基于市場需求的心臟電生理三維標測系統產品設計與開發

史天才 朱顯釗 鄧立 四川錦江電子醫療器械科技股份有限公司 （四川 成都 610000）

內容提要：為了滿足醫療機構、科研機構等客戶對心臟電生理檢查和輔助診斷的需求，通過市場調研和客戶需求分析，結合現有技術和市場需求，設計出符合用戶需求的心臟電生理三維標測系統產品方案；進行軟硬件開發和集成測試，并進行試驗驗證和性能評估。經過多次設計和開發，成功地開發了一款基于市場需求的心臟電生理三維標測系統產品。該產品已經通過試驗驗證和性能評估，并得到了客戶的認可和好評。

心臟電生理檢查和輔助診斷是現代醫療領域中的一個重要分支，其在心臟病的預防、診斷和治療方面具有重要意義。目前，隨著醫療技術的不斷發展和進步，市場對心臟電生理檢查和輔助診斷產品的需求也越來越高。因此，本項目旨在設計和開發一款基于市場需求的心臟電生理三維標測系統產品，以滿足客戶對心臟電生理檢查和輔助診斷的需求。將介紹本項目的整體流程和具體實施方法。首先，將進行市場調研和客戶需求分析，確定產品設計的主要功能和特點；接著，將結合現有技術和市場需求，設計出符合用戶需求的心臟電生理三維標測系統產品方案；然后，將進行軟硬件開發和集成測試，并進行試驗驗證和性能評估；最后，本項目的成功實施，將為醫療機構、科研機構等客戶提供更加準確和可靠的心臟電生理檢查和輔助診斷服務，進一步推動醫療技術的發展和創新。

1.背景介紹

1.1 心臟電生理三維標測系統的概念及應用

心臟電生理三維標測系統是一種用于心臟電生理檢查和輔助診斷的技術，主要通過記錄心臟電信號并進行處理，以獲取有關心臟結構和功能的信息。該系統可以在三維空間中重建心臟電解剖信息，并對其進行分析和輔助診斷，從而為醫療機構、科研機構等客戶提供更加準確和可靠的心臟電生理檢查和輔助診斷服務[1]。

傳統的心臟電生理檢查技術主要存在以下問題：

二維圖像無法全面反映心臟電信號的分布情況，難以準確地確定心臟的結構和功能。在心臟電信號的采集和處理過程中，受到人為因素和干擾的影響，難以保證數據的準確性和一致性。傳統的心臟電生理檢查技術需要人工記憶和操作，過程繁瑣，效率低下。

心臟電生理三維標測系統的出現，有效地解決了傳統心臟電生理檢查技術存在的這些問題。通過使用三維重建技術，心臟電生理三維標測系統是一種高精度、高效率的醫療設備，它可以為醫護人員提供可靠的心臟電生理數據，幫助他們更好地診斷和治療心臟疾病。同時，該系統的三維建模功能可以讓醫生更加清晰地了解患者的心臟結構和功能，從而為手術治療提供更加精準的指導。除此之外，本產品還具有測量心腔和血管內壓力的功能，這對于手術過程中監測患者生命體征非常重要。

在醫療機構中，本產品已經得到廣泛應用，使用磁電融合定位技術，可以達到極高的定位精準度，誤差僅為±1.0mm。結合錦江多磁導管，可以實現導管全磁定位，并且能夠非常準確地顯示導管的形態。

表1是部分醫療機構在使用本公司的心臟電生理三維標測系統時的應用情況。通過使用磁電融合定位技術，本產品可以達到極高的定位精準度，誤差僅為±1.0mm。結合錦江多磁導管，可以實現導管全磁定位，并且能夠非常準確地顯示導管的形態。

表1.部分醫療機構在使用本公司的心臟電生理三維標測系統時的應用情況

表2.數據傳輸與存儲方案

此外，該技術還具有呼吸補償和門控兩種呼吸學習技術，可以有效屏蔽呼吸帶來的導管運動干擾。如此，可以實時、穩定、準確地顯示導管的運動姿態，從而保證導管操作的安全和高效，同時也減少了射線曝光的風險[2]。

信號真實清晰，能夠精準呈現特征電位。此外，還支持快速建模及同步密集點標測，可以建立真實解剖模型，更加準確地展示電生理記錄結果。

系統集成了完整的電生理記錄系統、自動標測模塊、消融控制分析模塊、多參數可調刺激模塊，實現了多功能一體化。同時，還支持與錦江自研的射頻消融系統及脈沖電場消融系統無縫結合，提供三維指導下射頻消融+三維指導下脈沖電場消融多種整體解決方案。這樣一來，可以為醫生提供更加全面、高效、精準的手術指導，幫助他們更好地完成手術任務。綜上所述，心臟電生理三維標測系統主要是為了解決傳統心臟電生理檢查技術存在的局限，提高心臟電生理檢查和診斷的準確性、穩定性和效率。

1.2 市場對心臟電生理三維標測系統的需求

首先，心臟電生理三維標測系統可以提高心臟疾病的診斷準確性和效率。傳統的心臟電生理檢查技術存在一些局限性，使得醫生難以準確地確定心臟的結構和功能，從而影響了診斷的準確性。而心臟電生理三維標測系統采用三維重建技術，可以更加全面地反映心臟電信號的分布情況，更加準確地確定心臟的結構和功能，從而提高了診斷的準確性和效率。

其次，心臟電生理三維標測系統可以提高醫生的工作效率。傳統的心臟電生理檢查技術需要人工記憶和手動操作，過程繁瑣，效率低下。而心臟電生理三維標測系統采用自動化技術進行數據采集和處理，可以大幅縮短檢測和診斷的時間，提高醫生的工作效率。

最后，心臟電生理三維標測系統還可以為科研機構提供更加準確和可靠的數據支持。心臟電生理檢查和診斷在心血管疾病的基礎研究中具有重要的應用價值，而心臟電生理三維標測系統可以提供更加準確和可靠的數據支持，進一步推動心血管疾病的研究和治療。

綜上所述，市場對心臟電生理三維標測系統的需求不斷增加，主要是因為該系統可以提高心臟疾病的診斷準確性和效率，提高醫生的工作效率，為科研機構提供更加準確和可靠的數據支持。

2.產品設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 采集設備的選擇與設計

在設計心臟電生理三維標測系統產品采集設備時，需要考慮以下幾個方面：①信號采集方式：心臟電信號是非常微弱的生物電信號，因此需要選擇高靈敏度的信號采集器，并且需要考慮如何減少干擾信號的影響。②數據傳輸方式：采集到的心臟電信號需要進行傳輸和處理，因此需要選擇高速、實時、可靠的數據傳輸方式，以保證數據的準確性和穩定性。③數據處理器：心臟電生理三維標測系統需要對采集到的數據進行處理和分析，因此需要選擇高性能的數據處理器，并且需要考慮如何優化算法，提高數據處理效率。④設計可靠性：由于心臟電生理檢查和診斷的重要性，因此采集設備的設計必須具有高可靠性，能夠在長時間的使用中保持穩定性和準確性。⑤設計易用性：心臟電生理三維標測系統的用戶群體包括醫生、科研人員等，因此采集設備的設計應該注重易用性和人性化，方便用戶操作和數據處理。

綜合考慮以上幾個方面，可以選擇高靈敏度的心電圖采集器、高速穩定的數據傳輸方式、高性能的數據處理器，并且需要進行優化算法，提高數據處理效率。同時，在設計采集設備時，需要注重可靠性和易用性，以滿足醫生和科研人員的需求。

2.1.2 數據傳輸與存儲方案

例如，當一位患者進行心電圖檢查時，心電圖信號采集模塊會通過高速總線傳輸將心電圖信號傳輸到硬件控制傳輸模塊。同時，三維定位模塊也會通過高速總線傳輸將三維定位數據傳輸到硬件控制傳輸模塊。硬件控制傳輸模塊再通過高速光纖，將這些數據傳輸到計算機設備，以保證數據傳輸的穩定性和可靠性。最后，計算機設備將心電圖信號和三維心電圖數據存儲在硬盤中，并進行壓縮處理。同時，還會建立數據備份和校驗機制，定期將數據備份到外部存儲設備，以確保數據的安全性和可靠性。

2.1.3 三維磁電定位技術

通過設備發放電磁場，形成電場和磁場定位空間，結合導管內部傳感器，采集場信息并解算，獲得導管傳感器位置。此外，該系統還能夠實現三維建模技術，包括CT/MRI影像三維解剖重構，以及三維實時建模和心電標測功能。

具體而言，該技術的工作原理是通過在目標區域周圍發放電磁場，形成電場和磁場定位空間，然后利用導管內部的傳感器采集場信息，并進行解算，從而獲得導管傳感器位置。該技術可以實現高精度的導管定位，為手術操作提供有力支持。

此外，該系統還能夠實現三維建模技術，包括CT/MRI影像三維解剖重構，以及三維實時建模和心電標測功能。通過將三維解剖重構和實時建模技術相結合，可以更加直觀地觀察導管的位置和周圍解剖結構位置關系，為手術操作提供更加準確的指導。同時，心電標測功能可以幫助醫生更好地了解患者的心電傳導和基質情況，為手術操作提供更全面的信息支持。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 數據處理算法的設計與實現

以下是心臟電生理三維標測系統產品數據處理算法的舉例公式：

2.2.1.1 心電信號濾波算法

心電信號濾波算法的實現通常采用數字濾波器，其中常用的濾波器有低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等。

具體來說，設輸入的心電信號為x(n)，輸出的信號為y(n)，則低通濾波器的差分方程見公式（1）：

其中，a和b是濾波器的系數，根據需要進行設置。高通濾波器和帶通濾波器的差分方程類似，具體的實現可以根據實際需求進行選擇。

2.2.1.2 三維重建算法

心臟電生理三維標測系統產品采用的三維重建算法通?；诖烹娙诤隙ㄎ患夹g和導管全磁定位技術，通過對采集到的心臟電信號和導管位置進行重建，得到心臟的三維模型。具體的算法包括最小二乘法、插值法、曲面重建等方法。

2.2.1.3 心臟電活動的分析算法

心臟電活動的分析算法通常包括心率、QRS波形、ST段和T波等參數的計算和分析。其中，心率的計算可以采用公式（2）：

其中，RR間期指相鄰兩個R波之間的時間間隔，采樣頻率指采集設備的采樣頻率。

2.2.1.4 圖像顯示算法

圖像顯示算法通?；贠penGL等圖形庫進行實現，將采集并處理好的心臟電信號和三維模型以圖像的形式顯示出來，方便醫生進行觀察和診斷。其中，紋理映射是一種將圖像貼到三維模型表面上的技術，可以用來在三維模型上可視化心臟電信號。在OpenGL中，可以使用公式（3）、公式（4）進行紋理坐標的計算：

式中，x和y分別表示紋理圖像中的像素坐標，width和height分別表示紋理圖像的寬度和高度，u和v分別表示紋理坐標。

2.2.2 用戶界面設計

心臟電生理三維標測系統產品用戶界面設計需要考慮到用戶的使用習慣和需求，具有直觀、易用、美觀等特點。以下是一些常用的設計思路和原則：①界面布局清晰：采用分組、分類、標簽等方式對功能進行劃分和組織，使得用戶可以輕松地找到所需的功能。②功能導航簡單：采用菜單、工具欄、狀態欄等方式對功能進行導航和展示，同時可以添加快捷鍵等操作方式，提高系統的使用效率。③操作反饋及時：采用提示框、進度條等方式對操作進行反饋，同時可以添加音效等方式增強用戶的交互體驗。④界面風格統一：采用現代化、扁平化等風格，同時可以根據不同用戶群體的需求進行定制化設計，提高系統的用戶滿意度。⑤界面響應速度快：采用多線程、異步加載等方式提高界面的響應速度，同時優化代碼和算法，減少系統的資源占用率。

綜上所述，心臟電生理三維標測系統產品用戶界面設計需要考慮到用戶的使用習慣和需求，具有直觀、易用、美觀等特點，同時要注意界面布局清晰、功能導航簡單、操作反饋及時、界面風格統一和響應速度快等設計原則。

2.2.3 系統性能優化

心臟電生理三維標測系統的性能優化如表3所示。

表3.心臟電生理三維標測系統的性能優化

表4.心臟電生理三維標測系統功能測試的示例結果

3.產品開發

3.1 系統架構設計

心臟電生理三維標測系統是一種復雜的軟件系統，需要經過合理的架構設計才能實現高效、穩定和可擴展的運行。該系統采用分層架構，將系統按照功能劃分為多個模塊，每個模塊負責不同的功能實現。系統分為界面層、業務邏輯層和數據訪問層三個層次。

3.1.1 界面層

界面層負責與用戶進行交互，包括用戶輸入、顯示結果等操作。該層采用MVC模式，將界面、控制器和模型進行分離，使得系統更加靈活和易于維護。界面層采用MFC框架進行開發，提供友好的用戶界面和豐富的交互功能。

3.1.2 業務邏輯層

業務邏輯層負責處理用戶的請求，并進行相應的業務邏輯處理。該層采用C++語言進行開發，包括信號處理、濾波、分析和輔助診斷等功能。為了提高系統的性能和擴展性，業務邏輯層采用多線程技術，將耗時的操作放到子線程中，避免阻塞主線程。

3.1.3 數據訪問層

數據訪問層負責與數據庫進行交互，進行數據的存儲和查詢等操作。該層采用數據庫進行存儲和管理數據，同時采用ORM框架進行開發，提供更加便捷和高效的數據訪問接口。

3.1.4 系統通信

系統通信模塊負責與外部設備進行通信，包括消融儀、導管等設備。該模塊采用串口通信和網絡通信技術，實現與外部設備的數據交換和控制。

綜上所述，心臟電生理三維標測系統采用分層架構設計，將系統按照功能劃分為多個模塊，實現了界面層、業務邏輯層和數據訪問層的分離，同時采用多線程技術和ORM框架等技術，提高了系統的性能和可擴展性。系統通信模塊實現了與外部設備的數據交換和控制，為系統的應用提供了更加便捷和高效的手段。

3.2 系統功能測試

心臟電生理三維標測系統的功能測試是系統測試中非常重要的一部分，主要是為了驗證系統的各項功能是否符合用戶需求和規格要求。以下是該系統的功能測試內容：

3.2.1 信號采集和處理功能測試

測試系統是否能夠正確采集心電信號，并進行預處理、濾波、去噪等處理，以保證信號的準確性和穩定性。

3.2.2 心電圖分析和診斷功能測試測試系統是否能夠對心電圖進行分析，包括心率、激動時間、單雙極電壓方面的分析。

3.2.3 數據庫管理功能測試測試系統是否能夠正確地進行數據的存儲、查詢、修改和刪除等操作，并保證數據的完整性和安全性。

3.2.4 系統設置和配置功能測試

測試系統是否能夠正確地進行系統設置和配置，包括參數設置、用戶管理、權限管理等方面的設置，以保證系統的可靠性和安全性。

3.2.5 界面操作功能測試

測試系統的界面操作是否流暢、簡潔、易用，是否符合用戶體驗和人機工程學要求。

3.2.6 外部設備通信功能測試

測試系統是否能夠正確地與外部設備進行通信，包括消融儀、導管等設備，以保證數據的準確性和穩定性。

通過以上功能測試，可以驗證系統的各項功能是否符合用戶需求和規格要求，發現并解決潛在的問題和風險，提高系統的質量和可靠性。

3.3 系統測試結果

通過以上功能測試，系統能夠符合用戶需求和規格要求，各項功能均通過測試。同時，在測試過程中發現的問題和風險已經得到及時解決，保證了系統的質量和可靠性。

4.小結

綜上所述，本文提出了一款基于市場需求的心臟電生理三維標測系統產品，該產品已通過試驗驗證和性能評估，并得到客戶認可和好評。該產品將為醫療機構、科研機構等客戶提供更加準確和可靠的心臟電生理檢查和輔助診斷服務，推動醫療技術的發展和創新。這款心臟電生理三維標測系統產品的開發，是基于市場需求和技術創新的雙重驅動，旨在提供更加準確和可靠的心臟電生理檢查和輔助診斷服務，滿足醫療機構、科研機構等客戶的需求[3]。經過實驗驗證和性能評估，該產品已證明具有良好的性能和可靠性，并得到客戶的認可和好評。

該產品的成功開發，不僅推動了醫療技術的發展和創新，也為行業帶來了巨大的商業價值和社會價值。未來，隨著技術的不斷進步和應用的不斷拓展，該產品將發揮更加重要的作用，為人們的健康和生命安全保駕護航。