起搏发生装置及其控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种起搏发生装置。
【背景技术】
在临床紧急救治场合经常需要对病人进行体外无创起搏获得及时的救治效果，体外起搏的优点有：1)无需导管或针刺，对人体无损伤；2)不需要安装导管，操作快速；是急救诊疗有效的治疗手段。与体内起搏不同，体外起搏器多使用粘贴式电极端子片，治疗时人体阻抗变化范围也远大于体内方式，要求体外起搏装置能适应较大的阻抗范围并输出稳定有效的脉冲。
体外人体胸阻范围较体内阻抗要宽，一般变化范围从20欧姆～200欧姆，临床有效刺激脉冲电流变化范围5mA～200mA，为保证在最大阻抗下，能够输出最大有效电流，那么电流脉冲发生电路需要具有瞬态功耗达到8W的输出能力，如果实际病人阻抗小，如20欧姆，那么实际的用于起搏脉冲的有用功耗只有0.8W，两者功耗相差10倍，其他的7.2W功耗将通过热的形式消耗在电流脉冲发生电路的器件上。
这种设计的缺点是：起搏装置的输出功率不会随不同病人或病人的不同状态下的实时阻抗而变化，可能导致以下问题：第一，电路器件将一直承担额外的热消耗，电路温升高，为降低这种温升，需要给器件增加散热片来保证在长时间工作的条件下，芯片的温升不会超过额定温度，来防止超温导致器件的特性改变或者故障。第二，电路的功耗一直处于相对较高的水平。在临床急救与治疗使用场合中，仪器小型便携化、低功耗是仪器的发展趋势。尤其对电池供电的设备，降低功耗能有效延长待机时间，可以提高使用效率。同时低功耗设备其发热效应也相对较低，对做到设备的小型和便携更为有利。
【发明内容】
本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种低功耗起搏发生装置及其控制方法。
为实现上述目的，本发明提供一种起搏发生装置，包括激励源和用于接触生物体的电极端子，所述激励源用于为起搏发生装置提供起搏脉冲并将起搏脉冲输出到电极端子，所述起搏发生装置还包括控制单元和阻抗获取单元，所述阻抗获取单元与控制单元相连，所述控制单元与激励源相连，所述控制单元响应阻抗获取单元输出的生物体的阻抗，计算目标电压值，将目标电压值转换为相应的电压控制电平，并输出电压控制电平至激励源，控制所述激励源输出相应的功率。
在一种实施例中，所述控制单元包括计算模块和第一DA转换器，所述计算模块用于计算目标电压值，所述目标电压值随阻抗获取单元输出的阻抗值和设定的起搏电流值的乘积的增大而增大，所述第一DA转换器用于将目标电压值的数字量转换为模拟的电压控制电平，并输出到所述激励源，控制所述激励源输出相应的起搏驱动电压。
在一种实施例中，所述激励源包括电压源和电流源，所述电压源为所述电流源提供驱动电压，所述电流源用于产生设定宽度和频率的起搏脉冲，所述第一DA转换器将电压控制电平输出到电压源，控制电压源的输出电压。所述控制单元还包括第二DA转换器，所述第二DA转换器用于将操作者设定的起搏电流值转换为模拟的电流控制电平，并按照设定的频率以脉冲方式输出到所述电流源，控制电流源输出具有预定起搏电流和起搏频率的脉冲。
本发明还提供一种起搏发生装置控制方法，包括以下步骤：
获取生物体的阻抗；
根据所述阻抗调节激励源的输出功率。
在一种实施例中，调节激励源的输出功率包括以下步骤：获取预定的起搏电流值；根据所述阻抗和预定起搏电流值的乘积调节激励源输出的起搏驱动电压。
在另一种实施例中，根据所述阻抗和预定起搏电流值的乘积调节起搏驱动电压的步骤包括以下步骤：
计算目标电压值，所述目标电压值等于所述阻抗和预定起搏电流值的乘积乘以一个系数再加上一常数；
将目标电压值的数字量转换为模拟的电压控制电平；
所述激励源根据电压控制电平输出对应的起搏驱动电压。
本发明的有益效果是：本发明根据被操作生物体地阻抗参数来确定激励源的功率输出，对于外部阻抗变化范围大的情况，也能保证在患者上产生足够的有效电流。对于阻抗大的情况，通过动态调节激励源，使有足够的电流输出能力。在阻值小的情况下，电路可以及时动态调整激励源输出，有效降低电路功耗。在宽的阻抗变化范围内，激励源的动态调整，可以使电路的工作效率一直维持在一个高的水平，特别对于小型或便携式设备，在供电电量相当的情况下，这种高效率的脉冲输出装置，能够更有效的输出起搏脉冲，有效延长待机时间，降低电路热损耗。这种脉冲发生电路特别适合使用在阻抗变化范围大的体外起搏场合。
【附图说明】
图1为起搏发生装置的一种实施例的原理框图；
图2为本发明一种实施例的电压源结构示意图；
图3为本发明一种实施例的电流源结构示意图；
图4为起搏发生装置的另一种实施例的原理框图；
图5为本发明一种实施例的流程图；
图6为本发明一种实施例的阻抗检测单元结构示意图；
图7为本发明另一种实施例的流程图；
图8为本发明又一种实施例的流程图。
【具体实施方式】
本申请的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
请参考图1，起搏发生装置包括：激励源、用于接触生物体的电极端子10、控制单元11和阻抗获取单元，本实施例中，阻抗获取单元为阻抗检测单元12，所述激励源用于为起搏发生装置提供起搏脉冲并将起搏脉冲输出到电极端子，所述阻抗检测单元12与控制单元11相连，所述控制单元11与激励源相连，所述阻抗检测单元12用于检测被操作生物体(例如患者)20的接入阻抗，所述控制单元响应阻抗检测单元检测的生物体的阻抗，并输出控制信号，控制所述激励源的输出，通过控制激励源的输出功率，从而控制起搏发生装置的耗能。在本实施例中，所述激励源包括电压源13和电流源14，电压源13为电流源14提供驱动电压，电流源14用于根据操作者的设定产生设定宽度和频率的起搏脉冲。
在一种实施例中，所述控制单元包括计算模块和第一DA(数模)转换器，第一DA转换器可以通过硬件结构实现，也可以通过软件设定，可以是独立的硬件结构，也可以集成在控制单元的芯片中。计算模块可以单独是一个微处理器，也可以和第一DA转换器共同集成为一个微处理器。事先，控制单元会接收操作者设定的起搏电流和起搏频率，起搏电流和起搏频率根据不同病人的具体状况而设定。控制单元将测量到的阻抗值通过计算模块与设定的起搏电流进行计算，得到需要的起搏电压源的目标电压值，目标电压值随阻抗检测单元检测的阻抗值和设定的起搏电流值的乘积的增大而增大，在一种实施例中，目标电压值的计算公式是：
Vout＝A*R*Iout+B
式中Vout为电压源输出的驱动电压，Iout为预定起搏电流，R为人体阻抗，A和B为系数。
目标电压值Vout也可采用R*Iout计算得出。但因电流源有内阻，会消耗一部分电流，所以电压源输出的驱动电压Vout应有一定余量，A和B可根据电路特性计算出来。
第一DA转换器将这个目标电压值的数字量转换为一个模拟的电压控制电平Vout_DA，输出到电压源，用来作为电压反馈环的电压基准，然后通过反激变换拓扑结构，产生驱动电流源需要的电压。
电压源可以采用多种电路实现，在一种实施例中，电压源的结构示意图如图2所示，运算放大器U39以及三极管Q7构成一个电流源，流过Q7电流的大小由第一DA转换器输出的信号电压(即电压控制电平)决定。稳压管U38的参考端节点Vref电压稳定在2.5V，因此起搏电压PACE_V+与第一DA转换器的输出呈线性比例。
在调节完电压源输出的起搏电压之后，控制单元再根据预设起搏电流值和起搏频率，通过控制单元的第二DA转换器转换成一个模拟的电流控制电平Iout_DA输出给可调电流源，该第二DA转换器输出的控制信号以脉冲方式发出，这样电流源就在患者的电极片之间产生需要的起搏频率和起搏电流的脉冲。当Iout_DA信号电压为零时，则停止起搏输出。
第二DA转换器可以通过硬件结构实现，也可以通过软件设定，可以是独立的硬件结构，也可以集成在控制单元的芯片中。
电流源可以采用多种电路实现，在一种实施例中，可控电流源结构图如图3所示，主要包括放大电路U31和MOS管Q9，电流控制电平Iout_DA输入到放大电路U31的输入端。MOS管Q9输出起搏脉冲。
通过阻抗检测单元，获得当前电极间的生物体(例如人体)阻抗值，根据人体阻抗和需要的电流值调整电压源的驱动电压，使电压源输出可以满足驱动电流负载的要求。然后由控制单元控制起搏电流源按照需要的频率输出大小为Iout的起搏脉冲。在宽的阻抗变化范围内，电压源可动态调整，可以使电路的工作效率一直维持在一个高的水平，有效降低电路中的功率损耗。
在另一种实施例中，还对导联的连接情况进行判断。如图4所示，起搏发生装置包括电压源13、电流源14、电极端子10、控制单元11、阻抗检测单元12和继电器15，继电器15连接在电压源13、电流源14和电极端子10之间，继电器15的控制端耦合到控制单元11，所述控制单元11将阻抗检测单元12检测的阻抗值与预设阈值进行比较，根据比较结果控制继电器在接通和断开状态之间切换。例如如果阻抗值小于预设阈值，则控制继电器接通，从而将起搏脉冲施加到被测生物体20上，如果阻抗值大于预设阈值，则控制继电器断开，从而停止将起搏脉冲施加到被测生物体20上。
起搏装置通过调节输出的驱动电压来调节输出的功率，从而使输出功率可跟随被测试生物体的实时阻抗而变化，即动态调整脉冲发生电路的功耗，将电路热等形式散耗的功率节省下来，则可以有效提高工作效率，减少电路发热，延长机器工作时间。起搏装置的工作流程如图5所示，包括以下步骤：
1、当收到起搏开始的指令后，先获取阻抗检测单元输出的实时阻抗R。
2、判断实时阻抗R是否大于预设阈值，如果是，则说明导联脱落，可停止将起搏脉冲施加到被测生物体上，例如通过控制单元输出控制信号给继电器，控制继电器断开，从而使起搏装置和被测生物体脱离开。如果实时阻抗R没有超出预设阈值，则说明导联连接正常，则将起搏脉冲施加到被测生物体上，例如通过控制单元输出控制信号给继电器，控制继电器闭合，从而将输出的起搏脉冲施加到被测生物体上。
3、根据检测的实时阻抗R和预设的起搏电流值计算Vout_DA控制量，调节电压源输出的电压。
4、根据预设的起搏电流值计算Iout_DA控制量，控制电流源输出具有电流Iout和设定频率的起搏脉冲。
在每次输出起搏脉冲后进行判断是否还需要输出起搏脉冲，如果需要则循环上述步骤。在起搏脉冲输出期间仍然实时监测阻抗，将实时阻抗值和预设阈值进行比较，如果阻抗值小于预设阈值，则将起搏脉冲施加到被测生物体上，如果阻抗值大于预设阈值，则停止将起搏脉冲施加到被测生物体上。在每一次起搏脉冲发送完毕后，根据当前阻抗值，重新计算电压源的调整电压，并根据计算结果输出新的Vout_DA的值，调整电路输出，完成功耗控制。
阻抗检测单元的一种实现方式是通过硬件实现：经过所述硬件阻抗采集电路将阻抗信号转换成电平信号，经过AD转换之后，由控制单元按照电路的线性关系计算得到阻抗值。阻抗检测单元的一种电路结构如图6所示，包括顺序连接的载波发生器、电容耦合电路、差分放大器、带通滤波电路、半波整流电路和低通滤波整流电路，所述载波发生器用于产生高频载波信号，高频载波方波信号是由PWM产生，其产生的方波信号首先经过MOSFET输出同频率且幅值为2.5V的脉冲信号，再经过运放放大后的方波信号经高通再分别经运放跟随和反向放大被分成两路方向相反的脉冲进入电容耦合电路，电容耦合电路的输入端还通过分别代表两个肢体导联的RA和LL(RA是右臂，LL是左腿)输入生物体阻抗信号，这两个信号差分以后得到II导波形信号。电容耦合电路将生物体阻抗信号调制到高频载波信号中，调制了人体阻抗信号的载波信号经缓冲被差分放大器放大后，再经过带通滤波电路放大，输出到半波整流电路，经半波整流输出的单方向波形再经后面的低通滤波电路整流输出直流波形进入到控制单元的AD检测器，该直流信号与人体阻抗线性相关。
当阻抗检测单元输出的是模拟信号时，阻抗检测单元将阻抗信号先输出到AD检测器，AD检测器可以为控制单元的一部分，也可以是位于控制单元之外的一个独立器件。AD转换器将模拟信号转换为可以被控制单元(例如CPU)处理的数字量。
阻抗检测单元的另一种实现方式是间接的利用其他参数计算得到阻抗值。例如阻抗等于施加在阻抗两端的电压除以流过阻抗的电流。阻抗检测单元包括电压采集模块、电流采集模块和电阻计算模块，所述电压采集模块用于采集施加在生物体上的电压，所述电流采集模块用于采集流经生物体的电流，所述电阻计算模块的输入端分别连接电压采集模块和电流采集模块，所述电阻计算模块的输出端耦合到控制单元，所述电阻计算模块响应电压采集模块采集的电压和电流采集模块采集的电流，计算出阻抗值，并将阻抗值输出到控制单元。通过对电压和电流进行采样和计算也可以得到准确的阻抗值。
在起搏过程中本身就需要对流经人体的电流电压进行实时监测，以判断当前输出的治疗电流是否正常，施加在人体上的电压是否安全。人体电流和人体电压通过专门的检测电路转换成对应的电压值，该值经过AD转换以后送给控制单元处理，控制单元根据采样结果得到当前人体电流值和人体电压值，独立判断电流和电压是否正常。同时计算电流和电压的比值就能得到人体阻抗值。其流程图如图7所示，在开始起搏之前可以先发送一个极短时间的小电流脉冲探测当前阻抗，如果阻抗正常则按照这个阻抗初始化电压源，如果阻抗异常则停止起搏。在起搏脉冲发送的过程中，有电流施加在人体上，这种电流电压采样计算阻抗的方法可以实时进行，如果检测到人体阻抗过大，则可以判断出当前导联状态连接不正常，停止起搏。如果阻抗正常，则在起搏脉冲间隙，重新计算起搏电流源的控制电压Vout值，并调节Vout_DA，使电压源的输出能够驱动电流源在人体上产生设定电流的合适电压。电压调整完毕后，控制单元在下一个起搏脉冲输出时，按照起搏电流Iout值，控制Iout_DA输出设定宽度的起搏脉冲。
在其他的实施例中，阻抗检测单元还可以采用直接硬件阻抗检测电路和间接软件参数检测计算的两种方法共同检测人体阻抗，在收到起搏开始前通过硬件阻抗检测单元检测人体阻抗，对电压源进行初始化。在起搏开始后通过软件检测方法计算人体阻抗，完成对电压源Vout的动态调整。起搏过程中还可以将硬件阻抗检测单元检测的人体阻抗和间接软件参数检测计算的人体阻抗进行比较，若当两种检测方法的到的结果差异比较大的时，则可以判断出有一种阻抗检测方法出现异常。控制流程如图8所示。
上述实施例中，阻抗获取单元采用阻抗检测单元，可检测被操作生物体的实时阻抗，使输出功率可根据不同生物体的阻抗或同一生物体不同状态下的阻抗而变。作为替换方式，阻抗获取单元还可以是阻抗存储单元，对于长期住院的患者，可将其阻抗值预先存储在阻抗存储单元中，当对该患者进行起搏时，可从阻抗存储单元中读出其阻抗值用于起搏操作，该阻抗值作为最初值用于起搏的开始，起博过程中，可实时检测患者的阻抗值，并将测得的阻抗值更新到阻抗存储单元中，用于激励源的控制。
上述实施例中，用于将起搏装置与生物体隔离的继电器还可以替换为其它开关。
综上所述，本发明可动态调整起搏脉冲发生电路，使脉冲在较大的阻抗范围输出稳定，有效降低脉冲发生电路的功耗，在阻抗小的时候，用低电压就能产生需要的起搏脉冲，在阻抗较高时，调高电压源输出，使电流源具有足够的带负载能力，产生满足需要的起搏脉冲。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。