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心血管疾病是全世界排名第一的死亡和致残病因,严重威胁人类健康和生命,研究高性能心电监护系统具有重要的临床意义。
心电图是临床医学中常见的无创检测手段,是诊断许多恶性心脏病的重要工具。通过对心电信号的分析,检测与心源性猝死有关的征兆,对心脏病的预防和监护工作具有重要意义。
T波交替是预测恶性心律失常和心源性猝死的重要因子,是目前公认与猝死相关度最高的预测指标,是恶性室性心律失常和心肌梗死等疾病发作的前兆。以心电图为基础的T波交替检测是本项目理论研究的主要内容。
在解析现有T波交替检测算法的原理以及分析各种算法的适用范围的基础上,优选算法,根据T波交替的特点,分析心电信号检测所需的精度和长度等指标,将监护仪的系统结构分割成相对独立的硬件和软件系统,相辅相成,共同构成完整的监护系统,提高了便携性和计算能力,同时降低了功耗和成本。
目前市场上还缺乏专门的T波交替检测仪器与设备。研制合适的便携式心电监护仪,获取心电信号并检测T波交替,是本项目技术开发的主要内容。
本项目针对心电监护的实际需求,研制了一种便携式心电监护仪,实时准确地采集和显示心电信号,并通过心电信号分析完成T波交替的检测,分析结果可以作为恶性心律失常危险分层的重要依据,为心脏病的诊断和治疗提供有效支持。
该项目针对心源性猝死这一公共健康问题,提出并完成了一套T波交替获取与分析系统,包括12导便携式心电监护仪,以及配套的功能管理软件和心电信号分析软件。研制的监护仪硬件系统完成对心电信号的放大、滤波、采集、显示、保存等功能,提供满足病理和技术要求的心电信号;开发配套的软件系统集回放、压缩、标定、检测、打印等多功能于一体,并植入SM和MMA算法模块,实现T波交替的检测。
其主要研究内容有:
硬件电路设计:
(1)心电信号的多级放大、多级滤波、右腿驱动电路设计;
(2)MSP430单片机的最小系统设计,以及A/D和RS232串行等接口设计;
(3)导联脱落报警电路设计;
(4)ARM最小系统设计,液晶显示和USB接口电路设计;
(5)电源系统和交直流切换电路设计。
软件设计:
(1)Windows CE BSP包定制,系统精简等;
(2)下位机中功能管理软件CMS-wince设计;
(3)上位机心电信号分析软件设计;
(4)基于Matlab的数字滤波效果仿真和QRS波检出效果仿真算法理论研究:
(1)对比分析各种SCD预测因子;
(2)解析T波交替检测算法;
(3)设计T波交替检测模块;
(4)运用MIT-BIH数据库中的记录以及临床试验病例,检验模块的效果。
完成监护仪的研制工作后,经浙江省医疗器械检验所检验,并在温州医学院附属医院心内科进行了初步的临床试验。结果表明,研制的监护仪(含配套软件)具有拾取、显示、回放和分析心电信号等功能,完全具有检测T波交替、提供危险分层依据的功能,能够对心源性猝死的高风险病例发挥积极的预防和监护作用。
从已经掌握的资料来看,国内公司未见同类仪器,国外仅有两款类似产品:
(1)Cambridge Heart的仪器CH-2000,使用SM算法;
(2)GE公司的仪器CASE-8000,使用MMA算法。
目前国内绝大多数大型医院尚未配备上述两款仪器。
项目组成员总共发表学术论文9篇,其中EI检索4篇:
[1] Validity analysis of knowledge acquisition from nonlinear time series by symbolization(EI 检索)
[2] T-wave alternans analysis in portable ECG monitor(EI 检索)
[3] Characterize system dynamic of pseudo period time series with evolution networks(EI 检索)
[4] Fast screening algorithm for electrical alternans in ECG based on dynamical pattern recognition framework (EI 检索)
[5] 基于动态自适应阈值法的QRS波群检测方法。
[6] 一种便携式心电监护仪。
[7] 便携式心电监护仪的低功耗设计与仿真。
[8] 心电信号QRS波精确定位算法研究。
[9] 便携式心电监护中实时信号处理方法研究。
申报两项国家实用新型专利并获授权2项:
[1] 12通道数字心电信号采集模块(专利申请号:200820190371.0)
[2] 便携式心电监护仪(专利申请号:200820190541.5)
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