（光学工程专业论文）除颤监护器的研究及其实现.pdf

摘要 室颤是导致心脏猝死的土要原冈，电击除颤是使足够强的电流在有限的时间内流过心脏，抑 制心脏混乱的l 乜生理活动，从而恢复止带心律的一种治疗方法。电击除勤具有时间短、疗效观察 确切、操作简便等特点，被认为是救治心跳骤停最有效的手段。 除颤监护器是心脏电生理学、医学、数字信号处理、i ：样等的结合体，涉及面微j 。本文进 行了除颤机理分析、心电信号处理并开发了除勤监护器软硬州：系统，土要包括以卜儿个方面： 从心肌细胞的电生理及电生理特性出发阐述了除颤机理以及影响除颤效果的鑫种因素，提 出同步电复律的合理时机。 针对心l 乜信号的实际特点选抒了_ ) ( ) ( 止交b 样条小波来消除心电信号中的噪卢。针对不同的 心l b 噪声没计厂不同的降噪策略。对基线漂移雨i 高频噪声采取强制脐噪处理；对i 频干扰，闪其 与有效心电信号频谱交叠，所以采取了比例压缩法降噪，取得了较好的心电预处理效果。 选择了具有零对称性的4 阶中心b 一样条小波州，r 波的检测，并没计了尺度相乘、多冈素 一次检测r 波的检测算法，该方法可以综合考虑r 波宽度、高度、不麻期等冈素，经m i t - b i h 心i 乜数据库验证表明该检测算法简单有效。 分析了除颤监护器的总体功能需求。开发了心电信号采集系统、镍氢电池组充放电管理系统， 除颤波形输出系统和除颤监护控制系统，并通过动物试验验证了设计方案的正确性。 天键词：除勤，除颤器，心电信号，小波变换 a b s t ra c t v e n t r i c u l a rf i b r i l l a t i o ni st h em o s tc o m m o nc a u s eo f s u d d e nc a r d i a ca r r e s t e l e c t r i c a ld e f i b r i l l a t i o n r e q u i r e sp a s s a g eo f a na d e q u a t ec u r r e n tf o raf i n i t et i m et h r o u g hm y o c a r d i u ma n dt h u sf e f l t o r e st h es i n u s h e a r tr a t e b e c a u s eo f i t sq u i c k n e s s ，e f f e c t i v e n e s sa n de a s y - o p e r a t i o n ，e l e c t r i c a ld e f i b r i l l a t i o ni s c o n s i d e r e dt ob et h em o s te f f e c t i v et h e r a p yf o rc a r d i a ca r r e s tp a t i e n t s t h ed e f t b r i l l a t o rm o n i t o rc o v e t sw i t he l e c t r o p h y s i o l o g y ，m e d i c i n e ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n d e n g i n e e r i n g t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h em e c h a n i s mo f d e f i b r i l l a t i o n ，e c gs i g n a lp r o c e s s i n ga n d d e f i b r i l l a t o rm o n i t o rd e s i g n i ns u m m a r y ，t h e s ea r ea sf o l l o w s d e s c r i b et h ee l e c t r o p h y s i o l o g ym e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co f m y o c a r d i a lc e l l s ，t h em e c h a n i s m o f d e f i b r i l l a t i o na n da sw e l lt h ee f f e c to f v a r i o u sf a c t o r so nd e f i b r i l l a t i o n s u g g e s tt h a tt h et i m i n go f c a r d i o v e r s i o n i s b e t w e c n t h e s w a v ea n d t h e p o i n t w h i c h i s3 0 m sa h e a d o f m ed e a ko f t - w a v e c h o o s et h eb i o r t h o g o n a lb s p l i n ew a v e l e tf o rd e n o i s i n ge c gs i g n a l t a k eo u tt w o d e n o i s i n g s t r a t e g i e s ，c o m p u l s i o ns t r a t e g yf o rb a s e l i n ed r i f t i n ga n dm u s c l e sn o i s e ，s c a l a rr e d u c t i o nf o ri n d u s t r i a l f r e q u e n c en o i s e i ti sp r o v e nt h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v e c h o o s et h ef o u r - o r d e rb s p l i n ew a v e l e tf o rl o c a t i n gt h er - w a v e d e s i g na na d j a c e n ts c a l e m u l t i p l i c a t i o na l g o r i t h mf o rl o c a t i n gt h er w a v e t h i sm e t h o da c c o u n t sf o rt h ew i d t ha n dh e i g h to f r - w a v ea sw e l ia st h er e f r a c t o r yp e r i o d ，i ti st e s t e db yt h em i t b i har r h y t h m i ad a t a b a s e s h o w i n gi t s a c c u r a t e n e s sa n de f f e c t i v e n e s s a n a l y s e st h eo v e r a l lf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f d e f i b r i l l a t o rm o n i t o r ，d e s i g nt h ee c g d a t a a c q u i r i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mo f n i c k e l h y d r o g e nb a t t e r i e s ，t h ew a v e f o r mo u t p u ts y s t e m ， a n dt h ec o n t r o ls y s t e m t h ea n i m a lt e s t ss h o wt h a tt h eo v e r a l ld e s i g ni sc o r r e c ta n df e a s i b l e k e y w o r d ：d e f i b r i l l a t i o n ，d e f i b r i l l a t o r ，e c gs i g n a l w a v e l e tt r a n s f o r m l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生躲套真芎 时i 日j ： 2 。口7 年舌月p 开 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、编印或 捅等复 ；| j i jf 段仪仃、“编学位论义。州意l i 幽农业大学叮以用l i 同方式往1 i 川媒体f j ，发太、 传播学位论义的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签 导师签名： 名：套奠葶 蜮 时间：2 0 0 7 年f 月，口同 中目农业人学博l 论文 第一幸绪论 1 1 引言 第一章绪论 心脏的外形像一个倒置的桃子。心脏依枯与其相连接的人血管以及心包膜所州定。心脏是 个中宅的肌质器官，内部被一完整的间隔分成且不相通的左以两个部分，每侧义分为心房和心室。 心房_ 手i i 心室间可借膀室口( 二尖瓣和二尖瓣) 相连通。冈此，整个心脏被分为四个腔，右心房、厶 心室，左心房和左心室，如幽i i 所示。 心脏连接着动脉和静脉，为血管系统的枢纽，是血液循环的原动力。左心房收窬经肺交换后 富含氧的血液，这些血液在舒张期经_ 二尖瓣口流入左心室。左心室收缩时，血液通过打开的：l ：动 脉瓣口进入1 三动脉，再由动脉系统把含氧血送剑全身在毛细血管处进行气体及养料交换，再由 静脉系统流入，心房。当心脏舒张时右心房血液通过打开的一二尖瓣f _ j 流入也心室。当t j 心室收 缩时，其内的血液经过肺动脉进入肺部进i j 气体交换，而厉，义流同左心房。这样周而复始的循 环。 心脏有1 ，律地收缩和舒张推动着血液住体内不断地循环流动心脏的这种射血机能虽然是依 靠心肌收缩和舒张的机械变化来完成的，但是，在其产生机械活动之前，每一个心肌细胞都要亢 兴裔产生动作电何然_ | 亓雨通过所谓的兴奋一收舒偶联触发心肌产生收缩反戍。兴奋的产生及 传导是由一些特殊的心肌细胞完成的它”j 是窦房结、结间束、房室结、左、右求支以及浦舟野 纤维等，如幽i 2 所示。这些特殊的心肌细胞住无外米刺激的情况卜，通过其臼身内在的变化而 n 动地、有1 ，律地产生动作电竹，发放电激动，引发心脏跳动，同时，它们也具有较快的兴裔传 导速度，绷成r 一个特姝的传导系统，义称臼律系统。 图1 - l 心脏结构 上腔静脉 房间柬 囊房结 房室结 中结何柬 前结闻柬 右束支 漕肯野纤肇 困l 。2 ，0 脏自律系统 辟动脉 后结闸柬 左酋上支 左柬支 左后下支 浦肯野纤雏 窦房结伸丁以心房的上部。在止常情况卜，兴奋由窦房结发出。心房内有前，中、后3 条重 要传导求，称为结问求。窦性激动在心房内节放射状传播，并优先沿结间束雨i 膀间求以更快的速 度传至房室结和左、台心房。 心膀肌纤维和心室肌纤维不相连续，两者放房宝纤维环所隔开。虏室环无传导性，住电学上 起剑了绝缘作h j 。存在丁心房和心宝连接部分的心脏传导系统称为房空交界区交界区是止常心 中田农业人学博f 论文 第一帚绪论 脏房室传导的唯一路径，土要由膀室结和希氏柬组成。窦性激动或房性激动传剑交界仄时，要经 过5 0 一i o o m s 的生理性传导延缓而后才能抵达心窒。 希氏粜向f 延伸，形成左、右束支。左、厶束支的分支在心内膜i - 相且交织形成心内膜f 浦 肯野纤维网，并发出分支伸入心窒肌构成心肌内浦肯野纤维网。左、右束支及其分支雨i 浦肯野纤 维网组成了心室内传导系统。浦肯野纤维在心内膜下或心室肌内的深层，逐渐与一般心室肌相连。 止常人心脏的跳动起源丁窦房结，并以规则的仃律发放冲动，通过传导系统激动心房和心室， 引起心脏有规律的搏动。上e 常人的心率一般为6 0 1 0 0 次m i n 。如果心膀有一个异伉兴奋甜：以 2 5 0 3 0 0 次m i n 的频率规律地发放冲动，并激动心房便形成房扑( a t r i a lf l u t t e r a f l ) ，心房内无 数个异位兴奋灶无序地激动心房，频率人于3 5 0 次m i n 便形成心房纤颤( 即房颤，a t r i a lf i b r i l l a t i o n ， 简称a f ) 。如果快速的异能裕律发生在心室肌，可以表现为持续性的室性心动过速( 即室速， s u s t a i n e dv e n t r i c u l a rt a c h y c a r d i a ，简称v t ) 或心室颤动( 即室颤，v e n t r i c u l a rf i b r i l l a t i o n ，简称v f ) 。 房鳓本身井不直接危及生命。但是，在房敷发生时，心室率若超过定的限度可引起l l l l 液 础j 。产恶化使堪j 肯产生明显症状，如心悸、头昏眼花、咽稍，吁吸州难，肛今发牛心肌梗死_ i 栓塞l lj 。室述是由心室发出的冲动引起的，起始雨i 终j r 都1 f j 常突然，心率每r a i n 玎丛1 6 p 一2 5 0 次阵发性室速的发作可持续数分钟数小时或儿犬，少数可发展为心室颤动j 。室速时会产生 严重的血液动力学障硝山现低血压、休克、昏厥筲症状室敲在发作时稍人的仃律性心跳消火 取而代之的是快速且无规律的搏动可使心脏的泵虹功能丧火室颤是各种恶性室性心律火常的 发展趋辨和i 结果j 。如果它1 j 发作持续时间过k 。人体的重要脏器，尤其是脑部，将会冈缺血而 导致功能永久丧火，甚至可在十儿分钟内导致病人死亡。 临床上通常采h j 药物和电击除颤两种方式j f f 疗上述恶性心律火常。心脏除数是通过选抨适 当f l 勺能带，产生有设的外源性电流流过心脏米 f 疗心律火常的一种方法，包括电复律和也除敷。 川j 转复符种快速心律时称为电复律，h jr 消除心审颤动时称为电除颤。约物瀹，存任约物的每 剐f 1h 、剥姑不易控制、治疗时间k 曹缺点， 而l 乜m 除颤具冉时问短、疗效观察确切、操千1 简 便苜特点，被认为是救治上述心律异常最重要的笑键性治疗手段，尤其佳紧急抢救( 如室勤) 中 发挥着重要的作川”。 1 2 课题研究背景 随着甲生事业的发展，除颤监护器作为一种急救必需的医疗设备，受剑越米越多的的戈注。 美国从克林顿时代就开始实施公众除颤计划要求在e 机、体育场馆、办公楼等地万配备除数殴 备，欧洲复苏学会也建议医院建立甲期除敷项目。目前，我国除颤器全部依赖进口，随着奥运会 的临近，奥返体育场馆的除颤器配备也被提上考虑日程。许多研究单位开始参j ，除颤监护器的研 制。相：这种形势卜我参与了横向课题“除颤监护器的研究与实现” 1 3 除颤器发展简史 心脏电复律技术的产生，起源丁| 一偶然事件。1 7 7 4 年法国一个3 岁的女孩不幸从楼上拌f ， 致使心跳骤停，经过医生多方抢救仍无法使心脏重新搏动，在万般无奈的情况f ，试川“电冲i f ， 2 中国农业人学博f 论文 第一章绪论 胸肇的方法神奇地将女孩救活。这一偶然的奇迹，给了人们有兢的启示。 1 8 8 9 年p r e v o s t 和b a l e l l i 观察剑商铵电击狗的心脏会诱发室颤，h j 较人的屯流再次电卉义会 消除室勤1 7j 。但是，由丁当时屯生理学发展水平的限制，人”j 对电复律技术还没有科学的理街i f ， 对丁朋电电击心脏还有所恐惧，所以在很长时间内，临床上仍不敢戍_ i 电除颤直到1 9 4 7 年， 德国b e c k 利其助手才首次在临床上采州交流电电击开胸后的心脏而使心室颤动终i t ，挽救了病 人的生命 j 。1 9 5 2 年，z o | l 教授成功装置第l 台交流也除颤器进行胸外除颠并麻川丁临床。从此 便押：始r 电除勤及除颤器的研究和应川。 1 9 5 5 年美国非康公司创始人一心外科医生爱德马克( e d m a r k ) 博十曾先研制山第一台直 流电式除数器。1 9 5 6 年，z o u 公司对直流电除蓟进行了一系列研究和改进。他根据储能原理利 用高压电容储备直流电能，然后将电容储备的电能通过两个电极瞬间向病人胸罐或心脏释放以 达到消除心室纤维颤动的目的，同时还可以采刚同步方式避开心室纤维复极过程来消除心房的纤 维颤动达剑治疗室上性心律火常的目的。z o l l 公司丁1 9 6 1 年将直流电除颤成功地应_ l j 丁人类 的心j i i ! 除懒。6 0 年代，z o l li i ：明电击还可以i f 疗室颤以外的其它恶性心律火常。行对除鳓器f 1 山重人改进，使其不开胸便能够除敷，掀开了医学史上崭新的一章 i 。 1 9 6 2 年t o w n 等证明直流电除颤比交流电除颤更为安全希f 有效l1 0 i 。直流电除颤具有损伤小 帛f 安全可括的优点因此，臼_ 二十世纪、7 0 年代开始在临床上1 l 牛遍地采川直流电击除颤挽 救r 成千上万病人的生命3 0 年代以j 焉，电复律被认为是终j t 室颤最有效的方法， 一二十世纪8 0 年代初，巾臼动除颤器开始应圳，f ：开始采用埋藏式白动除颤器a i c d ( a u t o m a t e d i m p l a n t a b l ec a r d i o v e r i e rd e f t b r i l l a t o r ) 。同时，专为家_ h j 而设计的小型仪器出现。 9 0 年代初，自动体外除颤器a e d ( a u t o m a t e de x t e r n a ld e f i b r i l l a t o r ) 逐渐开始住全球范用内使 。a e d 无法进行同步电转复，只适h | 丁无反应、无砰吸和无生命体征的患者。 最近炎1 日l i f e o r 公司研制出可以贴身穿着的背心式心脏除勤器，川爿畸测斤清，心肼狞北 危险稍人的井常心律。据报道这种除颤器可以有效颅防种北的发生，向极少发七 炙放l 也1 1 1 1 1 12 1 1 4 课题研究的意义 心脏猝死( s u d d e nc a r d i cd e a t h ，s c d ) 是由心搏骤停( s u d d e n c a r d i a c a r r e s t s c a ) 引起的，是 l ：业化国家的t 要步e 亡原冈之一。在美国平均每年有3 0 万人冈此而死亡l l ”。心搏鹱停常她和 最初发生的心律火常是心室颤动，心室颤动儿m i n 内即转化成心脏停搏。全球每年死丁心脏骠停 的心脏病患者1 i 死亡人数的1 2 1 “i 。在我国虽然还没有确切的s c d 的流行病学资料有学者估 计这个数字会达剑6 0 0 万1 3 i 。电除颤已经成为公认的治疗频发性室性心动过速、心室敷动等恶性 心率火常的有效方法i 。 除鳓监护器作为一种急救医疗设备，它的发展雨i 政府的推动是分不开的美国臼1 9 6 0 年开 展心肺复苏( c p r ) 技术以来，治疗心室颤动( v f ) 是提高急救存活率最重人的进步之一，及时 电除颤义是救治心搏骡停尾重要的治疗手段。关国白9 0 年代开始实施公众除颤( p a d ) 计划后， 患者的存活率可达到4 9 ，现在美国已经把自动体外除颤( 只搜寻室颤无脉性室速一井在数秒内 提供挽救生命的_ f i 疗) 作为一项基本生命支持( b l s ) 技术，b l s 包括生存链前二个环讧：早删 剑达现场早期c p r ，早期电除颤。i l “” 国际复苏联络组利欧洲复苏学会的复苏指南中都已止式建议建立院内甲- 期除颤项目。在美 国，t j 生保健组织联合会根据以f 儿方面对医院内复苏能力修订了以f 标准：要对院内复苏的步 骤或漉稃做出贝体规定；合理规划，在院内可能发生心脏骤停的部何安置除颤器，不断总结复苏 的效果，积累经验并加以改进；做好人员培训j ：作接受培训人员麻能够判断是否应该除颤， 升能够使刚除颤器；收集复苏过程及结果的资料尤其要学握近年来的发展趋辫与动态。专家们 提出了在人部分医院实现发生心脏骤停后3 a = l m i n 内完成除颤的目标。0 6 - t l 美国心脏协会( a h a ) 建立了国家“心肺复苏登记”以帮助医院进行系统的资料收集j ：作。 登记的目的是建立一个完善的医院复苏情况数据库，从而学挢院内复苏的萆本状况，寻找不足爿 不断改进。这是芙丁院内心脏骤停晟人的资料库。该登记项目是根据u t s t e i n 指南进行资料收集 和上报。根据注册的人耸数据进行分析，可为将来制定新的指南提供依据，参加登记的医院要完 全遵循j c a h d 的标准。 患者侄监护病房发生心搏骤停，早期屯除颤是现代化医院的职责，甲删除颤需要住医院的各 个地方都备仃除勤器利人i ：通气器械，并有受过专门训练的急救人员。而我国人部分乡镇医院还 没自配置除颤监护器，即使在- 二甲医院的使川怙况也不近人意，更土要的是国内还没自能力开发 出具有白士知识产权的除敲监护器影响了除颤监护器的使州及其相芙医学研究的进展。 由此可地，除翻监护器的开发研制凡有重要的社会价值雨l 与经济价值，此外它还能为电生 珊的研究提供基础安验平台。 1 5 除颤监护器国内外研究现状 除勤监护器是生物，医学，信号处理、i 程等的结合体，涉及面很j 一，如心脏颤动的机制及 除颤机制；除颤波形：心电信号的颅处理以及特i l e 波形的u l 别：除勤波形的实现誓儿个，ji 酊。 l 、除颤电乍理疗面 近儿年米随着电学治疗的不断深入，认为心脏颤动是由多种机制共同作h | 的结果。2 0 付纪 早期g a r r e y 等提出房颤单灶起源理论，1 9 2 5 年l e w i s 2 0 i 提出了环行运动学说，1 9 6 2 年m o e i ：1 i 根据计算机模拟膀颤结果提山了多发性子波折返假说该假说认为心肌结构不均匀以及心肌功能 部分受损会导致心肌各处的兴奋性、不麻期以及传导速度都不相同当一个行进的波阵面碰剑解 剖障僻时可碎裂产生多个子波众小波沿随机细成的路径折返导致心脏勤动。折返机制以及住此 基础卜的多发子波学说是己得剑临床验证并被广泛接受的一种学说。除颤就是让一定强度的电流 流过心肌，抑制这些小波，强制心肌同时除极，使心脏恢复止常的电活动。 2 、除颤波形 除颤波形可以描述为除颤过程中电流或电压随时问的变化情况，是除颤能否成功的决定冈 素。目前，在体外除颤器中戍川的波形主要有止弦阻尼单相波( 放电波形节单峰或类止弦曲线样) ， 指数截尾烈相波( b i p h a s i et u n c a t e de x p o n e n t i a lw a v e f o r m ，b t e ) 以及z o l l 公司的恒流烈相波 ( r e e t i l i n r b i p h a s i c ，r b w ) ，如幽1 3 所示。目前，也有人提出了二相波1 2 ”。除颤波形的蚶 坏必须要经过临床检验。传统除颤器采川单相波除颤，而近年来面市的除颤器m 采j i j 投相波除颤。 单相波除颤器是以单方向释放电流而域相波除颤器释放的屯流在一个特定的时限是止向的而 在剩余的数毫秒内其电流方向改变为负向。舣相波形的峰值电流虽然较小，但目前的研究资料口”针 4 已经显示了采心烈相波时除颤的能量阈值小，除颤敛率高，因而可在保证除颤成功率的情况f 使 _ h j 较低的除颤能龋- 降低心肌损伤的可能性。k e e n e r 等1 2 ，j 通过对心室细胞电活动离子模删的 研究表明：般相波比单相波有效的原冈在丁f 宁期超极化增强了钠通道不活动的恢复性能，从而能 够较甲的恢复细胞的活动性。尽管这样，目前有些问题尚待迸一步探讨，例如：烈相波除勤的最 住能苗是多人；不同般相波形的渐在优势是否存在差异；与单相波相比，双相波对心脏产生损伤 的列傻硐j 强度是多人：另外，产生一个较好的即刻效栗( 除颤，与短期效果( 白主循环) 的波形，是否 也能产生较好的汝期效果( 山院生存率、一年生存率) 尚待进一步阐明l2 ”。 2 v 疆 p - 2 b ) c ) a ，正弦姒尼单向波 b ) 指数截尾双相波( b t e )c ) 恒流双相方波( r b w ) 圈1 - 3 双相波放电波形 3 ，心电信号的处理及识别 由体表电极检测剑的心电信号比较微弱为m v 级，所以极易受环境的影响。为了增强心电 织口- l t 的n 效成分。抑制噪声硬r l 也路一般采儿j 仪表放人器、烈t 滤波譬措施。4 微处州器m 脱以瓜，毂滤波器i hr 其精度高、可诈性好、使川灵活，麻川越来越多。i ，r 多于扦为此f j 人 罐1 竹：。k u n t 等”提出的e c g 预处理数字滤波器由两级组成第一级 l 丁减小犀线漂移，笫 级川来增强q r s 波。a h l s t r o m 等”殴计了一个数字滤波器软仆包，使州名可按照凸己的需求， 调川不周的模块缓联而成一个实用的滤波系统。文献1 3 1 】报道了一种可同时消除 ：颠干扰和基漂 的一次性滤波方法。 通过处理器对采集剑的心电信号进行分析，已经j 。泛地商瑚丁心脐的功能榆存、心i l i i 管疾稿 的诊断与预防以及心屯监护等请多方面。心电波形识别主要是识别特征波形中各个相戈特征点及 各个问明。其中，最为天键的是q r s 波群的检测。q r s 波群的检测包括q r s 波的位置、宽度、 面积的检测。各参颦的检测方法己有不少研究成果发表，但是各种方法均有其不足之处，冈为心 电信号波形的复杂性和各种噪卢( 如肌电干扰、基线漂移等) 的存在以及生理上的变异性，都使 得q r s 波的精确检测有很人困难。 常川的r 波检测方法有幅度法、斜率法和面积法i ”1 。原始信号经过若干变换后提高q r s 波的分颦进而采_ h j 一系列闺值进行判别。不论哪种检测方法，都是基丁吲定刚值法或可变阈值 法米确定蜊值的。i 卉i 定闽值可能会冈干扰或高p 波、高t 波的存在而导致错检另外，当心律火 常或q r s 波幅度变小时。阙值设置过高会导致“检。由丁| 古i 定阙值的这些缺点- 现在一般都采 川可变阈值检测以提高检测的准确性。p a n ”魄山的q r s 复波实时检测算法通过分析斜率、幅度、 中i 习农业人学博f 仓史 第一章绪论 宽度识别q r s 复合波：首先将采样得剑的心也信号经过数字带通滤波器后微分再平方，带通滤 波器可分离山中心频率在1 0 h z 处的q r s 成分，微分可将q r s 复合波与其它e c g 波形区分开来， 而平方运算可以增强微分处理后的高频分鬣，均方斤的波形通过一个移动窗口积分器。带通滤波 器和i 移动窗口积分出来的波形的白适麻幅值的阙值与峰值信号和峰值噪声的估计值有大。邵庆余 ”设计了一个简单而有效的心电q r s 波探测程序，利圳斜率阈值的方法米寻找最人斜率，也即 r 波峰值升形成一样扳波，在此过稃中r r 间期可随时调整。s a h a m b i 等l ”1 首先提山利川小波 变换的时频分析特性来对e c g 信号进行处理，提取山特征田子进而识别特征波形升提取参数， 他还提山了一个减少高频噪卢误判的改进算法：从最人尺度开始向小尺度方向逐层寻找小波变换 的模极人值，只有在儿个尺度上都是模最人值时才判断为q r s 波群。j 。峭卫等1 卅一f i , 电信号的 小波变换作为0 适廊白化滤波器的输入然后对向化滤波后的输出进行匹配滤波和阈值检测来识 别jq r s 波。李翠微等”利h j 小波变换将e c g 信号分解在不同尺度上，通过检测对小波变换 丰；| f 极人、极小值对之间的过零点米检出各个特征点。丁德海等l ”j 利川最小_ 二乘小波先把与r 波 相类似的点找出，然后通过动态阑值判断、多级重构判断、导数判断、不麻期削断以及丢火补偿 等策略逐步消左1 f ：r 波特征点，可较准确地检测出强干扰区中的r 波币l l | ：典刑r 波。小波变换 贝有良好的时频局域化特性冈此在近年来的文献中，它是研究的最多的方法 4 ，除颤器安现 目前国外除颤器厂家主要集中在美国的z o l l 公司平m e d t r o n i 公司，日本的光电公司和 祸田公司、德国m e t r a x g m b h 公司以及瑞十s c h i l l e r 公司。他们的产晶备凡特色，但总的说 来土要有以卜特点：采_ h j 先进的数字信号处理系统对心电信号进行分析，能够识别心律异常：充电 时间越来越快早期的除颤器最人能鼍充屯时间在8 一1 0 秒现在基本是5 秒左右。为急救争取j ， 时间：电池l 佧时摄人能鼙充电次数越来越多，这一方面得益丁屯池i ：业的发展，更士要的是充电 做牢的提离。 【口n 幽内有父植入式除勤器的晒j 未报道较多，f 1 1 】百丈体外除献的资 ： 很少，人k 队院的，训 人一教授平北人医院的杨虎教授利川国外除颤器做了不少临床病历；住i + 稃方面，中山人学娃j 可； 畿教授领导的课题组丰复u 人学方并1 祥教授领导的科研组在进 r 这办面的研究，分别设计了丛j ： i + 控机和a r m 9 的除颤器，井利川实验样机对实验犬进行除颤实验，取得了较好的效果，但是离 真正临床廊还有一段距离。 目前，除颤屯生理方面的研究、除颤效果的临床研究以及除颤监护器i ：拌实现的研究青链 分离的，受各种因素的制约，还没有人进行系统的研究。 1 6 课题研究内容 除歙监护器土要由心电采集系统、除颤系统、控制系统和电源管理系统等儿部分组成。本文 选题的初衷就是希望将基础性研究和戍川研究相结合，通过对便携式除颤监护器的研发，为国内 生物医学仪器的发展提供借鉴。本文主要完成以fi ：作： 从心肌细胞的电生理机制雨i 屯生理特性出发，分析心脏颤动机制莆l 除颤终l r 心律异常的机 理。在此基础上，确定同步电复律的合理时机。分析除颤效果的影响冈素。 利川小波变换对心电信号进行预处理，以便滤除或抑制心i 乜噪卢为心电信号的后续处理提 6 中周农业人学博i 。论义 第一章绪论 供必要的条r 1 ：。 改计r 波识别算法。并对算法进行验证为全白动除颤的研制奠定基础。 分析除颤监护器的总体功能需求。研制心屯信号采集系统、镍氢屯池组充电管理系统、除颤 能昔输出系统。 分析控制系统的功能需求，选择士控制芯片设计控制系统硬什电路，选择操作系统，完成 驱动群序殴计平应川程序设计。 通过性能实验和动物实验，验证设计的止确性。 7 中周农业人学博i + 论文第一二帝除棼的仄学机挫发除颤效果彬响w 岽 第二章除颤的医学机理及除颤效果的影晌因素 2 1 除颤器设计的医学机理 心肌细胞的电生理特性包括臼律性、兴奋性传导性和不应性，反映了心脏的电生理功能， 并引发心脏的机械性舒缩活动，推动血液循环运行，维持机体生命活动。心脏l 乜生理异常时会产 生心律火常轻者无任何症状，重者会危及生命。除颤是将电流作川丁心肌细胞，通过影响心肌 细胞的电竹活动米抑制心律异常的。 2 1 1 心肌细胞的电生理 活的细胞或组织不论在安静时还是在活动时都会产生电的变化，称为生物屯现象。细胞的电 现象士婴有两种表现形式：一是安静时细胞膜内外两侧存住的电位筹，称为跨膜静息l u 化，简称 静息电位( m e m b r a n er e s t i n gp o t e n t i a l ) ：_ 二是细胞受剑刺激发生兴奋时，细胞膜扯原有静息电位 的基础上发生一次迅速而短暂的电位波动，这种电位波动可以向周闱扩布称作动作电位( 缄跨 膜动作电位t r a n s m e m b r a n ea c t i o n p o t e n t i a l ，t a p ) 。动作屯伉是心肌细胞的静息屯何往细胞笈乍 兴奋时所具有的特祉性表现形式。 细胞的跨膜静息电位表现为细胞膜内侧带负电，外侧带止电，这种状态称作膜的极化状态 ( p o l a r i z e ds t a r e ) ，如j 鳘i2 1 所示。当细胞受剑足够强度的刺激时，膜内、外的电伉筹迅速减小 直至消火而且可进一步山现膜两侧电位极性倒转的现象，即膜外带负电，膜内带止电。这种膜 电位极性倒转的现象只是暂时的。很快就恢复剑受刺激前膜内负、膜外止的极化状态，酆静息电 f i 水i l c 。股i u 何这种迅速而短暂的波动印为动f f 电位。住动作l u 俺发士和发展的过裂中，膜内、 外i 乜何莘从静息位逐步减小商至极性倒转的过w 称为除极化，膜电佗恢复剑腆内侧带负电，外侧 带止电的静息状态称为复极化如幽2 - 2 所示。 - 6 +斗+ +4-+ 围2 - 1 极化状态 一臣l + + 幻除极过程b ) 复极过程 固2 2 细胞的除极和复极近程 8 蘑 中国农业人学博l 论文 第一二帚除颤的医学机理及除颤敛果蟛响崇 上述生物屯现象与细胞膜两侧带电离子的分布有关。住心肌细胞膜内外离子分布有很人筹 异，膜内有较多的k + 和带负电的人分子有机物，膜外有较多的n a + 、c a + 和c r 。据测定， 膜内k + 浓度为膜外的3 5 倍，膜外n a + 浓度为膜内的5 倍，膜外c a + 浓度为膜内的4 0 0 0 倍， 膜外c r 浓度为膜内的8 倍。心脏屯活动是受细胞膜内的离子通道控制的。离子分布的这种不平 衡状态得以维持是由丁细胞膜其有选择性通透性。 心肌细胞膜的分子结构液态镶嵌式模型认为，膜的结构是以液态的脂质舣分子层为骨架，其 中镶嵌着贝有再种生理机能的球形蛋向质，义称为离子通道蛋白质。由丁蛋向质的结构特点，每 一种蛋白质形成的离子通道只让某种离子通过，所以细胞膜是种选择性i ，透膜。由丁蚩向质化 学构删的易变性蛋白质可在作朋丁膜的某些化学基团或电场力的作埘f 改变白己的构璎从而 造成某一离子通道的开放或关闭即激活或火活，改变膜对某些离子的通透性能。再种离子通道开 放或天例的状态决定着膜的功能特性。箨种离子通道只有住一定的膜电f 7 ：范围及时间时方才开 放。如快钠通道在膜电位上升尘0 7 0 - - - - 6 0l n v 的范嗣内开放；氯通道的开放在1 0m v 以上：慢钠通 道的开放在5 5m v 以上：快钾通道的开放在膜电位降低剑5 5m v 至静息电伉之间。馒钠通道是 n a + 及c a “的共同通道，两者廿对抗性竞争，由丁细胞内外c a “的化学浓度梯度比n a + 人的 多，所以士要是c a “通道苒种离子通过细胞膜所形成的膜电位与细胞膜内外的浓度宵戈 1 、静息也忙与膜的通透性 住静息状态膜对k + 的通透性最人。细胞内k + 浓度要比细胞外高3 5 倍，这种化学离子 浓度梯度迫使细胞内的k + 向外弥散。单独的k + 外流，势必导致细胞内阴离子过多，产生负电 伉，形成细胞内外的电位梯度这个电位梯度将阻l pk + 外流。当化学浓度梯度与电位梯度两种 相反的力鼙相等时，则k + 外流停l t ，膜电伉保持相对稳定，细胞处于极化状态，这时的膜也伊 即为静息电位。人体止常收缩心肌细胞的静息电何为一9 0m v 。 2 、动 1l 乜俯的时相与膜的通透性 动”l u 似的，“生1 0 膜时n a ，k + 、c a j ! i 透性的，殳化年j | 天。动f li 也似分为0 、l 、2 、3 共4 个时相如l 鳘i2 - 3 所示。 0 相：当心肌细胞受到一定强度的刺激时，先是膜对n a + 的通透性增人。n a + 渗入细胞内， 使膜电能升高。这段时间，膜屯静上升的速度尚不太快。当膜屯能升高处丁- 7 0 - - 枷m v 时，快钠 通道统统开放，人鲑n a + 涌入细胞内，使膜电伸迅速上升。住膜也何上升剑5 5 m v 时，慢钠通 道开放，但c a “的内流速度缓慢，对0 相电何上升的作h j 不人。氯离子通道住一1 0m v 以上开放， 氯离子内流对0 相电位的上升起着一些抵消的作圳。动作电传的0 相是快钠通道开放引起n a + 内流的结果，其本质为除极作用。 l 相：膜上快钠通道开放的时问很短，当细胞膜内山现止电伉后，很快山现复极过程在0 相的峰值时，快n a + 内流己火去作_ h 尚有c a 2 + 内流、c i 一内流及经常存在的k + 外渗c a 4 内流及k + 外渗人致相抵消，但c i 一内流的数昔较人，使膜电倚从峰值卜- 降，其本质为第一次复 极f f ：圳。当阶至一1 0 m v 时，c i 一通道关闭c i 一内流停f t 。i 相终i p 时，心室肌细胞膜电位在0 v 附近。 2 相：在l 相终i | ，c i 一内流停i l ，膜电传同升剑零电位，此时只有c a “内流及k + 外渗起 作川。两者的也流方向相反。所产生的电位人小相近使动作电位近乎平线，称为2 相约i i f l o o 剑2 0 0 m s 。 9 ! 囡农业人学博卜沦史第一帝除颤的医学机理发除颤效果蟛i 句i 捌索 图2 - 3 ，d 肌细胞跨膜动作电位 3 相：2 相后艟着时间的推移，k + 外流有所增加，使动作也 市逐渐f 降。当膜也位降剑5 5m v 时，慢钙通道天鲥，相继快钾通道开放，k + 快速外流，膜屯f ：7 = 迅速f 许剑最人舒张电伉快 k + 外流停i p ，细胞处丁静息状态。3 相为_ 二次复极过稃。 4 栩：复檄完毕细胞处，舒张状态。 红3 相木明，膜也位已恢复剑静息屯竹水平，细胞膜对n a + 、k +、c a ”的通透件也恢复， 但幞内、外离子的分布尚未恢复膜内过多的c a “和n a + 、膜外过多的k + 激活了细咆麒r 的 钠泵，使其加速返转，将细胞内多余的c a “n a + 运至细胞外，将细胞外多余的k + 返至细胞 内从而使细胞内外的离子分布恢复剑原初静息时的水平。 2 1 2 心肌细胞的电生理特性 心肌细胞的电生理特性包括兴奋性、自律性、传导性汞l 不麻性。 兴奋性是指细胞对刺激发生响应的特性，即通常所指的廊激性。心肌细胞的兴奋性是周删变 化的一般指的是安静或舒张状态时心肌细胞的反麻性。将可以使细胞兴奋达到闽电何，从而引 起细胞全面除极的最小刺激称作闺刺激，是衡茸兴奋性的尺度。幽2 - 4 是刖不同宽度的矩形脉冲 刺激细胞时得剑的表示细胞兴奋性的强度一时间曲线14 0 l 。由| 鳘j 可见，阕刺激强度b 会随着脉冲宽 度的延k 而阡低但是，当时间超过一定嫩度( r ) 时时间因素已不再影响强度闽值此外 能够引起细胞产生兴奋的刺激有一个晟短时间朗值，短丁j 比时阃阈值，无论刺激强度有多人也不 能令细胞兴奋。阈刺激的人小取决丁静息膜电位与阈电位之间的电位筹。蚓刺激越小表示兴奋性 越帛，心肌人占兴奋性便会发生停搏。心肌兴奋性增高将会发生阵发性心动过速、扑动、颤动等 1 0 中田农业人学博l 。论文 第二帚除颤的医学机理搜除颤效果蟛响f | 索 快速心律异常。 图2 - 4 强度时问l f | 线 不麻性义称不麻幼，指心脏传导系统和烨通心肌组织发生动作也位后的一段时间内定伞或部 分的丧火兴奇性的特性。心肌的不麻期有着重要的自我保护的乍理意义。 l f j 常情况卜，伟心动 j 占j j f f j n 勺小同时删内心肌对刺激的反应有着不同的应激能力，据此将心动周期分为反施期币i 不成 明。不席期义分为绝对不应期和相对不应期。在绝对不应期内，心肌对任何强人的刺激都不发生 反麻；在相对不成期内对较强的阈上刺激才能产生反戍：在反麻期内，心肌对任何朗上刺激均 能产生展人反麻，此时，若继续增加刺激强度，心肌也不再增加反应强度。动作电位羊兴奋性笑 系如蚓如图2 5 所示 4 0 o 一4 0 8 0 1 0 0 幽2 - 5 心肌动作l 乜位j 兴奋性变化韵关系 传导性是指兴奋冲动( 即动作电位) 能够沿细胞膜向周闱扩布的特性。在反麻期内t 在心肌 细胞一处发生的兴奋能沿细胞膜向周嗣扩布，并能由一条肌纤维扩布至其它的肌纤维，兴奋的扩 稚是由丁兴奋部位的膜霸i 邻近安静部位的膜之间发生电位筹，产生局部电流，从而刺激安静部位 的膜产生兴奋。通过细胞问的传导，将激动扩布剑整个心脏 白律性来白心脏内特殊传导组织中的自律细胞这类细胞能够按一定的。订律发放兴奋( 即能 够白动地产生动作电位) ，= 将兴奋传导剑其他心肌细胞。 桦通心肌细胞具有兴奋性及传导性，但没有臼律性其静息电位保持在一9 0 m y 的稳定水半。 ! 里农业丝博f 论文第一审除颤的医学机理发除颤敛果彬响州豢 臼律细胞具有兴奋性、传导性和自律性，其特点是静息电位不稳定，在复极完毕时会立即开始白 动地、缓慢地除极，使膜电位逐渐抬高，称为舒张期自动除极，如削2 - 6 所示。肖这种缓慢白动 除极达纠一定临界水平( 溺电能) 时，便爆发全面除极化，产生动作电位的上升支。舒张删臼动 除极是臼律性形成的基础，各种自律细胞舒张期自动除极的速度不同，寞房结晟快，其臼律性最 高。浦爵野纤维最馒，其臼律性也最低。 m v o 一2 0 一柏 - 6 0 8 0 一1 0 0 a ) 娶虏结的跨膜动作i u 位 b p 巴, i j l 纤维的j ! 寺膜动作i u 位 j 堇| 2 - 6 普通心肌细胞和自律细胞的踌膜础作l 乜位 心脏传导系统、心房肌和心室肌只有在有兴奋性时才会有传导性。一般来说，心肌处t - 绝对 不廊期时无传导性，处丁相对不庶期时传导迟缓只有住反麻期内才有止常的传导能力。 2 。1 3 心脏颤动机制和除颤机制 止常心脏在神经体液的调伊f 在一定的频率范嗣内有规律地收缩。心