一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，包括與心臟起搏器陽極和陰極連接的心臟電壓獲取電路，心臟電壓獲取電路與心臟電壓存儲電路連接；所述心臟電壓獲取電路連接心臟起搏器的陽極和陰極，心臟電壓獲取電路輸入恒定電流，在心臟上產生一個反應心臟阻值的電壓；所述心臟電壓存儲電路存儲所述反應心臟阻值的電壓。能夠實時準確檢測心臟阻值，通過心臟阻值可初步判斷起搏電極是否發生脫位、電極導線折斷等故障。此外，根據心臟阻值的變化判斷人體的運動狀態，從而提供更加適合病人的心臟刺激方案。當然，這一應用要求對心臟阻值測試的精度更高。
【專利說明】
一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置
技術領域
[0001]本發明屬于醫療器械技術領域，涉及一種心臟起搏器輔助裝置，尤其是一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置。
【背景技術】
[0002]目前，中國有幾千萬心動過緩、心律不齊、傳導阻滯的病人依靠心臟起搏器維持生命的延續。植入式心臟起搏器時刻監控心跳，必要時通過與心肌接觸的起搏電極發出刺激脈沖信號，以保證心臟按正常節律跳動。心臟起搏器成功地治療了緩慢性心律失常，挽救了成千上萬患者的生命，與此同時，安置起搏器存在一定風險。若起搏器或電極導線出現故障，可能會引起各種意外和并發癥，給患者造成生理和心理傷害。植入式心臟起搏器電極導線在體內會隨心搏和肢體運動一直處于不斷被伸縮、彎曲、扭轉和擠壓的狀態，可以說電極導線是起搏系統中最脆弱的部分，也是起搏器可預見發生故障概率最高的部分之一。電極脫位、電極導線折斷或絕緣層破裂是最常見的故障形式。出現此類電極導線故障的后果將會是起搏器感知不良、無起搏脈沖輸出、不能奪獲等，因此對使用者生命造成了嚴重威脅。盡早發現以及避免上述故障能讓使用者有效的規避風險。現階段起搏器故障檢測對大多數沒有主訴癥狀或僅有輕微癥狀的患者最普遍的做法是通過心電圖檢查實現。使用該方法判斷起搏器異常必須具備分析心電信號的專業知識和豐富經驗的同時，還必須要了解起搏器的各項參數、功能，并收集可供分析的異常數據才能夠找到出現異常原因并制定解決方案，操作復雜，費時費力。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置。該裝置能夠實時準確檢測心臟阻值，提供植入電極的實時物理狀態和相應的心臟生理參數，且該裝置結構簡單，功耗低。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0005]這種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，包括與心臟起搏器連接的心臟電壓獲取電路，心臟電壓獲取電路與心臟電壓存儲電路連接;所述心臟電壓獲取電路連接心臟起搏器的陽極和陰極，心臟電壓獲取電路輸入恒定電流，在心臟上產生一個反應心臟阻值的電壓;所述心臟電壓存儲電路存儲所述反應心臟阻值的電壓，并將該電壓進行放大。
[0006]更進一步的，本發明的特點還在于:
[0007]其中心臟電壓存儲電路為開關電容放大電路，且心臟電壓存儲電路還連接A/D轉換器。
[0008]其中心臟電壓存儲電路將存儲的電壓進行放大，放大后的電壓通過A/D轉換器生成心臟阻值數字碼。
[0009]其中心臟電壓獲取電路包括與心臟起搏器陽極連接的第一MOS管和第二 MOS管;與心臟起搏器陰極連接的第十一 MOS管和第十二 MOS管;且心臟起搏器的陽極和陰極兩端分別通過一個MOS管接入恒定電流。
[0010]其中恒定電流的值為50μΑ，且恒定電流從心臟起搏器陽極流經心臟從心臟起搏器陰極流出，或恒定電流從心臟起搏器陰極流經心臟從心臟起搏器陽極流出。
[0011]其中心臟電壓存儲電路包括與心臟電壓獲取電路連接的2個相同的開關電容放大模塊。
[0012]其中開關電容放大模塊包括I個放大器，放大器的正極通過MOS管與心臟電壓獲取電路連接，放大器的負極通過電容和MOS管與心臟電壓獲取電路連接，放大器的負極還通過MOS管與放大器正端基準電壓連接，放大器的輸出端還連接有若干MOS管。
[0013]其中測試裝置包括至少20個MOS管，至少6個電容，至少2個邏輯門和2個放大器。
[0014]其中MOS管由三極晶體管替換，其中三極管的基極替換為MOS管的柵極，三極管的集電極替換為MOS管的漏極，三極管的發射極替換為MOS管的源極。
[0015]本發明的有益效果是:該裝置能夠實時準確的檢測到反應心臟阻值的電壓，通過心臟阻值可初步判斷起搏電極是否發生脫位、電極導線折斷等故障;并且根據心臟阻值變化來判斷人體的運動狀態，從而提供更加適合病人的心臟刺激方案。
[0016]更進一步的，本發明還具有以下有益效果:
[0017]電路結構所米用的開關電容電路具備放大功能，有效的減小了注入心臟電流，能夠避免長時間持續電流流過心臟造成的損傷；
[0018]開關電容電路具有的電壓相減功能將采樣的心臟陽極和陰極電壓差值進行放大，能夠在低功耗情況下實現更加精確檢測反映心臟阻值的電壓，提高心臟阻值測量精度；
[0019]采用的開關電容放大電路可以建立合適的輸出共模電壓，放大后心臟電壓能夠抬升至A/D轉換器輸入電壓范圍內；
[0020]采用正、逆雙向阻值測試方法，有效避免了電流單向流過心臟造成的電荷積累，這種利用生物阻值測量技術提取設備可靠性信息和心臟生理參數信息的方法，對人體安全無倉|J，沒有任何副作用；
[0021]在心臟阻值測量中，流經心臟的電流不會引起諸如心顫等嚴重后果;并且檢測標準電流流過心臟兩端產生的電壓差，排除通路中諸如開關等引入的誤差，以保證阻值測試的準確性;使用的基準電流為50μΑ，其在心臟阻值(約200 Ω?4000 Ω )上產生的壓降較小，因此對該電壓放大避免使用高精度的模數轉換器。
[0022]本發明所提出電路采用開關電容技術，結構簡單、精度高，且容易集成于起搏器專用芯片中。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的結構不意圖；
[0024]圖2為本發明電路原理圖；
[0025]圖3為本發明的電路時序圖；
[0026]圖4為本發明中心臟阻值電壓的仿真結果圖；
[0027]圖5為本發明中心臟阻值電壓放大后的仿真結果圖。
[0028]圖中:I為恒定電流源;2為心臟電壓獲取電路;3為心臟電壓存儲裝置;4為A/D轉換器;Iref為恒定電流源;M為MOS管;C為電容;A為放大器;Pl為第一MOS管柵極控制譯碼電路的輸出；PIN為第一 MOS管柵極經反向器輸出端;Vref為放大器基準電壓;P3為第^^一MOS管柵極控制譯碼電路的輸出；P3N為第十一 MOS管柵極經反向器輸出端;P2為第零MOS管柵極控制譯碼電路的輸出；Vp為心臟阻值正向電壓;Vn為心臟阻值逆向電壓;ENl為第一放大器使能信號;EN2為第二放大器使能信號。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述:
[0030]本發明提供了一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，參見圖1，包括心臟電壓獲取電路2，心臟電壓獲取電路2與心臟起搏器的陽極和陰極連接;心臟電壓獲取電路2與恒定電流源I連接;恒定電流源I通過向心臟起搏器陽極或陰極輸入一個恒定電流，獲取能夠反應心臟阻值的電壓，并將該電壓傳給心臟電壓存儲裝置3;心臟電壓存儲裝置3存儲獲取到的電壓并且對其進行放大，然后傳遞給A/D轉換器4，A/D轉換器4生成電壓阻值數字碼。
[0031]參見圖2，心臟電壓獲取電路包括漏極連接在恒定電流源I一端的第一 MOS管、第零MOS管和第^^一MOS管，其中第一 MOS管、第零MOS管和第^^一MOS管的柵極分別連接與其對應的控制譯碼電路的輸出P1、P2和P3;第一MOS管的源極連接起搏器陽極，第零MOS管接地，第i^一MOS管連接起搏器的陰極;第二 MOS管的漏極與第一 MOS管源極相連接，第二 MOS管的柵極與第i^一MOS管柵極相連接，第二 MOS管的源極接地;第十二 MOS管的漏極與第^^一MOS管源極相連接，第十二 MOS管的柵極與第一 MOS管柵極相連接，第十二 MOS管的源極接地。
[0032]參見圖2，心臟電壓存儲裝置3為開關電容放大電路，其包括2個相同的開關電容放大模塊，I個開關電容放大模塊包括至少9個MOS管、I個邏輯門、至少3個電容和I個放大器。其中第三MOS管的漏極與第四MOS管源極和第一電容右極板相連接，第三MOS管的柵極與第一 MOS管柵極相連接，第三MOS管的源極與第一 MOS管源極和第二 MOS管漏極相連接;第四MOS管的漏極與第一放大器正端相連接，第四MOS管的柵極與第一 MOS管柵極經反向器輸出端相連接，第四MOS管的源極與第三MOS管漏極和第一電容右極板相連接;第五MOS管的漏極與第八MOS管的漏極、第十MOS管的源極、第一電容的左極板、第三電容的右極板和第一放大器的負端相連接，第五MOS管的柵極與第一 MOS管柵極經反向器輸出端相連接，第五MOS管的源極與第六MOS管的源漏極和第二電容的右極板相連接;第六MOS管的源漏極與第二電容右極板共接，第六MOS管的柵極與第一 MOS管柵極經反向器輸出端相連接;第七MOS管的漏極與第六MOS管的源漏極相連接，第七MOS管的柵極與第一 MOS管的柵極相連接，第七MOS管的源極與第^^一MOS管的源極和第十二 MOS管的漏極相連接;第八MOS管的漏極與第五MOS管的漏極、第十MOS管的源極、第一電容的左極板、第三電容的右極板和第一放大器的負端相連接，第八MOS管的源極與第九MOS管的漏極和第二電容的左極板相連接，第八MOS管的柵極與第一MOS管的柵極相連接;第九MOS管的漏極與第八MOS管的源極和第二電容的左極板相連接，第九MOS管的柵極與第一 MOS管的柵極經反向器輸出端相連接，第九MOS管的源極與第一放大器的正端基準電壓相連接;第十MOS管的漏極與第一放大器的輸出端和第三電容的左極板相連接，第十MOS管的柵極與第一 MOS管的柵極相連接，第十MOS管的源極與第八MOS管漏極和第三電容右極板相連接。
[0033 ]在開關電容放大模塊中還能夠使用三極晶體管代替MOS管，其中三極晶體管的基極代替MOS管的柵極，三極晶體管的集電極代替MOS管的漏極，三極晶體管的發射極代替MOS管的源極。并且2個開關電容放大模塊對稱的設置在心臟電壓獲取電路的兩側。
[0034]下面通過在ADE(模擬集成電路設計自動化仿真軟件)仿真環境下進行仿真測試:
[0035]上述電路級別仿真采用HHNEC 0.35μπι B⑶工藝，并使用Cadence公司的Spectre工具在ADE仿真環境下進行仿真測試，電路工作的電源電壓為2.8V。
[0036]如圖2所述的心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其具體工作過程包括:心臟阻值電壓的產生，心臟阻值電壓的采樣，心臟采樣電壓的放大。其具體實現過程為:首先Pl、P2、P3、ENl、EN2產生如圖3所示的時序控制邏輯；當ENl和EN2由低電平被置位為高電平時，2個放大器被使能，ENl使能信號持續6ms，EN2使能信號持續12ms，期間經過開關電容電路被放大的輸出電壓作為后級A/D轉換的輸入電壓被轉換成相應的數字碼；同時Pl信號的高電平開啟第一、第三、第七、第八、第十、第十二 MOS管，50μΑ恒定電流從起搏器陽極經心臟流至起搏器陰極，在電極間產生一個反映心臟阻值的電壓，該正向電流注入時間為30ys，采樣的心臟陽極電壓和心臟陰極電壓會被分別存儲在Cl和C2電容上，其中第六MOS管為第七MOS管的du_y管，用來減弱電荷注入和時鐘饋通效應的影響。
[0037]經過30ys后，Pl信號由高電平拉低，PlN信號由低電平拉高，此時第四、第五、第六、第九MOS管開啟，開關電容電路工作在放大模式，將心臟陽極與陰極電壓之差放大C1/C3倍輸出，本實例中C1/C3為4，為了減小流過心臟的基準電流或提高阻值測試的分辨率，可以通過調節電容比值增大該放大倍數，經開關電容電路放大后的心臟阻值電壓Vp可由下式表示:
[0038]Vp = VrEF+(C1/C3)*(V陽-V陰)
[0039]其中Vref為放大器正端電壓約為IV，偏置電壓均由片上電壓基準產生。典型的心臟阻值在500?4K歐姆，所產生的采樣電壓％約為25mV?200mV，V陰約為2mV，所產生的Vp約為
1.1V?1.8V，該輸出范圍滿足所設計的A/D轉換器共模輸入范圍，在ENl信號拉高的6ms期間，通過A/D轉換器生成可供分析的心臟阻值數字碼。
[0040]P2信號在Pl信號下降的同時由低電平拉高，第零MOS管開啟，電流源對地泄放以保護心臟，該保護時間系統規定為15ys。
[0041]P3信號在P2信號下降的同時由低電平拉高，此時第十一、第十三、第十七、第十八、第二十、第二 MOS管開啟，50μΑ恒定電流從起搏器陰極經心臟流至起搏器陽極，逆向電流注入時間為30ys，逆向電流注入過程結束。此后Ρ3信號由高電平拉低，Ρ3Ν信號由低電平拉高，此時第十四、第十五、第十六、第十九MOS管開啟，所采樣的差分心臟阻值電壓經放大后輸出，在EN2信號拉高的后6ms期間，進行A/D轉換，該逆向阻值測試電路結構、工作過程與正向阻值測試過程類似。
[0042]圖4為心臟電壓產生電路的仿真結果。包括在相同2.8V電源電壓下，500、1K、2K、4K歐姆心臟電阻負載的正向30ys和逆向30ys心臟阻值電壓的仿真結果。在不同心臟電阻負載情況下，所產生的正向陰極、逆向陽極電壓均為1.855mV;在500歐姆心臟電阻負載情況下，所產生的正向、逆向心臟阻值電壓分別為33.28mV和33.26mV，由于系統功能定義，該電路與起搏器陰陽極連接時需要通過極性選擇開關電路，所以與理論值25mV相差約8.3mV，其他阻值仿真結果有相同固定誤差，因此，可在心臟電壓與心臟阻值標定過程中消除此固定誤差。在1K、2K、4K歐姆心臟電阻負載情況下，所產生的正向、逆向心臟阻值電壓分別為58.30mV和58.25mV，108.3mV和 108.2mV，208.3mV和208.lmV，減去固定誤差后與理論值50mV、100mV、200mV—致。由電流注入通路上第二、第十二 MOS管寄生電阻所產生的電壓誤差，被運放的反相輸入端檢測并在輸出中減去，保證了阻值測試的準確性。
[0043]圖5為心臟阻值電壓經過開關電容電路放大后的仿真結果。包括在相同2.8V電源電壓下，500、1K、2K、4K歐姆心臟電阻負載的正向和逆向心臟阻值電壓放大后的仿真結果。在500歐姆心臟電阻負載情況下，采樣心臟電壓差為31.43mV，在共模基礎上放大4倍后為
1.126V，實際所產生的放大后正向、逆向心臟阻值電壓分別為1.142V和1.141V，與理論值相差16mV左右，這是由于放大器開環增益不是無窮大引起的固定增益誤差，此時開關電容放大電路的閉環增益并不是理想值4，而是3.935，其他阻值仿真結果也有相同固定增益誤差；在IK歐姆心臟電阻負載情況下，所產生的放大后正向、逆向心臟阻值電壓分別為1.240V和1.238V，與500歐姆心臟電阻負載情況下正向、逆向心臟阻值電壓差為98mV和97mV，50yA電流在電阻差值為500歐姆的電阻上產生25mV電壓差，放大3.935倍后為98mV，與理論分析相吻合；在2K歐姆心臟電阻負載情況下，所產生的放大后正向、逆向心臟阻值電壓分別為1.437V和1.434V，與IK歐姆心臟電阻負載情況下正向、逆向心臟阻值電壓差為197mV和196mV，50yA電流在電阻差值為IK歐姆的電阻上產生50mV電壓差，放大3.935倍后為19711^，與理論分析相吻合;在4K歐姆心臟電阻負載情況下，所產生的放大后正向、逆向心臟阻值電壓分別為1.830V和1.826V，與2K歐姆心臟電阻負載情況下正向、逆向心臟阻值電壓差為39311^和39211^，5(^4電流在電阻差值為21(歐姆的電阻上產生10011^電壓差，放大3.935倍后為394mV，與理論分析相吻合。電平轉換精度高，保證了阻值測試功能的精確性。
[0044]綜上所述，本發明能夠準確、實時測量心臟阻值，進而通過對阻值分析以監測植入的心臟電極是否松動、脫落，電極導線是否折斷，絕緣層是否破損等狀況；同時電路結構簡單，功耗低，實現了心臟阻值測試功能在起搏器產品中的集成。同時采用正、逆雙向阻值測試方法，避免電流單向流過心臟造成的電荷積累。利用生物阻值測量技術提取設備可靠性信息和心臟生理參數信息的方法，對人體安全無創，沒有任何副作用。
【主權項】
1.一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，包括與心臟起搏器連接的心臟電壓獲取電路，心臟電壓獲取電路與心臟電壓存儲電路連接； 所述心臟電壓獲取電路連接心臟起搏器的陽極和陰極，心臟電壓獲取電路輸入恒定電流，在心臟上產生一個反應心臟阻值的電壓； 所述心臟電壓存儲電路存儲所述反應心臟阻值的電壓，并將該電壓進行放大。2.根據權利要求1所述的一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述心臟電壓存儲電路為開關電容放大電路，且心臟電壓存儲電路還連接A/D轉換器。3.根據權利要求2所述的一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述心臟電壓存儲電路將存儲的電壓進行放大，放大后的電壓通過A/D轉換器生成心臟阻值數字碼。4.根據權利要求1-3任意一項所述的應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述心臟電壓獲取電路包括與心臟起搏器陽極連接的第一 MOS管和第二 MOS管;與心臟起搏器陰極連接的第十一 MOS管和第十二 MOS管;且心臟起搏器的陽極和陰極兩端分別通過一個MOS管接入恒定電流。5.根據權利要求4所述的一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述恒定電流的值為50μΑ，且恒定電流從心臟起搏器陽極流經心臟從心臟起搏器陰極流出，或恒定電流從心臟起搏器陰極流經心臟從心臟起搏器陽極流出。6.根據權利要求1-3任意一項所述的應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述心臟電壓存儲電路包括與心臟電壓獲取電路連接的2個相同的開關電容放大模塊。7.根據權利要求6所述的一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述開關電容放大模塊包括I個放大器，放大器的正極通過MOS管與心臟電壓獲取電路連接，放大器的負極通過電容和MOS管與心臟電壓獲取電路連接，放大器的負極還通過MOS管與放大器正端基準電壓連接，放大器的輸出端還連接有若干MOS管。8.根據權利要求7所述的一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述測試裝置包括至少20個MOS管，至少6個電容，至少2個邏輯門和2個放大器。9.根據權利要求8所述的一種應用于心臟起搏器的心臟阻值測量裝置，其特征在于，所述MOS管由三極晶體管替換，其中三極管的基極替換為MOS管的柵極，三極管的集電極替換為MOS管的漏極，三極管的發射極代替MOS管的源極。
【文檔編號】A61N1/37GK106075729SQ201610378783
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】許江濤, 王珈璐, 張瑞智, 伍民順
【申請人】西安交通大學