專利名稱：基于二階導數(shù)編碼的自動判別室速室顫的體外除顫器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)用設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自動體外除顫器。
背景技術(shù)：
心臟性猝死(S⑶)是指由于心臟原因引起的突然發(fā)生的自然死亡。造成心臟性猝死的原因大部分是在各類心血管病變基礎(chǔ)上發(fā)生的一時性功能障礙和電生理改變，并引起惡性室性心律失常如室性心動過速(室速，VT)、心室纖顫(室顫，VF)等。惡性室性心律失常發(fā)作后，搶救成功率會隨時間的流逝不斷降低，在7-10分鐘后，搶救成功率一般會低至 10%，因此迅速地電擊除顫是終止多數(shù)快速性惡性室性心律失常、挽救患者生命的首選有效方法。自動體外除顫器(AED)是實現(xiàn)早期除顫的主要工具。由于惡性室性心律失常的突發(fā)性，醫(yī)院外的患者存活率很可能依賴于對公眾培訓的肺復蘇搶救(cardiopulmonary resuscitation, CPR)和組織完備的公眾除顫(public access defibrillation, PAD) 工程。為了推廣公眾除顫，1997年美國心臟病協(xié)會(AHA)推出了公眾場所用AED (AED for Public Access Defibrillation)指南。根據(jù)除顫的風險和可能的收益，該指南將心律分為以下三大類可電擊復律心律(shockable rhythms, ShR)，不可電擊復律心律 (nonshockable rhythms, NShR)禾口中間心律(Intermediate rhythms)。為協(xié)、助非專業(yè)人士正確使用AED，快速準確地自動檢測出可電擊復律心律(SiR)是AED實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。AHA建議對患有心室纖顫的成人進行初次能量為120J-200J雙相波除顫或360J的單相波除顫，對穩(wěn)定型單型性室性心動過速進行首劑量100J的單相波或雙相波電復律，對復雜的多型性心動過速或無脈搏室性心動過速需類同心室纖顫處理。另一方面，植入式自動復律除顫器(ICD)在臨床上已取得廣泛應用。已有研究表明80%的除顫電擊實際上是由室速誤觸發(fā)，這些誤電擊不僅對患者的心臟造成一定的損傷，給意識尚清楚的患者帶來強烈的疼痛感，而且會影響ICD的使用壽命。因此，有必要研究出可靠的室速室顫判別算法。除顫能量過小很可能導致除顫失敗；除顫能量過大則會大大增加對患者機體的熱損傷，同時增加患者的疼痛感。除顫極板間的經(jīng)胸阻抗決定了相同大小的電壓下施加在患者上的能量。本發(fā)明即是在根據(jù)二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率判別出室速/室顫的基礎(chǔ)上，決策合適的除顫方案，并由經(jīng)胸阻抗調(diào)整合適的除顫電壓。本發(fā)明不僅可提高除顫的針對性和成功率，還可降低對患者心肌的損傷率和疼痛感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不僅可提高除顫的針對性和成功率，還可降低對患者心肌的損傷率和疼痛感的自動體外除顫器。本發(fā)明提供的自動體外除顫器，是基于一種本發(fā)明提出的自動判別可電擊復律心律為室速和室顫的方法的。
本發(fā)明提出的自動判別可電擊復律心律是否為室速或室顫的方法，具體步驟如下
1.對采到的心電信號進行濾波預處理；具體步驟包括
(1)通過一個5階的滑動平均濾波器濾除高頻噪聲；
(2)通過一個截止頻率為IHz的高通濾波器抑制基線漂移；
(3)通過一個截止頻率為30Hz的低通濾波器進一步濾除無關(guān)的高頻成分；
2.識別預處理后的心電信號是否為可電擊復律心律，根據(jù)可電擊復律心律識別方法， 判別心電信號是否為可電擊復律心律。(此步引用專利《一種改進的可電擊復律識別儀器》 (專利號 ZL 2009 1 0045152. 2、ZL 2009 1 0045153. 7、ZL 2009 1 0045151. 8))
3.計算可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率；具體步驟包括
(1)對可電擊復律心律進行降采樣處理，以降低計算量；
(2)對長度為N的時間序列{u(i)，i=l，2，"《，N}，求其二階導數(shù)絕對值和均值i&，
就是在判定一段心電圖為可電擊復律心律之后，再求這段心電信號的二階導數(shù)絕對值和均值；N —般取600—1000，在一個實施例中取N=800 ；
⑶構(gòu)建m維二階導數(shù)絕對值矢量IO = Cs⑴，s ( +1), -",S (i+m-1) ]，i = 1，2，…，N-m+1，
數(shù)值m由實驗驗證確定，一般m為15 — 30，在一個實施例中m=22 ；
(4)將二階導數(shù)絕對值矢量^TU轉(zhuǎn)化為符號序列SX(i)
Of iJj·) < a* Ms 1，Ij(Z) > a* Ms
其中Z/i)和SX/i)分別表示iTi)和SX(i)的第j個元素，a是調(diào)整系數(shù)，a值由實驗測得；a —般為0. 8—2. 5，在一個實施例中，a=l. 4 ；
(5)統(tǒng)計符號序列中高波動性矢量對應的符號序列的數(shù)目L；其中，高波動性矢量是指符號序列中“1”的比例大于1/3的序列對應的矢量；
(β)計算高波動性矢量概率IKK
PHVV =——-——； N - m - I
4.將由上述步驟計算得到的高波動性矢量概率與閾值進行比較，如果高波動性矢量概率小于閾值則為室速，如果大于閾值則為室顫。該閾值根據(jù)實際經(jīng)驗和試驗確定，一般為0. 1—0. 5，在一個實施例中，取為0. 22 ；
最后根據(jù)判別出的室速或室顫，決策除顫方案對于室速患者，施行低能級同步電復律；對于室顫患者，施行高能級非同步電除顫?；谏鲜雠袆e方法，本發(fā)明提出了相應的判別系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括如下計算模塊 Sl預處理模塊對采集到的心電信號進行濾波；
S2識別模塊用于識別心電信號是否為可電擊復律心律；
S3高波動性矢量概率計算模塊，用于計算可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率；
S4判別模塊，通過高波動性矢量概率與閾值進行比較，判別可電擊復律心律是室速還
是室顫。上述4個模塊分別對應于自動判別可電擊復律心律是否為室速或室顫的方法的4 個步驟的計算。本發(fā)明中，所述的預處理模塊，包括如下子模塊
Sll子模塊，一個5階的滑動平均濾波器，用于濾除高頻噪聲；
S12子模塊，一個截止頻率為IHz的高通濾波器，用于抑制基線漂移；
S13子模塊，一個截止頻率為30Hz的低通濾波器，用于進一步濾除無關(guān)的高頻成分。本發(fā)明中，所述的可電擊復律心律的識別模塊，根據(jù)可電擊復律心律識別方法，判別心電信號是否為可電擊復律心律。本發(fā)明中，所述的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率計算模塊，包括如下子模塊
S31子模塊，用于將心電信號降采樣至IOOHz ；
S32子模塊，用于求心電信號序列的二階導數(shù)絕對值和均值；
S33子模塊，用于構(gòu)建二階導數(shù)絕對值矢量；
S34子模塊，用于將絕對值矢量轉(zhuǎn)化為符號序列；
S35子模塊，用于統(tǒng)計符號序列中高波動性矢量對應的符號序列的數(shù)目；
S36子模塊，用于計算高波動性矢量概率。這里的6個子模塊對應于可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率計算的6個步驟。本發(fā)明還提出一種自動判別可電擊復律心律是否為室速或室顫的自動體外除顫器，其系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括心電采集及分析單元20、經(jīng)胸阻抗測量單元30、充電/放電電路單元40、人機交互界面單元50、總控單元60和存儲打印功能單元70。心電采集及分析單元20和經(jīng)胸阻抗測量單元30將采集到的心電信號和經(jīng)胸阻抗值發(fā)送給總控單元60 ； 總控單元60自動判別可電擊復律心律為室速或室顫后，決策合適的除顫方案，向充電/放電電路單元40發(fā)送除顫指令；充電/放電電路單元40接收到除顫指令后對患者實施除顫， 同時將除顫器自身狀況參數(shù)發(fā)送給總控單元60。在這種全自動工作模式之外，通過可視化的人機交互界面50，操作者還可對AEDlO的各項參數(shù)進行設(shè)置或直接手動操作AEDlO進行除顫?，F(xiàn)場的有關(guān)數(shù)據(jù)存儲和打印功能則通過存儲打印功能單元70完成。上述自動體外除顫器中的總控單元60包括本發(fā)明所述的上述判別系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種識別準確、計算簡單、能滿足應用要求的基于二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率的心律識別算法，可提高判別可電擊復律心律中室速和室顫的敏感性和特異性，簡化算法的計算復雜度，縮短AED的判決時間。本發(fā)明還提供了基于該方法的判別系統(tǒng)和自動體外除顫器。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖2是本發(fā)明的工作流程。圖3是本發(fā)明的預處理Sl步驟。圖4是本發(fā)明的計算二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率S3的步驟。圖5是本發(fā)明的判別室速室顫S4和決策除顫方案S5的步驟。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。本發(fā)明的主體為AED10，其硬件系統(tǒng)構(gòu)成為心電采集及分析單元20、經(jīng)胸阻抗測量單元30、充電/放電電路單元40、人機交互界面單元50、總控單元60和存儲打印功能單元70。心電采集及分析單元20和經(jīng)胸阻抗測量單元30將采集到的心電信號和經(jīng)胸阻抗值發(fā)送給總控單元60 ；總控單元60自動判別可電擊復律心律為室速或室顫后，決策合適的除顫方案，向充電/放電電路單元40發(fā)送除顫指令；充電/放電電路單元40接收到除顫指令后對患者實施除顫，同時將除顫器自身狀況參數(shù)發(fā)送給總控單元60。在這種全自動工作模式之外，通過可視化的人機交互界面50，操作者還可對AEDlO 的各項參數(shù)進行設(shè)置或直接手動操作AEDlO進行除顫?，F(xiàn)場的有關(guān)數(shù)據(jù)存儲和打印功能則通過存儲打印功能單元70完成。圖2為本發(fā)明的工作流程。首先進行預處理(模塊Si)，對采集到的心電進行濾波；然后根據(jù)電擊復律心律識別方法識別預處理后的心電信號是否為可電擊復律心律(模塊S2)，如果是可電擊復律心律則繼續(xù)下面步驟(模塊S3)，如果不是可電擊復律心律則返回繼續(xù)采集心電，此步引用專利《一種改進的可電擊復律識別儀器》(專利號ZL 2009 1 0045152. 2, ZL 2009 1 0045153. 7, ZL 2009 1 0045151. 8)；計算可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率(模塊S3)；判別室速/室顫(模塊S4)將由上述步驟計算得到的高波動性矢量概率與閾值進行比較，如果高波動性矢量概率小于閾值則為室速，如果大于閾值則為室顫；最后根據(jù)判別出的室速或室顫，決策除顫方案S5 對于室速患者，施行低能級同步電復律；對于室顫患者，施行高能級非同步電除顫。圖3是本發(fā)明的預處理(模塊Si)的步驟。依次通過一個5階的滑動平均濾波器用于濾除高頻噪聲(子模塊S11)，一個截止頻率為IHz的高通濾波器用于抑制基線漂移(子模塊S12)，一個截止頻率為30Hz的低通濾波器進一步濾除無關(guān)的高頻成分(子模塊S13)。圖4是本發(fā)明的計算二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率(模塊S3)的步驟。先進行降采樣處理(子模塊S31)，降采樣率為100Hz，以降低計算量；然后由子模塊S32對長度為N (本實施例中取800)的時間序列{u(i), i=l,2,-,N},求其二階導數(shù)絕對值 s (V及其均值；再由子模塊S33構(gòu)建m維(本實施例中取22) 二階導數(shù)絕對值矢量 X(i) = Cs⑴，s (i+1),…，s (i+ni-1) ]，i=l, 2，…，N-m+1 ；由子模塊SM將二階導數(shù)絕對值矢量KU轉(zhuǎn)化為符號序列SX(i)
權(quán)利要求
1. 一種自動判別可電擊復律心律是室速還是室顫的方法，其特征在于具體步驟為一、對采到的心電信號進行濾波預處理；二、識別預處理后的心電信號是否為可電擊復律心律，即根據(jù)可電擊復律心律識別方法，判別心電信號是否為可電擊復律心律；三、計算可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率；具體步驟包括(1)對可電擊復律心律進行降采樣處理，以降低計算量；(2)對長度為N的時間序列|u(i)，i=l，2，…，N}，求其二階導數(shù)絕對值s^和均值；⑶構(gòu)建m維二階導數(shù)絕對值矢量ZO Ds⑴，s (i+1),…，s (i+m-1)]， i = l，2，’"，N-I^l,數(shù)值m由實驗驗證確定；(4)將二階導數(shù)絕對值矢量KU轉(zhuǎn)化為符號序列SX(i)
2. 一種基于權(quán)利要求1所述方法的用于自動體外除顫器的自動判別可電擊復律心律是室速還是室顫的系統(tǒng)，其特征在于，包括Sl預處理模塊，對采集到的心電信號進行濾波； S2識別模塊，用于識別心電信號是否為可電擊復律心律；S3高波動性矢量概率計算模塊，用于計算可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率；S4判別模塊，通過高波動性矢量概率與閾值進行比較，判別可電擊復律心律是室速還是室顫；上述4個模塊分別對應于權(quán)利要求1中步驟一 步驟四； 其中，S3高波動性矢量概率計算模塊，包括如下子模塊PHVVS31子模塊，用于將心電信號降采樣至IOOHz ；S32子模塊，用于求心電信號序列的二階導數(shù)絕對值和均值；S33子模塊，用于構(gòu)建二階導數(shù)絕對值矢量；S34子模塊，用于將絕對值矢量轉(zhuǎn)化為符號序列；S35子模塊，用于統(tǒng)計符號序列中高波動性矢量對應的符號序列的數(shù)目；S36子模塊，用于計算高波動性矢量概率；這里的6個子模塊對應于權(quán)利要求1中可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率計算的6個步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的預處理模塊，包括包括如下子模塊 Sll子模塊，一個5階的滑動平均濾波器，用于濾除高頻噪聲；S12子模塊，一個截止頻率為IHz的高通濾波器，用于抑制基線漂移；S13子模塊，一個截止頻率為30Hz的低通濾波器，用于進一步濾除無關(guān)的高頻成分。
4.一種自動體外除顫器，其特征在于包括心電采集及分析單元(20)、經(jīng)胸阻抗測量單元(30)、充電/放電電路單元(40)、人機交互界面單元(50)、總控單元(60)和存儲打印功能單元(70)；所述心電采集及分析單元(20)和經(jīng)胸阻抗測量單元(30)分別將采集到的心電信號和經(jīng)胸阻抗值發(fā)送給總控單元(60);總控單元(60)自動判別可電擊復律心律為室速或室顫后，決策合適的除顫方案，向充電/放電電路單元(40)發(fā)送除顫指令；充電/放電電路單元(40)接收到除顫指令后對患者實施除顫，同時將除顫器自身狀況參數(shù)發(fā)送給總控單元(60)；此外，通過可視化的人機交互界面(50)，操作者對自動體外除顫器的各項參數(shù)進行設(shè)置或直接手動操作自動體外除顫器進行除顫；存儲打印功能單元(70)用于存儲和打印現(xiàn)場的有關(guān)數(shù)據(jù)；所述總控單元(60)包括權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)用設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于二階導數(shù)編碼的自動判別室速室顫的體外除顫器。本發(fā)明通過計算信號的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率，自動判別可電擊復律心律是室速或室顫，在此基礎(chǔ)上決策合適的除顫方案，具體包括預處理對采集到的心電信號進行濾波；識別心電信號是否為可電擊復律心律；計算可電擊復律心律的二階導數(shù)編碼的高波動性矢量概率；根據(jù)高波動性矢量概率判別室速/室顫；根據(jù)室速/室顫決策除顫方案。本發(fā)明可降低對患者的身心損傷，提高除顫的針對性和成功率。
文檔編號A61N1/39GK102380164SQ20111022102
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者劉聰, 方祖祥, 楊圣均, 鄔小玫 申請人:復旦大學