心外膜電位標(biāo)測系統(tǒng)的信號分析方法研究及心外-心內(nèi)通用復(fù)律除顫器的研制.pdf

1、心臟電生理機制研究和心律失常的電治療儀器研制是人們在心律失常方面開展研究的兩個重要方向,二者相輔相成。在心臟電生理機制研究方面,心外膜電位標(biāo)測技術(shù)具有獨特優(yōu)勢,同時具有貼靠心臟、定位準(zhǔn)確、信息量大和適用于在體標(biāo)測等特點;其技術(shù)中的一個很大難點在于如何對標(biāo)測到的心外膜電位信號進行有效分析以獲取準(zhǔn)確完備的信息、進而對心臟電活動規(guī)律進行深入探索,具體來說,可包括信號去干擾、特征點識別和信息提取與表達(dá)三方面內(nèi)容。此外,“刺激一標(biāo)測”技術(shù)是一種非

2、常好的心臟電生理機制研究手段,尤其是在心律失常電治療新方法的探索上;該技術(shù)對刺激電源具有較高要求。在心律失常的電治療儀器研制方面,電擊復(fù)律除顫器是一種非常有效的治療儀器,在手術(shù)室中、院外急救場合和長期植入式治療中發(fā)揮著重要的作用;但現(xiàn)有產(chǎn)品中缺乏專用于心臟外科手術(shù)室中的復(fù)律除顫設(shè)備。
　　 論文針對心外膜電位標(biāo)測技術(shù)和心臟外科手術(shù)室專用復(fù)律除顫器研制方面的需要而展開。在心外膜電位標(biāo)測信號分析方法的研究上:以獨立元對各電極點投影系

3、數(shù)的離散度為干擾獨立元選取準(zhǔn)則,提出了基于獨立元分析的心外膜電位標(biāo)測信號去干擾新方法;根據(jù)特征點時刻心外膜電位標(biāo)測信號中除極波形的關(guān)鍵特征,提出了基于信號時域信息及其二次B樣條小波變換信息的特征點識別算法;提出“時間依賴性”的觀點,并基于此設(shè)計了具有時間依賴性的波形能量分析方法,以揭示除極波的傳播路徑;提出“特征點群”的概念,并設(shè)計了基于短時波形能量分析的特征點群識別算法,用于定位某一除極波穿越電極片所在區(qū)域的時間窗。在上述方法的基礎(chǔ)上

4、,設(shè)計了一整套心外膜電位標(biāo)測信號自動聯(lián)合分析方法;首先,基于獨立元分析對心外膜電位標(biāo)測信號進行去干擾;其次,根據(jù)信號及其小波變換進行特征點識別;再次,使用特征點群識別算法自動定位除極波穿越電極片所在區(qū)域的時間窗;最后使用波動圖、具有時間依賴性的波形能量分析和等時圖聯(lián)合對特定除極波的傳播進行分析。此外,根據(jù)“刺激-標(biāo)測”技術(shù)的要求,開發(fā)了一種基于UC3845的DC-DC反激式開關(guān)電源,應(yīng)用于“刺激-標(biāo)測”實驗。在心臟外科手術(shù)室專用復(fù)律除顫

5、器的研制方面,以心外/心內(nèi)通用復(fù)律除顫器為研制目標(biāo),分四個模塊進行系統(tǒng)的硬件和程序開發(fā):復(fù)律除顫主模塊、阻抗檢測模塊、R波識別模塊和供電模塊,分別進行設(shè)計和調(diào)試;高壓、低壓電路之間全部進行了隔離以確保安全。而后,對其中的R波識別模塊進一步改進,設(shè)計了一種基于心電信號幅度及其微分信息的全硬件R波同步觸發(fā)電路,并開發(fā)了一套基于Labview和DAQ6062E的測試系統(tǒng),以測試該R波同步觸發(fā)電路的性能。
　　 實驗結(jié)果表明,基于獨立元

6、分析的去干擾方法較有效地去除了心外膜電位標(biāo)測信號中的外界非平穩(wěn)噪聲和偽跡等干擾,真實的除極信息得到保留或突出;基于信號幅度及其樣條小波變換的特征點識別算法較精確地識別到心外膜電位標(biāo)測信號的特征點位置;基于短時波形能量分析的特征點群識別算法較準(zhǔn)確地定位出除極波穿越電極片所在區(qū)域的時間,使后續(xù)分析能夠聚焦于特定除極波的傳播;在此基礎(chǔ)上,具有時間依賴性的波形能量分析揭示了特定除極波傳播的路徑,結(jié)合波動圖和等時圖,除極波的信息得到了較全面的揭示

7、和表達(dá);根據(jù)“刺激-標(biāo)測”技術(shù)的要求而開發(fā)的反激式開關(guān)電源能夠在刺激期間提供足夠大的電流、且刺激電壓下降的幅度保持在允許閾值之上,同時刺激電壓恢復(fù)迅速;針對心臟外科手術(shù)中的需要而研制的心外/心內(nèi)通用復(fù)律除顫系統(tǒng)可快速充電至最高允許電壓,準(zhǔn)確釋放出低能量雙相指數(shù)截尾波進行電擊,預(yù)設(shè)能量的釋放準(zhǔn)確,釋放能量的計量也較精確,阻抗檢測結(jié)果較準(zhǔn)確,可進行分級阻抗補償工作;新的R波同步觸發(fā)電路可自動準(zhǔn)確定位R波、陽性預(yù)測率高、延時小、危險性低、靈敏

8、度較高,測試系統(tǒng)能以MIT-BIH Arrhythmia Database為數(shù)據(jù)源、輸出心電信號、實時觀察并記錄R波識別結(jié)果。
　　 因此,基于去干擾、特征點識別、特征點群識別、具有時間依賴性的波形能量分析、波動圖和等時圖的一整套心外膜電位標(biāo)測信號自動聯(lián)合分析方法能夠較有效地去除信號中的干擾成分、精確識別特征點、較準(zhǔn)確地定位除極波穿越電極片所在區(qū)域的時間、全面揭示和表達(dá)除極波傳播的信息,幫助研究人員更好地理解心外膜電活動現(xiàn)象、進

9、而揭示其中的規(guī)律,所以該方法適用于心外膜電位標(biāo)測系統(tǒng)中的信號分析工作。反激式開關(guān)電源達(dá)到設(shè)計要求,適用于“刺激-標(biāo)測”技術(shù)。心外/心內(nèi)通用復(fù)律除顫系統(tǒng)具備了在心臟外科手術(shù)中以心外或心內(nèi)電擊方式實施電擊復(fù)律除顫的能力;新的R波同步觸發(fā)電路能夠自動為復(fù)律除顫器提供較準(zhǔn)確、安全的R波識別信息、支持其進行R波同步電擊復(fù)律,基于Labview和DAQ6062E的測試系統(tǒng)使PC機同時成為心電信號發(fā)生器、示波器和數(shù)據(jù)記錄儀,能夠提高工作效率,亦可方便