技术领域
[0001] 本
发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及心脏起搏器控制系统和控制方法。
背景技术
[0002] 现代临床中，心脏起搏器对
治疗心动过缓及在缓慢心率
基础上发生的
心律失常有极佳效果，自第一台脉冲发生器发明以来，心脏起搏器已挽救了数以百万计患者的生命。
[0003]
现有技术中，植入式起搏器在植入患者体内后，输出心脏起搏
信号的
电极位置不再变动，这样造成两方面的问题：一方面是长时间对同一处心肌刺激会使心肌疲劳甚至受损；另一方面，由于长期刺激同一部位，使得导致刺激效果变差；从而必须增加刺激信号幅度或刺激信号持续时间，使起搏器负荷越来越重，起搏器电量消耗也越来越快；在起搏器不能进行体外无线充电的情况下，起搏效果变差或者起搏器电量消耗增加，势必增加了通过手术更换起搏器的概率。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于避免上述技术方案的不足，而提出了一种心脏起搏器控制系统一种心脏起搏器控制系统，包括用于系统主控制的逻辑控
制模块、用于发出心脏起搏信号的脉冲发放
电路、用于将心脏起搏信号传导至心脏的至少一个电极，以及个数和电极个数一样的多路
开关；脉冲发放电路和逻辑
控制模块电连接；每个电极包含至少两个起搏
导线端子；每个多路开关包含至少两路开关控制通道；多路开关的一端和脉冲发放电路连接，获得脉冲发放电路输出的心脏起搏信号；多路开关的另一端包括至少两路开关控制通道的输出端子，电极的各起搏导线端子分别和多路开关中的各开关控制通道的输出端子电连接；多路开关还和逻辑控制模块电连接，多路开关接受逻辑控制模块的控制，从各开关控制通道中选择一个开关控制通道的输出端子输出心脏起搏信号，同被选中开关控制通道的输出端子相连接的起搏导线端子，输出心脏起搏信号。
[0005] 进一步，心脏起搏器控制系统还包括用于心
电信号检测处理的心电检测电路、两个电极和两个多路开关；心电检测电路和逻辑控制模块电连接，心电检测电路接受逻辑控制模块的控制向逻辑控制模块输出检测的心电信号；逻辑控制模块同步选中相应的电极和多路开关；逻辑控制模块获取并判断心脏起搏信号单次激刺时间或单次刺激信号幅度是否超过设定的
阈值；若超过设定的阈值，逻辑控制模块选择当前电极中的另一个起搏导线端子输出心脏起搏信号，或逻辑控制模块选择另一电极中的一个起搏导线端子输出心脏起搏信号。
[0006] 所述多路开关包含四路开关控制通道，电极包含四个起搏导线端子；多路开关的一端和脉冲发放电路连接，获得脉冲发放电路输出的心脏起搏信号；多路开关的另一端包括四路开关控制通道的输出端子，电极的各起搏导线端子分别和多路开关中的各开关控制通道的输出端子电连接；多路开关接受逻辑控制模块的控制，从四个开关控制通道中选择一个开关控制通道的输出端子输出心脏起搏信号，同被选中开关控制通道的输出端子相连接的起搏导线端子，输出心脏起搏信号；逻辑控制模块获取并判断心脏起搏信号单次激刺时间或单次刺激信号幅度是否超过设定的阈值；若超过设定的阈值，逻辑控制模块选择切换至当前电极中的另一个起搏导线端子输出心脏起搏信号。
[0007] 电极中的四个起搏导线端子被固定在一个柱状容置空间（1）中；电极中的四个起搏导线端子和心肌
接触的一端分别设置有固定钩（2），四个起搏导线端子内部导线与各固定钩（2）电连接。
[0008] 柱状容置空间（1）中放置类固醇，用于降低患者伤口
炎症并获得更低的起搏阈值。
[0009] 进一步，心脏起搏器控制系统还包括可编程电荷
泵倍压电路和充电电容；可编程
电荷泵倍压电路一端和逻辑控制模块电连接，可编程电荷泵倍压电路另一端和充电电容电连接；充电电容和脉冲发放电路电连接。
[0010] 进一步，心脏起搏器控制系统还包括用于检测充电电容上
电压的脉冲幅值检测电路；脉冲幅值检测电路的一端和充电电容电连接，脉冲幅值检测电路的另一端和逻辑控制模块电连接，向逻辑控制模块输出检测到的脉冲幅度数值；脉冲幅值检测电路包括比较器，比较器的一个输入端子和分压电路电连接采集充电电容上的电压，比较器的另一输入端子用于接入参考电压。
[0011] 本发明解决上述技术问题的技术方案还可以是一种心脏起搏器控制方法包括以下步骤，步骤B：逻辑控制模块获取当前电极输出的心脏起搏信号单次激刺时间或单次刺激信号幅度；步骤C：判断单次激刺时间或单次刺激信号幅度是否超过设定的阈值；步骤D：若单次激刺时间或单次刺激信号幅度超过设定的阈值；逻辑控制模块选择选择切换至当前电极中的另一个起搏导线端子输出心脏起搏信号。
[0012] 步骤B之前还有电极设置的步骤A：逻辑控制模块设置或选择一个电极用于输出心脏起搏信号。
[0013] 步骤D可以替换成步骤E：若单次激刺时间或单次刺激信号幅度超过设定的阈值；逻辑控制模块选择另一电极中的一个起搏导线端子输出心脏起搏信号。
[0014] 同现有技术相比较，本发明的有益效果是：心脏起搏器控制系统通过多个电极，以及多个电极中的多个起搏导线端子，具备了向心脏不同位置和不同心肌输出心脏起搏信号的能
力，避免了长时间对同一处心肌刺激导致的心肌疲劳甚至受损，给了心肌自动恢复敏感性的
时间窗口；同时一个电极的多个起搏导线端子将信号引导至不同的心肌位置，避免了长期刺激同一部位导致刺激效果变差而必须增强刺激信号幅度和刺激时间的问题，用较小的刺激信号就能使心脏起搏器维持良好的起搏效果；多电极多个起搏导线端子的心脏起搏器不仅减少了对局部心肌刺激，且具有更好的刺激效果，使用寿命更长，大大降低了由于刺激效果变差或
电池消耗过快导致的创伤性更换心脏起搏器的概率。
附图说明
[0015] 图1是心脏起搏器控制系统的结构
框图；图2是心脏起搏器控制系统的心电检测电路结构框图；图中还显示了心电检测电路和其逻辑控制模块以及消隐电路的连接关系；
图3是心脏起搏器控制系统的脉冲发放电路结构框图；图中还显示了脉冲幅值检测电路和充电电容的连接关系，以及充电电容和其他相关模块的连接关系；
图4是心脏起搏器控制系统的脉冲发放电路和电极中的多个起搏导线端子的连接关系示意图；图中的电极中包含了四个起搏导线端子；
图5是通过多路开关控制切换刺激脉冲输出通道的流程示意图；
图6是心脏起搏器控制系统中包含脉冲发放电路的部分电路图；
图7是心脏起搏器控制系统中脉冲发放电路的输出脉冲时序示意图。
具体实施方式
[0016] 以下结合各附图对本发明的实施方式做进一步详述。
[0017] 如图1所示的心脏起搏器控制系统
实施例中，包括用于系统主控制的逻辑控制模块、用于心电信号检测处理的心电检测电路、用于发出心脏起搏信号的脉冲发放电路、用于将心脏起搏信号传导至心脏的至少一个电极，以及个数和电极个数一样的多路开关；心电检测电路和逻辑控制模块电连接，心电检测电路接受逻辑控制模块的控制向逻辑控制模块输出检测的心电信号；脉冲发放电路和逻辑控制模块电连接；每个电极包含至少两个起搏导线端子；每个多路开关包含至少两路开关控制通道；多路开关的一端和脉冲发放电路连接，获得脉冲发放电路输出的心脏起搏信号；多路开关的另一端包括至少两路开关控制通道的输出端子，电极的各起搏导线端子分别和多路开关中的各开关控制通道的输出端子电连接；
多路开关和逻辑控制模块电连接，多路开关接受逻辑控制模块的控制，从各开关控制通道中选择一个开关控制通道的输出端子输出心脏起搏信号，同被选中开关控制通道的输出端子相连接的起搏导线端子，输出心脏起搏信号。
[0018] 在一些附图中未显示的心脏起搏器控制系统实施例中，心脏起搏器控制系统包括两个电极和两个多路开关；逻辑控制模块同步选中相应的电极和多路开关。
[0019] 图2是心脏起搏器控制系统的心电检测电路结构框图；图中还显示了心电检测电路和其逻辑控制模块以及消隐电路的连接关系。心电检测电路包含窗口比较器，窗口比较器的一个输入端子接入参考电压，窗口比较器的另一个输入端子接
可变增益放大器和带通
滤波器。
可变增益放大器和
带通滤波器和消隐电路连接，接受消隐电路的控制，消隐电路控制可变增益放大器和带通滤波器是否和电极连接获取心电信号；可变增益放大器和带通滤波器也和逻辑控制模块电连接，接受逻辑控制模块的控制。
[0020] 图3是心脏起搏器控制系统的脉冲发放电路结构框图；图中还显示了脉冲幅值检测电路和充电电容的连接关系，以及充电电容和其他相关模块的连接关系。脉冲幅值检测电路包括比较器，比较器的一个输入端子和分压电路电连接采集充电电容上的电压，比较器的另一输入端子用于接入参考电压。图中可以见，脉冲幅值检测电路和充电电容的电连接；充电电容和可编程电荷泵倍压电路电连接；可编程电荷泵倍压电路和逻辑控制模块电连接，接受逻辑控制模块的控制；充电电容和脉冲发放电路电连接。可编程电荷泵倍压电路对充电电容进行充电，脉冲幅值检测电路的功能就是对充电电容进行实时电压监测。
[0021] 心脏起搏器电池电压一般为2.8V，而起搏脉冲幅值一般会在0.8V至8.0V之间变化，所以需要可编程电荷泵倍压电路来实现电压调节功能，可编程电荷泵倍压电路内部由MOS管构成，逻辑控制模块通过控制可编程电荷泵倍压电路的
时钟信号可以控制倍压电路中MOS管开关，使其在不同时钟下有不同的倍压状态，从而降低功耗。由于电容充电最大可达到8V或更高，所以需要分压电路对其分压后才能进入比较器与参考电压做比较，参考电压由逻辑控制模块控制的DAC精确输出，这二者电压输入比较器，当参考电压大于分压电路输入的电压时，比较器输出高电平，可编程电荷泵倍压电路继续给充电电容充电；当参考电压小于分压电路输入的电压时，比较器输出低电平，此时充电电容的电压达到设定的值。即逻辑控制模块检测到比较器输出端下降沿跳变时，控制倍压电路停止给电容充电，当需要对心肌刺激时，逻辑控制模块再控制发放脉冲控制电路使电容放电对心脏输出刺激心肌恢复节律的起搏信号。
[0022] 图6是心脏起搏器控制系统中脉冲发放电路的部分电路图；图中Q1至Q6均为N
沟道MOS管，C1是充电电容，用于存储脉冲电压，C2是滤波电容，R1是限流
电阻。Q1至Q4由四个完全相同的N沟道MOS管组成桥式电路，为减小MOS管对放电时的影响，Q1至Q4四个管子的电路特征参数应保持一致。输出端OUTPUT与多路开关相连，
输出信号至多路开关。
[0023] 图6所示的脉冲发放电路中，当MOS管Q5的
控制信号PWM1为高电平，Q5导通并对C1充电，当脉冲幅值检测电路检测到电容C1电压达到所需脉冲幅值时，逻辑控制模块控制PWM1为低电平，Q5截止，停止为C1充电。当需要对心脏输出起搏信号进行刺激时，逻辑控制模块控制PWM3为高电平，则C1、Q1、Q4及心脏构成放电回路，C1中的电压从OUTPUT端口的负极输入、正极输出，形成负脉冲对心脏进行刺激，0.5ms后逻辑控制模块控制PWM3为低电平，负向脉冲刺激停止，然后逻辑控制模块控制PWM4为高电平，此时C1、Q2、Q3及心脏构成放电回路，C1中的电压从OUTPUT端口的正极输入、负极输出，形成正脉冲平衡相，平衡负脉冲刺激产生的电荷积累。当Q1至Q4这四个 MOS管开关时会形成毛刺，滤波电容C2可滤除这些毛刺。
[0024] 图6所示的脉冲发放电路中三个电路
节点即PWM1、PWM3和PWM4的
输入信号和输出的心脏起搏信号时序关系图如图7所示。从图7可见，图6所示的脉冲发放电路输出的心脏起搏信号为双相波；双相波是由电荷量相当的正负双相电压脉冲组成，第一个脉冲称为刺激相，用于心肌细胞去极化，第二脉冲称为平衡相，可使细胞内电荷达到平衡。双相波有两个极性，一般第一个脉冲作为刺激相，与之相邻的第二个脉冲作为平衡相，平衡相与刺激相的幅值不一定相等，但为了达到电荷平衡效果，应尽量使平衡相与刺激相的
能量相等。相比一种极性只有刺激功能的单相波，带有
直流分量，对人
体细胞和组织有
电解作用，长时间刺激会对心脏组织造成损伤。
[0025] 图6所示的脉冲发放电路中，当检测到起搏器故障时，可通过电路节点PWM1输入控制信号使Q6导通，将充电电容C1中电量泄放掉，防止病人受到二次伤害，但若直接将Q6接地会使瞬间
电流过大，容易对电容造成损坏，故加上R1减小放电电流。
[0026] 如图4多路开关和电极的连接示意图所示，多路开关包含四路开关控制通道，电极包含四个起搏导线端子；多路开关的一端和脉冲发放电路连接，获得脉冲发放电路输出的心脏起搏信号；多路开关的另一端包括四路开关控制通道的输出端子，电极的各起搏导线端子分别和多路开关中的各开关控制通道的输出端子电连接；多路开关接受逻辑控制模块的控制，从四个开关控制通道中选择一个开关控制通道的输出端子输出心脏起搏信号，同被选中开关控制通道的输出端子相连接的起搏导线端子，输出心脏起搏信号。
[0027] 图4中电极中的四个起搏导线端子被固定在一个柱状容置空间1中，柱状容置空间1中放置类固醇，类固醇缓释能有效降低患者伤口炎症并获得更低的起搏阈值。电极中的四个起搏导线端子和心肌接触的一端分别设置有固定钩2，四个起搏导线内部与固定钩2相连接，当电极与心肌连接时固定钩会穿刺心肌达到固定的作用，并起到传输脉冲作用。由于多个固定钩分部在心肌不同位置，通过选择不同的脉冲发放通道可以避免同一处心肌持续受到脉冲刺激。
[0028] 心脏起搏器控制系统中设置多个电极，多个电极中又设置有多个起搏导线端子，不仅多个电极可以设置在心脏的不同位置与心脏不同位置心肌连接，单个电极中的多个起搏导线端子也能在电极位置固定的情况下，向处在同一区域的不同心肌连接，输出。
[0029] 心脏起搏器控制系统具备了向心脏不同位置，及向相同局部位置中不同心肌输出心脏起搏信号的能力，通过模拟开关选择脉冲发送通道或者电极，达到刺激不同位置心肌的效果，避免了长时间对同一处心肌刺激导致的心肌疲劳甚至受损，给了心肌自动恢复敏感性的时间窗口；同时一个电极的多个起搏导线端子将信号引导至不同的心肌位置，避免了长期刺激同一部位导致刺激效果变差而必须增强刺激信号幅度和刺激时间的问题，用较小的刺激信号就能使心脏起搏器维持良好的起搏效果；多电极多个起搏导线端子的心脏起搏器不仅减少了对局部心肌刺激，且具有更好的刺激效果，使用寿命更长，大大降低了由于刺激效果变差或电池消耗过快导致的创伤性更换心脏起搏器的概率。
[0030] 图5是图4中多路开关中的开关控制通道切换的
流程图。当起搏脉冲长时间刺激同一处心肌后会使心肌疲劳，心肌兴奋性降低，从而导致心肌阻力与起搏阈值提高的改变，为保证起搏效果，脉冲幅值与脉宽需要变大才能保证起搏的效果。逻辑控制模块可通过单次激刺时间是否超过阈值，从而决定是否需要通过控制多路开关选择其他电极或起搏导线端子发放起搏脉冲。
[0031] 在附图中未示出的心脏起搏器控制方法实施例中，包括以下步骤，B：逻辑控制模块获取当前电极输出的心脏起搏信号单次激刺时间或单次刺激信号幅度；C：判断单次激刺时间或单次刺激信号幅度是否超过设定的阈值；D：若单次激刺时间或单次刺激信号幅度超过设定的阈值；逻辑控制模块选择选择切换至当前电极中的另一个起搏导线端子输出心脏起搏信号。
[0032] 步骤B之前还有电极设置的步骤A：逻辑控制模块设置或选择一个电极用于输出心脏起搏信号。
[0033] 步骤D可以替换成步骤E：若单次激刺时间或单次刺激信号幅度超过设定的阈值；逻辑控制模块选择另一电极中的一个起搏导线端子输出心脏起搏信号。
[0034] 如图1所示的心脏起搏器控制系统实施例中，还包括消隐电路，霍尔开关，看
门狗，射频通信模块，无线充电接收电路和电池。
[0035] 心脏起搏器中的电极兼有输出心脏起搏信号和检测心电信号的功能，在
感知心脏活动时，检测到R波或发出起搏脉冲后的一段时间内就不会再有R波或P波，采用消隐电路使电极上的信号不传入到心电检测电路中，通过控制消隐电路来防止心脏起搏器被T波及其他外来电信号误触发。心脏起搏器电极采集到的心电信号经过心电检测电路的放大、滤波处理后输入逻辑控制模块。
[0036] 电极用作向心脏输出心脏起搏信号，通常心脏起搏信号为脉冲信号，也可以称之为心脏起搏脉冲，同时电极也用来作为获取心电信号的信号采集端子，因此在只有一个电极的时候，必须采用一个控制模块如消隐电路来进行分时控制切换电极和相应电路的连接关系。当采用多个电极的时候，可以选择不同电极分别用作脉冲输入端子和信号输出端子，可以不使用消隐电路。当然在采用多个电极的时候，不同的电极也可共同用作脉冲输入端子和信号输出端子，也可以为这些电极设置相应的消隐电路。
[0037] 如图1所示的心脏起搏器控制系统实施例中，消隐电路和逻辑控制模块电连接；在电极向心脏输出心脏起搏信号的时候，消隐电路将电极上的信号向心电检测电路进行屏蔽，使得心电检测电路只在必要时刻发挥心电信号检测的功能，而在电极输出起搏时刻心电信号的时候不会发生误检测。逻辑控制模块
对电极反馈回的心电信号分析处理后控制心脏起搏信号输出，当输出心脏起搏信号即发放刺激脉冲时，控制消隐电路断开电极和心电检测电路的连接关系，防止高压脉冲对心电检测电路造成破坏。
[0038] 传统心脏起搏器内部通常装有
簧片开关，当心脏起搏器出现奔放现象时，可在起搏器表面放置磁
铁，使起搏器以固定
频率发放起搏脉冲以减小对病人的伤害，在本发明中用霍尔开关替换了簧片，霍尔开关与簧片具有相同的功能，但与簧片相比，霍尔开关具有体积小、反应快、无磨损等优点。为进一步防止起搏器运行中出现故障，本发明还增加了看门狗机制，防止起搏器程序跑飞。
[0039] 如图1所示的心脏起搏器控制系统实施例中，还包括霍尔开关，看门狗。霍尔开关和看门狗是保护心脏起搏器的两种方式，当心脏起搏器的电路出现故障或电池耗竭时有可能出现奔放现象，奔放现象会对病人造成极大的伤害，出现该现象时可采用在起搏器表面放置
磁铁的方式作为紧急处理，使起搏器恢复为固率输出脉冲，减轻对病人的伤害。为进一步防止起搏器运行中出现故障，本发明还增加了看门狗机制，防止起搏器程序跑飞。
[0040] 如图1所示的心脏起搏器控制系统实施例中，还包括射频通信模块。其中射频通信电路可采用BLE或ZigBee等低功耗无线通讯技术，通过射频通信模块心脏起搏器可以与程控器进行信息交互。所述程控器包含程控和遥测两种功能，程控功能是将医生设置的起搏模式及参数通过射频电路发送给心脏起搏器，使心脏起搏器以符合病人所需的模式工作；遥测功能是心脏起搏器将采集到的心电信号、起搏器本身信息以及电池信息等通过射频电路发送给程控器，以供医生参考。
[0041] 如图1所示的心脏起搏器控制系统实施例中，还包括无线充电接收电路和电池。无线充电电路能将接收到的电磁能量转换为电压，为心脏起搏器电池充电。无线充电电路采用Qualcomm WiPower技术方案，该技术方案能够隔着金属
外壳给心脏起搏器充电而不引起发热问题。无线充电电路采用模块化设计，直接输出电池所需充电电压，无需再添加整流、滤波、稳压电路。无线充电电路采用了Qualcomm WiPower技术，WiPower技术是基于近场磁共振原理研发的，并且兼容Rezence标准，所以该无线充电电路能在相对较长的距离内传输
电能，发送器和接收器不需要精确的对准。此外，虽然目前有研究人员提出了一些心脏起搏器无线充电的方案，但无法解决隔着金属外壳给起搏器充电会使起搏器发热的难题，而WiPower技术彻底解决了该难题，能够对具有金属外壳的设备进行无线充电而不产生发热问题。无线充电电路可以采用模块化设计来减小体积和功耗，同时与射频通信模块结合来获取充电信息，这样能够极大地提高无线充电设计的灵活性和便利性。
[0042] 本发明提出一种新型心脏起搏器电路对传统起搏器电路作出了改进，包括心电检测电路、脉冲发生电路、起搏器保护电路、射频通信电路以及无线充电电路，起搏导线采用多电极结构，其中脉冲发生电路、无线充电电路以及多电极结构的起搏导线是主要创新点。
[0043] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是利用发明
说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
