一种新型体外反搏控制系统的研究*
作者：李海云 郑振声
单位：李海云(首都医科大学医学工程系 (100054)；郑振声(中山医科大学生物医学工程教研室 (510089)
关键词：体外反搏；并行通迅；时序控制
中国医疗器械杂志990401 提要 研究了一种新的体外反搏充排气时序控制算法。采用pentium微机、十六位单片机并行中断通迅技术研制了一种新型体外反搏控制系统。十六位单片机完成心电信号，反搏波信号的采集和预处理。预处理后的数据经并行通迅接口传至上位机。由pentium微机根据所研究的控制算法完成反搏充、排气时序信号的控制及反搏状态监测。反搏系统严格保持反搏波传到主动脉瓣处与主动瓣脉关闭时刻同步，增强反搏器系统出错报警处理能力，在保障病人的安全条件下极大限度地提高反搏的疗效。
The Study of the Control System of New Generation EECP
, http://www.100md.com
Li Haiyun
Dept.BME,Capital University of Medical Sciences
Zheng zhensheng
Dept.BME,Sun Yat-Sen University of Medical Sciences
ABSTRACT A new algorithm for the inflation and deflation timing of the Enhanced External Counterpulsation (EECP) have been developed, A pentium PC and 16 bit microcontroller with parallel interrupt communication were used for developing a new kind of EECP system.The 16 bit microcontroller was used to collect and pre-process the ECG and EECP signals.The pre-processing data is transmitted to PC by the parallel communication interface. According to the new algorithm, PC sent out the sequential control signals and monitor the state of EECP.It is necessary to synchronize the time of aortic valve closure and diastolic augmentation during EECP,under the condition of the patients' safety ,the effect of therapy have been extremely improved.
, 百拇医药
KEY WORDS EECP Parallel communication Sepuential control
体外反搏系统是一种无创伤的机械辅助循环装置，是一种应用计算机控制的气压驱动系统。体外反搏通过包裹在患者的下肢和臀部的密封气囊以特定模式对肢体加压，改变正常血液流场分布，保证在肢体、臀部受压引起血液返流回主动脉瓣处时正好是主动脉瓣关闭的瞬间，并充分利用心脏舒张期的整个时间，使施加于血管的压力保持足够长的时间，最大限度提高舒张压，以保证反搏血流以最充分的时间向缺血器官进行灌注，而又不加重心脏的负荷。另一方面，要确定反搏排气时间保证在下一个心脏收缩期之前解除对血管的压迫，使收缩压降至最低，最大限度地减轻心脏射血期阻力，从而达到最佳的反搏效应[1]。
体外反搏在增加心、脑等器官的血液供应，促进缺血组织器官侧支循环的建立，以及打破机体收缩压高、舒张压低的固有规律，改变血流对血管壁的剪切应力所带来的一系列生理机能的适应性变化以及作用于血管内皮细胞，介入血管系统的调节与修复等方面，具有明显的效果。在临床方面，体外反搏能恢复缺血组织的活性功能，在治疗缺血性心脏病(如劳累型心绞痛、急性心肌梗塞、无症状心肌缺血等)、缺血性脑病(如脑动脉硬化、脑血栓形成、脑动脉供血不足)、因血管栓塞引起肢体远端缺血等方面均有着显著的疗效。还有利于促进疲劳恢复和中老年人心血管系统保健。
, 百拇医药
1 体外反搏的充、排气时序控制算法
实施体外反搏必须使充排气时序跟踪反搏期间心动周期的变化，以保证心动周期变化时，反搏的充排气时序控制始终符合生理要求。在主动脉压力波曲线中，存在一个重搏切迹(THE dicrotic notch)。该重搏切迹是主动脉瓣关闭的标志[2]。直接检测重搏切迹来辨识主动脉瓣关闭时刻以完成反搏器的充排气时序信号的精确控制相当困难。从心脏的电学过程和力学过程的关联可知：主动脉脉搏波的重波切迹对应于心电信号T波尾，且存在一定的偏差DT。T波结尾加上偏差对应主动脉瓣的关闭时刻，这就为体外反搏装置实现充排气信号的定时提供了比较科学而实用的理论根据和比较完善的控制算法。已知，T波末端与主动脉瓣关闭时刻之间偏差DT<40ms[3]，故可以T波结尾为基准，调节反搏波传播到主动脉瓣处的时间，可获得反搏的最适宜的充气时间。
通过心电图检出准确的QT时间再加上DT便是我们设定的从QRS波开设至主动脉瓣关闭的时间RI。
, 百拇医药
RI=[QT+DT]-ID
RI：从QRS波的R至充气信号开始的一段时间；
ID：从充气信号开始至反搏波到达主动脉根部所需要的时间，每一个病人都有一个固定的ID时间(在一段时间内相对稳定)；
QT：为心电信号中从QRS波的R波到T波终点的一段时间。
以R波为基准利用RI时间触发充气便可保证反搏波上升沿的起始时刻对应于T波结尾，也就是说反搏波到达主动脉根部时恰好主动瓣关闭，这就实现了阻止反搏血流倒灌入心脏，同时及时地和最大限度地提高了舒张压，达到了反搏的最佳血流动力学效果。排气时序可在充气时序后一段时间内进行调整，调整排气时间使收缩波降至最低为最佳。控制系统根据不断检测得到的QT间期自动跟踪调节充、排气信号的定时，从而保证充排气时序可以在反搏期间不断跟踪心率的变化来进行调整，以保证心率变化时，反搏的充排气时序控制始终符合生理要求。
, http://www.100md.com
2 新型体外反搏控制系统原理
采用pentium微机、十六位单片机并行中断通讯技术研制了一种新型体外反搏系统。十六位单片机完成心电信号，反搏波信号的采集和预处理。预处理后的数据经并行通讯接口传至上位机。由pentium微机根据所研究的控制算法完成反搏充，排气控制时序信号的控制及反搏状态监测。所研制的系统集反搏控制、病人监护、系统监控为一体，严格保持反搏波传到主动脉瓣处与主动脉瓣关闭时刻同步。反搏控制硬件系统原理框图见图1。
图1 反搏控制硬件系统原理框图。
采用BORLANDC++和宏汇编混合编程设计了上位机(PC机)应用软件系统。该软件系统主要由主程序和中断服务程序组成。主程序管理整个系统，中断服务程序完成数据通讯及反搏功能的控制。系统进入反搏状态后中断周期时间为5ms。
, http://www.100md.com
单片微机系统软件由主程序和两个中断服务程序构成，主程序完成单片机系统初始化和管理，两个中断服务程序为软件定时器中断程序和外部中断服务程序，前者控制A/D转换、完成信号采集以及数据预处理；后者完成PC机和单片微机之间的数据通讯。
模拟信号调理系统包括：(a)心电信号处理系统；(b)反搏波信号处理系统。
上位机应用系统软件其程序结构框图见图2和图3。
图2 上位机应用系统软件主程序结构框图
图3 中断服务程序结构框图
3 结果
, 百拇医药
本文研究了一种新的体外反搏充排气时序控制算法，使充、排气信号的自动设定有更科学合理的依据。保证病人反搏时在舒张期出现的反搏波恰好发生在主动脉瓣关闭之际，从而使反搏血流以最充分的时间向缺血器官进行灌注，而又不加重心脏的负荷。在心脏进入收缩期能使收缩压降至最低，最大限度地减轻心脏射血期负荷，从而达到最佳的反搏效应。采用双CPU并行中断通讯完成反搏装置控制系统的设计，该控制系统集反搏控制、病人监护、系统监控为一体。所研制出的反搏装置具有完善的控制功能、友好的图符操作界面，采用EISA总线结构易于扩充具有很好的兼容性；特别是在系统出错恢复处理方面有较大改善。
图4为临床实施体外反搏时，系统检测到的病人心电图和反搏波。
图4 病人心电图和反搏波
*九五国家医学攻关项目基金资助项目
参考文献
1. 郑振声.增强型体外反搏装置的设计及工作原理.中国生物医学工程学报.1984；Vol.3：133-137。
2. 冯元桢.生物动力学-血液循环.湖南科学技术出版社.长沙；1986：155-157
3. L.segal.M.D. The theory and practice of auscultation. F.A.Davis Company U.S.A 1964；113-114
(1998年6月15日收稿), 百拇医药
单位：李海云(首都医科大学医学工程系 (100054)；郑振声(中山医科大学生物医学工程教研室 (510089)
关键词：体外反搏；并行通迅；时序控制
中国医疗器械杂志990401 提要 研究了一种新的体外反搏充排气时序控制算法。采用pentium微机、十六位单片机并行中断通迅技术研制了一种新型体外反搏控制系统。十六位单片机完成心电信号，反搏波信号的采集和预处理。预处理后的数据经并行通迅接口传至上位机。由pentium微机根据所研究的控制算法完成反搏充、排气时序信号的控制及反搏状态监测。反搏系统严格保持反搏波传到主动脉瓣处与主动瓣脉关闭时刻同步，增强反搏器系统出错报警处理能力，在保障病人的安全条件下极大限度地提高反搏的疗效。
The Study of the Control System of New Generation EECP
, http://www.100md.com
Li Haiyun
Dept.BME,Capital University of Medical Sciences
Zheng zhensheng
Dept.BME,Sun Yat-Sen University of Medical Sciences
ABSTRACT A new algorithm for the inflation and deflation timing of the Enhanced External Counterpulsation (EECP) have been developed, A pentium PC and 16 bit microcontroller with parallel interrupt communication were used for developing a new kind of EECP system.The 16 bit microcontroller was used to collect and pre-process the ECG and EECP signals.The pre-processing data is transmitted to PC by the parallel communication interface. According to the new algorithm, PC sent out the sequential control signals and monitor the state of EECP.It is necessary to synchronize the time of aortic valve closure and diastolic augmentation during EECP,under the condition of the patients' safety ,the effect of therapy have been extremely improved.
, 百拇医药
KEY WORDS EECP Parallel communication Sepuential control
体外反搏系统是一种无创伤的机械辅助循环装置，是一种应用计算机控制的气压驱动系统。体外反搏通过包裹在患者的下肢和臀部的密封气囊以特定模式对肢体加压，改变正常血液流场分布，保证在肢体、臀部受压引起血液返流回主动脉瓣处时正好是主动脉瓣关闭的瞬间，并充分利用心脏舒张期的整个时间，使施加于血管的压力保持足够长的时间，最大限度提高舒张压，以保证反搏血流以最充分的时间向缺血器官进行灌注，而又不加重心脏的负荷。另一方面，要确定反搏排气时间保证在下一个心脏收缩期之前解除对血管的压迫，使收缩压降至最低，最大限度地减轻心脏射血期阻力，从而达到最佳的反搏效应[1]。
体外反搏在增加心、脑等器官的血液供应，促进缺血组织器官侧支循环的建立，以及打破机体收缩压高、舒张压低的固有规律，改变血流对血管壁的剪切应力所带来的一系列生理机能的适应性变化以及作用于血管内皮细胞，介入血管系统的调节与修复等方面，具有明显的效果。在临床方面，体外反搏能恢复缺血组织的活性功能，在治疗缺血性心脏病(如劳累型心绞痛、急性心肌梗塞、无症状心肌缺血等)、缺血性脑病(如脑动脉硬化、脑血栓形成、脑动脉供血不足)、因血管栓塞引起肢体远端缺血等方面均有着显著的疗效。还有利于促进疲劳恢复和中老年人心血管系统保健。
, 百拇医药
1 体外反搏的充、排气时序控制算法
实施体外反搏必须使充排气时序跟踪反搏期间心动周期的变化，以保证心动周期变化时，反搏的充排气时序控制始终符合生理要求。在主动脉压力波曲线中，存在一个重搏切迹(THE dicrotic notch)。该重搏切迹是主动脉瓣关闭的标志[2]。直接检测重搏切迹来辨识主动脉瓣关闭时刻以完成反搏器的充排气时序信号的精确控制相当困难。从心脏的电学过程和力学过程的关联可知：主动脉脉搏波的重波切迹对应于心电信号T波尾，且存在一定的偏差DT。T波结尾加上偏差对应主动脉瓣的关闭时刻，这就为体外反搏装置实现充排气信号的定时提供了比较科学而实用的理论根据和比较完善的控制算法。已知，T波末端与主动脉瓣关闭时刻之间偏差DT<40ms[3]，故可以T波结尾为基准，调节反搏波传播到主动脉瓣处的时间，可获得反搏的最适宜的充气时间。
通过心电图检出准确的QT时间再加上DT便是我们设定的从QRS波开设至主动脉瓣关闭的时间RI。
, 百拇医药
RI=[QT+DT]-ID
RI：从QRS波的R至充气信号开始的一段时间；
ID：从充气信号开始至反搏波到达主动脉根部所需要的时间，每一个病人都有一个固定的ID时间(在一段时间内相对稳定)；
QT：为心电信号中从QRS波的R波到T波终点的一段时间。
以R波为基准利用RI时间触发充气便可保证反搏波上升沿的起始时刻对应于T波结尾，也就是说反搏波到达主动脉根部时恰好主动瓣关闭，这就实现了阻止反搏血流倒灌入心脏，同时及时地和最大限度地提高了舒张压，达到了反搏的最佳血流动力学效果。排气时序可在充气时序后一段时间内进行调整，调整排气时间使收缩波降至最低为最佳。控制系统根据不断检测得到的QT间期自动跟踪调节充、排气信号的定时，从而保证充排气时序可以在反搏期间不断跟踪心率的变化来进行调整，以保证心率变化时，反搏的充排气时序控制始终符合生理要求。
, http://www.100md.com
2 新型体外反搏控制系统原理
采用pentium微机、十六位单片机并行中断通讯技术研制了一种新型体外反搏系统。十六位单片机完成心电信号，反搏波信号的采集和预处理。预处理后的数据经并行通讯接口传至上位机。由pentium微机根据所研究的控制算法完成反搏充，排气控制时序信号的控制及反搏状态监测。所研制的系统集反搏控制、病人监护、系统监控为一体，严格保持反搏波传到主动脉瓣处与主动脉瓣关闭时刻同步。反搏控制硬件系统原理框图见图1。
图1 反搏控制硬件系统原理框图。
采用BORLANDC++和宏汇编混合编程设计了上位机(PC机)应用软件系统。该软件系统主要由主程序和中断服务程序组成。主程序管理整个系统，中断服务程序完成数据通讯及反搏功能的控制。系统进入反搏状态后中断周期时间为5ms。
, http://www.100md.com
单片微机系统软件由主程序和两个中断服务程序构成，主程序完成单片机系统初始化和管理，两个中断服务程序为软件定时器中断程序和外部中断服务程序，前者控制A/D转换、完成信号采集以及数据预处理；后者完成PC机和单片微机之间的数据通讯。
模拟信号调理系统包括：(a)心电信号处理系统；(b)反搏波信号处理系统。
上位机应用系统软件其程序结构框图见图2和图3。
图2 上位机应用系统软件主程序结构框图
图3 中断服务程序结构框图
3 结果
, 百拇医药
本文研究了一种新的体外反搏充排气时序控制算法，使充、排气信号的自动设定有更科学合理的依据。保证病人反搏时在舒张期出现的反搏波恰好发生在主动脉瓣关闭之际，从而使反搏血流以最充分的时间向缺血器官进行灌注，而又不加重心脏的负荷。在心脏进入收缩期能使收缩压降至最低，最大限度地减轻心脏射血期负荷，从而达到最佳的反搏效应。采用双CPU并行中断通讯完成反搏装置控制系统的设计，该控制系统集反搏控制、病人监护、系统监控为一体。所研制出的反搏装置具有完善的控制功能、友好的图符操作界面，采用EISA总线结构易于扩充具有很好的兼容性；特别是在系统出错恢复处理方面有较大改善。
图4为临床实施体外反搏时，系统检测到的病人心电图和反搏波。
图4 病人心电图和反搏波
*九五国家医学攻关项目基金资助项目
参考文献
1. 郑振声.增强型体外反搏装置的设计及工作原理.中国生物医学工程学报.1984；Vol.3：133-137。
2. 冯元桢.生物动力学-血液循环.湖南科学技术出版社.长沙；1986：155-157
3. L.segal.M.D. The theory and practice of auscultation. F.A.Davis Company U.S.A 1964；113-114
(1998年6月15日收稿), 百拇医药