0 引言

    體外反搏采用在患者體外進(jìn)行充排氣實(shí)現(xiàn)物理治療^[1]，能有效治療多種缺血性疾病^[2]，已在各大醫(yī)院得到廣泛應(yīng)用。目前體外反搏裝置大多數(shù)采用蔡大衛(wèi)提出的無創(chuàng)性顳動脈壓力脈搏波^[3，4](簡稱顳脈波)作為反搏充氣時間的定時指標(biāo)和反搏效應(yīng)的客觀指標(biāo)。醫(yī)生在患者治療時，通過采集患者的顳脈波信號手動調(diào)整充排氣時間，保證反搏波升高起始點(diǎn)正好處于心臟舒張期的開始，然而在治療過程中，患者的心電會發(fā)生變化，如果不動態(tài)調(diào)整充排氣時間會導(dǎo)致療效較差^[3，4]。本文根據(jù)顳脈波的特征點(diǎn)在其下降支上均存在一個明顯的切跡點(diǎn)，設(shè)計控制算法識別反搏前后顳脈波的切跡點(diǎn)位置，并計算出反搏后切跡點(diǎn)位置與反搏前顳脈波位置的偏差，用以補(bǔ)償體外反搏中的充排氣時間，實(shí)現(xiàn)體外反搏裝置充排氣時間自動調(diào)節(jié)，獲得最佳的反搏效果，從而大大提高體外反搏裝置的自動性、安全性和有效性。

1 顳脈波信號采集

1.1 顳脈波信號采集原理框圖

    顳脈波信號采集原理如圖1所示。顳脈波信號通過壓力換能器送入濾波、放大電路，AD采樣使用ADS1256完成，信號隔離采用TI公司的7640隔離器件,實(shí)現(xiàn)4 000 V高壓隔離,保障使用者安全，處理器采用STM32，PC完成波形顯示和人機(jī)操作界面。

1.2 信號放大電路設(shè)計

    顳脈波放大電路如圖2所示,放大器采用INA326放大壓力換能器采集的顳脈波, 基準(zhǔn)電源芯片REF191對放大的顳脈信號進(jìn)行偏置處理, 處理后的信號送入AD采樣器。

1.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

    項目中選取ADS1256完成數(shù)據(jù)采集,并采用ISO7640對A/D轉(zhuǎn)換信號和STM32信號進(jìn)行光電隔離, 保障使用者安全。

1.4 信號采集、處理和控制電路

    本文的MCU采用STM32F103芯片，STM32F103系列屬于中端32位ARM微控制器，該芯片由意法半導(dǎo)體(ST)公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，工作頻率采用PLL倍率方式，最高工作頻率可達(dá)72 MHz^[5]。

2 充排氣時間自動優(yōu)化算法

2.1 數(shù)字濾波器設(shè)計

    采集的顳脈波含有干擾信號，需要進(jìn)行濾波，項目使用數(shù)字濾波器濾除干擾信號。一個時域離散系統(tǒng)的頻率特性可以表示為^[6，7]：

其中Y(e^jw)、X(e^jw)分別是數(shù)字濾波器的輸出序列和輸入序列頻域特性。

    可以看出，處理信號的目的就是選擇適當(dāng)?shù)腍(e^jw)，使得濾波后的X(e^jw)H(e^jw)滿足設(shè)計要求。

    通過大量顳脈波能量分析，顳脈波能量主要集中在30 Hz以下，因此將濾波帶寬設(shè)定為10 Hz～30 Hz。

2.2 反搏前顳脈波信號特征值提取

    作為體外反搏充氣時刻的參考點(diǎn)，顳脈波信號切跡點(diǎn)的識別算法極其重要，目前尚未有較成熟的顳脈波切跡點(diǎn)的識別算法。本文設(shè)計了顳脈波切跡點(diǎn)識別算法，算法需要5步完成，用S1～S5表示。反搏開始前計算顳脈波信號特征值并根據(jù)特征值標(biāo)定特征點(diǎn),如圖3中的谷值點(diǎn)V和切跡點(diǎn)A。

    S1：采集顳脈波，并做濾波處理。

    S2：等待20 s，待顳脈波的波形穩(wěn)定后自學(xué)習(xí)，計算出反搏前顳脈波在t時間內(nèi)的上升斜率、下降斜率、極小值之和、極大值之和，并且進(jìn)一步計算出顳脈波的特征參數(shù)：上升斜率閾值Tslope_up、下降斜率閾值Tslope_down、切跡點(diǎn)坐標(biāo)閾值Topoint、谷值點(diǎn)坐標(biāo)閾值Tvpoint、切跡點(diǎn)極限坐標(biāo)閾值TLopoint， 其中：

    Tslope_up=Kup×上升斜率之和/上升斜率個數(shù)；Kup為系數(shù)。

    Tslope_down=Kdown×下降斜率之和/下降斜率個數(shù)；Kdown為系數(shù)。

    如果極小值之和>0，則Topoint=Kn×(極小值之和/極小值個數(shù))。

    如果極小值之和<0，則Topoint=Kn×(極小值之和/極小值個數(shù))。

    Tvpoint=Kv×極小值之和/極小值個數(shù)。

    TLopoint=極大值之和×4.0/極大值個數(shù)。本文中取時間t為10 s，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述Kup取1.0、Kdown取0.8、Kn取1.5、Kv取0.5時效果比較理想。

    S3：搜索反搏前顳脈波的谷值點(diǎn)，搜索方法：如果顳脈波中點(diǎn)P_i的斜率≥0，其前面第一個點(diǎn)P_i-1的斜率<0且點(diǎn)P_i的波值大于該谷值點(diǎn)坐標(biāo)閾值，則進(jìn)一步判斷該點(diǎn)P_i后面第二個點(diǎn)P_i+2的斜率是否大于Kt×Tslope_up，如果后面第二個點(diǎn)P_i+2的斜率大于Kt×Tslope_up，則表示該點(diǎn)P_i為谷值點(diǎn)，即圖4中的V點(diǎn)，Kt為調(diào)節(jié)系數(shù)，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，Kt取0.6。

    S4：在搜索到反搏前顳脈波的谷值點(diǎn)的前提下，搜索反搏前顳脈波的切跡點(diǎn)，即在步驟S3中如果沒有搜索到谷值點(diǎn)則循環(huán)執(zhí)行步驟S3，如果搜索到谷值點(diǎn)則搜索反搏前顳脈波的切跡點(diǎn)。

    搜索反搏前顳脈波切跡點(diǎn)方法為：如果顳脈波中點(diǎn)P_i的斜率≥0，其前面第一個點(diǎn)P_i-1的斜率<0，且前面第一個點(diǎn)P_i-1的波值小于切跡點(diǎn)坐標(biāo)閾值，則進(jìn)一步判斷點(diǎn)P_i后面第一個點(diǎn)P_i+1的斜率是否大于下降斜率閾值；如果該點(diǎn)Pi后面第一個點(diǎn)P_i+1的斜率大于下降斜率閾值，且其波值大于切跡點(diǎn)坐標(biāo)閾值，則所述點(diǎn)Pi前面第二個點(diǎn)P_i-2為切跡點(diǎn)，即圖3中的A點(diǎn)。

    由于在反搏前顳脈波不受患者心電波動的影響，所以在反搏前一個顳脈波周期內(nèi)只存在一個切跡點(diǎn)。

    S5：在搜索到反搏前顳脈波切跡點(diǎn)的前提下，計算反搏前切跡點(diǎn)與谷值點(diǎn)之間的時間差T_VA，作為判斷反搏后切跡點(diǎn)是否異常的依據(jù)。

2.3 反搏時顳脈波信號特征值提取

    開始反搏后，處理器自學(xué)習(xí)，采用與S2中相同的方法計算出反搏時顳脈波在t時間內(nèi)的上升斜率、下降斜率、極小值之和、極大值之和，并且進(jìn)一步計算出反搏時的顳脈波特征參數(shù)：上升斜率閾值Tslope_up、下降斜率閾值Tslope_down、切跡點(diǎn)坐標(biāo)閾值Topoint、谷值點(diǎn)坐標(biāo)閾值Tvpoint、切跡點(diǎn)極限坐標(biāo)閾值TLopoint。

    采用S3相同的方法搜索反搏時顳脈波在一個顳脈波信號周期內(nèi)的谷值點(diǎn)。

    采用S4相同的方法搜索反搏時顳脈波在一個顳脈波信號周期內(nèi)的切跡點(diǎn)。

    由于開始反搏后，顳脈波受到心電波動和充氣時間不準(zhǔn)確的影響，在一個顳脈波周期內(nèi)可能會出現(xiàn)多個切跡點(diǎn)。如果切跡點(diǎn)的數(shù)量≥2，如圖4所示，則將所有切跡點(diǎn)中前面兩個切跡點(diǎn)之間的時間差T_x作為充氣時刻補(bǔ)償參數(shù)。如果切跡點(diǎn)的數(shù)量為1，如圖5所示，計算切跡點(diǎn)與谷值點(diǎn)之間的時間差T_y。

2.4 充排氣時間自動優(yōu)化算法

2.4.1 體外反搏裝置初始充排氣時間設(shè)置

    心臟收縮期結(jié)束后進(jìn)入舒張期，心電信號T波結(jié)尾一般可視為心臟收縮期即將結(jié)束。但是通常情況下患者的T波特征不明顯，因此直接檢測T波末端作為心臟收縮期結(jié)束的標(biāo)志進(jìn)行體外反搏充排氣時序控制沒有普遍的適用性，但是以此作為參照進(jìn)行體外反搏充排氣時序控制具有普遍意義^[3，4]。圖6所示為心電波和反搏波。設(shè)T_RR為心電信號中相鄰兩個QRS波的兩個R波之間的間隔時間，如圖6（a）所示，T_QT為心電信號中從QRS波的起點(diǎn)到T波終點(diǎn)的QT間期，T_QT和T_RR存在一定的相關(guān)性，許多文獻(xiàn)報道根據(jù)測量T_RR計算T_QT的公式，其中比較典型且誤差較小的是Bazett公式^[3，4]：

式中C₁為時間常數(shù),與系統(tǒng)機(jī)械延時有關(guān)。

    氣囊排氣時間以充氣時刻為基準(zhǔn)，包括氣囊充氣時間T_CQ和保壓時間T_BY：

式中C₂為時間常數(shù)，與系統(tǒng)機(jī)械延時有關(guān)。

2.4.2 體外反搏裝置充排氣時間自動調(diào)節(jié)

    上述體外反搏裝置初始充排氣時間是根據(jù)心電QRS波計算而來,由于患者個體生理參數(shù)存在差異,導(dǎo)致充排氣時間不準(zhǔn)確,影響治療效果,因此需要在反搏過程對充排氣時間進(jìn)行跟蹤和動態(tài)調(diào)節(jié)。本文采用顳脈波進(jìn)行動態(tài)跟蹤和調(diào)節(jié),按照2.3節(jié)的方法搜索反搏后的切跡點(diǎn)和谷值點(diǎn)。

    如果切跡點(diǎn)數(shù)量≥2，表明充氣時刻滯后，則將所有切跡點(diǎn)中前兩個切跡點(diǎn)之間的時間差T_x作為充氣時刻補(bǔ)償參數(shù)。則式(5)修正為：T_ON=T_QT-C₁-T_x，即充氣點(diǎn)提前T_x；同樣式(6)修正為：T_OFF=T_ON+T_CQ+T_BY-C₂-T_x，即排氣點(diǎn)提前T_x。按照修正后的公式對反搏充排氣時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，直至切跡點(diǎn)的數(shù)量為1。

    如果切跡點(diǎn)的數(shù)量為1，計算切跡點(diǎn)與谷值點(diǎn)之間的時間差T_y，比較T_y和T_VA的大小，當(dāng)T_y<T_VA時表明充氣時刻超前，計算充氣時刻補(bǔ)償參數(shù)T_B=T_VA-T_y，則式(5)修正為T_ON=T_QT-C₁+T_B，即充氣點(diǎn)推遲T_B；同樣式(6)修正為：T_OFF=T_ON+T_CQ+T_BY-C₂+T_B，即排氣點(diǎn)推遲T_B。當(dāng)T_y>T_VA表明充氣時刻滯后，采用相同方法修正式(5)和式(6)，提前充排氣時間。通過動態(tài)跟蹤調(diào)整后，反搏時顳脈波如圖6(b)所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    為了驗(yàn)證所得出算法的有效性，將該算法應(yīng)用在PAK型體外反搏裝置中，反搏效果如圖7，并采集50例患者使用該優(yōu)化算法前后反搏時顳脈波數(shù)據(jù)，計算反搏前切跡點(diǎn)(圖7(a)的A點(diǎn))與反搏時切跡點(diǎn)(圖7(b)的A1點(diǎn)，圖7(c)、圖7(d)的A點(diǎn))的時間差。表1統(tǒng)計了使用該優(yōu)化算法前后不同時間差的患者數(shù)量。當(dāng)時間差小于20 ms時，治療效果較好。進(jìn)一步把采集的數(shù)據(jù)繪制為波形，可以觀察到未使用優(yōu)化算法時充氣點(diǎn)在切跡點(diǎn)附近(即時間差小于20 ms)只有13例，其余患者均偏離了切跡點(diǎn)，治療效果較差。當(dāng)使用優(yōu)化算法后，48例患者充氣點(diǎn)均在切跡點(diǎn)附近，只有2例患者稍微偏離了切跡點(diǎn)?？梢娫撍惴ù蟠筇岣吡顺渑艢鈺r間的準(zhǔn)確性，改善了治療效果。

4 結(jié)論

    本文通過采集患者反搏治療時的顳脈波，并根據(jù)該波形特征，設(shè)計了顳脈波切跡點(diǎn)識別算法，并應(yīng)用在體外反搏裝置系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了體外反搏裝置充排氣時間自動調(diào)節(jié)，獲得了最佳的反搏效果，大大改善了體外反搏裝置的自動性、安全性和有效性，具有一定的理論價值和實(shí)用價值。

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作者信息:

肖前軍

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化學(xué)院，重慶401120)