基于脉图的心输出量无创检测仪的研究

【作 者】李闪珠，张珣

杭州电子科技大学，电子信息学院，浙江，杭州，310037

心输出量(Cardiac Output, CO)是指左心室每分钟射出的总血量。以一个心动周期为时间单位计量左心室输出血量称为每搏血量(Stroke Volume, SV)。心输出量(CO)为每搏血量(SV)与心率（Heart Rate, HR）的乘积，是评价循环系统效率、心脏功能的最重要指标[1]。目前，心输出量监测主要用于重、急、危等疾病患者的紧急抢救中。心输出量监测对于掌握病情和早期发现循环系统功能异常，具有非常重要的意义。已有研究表明，心输出量(CO)与充血性心力衰竭(CHF)等心血管疾病的严重程度及预警有密切相关性[2]。因此，心输出量监测在心衰等心血管病患者的家庭监护、普通病人甚至健康人的普通检查中的重要性日益突出[3]。

目前心输出量（CO）的测量方法有肺动脉漂浮导管法、超声心动图法、经胸电阻抗法、CO2部分重吸收法[4]。通过肺动脉漂浮导管的热稀释法是CO测量的金标准，但因费用昂贵、操作复杂、对病患有创伤和不能做长时间监测等弱点，限制了它的广泛应用。超声心动图属于无创检查，在评价心功能方面使用较为普遍，但受技术水平影响对使用环境有较高的要求[5]。长期以来，众多研究者都在寻找一种无损伤、便捷、实时的心输出量测算方法。脉搏波是心脏周期运动在体表的反映，我国学者张大祥以此展开研究，推出了脉图法[6]。脉图法是一种无创伤、可连续检测心血管功能的方法，在分析疾病状态、辅助诊断、指导治疗和预警等领域发挥了巨大的作用。本文就以脉图法为理论基础，采集桡动脉处脉搏信号，通过单片机实现心输出量的实时计算。

1 脉图指标的计算模型

心脏每收缩一次，动脉的压力就发生一次周期性的变化，动脉脉搏波便是这种周期性的压力变化引起的血管波动。由此可以看出，脉搏波不仅受到心脏本身的影响，同时也受到流经的动脉及其分支的影响，这使动脉波中包含极其丰富的心血管生理病理信息。早在两千年前，我国祖先便以手指切脉作为疾病诊断方法，发展成为了举世瞩目的中医脉象学。

我国学者张大祥在此基础上首创“脉图法”[6]。他对桡动脉处脉搏波进行血液循环动力学参数分析，利用状态空间法建立血液循环系统各子系统的数学模型，并以此为依据推导各类参数计算式，用这些计算式算得的结果能较好地满足临床医疗对心功能评估的要求。 “脉图法”通过各标志点的确定，将一个心动周期划分为若干部分，如图1所示。

图1 脉搏波标志点示意图Fig.1 Schematic diagram of pulse wave landmarks

自20世纪60年代以来，众多科研工作者投入到利用脉搏波波形导出流量的方法计算心输出量。1983年，Wesseling提出了用弹性管模型计算CO的方法。1987年，罗志昌等在前者的基础上继续简化，提出了只需检测SP、DP和K值就能计算CO的方法，虽然做了较多的近似，但因检测量简单且结果较可靠，也得到了很好的应用[7]。文献[8]密切结合“脉图法”理论基础，运用比较完备的心输出量计算方法[6]。本文在前面已提及CO与SV、HR的关系，即：

PP间期为脉图中bb时值，要实现CO的准确测量，依据式(1)、式(2)及式(3)，可将CO的计算细分为射流压力EP(e1)、喷射压力JP和左心舒张末容量LDV。

1.1 射流压力EP(e1)

射流压力指一搏间左心室有效输入主动脉血液所具有的压力，定义式为：

其中，除8这一系数是综合考虑系统硬件设计时的采用的采样率而定的，不同系统会有所不同。TA为一搏期间动脉压力曲线的面积；SA、DA分别为收缩期和舒张期压力曲线面积；在脉图中以e1点作为划分标志，E1为e1点相对于b点高度；BK为动脉输运系数，EK为压力转换系数，可通过系统软件压力校准计算测得。

1.2 喷射压力

JP指左心室收缩期内（t0—te1）对血液做功而造成的增压(djP)的累积。定义式为：

其中，等号后左半部分描述的是等容收缩期的喷射压力，即主动脉喷血期前的压力值DP；右半部分表示喷血期的喷射压力，为有效输入主动脉血液的压力（射流压力EP(e1)）与在t=te1时心室仍保留的压力值PP(e1)之和，而PP（e1）与测得的动脉压力（AP(e1)）之间具有准线性关系。因此：

1.3 左心舒张末容量LDV

左心舒张末容量是指左心室舒张期末和收缩期前这一瞬间左心室内充盈的血液体积。据著名的心脏生理学中的Starling定律：在心率一定的条件下，左心舒张末容量与喷射压力或每搏血量成函数关系。前人依据曲线拟合，得出LDV的方程表达式为：

式(7)中，EPC表示射流压力时间常数，指射流压力的变化率与射流压力的比例系数，取EPC=0.344S-1。t表示脉图标志点a—e1表示的时值，可依据脉图计算得到。

完成对以上指标的整理分析后，我们就可以利用式(1)得出心输出量。所有相关指标都可通过完成特征点标记的脉图计算得到，在计算过程中也并未做过多的估计近似，可以使计算结果具有较强的可靠性。

2 硬件系统的设计

根据功能模块的划分，其系统硬件结构框图如图2所示。它包含脉搏信号调理电路、AD转换、单片机控制、按键和显示5部分。其中，由前端脉搏信号调理电路完成人体桡动脉处脉搏信号采集以及信号的放大、滤波，再将信号送入A/D转换芯片。经模数转换后将数字信号送入AT89C52单片机（脉搏信号数据较大，扩展EEPROM实现数据存储及读取），最后将计算得到的心输出量通过数码管显示。

图2 系统硬件结构框图Fig.2 Block diagram of system hardware

脉搏波信号经过各级放大，幅值在3 V左右。AD转换器的基准电压一般选+5 V或+2.56 V。如果选择8位精度的ADC芯片，其量化误差为10～20 mV，已经在误差允许的范围内。A/D转换硬件电路如下图3所示。

图3 A/D转换电路图Fig.3 A/D conversion circuit diagram

图4 24C02连接电路图Fig.4 24C02 connection circuit diagram

如上图4所示，由于本文的数据量较大，而AT89C52的片内只有8k字节Flash，512字节RAM，所以我们使用了EEPROM存储实时采集的脉搏波数据。24C02是CMOS 2048位串行EEPROM，内部组织成256*8位，16字节页面读写，与AT89C52接口如上图4所示。根据连接方式可知，其读数据的地址为A1，写数据的地址为A0。由于SDA是漏极开路输出，且可以与任何数目的漏极开路或集电极开路输出“线或”（wire-OR）连接。上拉电阻的选择可参考24C02的数据手册（一般为10K）。24C02的I2C总线读写时序图和起始时序图，如图5、图6所示。

图5 24C02读写时序图Fig.5 24C02 read-write timing diagram

图6 24C02起止时序图Fig.6 24C02 start-stop timing diagram

图7 按键及数码管显示电路图Fig.7 Circuit diagram of buttons and LED display

如上图7所示，本文用到的扩展器件为74HC244。它是由两个单向的4位并入并出组成的一个8 位单向并入并出的总线驱动器，在此我们主要是用它对单片机数据线和矩阵键盘列线进行隔离，只有在读键选通信号有效时键盘的列数据才会反映到单片机总线上。使用74HC574锁存器，锁存数码管显示数据。

3 系统软件设计

本系统以AT89C52单片机为处理核心，完成对脉搏信号的处理以及指标计算及显示。本系统软件可分为初始化模块、特征点提取模块、按键模块、压力换算模块、指标计算模块以及数码管显示模块。主程序由初始化、特征点提取和按键模块组成。按键模块分别完成其他子程序的调用，最终在数码管完成心输出量的显示，图8为相应的程序流程图。

图8 主程序流程图Fig.8 The main program fl ow chart

在特征点提取模块采用5点差分阈值判别法，阈值过大或过小均会影响特征点定位的准确度。因此，本系统对阈值的设定进行了多次的测试，最终以PC分析采集的脉搏信号数据中每个脉搏周期最大差分平均值的一半作为最佳差分阈值。幅度阈值选取脉搏幅度平均值的0.6—1.4倍作为上下限，这样使漏检和误检的概率达到最低。5点差分阈值法具体步骤为扫描脉搏数据，寻找5点差分大于差分阈值点，找到则向前向后搜索拐点。计算两拐点幅度差与幅度阈值比较，正确则进行b、c的记录，反之继续向后查找。同理可通过二阶差分法找到e1特征点。

压力换算模块目的是计算压力换算系数，为后期数据转换为压力单位做准备。软件部分通过4个按键进行SP、DP手动输入，完成压力校准，这一模块可以提高后续计算精度，只在首次测量时才需进行本次操作。在系统中也设置了另一按键，可轻松跳过这一环节，利用已保存的压力换算系数值进行指标计算。指标计算模块便是依据脉图法理论及公式计算心输出量，并通过数码管模块进行实时显示。

4 实验数据分析及总结

对24位正常人进行了实验测量，并与导管法等主要的心输出量检测方法的正常范围进行比对，发现此系统的计算数据具有较高的符合度，能满足日常心输出量的监护要求。两种不同方法计算得到的正常值比较如表1所示。

表1 本测定仪与不同方法测定心输出量正常值比较Tab.1 The normal cardiac output comparison of using different determination methods

本系统设计的心输出量检测仪基本满足了临床和监测要求，达到了预期的设计目标。该系统携带方便，操作简便，适用于家庭监护，具有较广的应用价值。

[1] 赵泽, 王玲, 潘颂欣, 等. 心输出量监测技术的原理及发展[J]. 中国生物医学工程学报, 2010, (04): 619-626.

[2] 刘聚伟. 新型无创心输出量监测仪在充血性心力衰竭中的应用研究[D]. 中国人民解放军军医进修学院, 2009

[3] Squara P, Denjean D, Estagnasie P. Noninvasive cardiac output monitoring (NICOM):clinical evaluation [J]. Intensive Care Med,2007, 33(07): 1191-1194.

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[6] 张大祥. 脉搏图像分析. 南昌市第二医院, 1981

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[8] 杨琳, 张松, 杨益民. 脉搏波的工程分析和临床应用[M]. 北京: 科学出版社, 2006