表的幅值仅仅为1 1 0 微伏，且在时域和频域都受到肌 肉电信号的干扰，也会受到工频信号的干扰，信号提取难度较大，加上肌电的频 谱幅值与希氏束相似，很难清晰的鉴别出希氏束束波，所以目前国际国内体表希 氏束检测效果都不理想。 第1 章绪论 如图1 5 为通用公司生产c a r d i o l a bv 5 i c 型心电生理记录仪通过心内电极 检测到的希氏束波形。 图1 5 心内检测的希氏束电图 作者的导师杨圣老师从1 9 9 2 年起与他人合作进行体表逐搏希氏束检测技术 研究，历时1 1 年，终于在2 0 0 3 年取得了突破性进展，成功的消除肌电干扰，解 决信号叠加问题，成功的显示出清晰的希氏束图像【l o j 。在8 1 例临床检测实验中， 希氏束检出率1 0 0 ，波形清晰度和分辨率不亚于心内有创检测。现已通过省级 成果鉴定，获得了国家专利。图1 6 为作者的导师与他人合作检测的体表希氏束 波形。 图1 6 体表检测的希氏束电图 7 第1 章绪论 1 。4 心室复极高频波的研究意义 心室复极高频波【1 4 1 ，是发生在心室复极期间的的6 个幅值较小的高频脉冲 波。作者的导师在研究体表希氏束检测技术的过程中，意外地发现了在心室复极 期间内( 心电图的s t - u 段) 的6 个幅值较小的相对应普通心电信号频率较高的 脉冲波，其峰峰值在几微伏至十几微伏之间，经文献检索，没有发现相关的研究 报道，故将这6 个幅值较低的脉冲高频波统称为心室复极高频波。其波形如图 1 7 所示。 图1 7 典型心室复极高频波与参考心电 下面部分标示的1 6 是心室复极高频波 将心室复极高频波与q t 变量、t 波微伏交替进行比较会发现：在时间方向 上，心室复极高频波提供的信息量远远超过q t 变量而且细节更多，时间间隔测 量误差可控制在士l m s 范围内。在幅值方向上，由于心室复极高频波中已滤除低 频的t 波和u 波干扰其波形分辨率及幅值测量的准确度均为t 波微伏交替无法 企及的，在猝死预测方面，心室复极高频波有潜力得到比q t 变量、t 波微伏交 替更好的结果。对于心脏疾病的诊断和心脏猝死预测有学术价值。对于心室复极 第1 章绪论 高频的研究可以使心室复极过程的研究进入微伏级、多搏研究的新阶段，而现在 普通心电图只能达到毫伏级。通过对心室复极高频波的深入研究，将对心脏疾病 的诊断以及心脏猝死预测和预防提供新的工具和方法。 1 5 本课题研究的主要内容 论文项目研究是国家自然基金项目“心室复极高频波的检测、诊断与心脏猝 死预测系统 ( 项目编号：6 0 5 7 1 0 3 4 ) 的硬件平台部分，将为心室复极高频波的体 表检测提供一个检测硬件技术平台。具体检测要求为：幅值误差 9 5 、安全可靠、检测结果准确。本论文将构建符合基金 项目要求的心室复极高频波体表检测系统实验平台。 系统检测端通过贴片电极从体表获取心电信号，利用高精度放大电路对信号 进行放大，选择合适的模数转换器件( a d c ) 将采集到的心电模拟信号转化为 数字信号。根据心电信号数据传输量较小的特点，同时综合考虑为扩大心室复极 高频波检测系统的使用范围、降低系统设备功耗、避免设备使用过程中出现干扰、 实现无线网络化等因素，选择z i g b e e 无线通信技术做为心室复极高频波无线通 信方案。采用z i g b e e 技术可为以后病房多点监控、重症监控等实现集中监控的 网络化打下良好的基础。 图1 8 所示为基金项目要求的心室复极高频波检测测系统的原理图。 图1 8 心室复极高频波检测系统原理图 9 第1 章绪论 心室复极高频波检测系统的无线数据接收端，既是与上位连接的端点。系统 方案设计采用广泛应用在仪器仪表中的通用串行技术u s b 实现与p c 机通信。 通过电脑主机程序对数据处理、分析和显示。由于u s b 从设备( u s bd e v i c e ) 和u s b 主设备( u s bh o s t ) 端进行通信开发越来越普遍，所以本文在u s b 通信 方面也进行了较深入的研究。 作者的主要工作涉及各部分的硬件设计、固件程序设计、u s b 驱动程序和 应用程序设计、无线传输硬件和相关程序的设计。同时配合项目要求，完成各类 心脏病病人的心室复极高频波体表检测的临床实验。 i o 第2 章心室复极高频波检测原理及总体方案设计 第2 章心室复极高频波检测原理及总体方案设计 对于心脏疾病的检测，现代医学当中应用最多的就是心电图。通过心电图的 波形异常，可以对一些疾病进行判断，为临床诊断提供了不少可靠的诊断标准和 诊断手段，在医疗系统得到了广泛的应用，现在已经成为了医院检测当中一种非 常常规的检测手段。心脏疾病中的心脏猝死，近年来成为威胁人类生命和健康的 重要疾病，对其诊断和预测手段虽然取得了长足的进步，但是现在还做不到常规 心电图那样的精度。科技工作者虽然提出了不少检测方法，如本文第一章提到的 一些检测手段，但是或多或少的存在不足，不便于广泛推广。 心室复极高频波以其较高的精度和操作简便性，在临床实验中取得了很大成 果【1 4 j 。技术指标满足了国家自然科学基金项目对检测要求为：幅值误差 9 5 的技术指标。 根据心室复极高频波信号的特点以及自然科学基金的项目需求，检测系统的 设计和研发要综合考虑以下几个主要方面： 首先，极高频波是检测发生在- b 室复极期间内( 心电图的s - t - u 段) 高频脉 冲波，体表检测该信号的峰峰值在几微伏到几十微伏之间。研究发现，这些高 频脉冲波可以用于对心脏猝死的预测。由于心室复极高频波是微伏级信号非常微 弱，极易受到普通肌电信号、接触噪声、仪器噪声和工频噪声的污染和干扰，所 以检测和识别比较困难，要求系统放大器有较高的共模抑制比和较高的输入阻 抗，数模转换器采样精度要高。 其次，系统主要应用与对于心脏猝死的预测，及对医院病房中有猝死风险病 人的实时监控。病房中有时会需要多台仪器同时工作，相互之间无线传输不能发 生干扰。系统要能及时的在电脑主机上对信号做出处理和分析，将图形显示出来。 部分心脏猝死患者属于危重病人，需要特别护理，应采用远程监控，减少对病人 的干扰，方便医院集中管理，提高监控效率。直接与病人接触的部分采用便携式， 方便医生随时移动病人进行抢救和其它检查，要求功耗较低，可以通过电池供电。 最后，心室复极高频波的数据处理需要通过合适的算法将其从原始信号中提 取出来。用电脑主机作为信号处理设备，通过u s b 接口实现电脑主机与无线接收 端的数据交换。 2 1 心电信号检测原理 心脏是是血液循环的动力器官，也是能够自行发生电激动的器官，其电活动 源于起搏细胞、特殊的传导组织和普通的心肌细胞。在心肌兴奋和恢复的过程中， 第2 章心室复极高频波检测原理及总体方案设计 产生微弱的电流从心脏传导到周围的组织，使身体的各个部位在每- - , 6 , 动周期中 都发生有规律的电位变化，将测量电极放置在心脏或是人体表面的一定位置，可 以用心电检测检测出心脏电位的变化，这就是心电信号检测的原理。 2 1 1 心电图的基本知识【1 2 1 正常的人体，在每一个心动周期中，起自窦房结的自动节律性兴奋，经传导 组织引起全部心房和心室肌细胞的相续除极和复极。这种生物电的变化通过心脏 周围传导组织和体液反映到体表来，因此在体表的任意相隔一定距离的两点之间 就存在电位差。体表的电位分布随心肌电活动而不断变化。所以两点之间的电位 差也是变化的，这种电位差是周期性的曲线。把测量电极放在人体表明特定部位， 记录心脏电位的变化曲线即是临床上用的常规心电图( e c g ) 。心电图一般包括 p 波、q r s 复合波和t 波。而心室复极高频波是检测在心室复极期间的6 个高 频脉冲波，这6 个脉冲波可以对心脏的状况进行评估，对于心脏猝死的预测有一 定的参考价值。由于这几个脉冲波信号比较微弱，一般是微伏级，因此比常规心 电图有更多的细节，能够显示更多的信息。 心电图检查用于辅助临床诊断，正常心电图上的每个心动周期中出现的波形 曲线改变是有规律的，每次心动周期在心电图上都可以出现p 波、q r s 群波、t 波，有时在t 波后还出现个小的u 波、p r 段( 或p q 段) 、q - t 间期、j 点。图1 3 显示了典型的正常人体表心电图。其中，p 波代表心房的除极波，反 映左、右心房除极过程中得电位和时间变化。q r s 群波代表心室的除极波，反 映左、右心室除极过程中得电位和时间变化。t 波代表心室的复极波反映心室晚 期复极过程中得电位和时间变化。p r 段代表由窦房结产生的兴奋经f h , 6 , 房、 房室结和希氏束到达心室，并引起心室开始兴奋所需的时间，因其形成的电位变 化很微弱，一般记录不出电位变化而成等电位线。 2 1 2 心电图导联【1 2 1 5 1 心脏除极、复极过程中产生的心电向量，通过容积导电传至身体各部，并产 生电位差，将两电极置于人体的任何两点与心电图机连接，就可以描记出心电图， 这种放置电极与心电图机连接的线路称为心电图导联f 1 2 , 1 5 l 。常用的心电图的导联 主要分为三种：1 ) 双极肢体导联；2 ) 加压单极肢体导联；3 ) 胸导联；4 ) 不常 用导联。 双极肢体导联。在心动周期里面最主要的心电综合向量通常指向左前下方。 因此通常反映在左下肢的电位最高，而右上肢的电位最低，左上肢电位居中。通 1 2 第2 章心室复极高频波检测原理及总体方案设计 常采用的三个标准导联，就是将左下肢连接心电图机的正极，而右上肢连接心电 图的负极。以便在多数导联上可以得到以正波为主的心电图波形。 加压单极肢体导联。此种导联只是反映体表某两点之间的电位差，而不能探 测某一点电位变化，如果把心电图机的负极连接到零电位上( 威尔逊中心电位) ， 把探查电极接到人体任一点上，就可以检测到该点的电位变化，因此也把这种导 联方式称为单极导联。威尔逊中心电站：将左上肢、右上肢、左下肢三处电极各 连接5 k 的电阻，然后连接到一处，此处即成为中心电端( 中心电站) ，其电压 在整个心动周期几乎等于零。研究又发现只需以探查电极为一极，联接除该极以 外的另两肢为另一极，即可得到和原理单极肢体基本一致的图形，但是波形振幅 增大5 0 ，更便于观察。这就是目前常规心电图应用中的加压单极肢体导联。 记录电极右上肢的导联叫做a v r 导联，连接左上肢的叫做a v