專利名稱：基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種心室輔助系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
心室輔助系統(tǒng)屬于人工心臟范疇，主要應(yīng)用在救治心臟衰竭的病人。心 室輔助系統(tǒng)主要包括血泵、控制器及執(zhí)行和反饋機(jī)構(gòu)。
國際上，美國MICROMED CARDIVASCULAR,INC.在2006年申報的國 際專利WO2006/055745 A2-心泵遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，對人工心臟控制系統(tǒng)提 出了較好的設(shè)計(jì)思路利用控制器來控制血泵，通過無線通訊媒介遠(yuǎn)程監(jiān)控。 澳大利亞WoodardJohn等，在2006年申報的專利A61M 1/10 (2006.01) 20060101AF2007050-旋轉(zhuǎn)血泵脈動控制系統(tǒng)，是一個控制旋轉(zhuǎn)血泵速度的系 統(tǒng)，改變血泵的轉(zhuǎn)速來產(chǎn)生脈動的壓力。美國THECLEVELAND CLINIC FOUNDATION在2001年申請的國際專利WO 01/072352 A3-旋轉(zhuǎn)動力血泵 的長期控制系統(tǒng)在左心室輔助裝置中，用DC電機(jī)來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)血泵，三個 反饋通道分別將電壓、電流、電機(jī)速度反饋給控制器和處理器。
在國內(nèi)，清華大學(xué)白凈教授等的專利CN1446592-微型軸流式血泵的優(yōu)化 非恒速控制方法，是建立在由目標(biāo)函數(shù)、控制參數(shù)、限制條件組成的調(diào)節(jié)血 泵轉(zhuǎn)速的優(yōu)化模型之上的方法。但也由于其非恒速，對電力需求較大。
以上設(shè)計(jì)存在一些問題。 一是，以上設(shè)計(jì)普遍耗能較大，都在15W以上， 這樣儀器的實(shí)用性就會降低，尤其在病人無法迅速充電的情況下，大量耗電 會使病人情況非常危、險。二是，由于其血泵的轉(zhuǎn)速較大或速度變化率大，對 血液的破壞較大。三是，沒有直接根據(jù)病人的生理情況來控制人工心臟中血 泵的轉(zhuǎn)速，使人工心臟工作在適合病人病情的最佳狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
3本發(fā)明的目的是提供一種基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，可以探測病人 的生理狀態(tài)，從而讓人工心臟選擇不同的工作模式，達(dá)到適合病人病情的最 佳工作狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案設(shè)計(jì)一種基于生理信 號的心室輔助系統(tǒng)，由控制器、與控制器通信連接的驅(qū)動模塊、由驅(qū)動模塊 控制的血泵、采集血泵工作狀態(tài)并加以處理后傳送給控制器的信號采集模塊、 與信號采集模塊和控制器連接的可顯示血泵狀態(tài)和控制器信息的顯示模塊組 成，其特征在于該系統(tǒng)還有一套通過信號采集模塊接到控制器的可檢測人 體血壓、血溫、心率、血流量生理狀態(tài)的人體生理探測系統(tǒng)。
所述的控制器具有可根據(jù)輸入的人體生理狀態(tài)進(jìn)行切換的六種模式常 規(guī)模式、抽吸處理模式、肺淤血處理模式、信號采集模塊故障處理模式、搏 動模式、啟動模式。
所述的信號采集模塊具有多路的由濾波器和放大器構(gòu)成的輸入信號預(yù)處 理系統(tǒng)，由單片機(jī)構(gòu)成的將預(yù)處理后的輸入信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)，將處理后的數(shù)據(jù)送到顯示模塊和控制器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
所述的人體生理探測系統(tǒng)由分別測量血流量、血壓和心率信號的流量傳 感器、雙有創(chuàng)壓力傳感器、心電電極構(gòu)成。
所述的顯示模塊由單片機(jī)和數(shù)碼管構(gòu)成，單片機(jī)通過觸發(fā)中斷來計(jì)時、 計(jì)數(shù)輸入信息，并以二進(jìn)制形式存入寄存器中，多次計(jì)時取平均值后，通過
驅(qū)動8位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。其中的驅(qū)動數(shù)碼管的驅(qū)動芯片選用CH452。
本發(fā)明的有益效果是能夠?qū)崟r的檢測病人的生理狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ) 調(diào)整血泵的工作狀態(tài)，以適應(yīng)病人的生理需求。


圖1為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動模塊、血泵、人體生理探測系統(tǒng)、 信號采集模塊、顯示模塊組成。其中，控制器與驅(qū)動模塊串口通信；驅(qū)動模 塊控制血泵的轉(zhuǎn)速；血泵本身的工作狀態(tài)信號，包括血泵外表面溫度、血泵 葉片轉(zhuǎn)速及電壓、電流，通過信號采集模塊輸送到控制器；人體生理探測系 統(tǒng)的人體生理狀態(tài)信號，包括人體的血壓、血溫、心率、血流量，也通過信 號采集模塊輸送到控制器；顯示模塊可顯示血泵狀態(tài)和控制器信息。
控制器采用PC機(jī)，根據(jù)輸入的血泵狀態(tài)信號和人體生理狀態(tài)信號，通 過軟件實(shí)現(xiàn)6種工作模式
① 常規(guī)模式為常規(guī)情況下控制系統(tǒng)的一種工作模式。在這種模式下， 以病人心率和心率變化率作為一種控制信號，也就是根據(jù)病人心率的變化， 來調(diào)整血泵的轉(zhuǎn)速，從而改變血泵的流率以適應(yīng)病人的生理需求。
② 抽吸處理模式當(dāng)血泵入口端壓力急劇降低時，會發(fā)生心室抽吸的現(xiàn) 象， 一旦發(fā)生抽吸，心室會在低壓作用下被抽癟，心室壓變?yōu)樨?fù)壓。這將會 極大的降低自然心臟和血泵的泵血能力，并對血液和其他器官造成損害。應(yīng) 對抽吸的辦法就是降低血泵的轉(zhuǎn)速，使心室能夠重新得到充盈，正常的血液 循環(huán)才能得以恢復(fù)。
③ 肺淤血處理模式當(dāng)左心室功能減退時，左心室排血量減少，不能及 時將回心血量排出，會導(dǎo)致肺淤血。肺淤血將會導(dǎo)致肺動脈壓急劇的升高。 解決肺淤血的辦法就是增加血泵的轉(zhuǎn)速，從而增加血泵的流量，使得回心血 量及時地排出，并避免主動脈的灌注不足。
④ 信號采集模塊故障處理模式當(dāng)信號采集模塊發(fā)生故障時，不能正常 地檢測到當(dāng)前的生理狀態(tài)，所以此時只能讓血泵工作在一個相對比較安全的 恒定轉(zhuǎn)速下。
⑤ 搏動模式為一種比較特殊的工作模式。在這種模式下，將根據(jù)血壓 和流量的變化特點(diǎn)，在血壓的收縮期或血壓的舒張期，給出搏動式的流量變 化。
⑥ 啟動模式應(yīng)用于手術(shù)中和手術(shù)剛剛結(jié)束拆除循環(huán)機(jī)時，控制系統(tǒng)的一種工作模式。在這種模式下，將保證血泵工作在合理的恒定流量的狀態(tài)下。 各模式的輸出以數(shù)字信號的形式通過串口傳送到驅(qū)動模塊。 驅(qū)動模塊具有三相電流型P麗控制功能，輸出三相的變頻電壓到血泵，其
電路為PWM電路。驅(qū)動模塊的輸入端接收PC機(jī)的控制信號，根據(jù)信息的不
同，控制PWM電路輸出不同的變頻電壓。
血泵采用專利2005100053033介紹的采用三相電機(jī)的磁力與流體動壓混 合懸浮的人工心臟血液泵。血泵可反饋血泵外表面溫度、血泵葉片轉(zhuǎn)速、電 壓、電流給信號采集模塊。
人體生理探測系統(tǒng)包括流量傳感器、雙有創(chuàng)壓力傳感器、心電電極。其 中，流量傳感器采用超聲多普勒血流儀；雙有創(chuàng)壓力傳感器的兩個壓力探頭 分別設(shè)置在血泵的進(jìn)口后出口；心電電極采用多參數(shù)生理信號采集儀，可采 集血液溫度和心率。各傳感器和采集儀的輸出信號接到信號采集模塊。
信號采集模塊為8通道數(shù)據(jù)采集與處理模塊由單片機(jī)C8051F330及具 有放大、濾波的預(yù)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，通信電路組成?？刹杉们?后的血壓、血液溫度、血泵外表面溫度、血泵葉片轉(zhuǎn)速、血液流量、.血泵的 電壓和電流。其中，血泵的轉(zhuǎn)速、電壓、電流基于驅(qū)動模塊中芯片的反饋；. 血液流量通過放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算得出；血泵前后的血壓、 血液溫度、血泵葉片表面溫度經(jīng)放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換得出。各種 參量的數(shù)據(jù)由通信電路送到顯示模塊和控制器。
顯示模塊采用單片機(jī)和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)C8051F330中P CA捕捉上 升沿觸發(fā)中斷來計(jì)時、計(jì)數(shù)并以二進(jìn)制形式存入寄存器中，多次計(jì)時取平均 值。8位數(shù)碼管驅(qū)動芯片CH452與單片機(jī)連接，譯碼后，在數(shù)碼管上顯示數(shù) 據(jù)。這樣便于患者及醫(yī)生觀察人工心臟的使用情況。
顯示模塊工作的具體過程為Init—Device()函數(shù)來初始化單片機(jī)，將PCA0 配置到P0.1管腳，設(shè)置單片機(jī)的時鐘頻率為12.25MHz，設(shè)置P0.7管腳為外 部中斷0，設(shè)置參考電壓為VDD。之后，為了消除因?yàn)橥饨绺蓴_和本身單片 機(jī)的捕捉失敗導(dǎo)致的測量誤差，設(shè)定捕捉10個周期的數(shù)據(jù)值，取平均值的方法得到10次的平均周次；進(jìn)而得到10次的平均值。這樣的設(shè)定一方面可以 有效的減小測量誤差，另一方面又可以最大限度地提高測量的實(shí)時性，以便 適應(yīng)單片機(jī)測量較高頻率的信號的要求。當(dāng)程序開始運(yùn)行之后， 一旦在PO.l
腳有一個上升沿就會觸發(fā)單片機(jī)的一個PCA中斷，這時會將該時刻PCA計(jì)數(shù) 器中的計(jì)數(shù)值捕捉到單片機(jī)的PCA0CPH0和PCA0CPL0兩個寄存器中。
采用數(shù)碼管作為顯示媒介。數(shù)碼管的驅(qū)動芯片選用CH452，該芯片可以 驅(qū)動8位數(shù)碼管。單片機(jī)計(jì)算得到的各參量數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式發(fā)送到CH452 中，CH452對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，變成適合數(shù)碼管的編碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯 示。
本發(fā)明以心率、血壓和流量為控制信號實(shí)時調(diào)節(jié)血泵的工作狀態(tài)。在控 制方法中，提出以實(shí)際的生理狀態(tài)為基礎(chǔ)的六種控制模式，以此為基礎(chǔ)調(diào)整 血泵的工作狀態(tài)，以適應(yīng)病人的生理需求。當(dāng)然以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際 情況的需要，還可以實(shí)現(xiàn)更多的控制模式。
權(quán)利要求
1. 基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，由控制器、與控制器通信連接的驅(qū)動模塊、由驅(qū)動模塊控制的血泵、采集血泵工作狀態(tài)并加以處理后傳送給控制器的信號采集模塊、與信號采集模塊和控制器連接的可顯示血泵狀態(tài)和控制器信息的顯示模塊組成，其特征在于該系統(tǒng)還有一套通過信號采集模塊接到控制器的可檢測人體血壓、血溫、心率、血流量生理狀態(tài)的人體生理探測系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，其特征在于所 述的控制器具有可根據(jù)輸入的人體生理狀態(tài)進(jìn)行切換的六種模式常規(guī) 模式、抽吸處理模式、肺淤血處理模式、信號采集模塊故障處理模式、 搏動模式、啟動模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，其特征在于所 述的信號采集模塊具有多路的由濾波器和放大器構(gòu)成的輸入信號預(yù)處理 系統(tǒng)，由單片機(jī)構(gòu)成的將預(yù)處理后的輸入信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)，將處理后的數(shù)據(jù)送到顯示模塊和控制器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，其特征在于所 述的人體生理探測系統(tǒng)由分別測量血流量、血壓和心率信號的流量傳感 器、雙有創(chuàng)壓力傳感器、心電電極構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，其特征在于所 述的顯示模塊由單片機(jī)和數(shù)碼管構(gòu)成，單片機(jī)通過觸發(fā)中斷來計(jì)時、計(jì) 數(shù)輸入信息，并以二進(jìn)制形式存入寄存器中，多次計(jì)時取平均值后，通 過驅(qū)動8位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，其特征在于其中的驅(qū)動數(shù)碼管的驅(qū)動芯片選用CH452。
全文摘要
基于生理信號的心室輔助系統(tǒng)，屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種心室輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制器、與控制器通信連接的驅(qū)動模塊、由驅(qū)動模塊控制的血泵、采集血泵工作狀態(tài)并加以處理后傳送給控制器的信號采集模塊、與信號采集模塊和控制器連接的可顯示血泵狀態(tài)和控制器信息的顯示模塊組成，其特征在于該系統(tǒng)還有一套通過信號采集模塊接到控制器的可檢測人體血壓、血溫、心率、血流量生理狀態(tài)的人體生理探測系統(tǒng)。其中控制器具有六種模式常規(guī)模式、抽吸處理模式、肺淤血處理模式、信號采集模塊故障處理模式、搏動模式、啟動模式。本發(fā)明能夠?qū)崟r的檢測病人的生理狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)調(diào)整血泵的工作狀態(tài)，以適應(yīng)病人的生理需求。
文檔編號A61M1/10GK101518661SQ20091008143
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者喬愛科, 馮繼宏, 劉有軍, 宇 常, 陳寧寧, 斌 高 申請人:北京工業(yè)大學(xué)