冠脈CT成像用心臟調搏儀的研制

徐青松，師毅冰，夏平，李光超，夏有生

1.徐州市中心醫院，江蘇 徐州 221009；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008

冠脈CT成像用心臟調搏儀的研制

徐青松1,2，師毅冰1，夏平1，李光超1，夏有生1

1.徐州市中心醫院，江蘇 徐州 221009；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008

本文闡述了一款以ATmega16單片機最小系統為核心模塊的冠脈CT成像用心臟調搏儀的研制過程。該調搏儀主要由ATmega16單片機最小系統、調整設置按鍵、液晶屏、脈沖放大器、步進衰減器、輸出驅動器、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，使患者心率穩定、心律整齊。測試結果表明，應用該調搏儀可以獲得心率高度一致、心律整齊穩定的心電波形，可滿足冠脈CT成像的要求。

單片機；冠脈CT成像；心臟調搏儀；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的血管系統。要想了解冠心病患者的血管病變情況，往往需對其進行造影檢查，而這種檢查手段往往具有一定的創傷性，患者需要住院且花費較多。冠狀動脈CT造影（Coronary Computer Tomography Angiography，CCTA）是一種可無創診斷冠心病的技術，具有較高的分辨力，檢查快速，費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，推出了多扇區重建技術，要求掃描心跳必須有相同的R-R間期，而心律不齊會導致R-R心動周期不同，引起多扇區重建的圖像出現錯位、模糊等心臟運動偽影，從而造成圖像無法滿足診斷要求[1-5]。

經食管心房調搏技術（Trans-esophageal Atrial Pacing，TEAP）屬于無創性臨床心電生理檢查項目，經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。本研究設計并實現了一種基于ATmega16單片機最小系統的冠脈CT成像用心臟調搏儀，集成了TEAP技術，可利用心電門控技術在CCTA數據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，為多扇區重建技術提供一個理想的操作平臺。

1 總體設計

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

調搏儀主要由以下幾部分組成：ATmega16單片機最小系統、調整設置按鍵、液晶屏、脈沖放大器、步進衰減器、輸出驅動器、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成像用心臟調搏儀原理框圖

調搏儀工作流程如下：通過調整設置按鍵將起搏電壓（16～25 V）、起搏脈沖頻率（80～160 bmp）、起搏持續時間（0～60 s）等參數輸入ATmega16單片機最小系統，單片機最小系統將設置的參數同步顯示在液晶屏上；脈沖放大器將單片機送來的脈沖信號進行放大后送入步進衰減器，以調整合適的脈沖幅值；選定后的脈沖幅值經輸出驅動器進行電流驅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進行實時監控，當檢測到異常波形信號時，立即停止脈沖輸出，并通過單片機將其送至液晶屏進行報警。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行放大處理，由于調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 主要硬件電路設計

2.1 ATmega16單片機最小系統電路

調博儀采用ATmega16單片機最小系統作為核心處理部件，其具有成本低、功耗低、速度高的特點，在醫療設備中應用廣泛。ATmega16單片機最小系統的AVR內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算邏單元（ALU）相連，使得1條指令可以在1個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16單片機最小系統的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，可減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾[7]。

ATmega16單片機最小系統由ATmega16單片機、晶體振蕩器、復位電路組成，核心為ATmega16單片機。其電路連接圖，見圖2。

圖2 ATmega16單片機最小系統電路連接圖

單片機輸出不同頻率的脈沖信號，經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均不導通，此時由30 V電源經R8向C12電容充電；當負脈沖信號輸入到Q1基極時，Q1和Q2均飽和導通，此時C12電容經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)所示的是步進衰減器電路，主要由限流電阻R9和5個穩壓二極管、5個開關組成，共設置有6擋選擇，可分別輸出6種不同的脈沖幅度。

圖3(c)所示的是輸出驅動電路，可將脈沖信號的電流驅動放大，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進行實時檢測，一旦出現非正常波形，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電阻R10、R11、R12衰減為約1 mV的心電信號。CD4066電子開關經電阻R4連接單片機的I/O口。心電選通電路在刺激脈沖發生前15 ms時開始發出70 ms的屏蔽脈沖，使電子開關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 其他主要電路設計

3 應用測試

采用Multisim 12.0進行電路板模擬設計[9]。經模擬測試，系統響應時間為瞬時響應，說明電路設計可行。所設計的調搏儀實物圖，見圖4。

圖4 冠脈CT成像用心臟調搏儀實物圖

經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、竇房結功能障礙者除外）對調搏儀進行實際應用測試。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端靠近心房位置，將起搏電極用醫用膠布固定在鼻翼兩側；然后將起搏電極插頭插入到食道-心房調搏儀輸出端，調整調搏儀起搏頻率（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，連續起搏10 s，在東芝 Aquilion One 320排螺旋CT上檢測調搏后的心電波形圖。調搏心率參數設置及連續起搏10 s內檢測到的平均心率，見表1。檢測的調搏后的心電波形圖，見圖5。

表1 調搏心率參數設置及調搏后的平均心率

圖5 調搏后的心電波形圖

測試結果顯示，調搏儀能夠按照所設條件完成心率調搏，并成功檢測到了調搏后的心電波形圖，可保持心率高度穩定、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據的同步要求。臨床檢查結果顯示，經調搏儀調搏后的冠脈CT圖像質量與低心率（＜65 bmp）的優質圖像比較無統計學差異[3]。

4 結論

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

[參考文獻]

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[9] 童詩白,華成英．模擬電子技術基礎[M]．4版．北京:高等教育出版社,2011．

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