徐青松，師毅冰，夏平，李光超，夏有生

1.徐州市中心醫(yī)院，江蘇 徐州 221009；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008

冠脈CT成像用心臟調(diào)搏儀的研制

徐青松1,2，師毅冰1，夏平1，李光超1，夏有生1

1.徐州市中心醫(yī)院，江蘇 徐州 221009；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008

本文闡述了一款以ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心模塊的冠脈CT成像用心臟調(diào)搏儀的研制過程。該調(diào)搏儀主要由ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)、調(diào)整設(shè)置按鍵、液晶屏、脈沖放大器、步進(jìn)衰減器、輸出驅(qū)動器、輸出幅值檢測電路、心電信號選通電路、電源供電電路等組成，可在對高心率且心律不齊的患者行冠脈CT成像檢查時發(fā)出不同頻率的刺激脈沖，同時消除刺激信號的尖峰，使患者心率穩(wěn)定、心律整齊。測試結(jié)果表明，應(yīng)用該調(diào)搏儀可以獲得心率高度一致、心律整齊穩(wěn)定的心電波形，可滿足冠脈CT成像的要求。

單片機(jī)；冠脈CT成像；心臟調(diào)搏儀；脈沖信號

0 前言

心臟是為人體泵血的肌性動力器官，需要足夠的營養(yǎng)和能源才能健康泵血，而冠狀動脈和靜脈就是供給心臟營養(yǎng)的血管系統(tǒng)。要想了解冠心病患者的血管病變情況，往往需對其進(jìn)行造影檢查，而這種檢查手段往往具有一定的創(chuàng)傷性，患者需要住院且花費(fèi)較多。冠狀動脈CT造影（Coronary Computer Tomography Angiography，CCTA）是一種可無創(chuàng)診斷冠心病的技術(shù)，具有較高的分辨力，檢查快速，費(fèi)用也比造影便宜得多，已成為心臟病必不可少的診療手段。

多排螺旋CT能對低心率病人進(jìn)行CCTA檢查，少量患者因心率過快、心律不齊而被排除在外。此外，CT廠家為了提高時間分辨率，推出了多扇區(qū)重建技術(shù)，要求掃描心跳必須有相同的R-R間期，而心律不齊會導(dǎo)致R-R心動周期不同，引起多扇區(qū)重建的圖像出現(xiàn)錯位、模糊等心臟運(yùn)動偽影，從而造成圖像無法滿足診斷要求[1-5]。

經(jīng)食管心房調(diào)搏技術(shù)（Trans-esophageal Atrial Pacing，TEAP）屬于無創(chuàng)性臨床心電生理檢查項目，經(jīng)臨床實踐證明是檢測、評價和治療某些心律失常的有效手段。本研究設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)的冠脈CT成像用心臟調(diào)搏儀，集成了TEAP技術(shù)，可利用心電門控技術(shù)在CCTA數(shù)據(jù)采集時通過起搏脈沖刺激患者心臟，使患者的R-R間期完全一致，為多扇區(qū)重建技術(shù)提供一個理想的操作平臺。

1 總體設(shè)計

根據(jù)檢查的無創(chuàng)性要求及病人的可耐受度，調(diào)搏儀采用食道內(nèi)調(diào)搏刺激模式。為了滿足冠脈CT成像的要求，調(diào)搏儀需具備如下參數(shù)：刺激電壓、起搏頻率、可預(yù)設(shè)的刺激起搏時間[6]，并可隱匿起搏后采集的心電圖中的刺激信號。

調(diào)搏儀主要由以下幾部分組成：ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)、調(diào)整設(shè)置按鍵、液晶屏、脈沖放大器、步進(jìn)衰減器、輸出驅(qū)動器、輸出幅值檢測電路、心電信號選通電路、電源供電電路。其原理框圖，見圖1。

圖1 冠脈CT成像用心臟調(diào)搏儀原理框圖

調(diào)搏儀工作流程如下：通過調(diào)整設(shè)置按鍵將起搏電壓（16～25 V）、起搏脈沖頻率（80～160 bmp）、起搏持續(xù)時間（0～60 s）等參數(shù)輸入ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)，單片機(jī)最小系統(tǒng)將設(shè)置的參數(shù)同步顯示在液晶屏上；脈沖放大器將單片機(jī)送來的脈沖信號進(jìn)行放大后送入步進(jìn)衰減器，以調(diào)整合適的脈沖幅值；選定后的脈沖幅值經(jīng)輸出驅(qū)動器進(jìn)行電流驅(qū)動放大后送給刺激電極。

輸出幅值檢測電路對輸出的脈沖幅值等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)檢測到異常波形信號時，立即停止脈沖輸出，并通過單片機(jī)將其送至液晶屏進(jìn)行報警。心電信號前置放大和選通電路接受來自人體的心電波形信號并對其進(jìn)行放大處理，由于調(diào)搏后的心電波形中刺激脈沖形成的P波峰值較大，需要利用屏蔽電路將P波屏蔽，最終輸出正常心電信號。

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

調(diào)博儀采用ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心處理部件，其具有成本低、功耗低、速度高的特點，在醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用廣泛。ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)的AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器，所有寄存器都直接與運(yùn)算邏單元（ALU）相連，使得1條指令可以在1個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，可減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[7]。

ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)由ATmega16單片機(jī)、晶體振蕩器、復(fù)位電路組成，核心為ATmega16單片機(jī)。其電路連接圖，見圖2。

圖2 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)電路連接圖

單片機(jī)輸出不同頻率的脈沖信號，經(jīng)脈沖放大電路輸出最高為30 V的刺激電壓。脈沖放大電路圖，見圖3(a)。脈沖放大電路中，由Q1和Q2基極組成直接耦合兩級三極管放大電路，在Q1基極無低信號輸入時，Q1和Q2均不導(dǎo)通，此時由30 V電源經(jīng)R8向C12電容充電；當(dāng)負(fù)脈沖信號輸入到Q1基極時，Q1和Q2均飽和導(dǎo)通，此時C12電容經(jīng)Q2和Q3及起搏電極向心房釋放儲存的電壓，即輸出刺激脈沖電壓。

2.2 其他主要電路

圖3(b)所示的是步進(jìn)衰減器電路，主要由限流電阻R9和5個穩(wěn)壓二極管、5個開關(guān)組成，共設(shè)置有6擋選擇，可分別輸出6種不同的脈沖幅度。

圖3(c)所示的是輸出驅(qū)動電路，可將脈沖信號的電流驅(qū)動放大，而脈沖幅度不變；然后將放大后的脈沖信號輸出至起搏電極。

圖3(d)所示的是輸出幅值檢測電路，用于對輸出信號的幅值等參數(shù)進(jìn)行實時檢測，一旦出現(xiàn)非正常波形，立即停止脈沖信號輸出，并通過液晶顯示器報警。

圖3(e)所示的是心電信號前置放大和選通電路，用于屏蔽起搏脈沖刺激心房產(chǎn)生的P波信號，不影響正常心電信號的通過。心電前置放大器通過3只胸部電極片采集人體心電信號，經(jīng)放大、濾波后獲得約1 V的心電信號，然后在心電信號選通電路中經(jīng)電阻R10、R11、R12衰減為約1 mV的心電信號。CD4066電子開關(guān)經(jīng)電阻R4連接單片機(jī)的I/O口。心電選通電路在刺激脈沖發(fā)生前15 ms時開始發(fā)出70 ms的屏蔽脈沖，使電子開關(guān)1和2兩端短路，完全封閉刺激脈沖P波信號，卻不影響QRS波形的顯示，使得輸出的心電信號仍然是正常顯示的R-R波形圖（正常心電圖P-R間期為110 ms[8]）。

圖3 其他主要電路設(shè)計

3 應(yīng)用測試

采用Multisim 12.0進(jìn)行電路板模擬設(shè)計[9]。經(jīng)模擬測試，系統(tǒng)響應(yīng)時間為瞬時響應(yīng)，說明電路設(shè)計可行。所設(shè)計的調(diào)搏儀實物圖，見圖4。

圖4 冠脈CT成像用心臟調(diào)搏儀實物圖

經(jīng)本院倫理委員會同意，選取25例心率＞90次/min，心率變化＞20 bpm的志愿者（有房顫、竇房結(jié)功能障礙者除外）對調(diào)搏儀進(jìn)行實際應(yīng)用測試。測試方法如下：首先將雙極起搏電極通過病人鼻孔插入到食道遠(yuǎn)端靠近心房位置，將起搏電極用醫(yī)用膠布固定在鼻翼兩側(cè)；然后將起搏電極插頭插入到食道-心房調(diào)搏儀輸出端，調(diào)整調(diào)搏儀起搏頻率（約高于病人自主心率最高值5～10次/min），逐步調(diào)整起搏幅度，直到起搏頻率能完全替代病人的自主心率；之后讓病人屏氣，連續(xù)起搏10 s，在東芝 Aquilion One 320排螺旋CT上檢測調(diào)搏后的心電波形圖。調(diào)搏心率參數(shù)設(shè)置及連續(xù)起搏10 s內(nèi)檢測到的平均心率，見表1。檢測的調(diào)搏后的心電波形圖，見圖5。

表1 調(diào)搏心率參數(shù)設(shè)置及調(diào)搏后的平均心率

圖5 調(diào)搏后的心電波形圖

測試結(jié)果顯示，調(diào)搏儀能夠按照所設(shè)條件完成心率調(diào)搏，并成功檢測到了調(diào)搏后的心電波形圖，可保持心率高度穩(wěn)定、心律整齊；成功地隱匿了刺激起搏信號的尖峰，可滿足冠脈CT成像時心電信號與數(shù)據(jù)的同步要求。臨床檢查結(jié)果顯示，經(jīng)調(diào)搏儀調(diào)搏后的冠脈CT圖像質(zhì)量與低心率（＜65 bmp）的優(yōu)質(zhì)圖像比較無統(tǒng)計學(xué)差異[3]。

4 結(jié)論

本研究研制了一款基于ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)的冠脈CT用心臟調(diào)搏儀，其電路性能穩(wěn)定、可靠性高、操作方便、體積小、功耗低，可在冠脈CT成像即時穩(wěn)定患者心律，為多扇區(qū)重建提供理想平臺，降低冠脈CT檢查技術(shù)對CT設(shè)備的要求，使應(yīng)用64排甚至更為低端的CT實行CCTA檢查成為可能，有較高的臨床應(yīng)用價值。

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Development of a Heart Pacing Instrument for Coronary CT Imaging

XU Qing-song1,2, SHI Yi-bing1, XIA Ping1, LI Guang-chao1, XIA You-sheng1
1. Xuzhou Central Hospital, Xuzhou Jiangsu 221009, China; 2.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221008, China

This paper introduced the development of a heart pacing instrument for coronary CT imaging, which was developed based on the ATmega16 single-chip microcomputer. The instrument mainly consisted of the ATmega16 single-chip microcomputer, adjustment buttons, LCD (Liquid Crystal Display) screen, pulse ampli fi er, step attenuator, output driver, output amplitude detection circuit, heart-electricity signal gating circuit and power supply circuit. The heart pacing instrument was intended to emit multi-frequency stimulation pulses and remove the stimulus signal peak for patients with high heart rate and arrhythmia who underwent coronary artery CT imaging. According to the practical tests, the instrument demonstrated its e ff ectiveness in acquisition of electrocardiographic complexes with highly-consistent heart rate and stable heart pacing, which could meet the requirements of coronary CT artery imaging.

single-chip microcomputer; coronary computerized tomography imaging; heart pacing instrument; pulse signals

TH778

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.008

1674-1633(2015)03-0031-04

2014-10-25

2014-11-14

作者郵箱：piaxqs@aliyun．com