趙暉

天臺(tái)縣人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 臺(tái)州317200

基于LabVIEW的除顫監(jiān)護(hù)檢測(cè)儀的開發(fā)

趙暉

天臺(tái)縣人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 臺(tái)州317200

除顫器是用于搶救和治療心律失常病人的設(shè)備，為確保除顫器臨床使用的安全有效，必須對(duì)其主要指標(biāo)進(jìn)行定期檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一款基于LabVIEW的除顫器檢測(cè)儀，用于檢測(cè)除顫器的釋放能量、同步除顫延遲時(shí)間等指標(biāo)，并可輸出模擬心電信號(hào)和正弦波（或方波）信號(hào)。

除顫器；除顫監(jiān)護(hù)檢測(cè)儀；心電信號(hào)；信噪比

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得原來(lái)許多由硬件完成的功能可由軟件實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，可視化程序開發(fā)語(yǔ)言在軟件領(lǐng)域中為更多易于使用、功能強(qiáng)大的軟件的開發(fā)提供了可能性，這就為一種全新的測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)——虛擬儀器的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)[1-2]。與傳統(tǒng)的儀器相比， 虛擬儀器立足于軟件，可以充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，并具有開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低、技術(shù)更新周期短、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司的基于圖形化編程——G語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境[3-4]，其是一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形化編程工具，由前面板和程序框圖組成。具有功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，提供了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析工具，包括數(shù)值采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。采用旋鈕、開關(guān)、波形圖等構(gòu)造用戶界面，人機(jī)交互界面友好，可廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)療在內(nèi)的各行各業(yè)[5-6]。

1 系統(tǒng)概述

除顫器是一種應(yīng)用電擊來(lái)?yè)尵群椭委熜穆墒С２∪说尼t(yī)用電子設(shè)備，它利用自身的儲(chǔ)能裝置產(chǎn)生幾千伏、能量可控的瞬間高壓電脈沖，通過除顫電極向患者釋放，來(lái)消除某些心律紊亂，使患者恢復(fù)竇性心律。

由于除顫器是搶救用的醫(yī)療儀器，所以它應(yīng)時(shí)刻處在完好的狀態(tài)，以備隨時(shí)使用。為確保除顫器臨床使用的安全有效，必須對(duì)其主要指標(biāo)進(jìn)行定期檢測(cè)。根據(jù)除顫監(jiān)護(hù)儀校準(zhǔn)規(guī)范[7]，需檢測(cè)的指標(biāo)包括釋放能量的準(zhǔn)確度、充電時(shí)間、充放電次數(shù)、內(nèi)部放電性能、同步除顫延遲時(shí)間、心電信號(hào)放大器的性能及心率示值的準(zhǔn)確度等。為此，需要使用除顫器檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，具體指標(biāo)如下：

（1）內(nèi)置50Ω阻性放電負(fù)載。

（2）能量測(cè)量范圍：0～500J，最大允許誤差：測(cè)量值的±5%或±2J（兩者取較大值）。

（3）同步除顫延遲時(shí)間測(cè)量，最大允許誤差：±2ms。

（4）能輸出同步模擬心電信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)，心率范圍：30 ～240次/min。

（5）能輸出正弦波（或方波）信號(hào)，頻率范圍：1～25Hz；輸出電壓峰峰值：1mV。

目前，市場(chǎng)上銷售的除顫器檢測(cè)儀幾乎都是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格高昂。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于LabVIEW的除顫器檢測(cè)儀用來(lái)完成這些檢測(cè)。

該系統(tǒng)選擇LabVIEW作為編程語(yǔ)言，以軟件為中心，在必需的硬件環(huán)境下盡可能發(fā)揮軟件功能，完成信號(hào)采集、信號(hào)處理以及測(cè)試結(jié)果的顯示等工作。系統(tǒng)主要由波形輸出電路（模擬心電信號(hào)、正弦波或方波信號(hào)輸出），除顫信號(hào)處理電路（除顫波的衰減、濾波放大），數(shù)據(jù)采集卡(完成A/D、 D/A轉(zhuǎn)換)及軟件系統(tǒng)組成。其中，軟件系統(tǒng)包含3個(gè)子vi模塊（波形輸出子vi、數(shù)據(jù)采集子vi、數(shù)據(jù)分析子vi），并以友好的圖形界面與用戶進(jìn)行交互。監(jiān)護(hù)儀操作面板，見圖1。

2 硬件電路

硬件電路主要由波形輸出電路、除顫信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集卡DAQ組成。硬件電路示意圖，見圖2。

圖2 硬件電路示意圖

數(shù)據(jù)采集卡采用USB接口采集卡，采樣時(shí)鐘設(shè)置為10kHz，分辨率12bit。運(yùn)放采用低輸入噪聲、低輸入失調(diào)電壓的高精度運(yùn)放。所有電路由USB端口供電，經(jīng)DC-DC模塊提供±5V電壓。

心電信號(hào)、正弦波或方波信號(hào)經(jīng)采集卡DA0端口輸出至運(yùn)放電路IC3、C4緩沖、濾波后，一路由導(dǎo)聯(lián)輸出電路輸出至除顫監(jiān)護(hù)儀，作為同步除顫的心電同步信號(hào)，或用以測(cè)試監(jiān)護(hù)的頻率響應(yīng)，另一路經(jīng)IC5緩沖后至DAQ卡AD0端口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作為反饋信號(hào)用以監(jiān)測(cè)輸出。

因?yàn)槌澠魇歉鶕?jù)人體的阻抗為50Ω來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以在測(cè)試時(shí)也必須在兩個(gè)電極之間加上模擬人體阻抗（50Ω）負(fù)載。除顫時(shí)作用于心臟的是一次瞬時(shí)高能脈沖，一般持續(xù)時(shí)間為4～10ms，強(qiáng)度為幾千伏（kV）和幾十安培（A），能量在50～360J。采集前需對(duì)其進(jìn)行衰減， R1～R10、IC1組成有源衰減電路，經(jīng)衰減、IC2緩沖濾波后，輸入DAQ卡AD1端口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換至PC機(jī)。D1～D4提供過壓保護(hù)。

采集卡數(shù)字量輸出端口DO1控制J1，用以控制衰減系數(shù)在1000:1與2000:1之間切換，

3 軟件系統(tǒng)

圖1 操作面板

3.1 波形輸出子vi

為了測(cè)試除顫器同步除顫時(shí)的同步性能和監(jiān)護(hù)儀的頻率響應(yīng)，需輸出幅度、頻率可調(diào)的模擬心電信號(hào)和正弦波（或方波）信號(hào)。

波形輸出由波形輸出子vi和相應(yīng)電路組成。波形輸出子vi首先使用條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸出波形選擇，即通過波形類型下拉列表控件選擇相應(yīng)的While循環(huán)，輸出相應(yīng)的波形，同時(shí)通過旋鈕控件選擇心率或正弦波、方波頻率；通過數(shù)值輸入控件設(shè)置輸出幅度。心率范圍：30 ～240次/min；正弦波、方波頻率范圍：0.05～200Hz。

心電信號(hào)波形輸出程序框圖，見圖3。其最外層為While循環(huán)，循環(huán)內(nèi)部由MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)、波形創(chuàng)建Vi、數(shù)據(jù)發(fā)送Vi 等組成。心電信號(hào)通過MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)執(zhí)行用MATLAB語(yǔ)言編寫的腳本，生成模擬心電信號(hào)，并以數(shù)組形式送往波形創(chuàng)建Vi生成波形數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)發(fā)送Vi輸出至采集卡。

心電信號(hào)是由MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)生成的，MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)、效率高、簡(jiǎn)單易學(xué)的科學(xué)仿真、計(jì)算軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能模塊，以及強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫(kù)，仿真過程是交互的，可以隨時(shí)修改參數(shù)，能夠立即看到仿真結(jié)果，生成可實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)信號(hào)，與Labview比較各有優(yōu)缺點(diǎn)，利用混合編程可以相互補(bǔ)充[8-9]。

一個(gè)典型的心電信號(hào)由P波、PR段、QRS波、ST段和T波組成，頻率范圍為0.05～100Hz，幅度約為0～4mV。這里使用兩種方法生成心電信號(hào)，一種是將心電信號(hào)近似看作是各個(gè)三角波信號(hào)和正弦信號(hào)的組合，先經(jīng)過計(jì)算得到各個(gè)特征波序列，再將各特征波合成為最終的仿真信號(hào)。通過MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)輸出心率、幅度連續(xù)實(shí)時(shí)可調(diào)的模擬心電信號(hào)。另一種是根據(jù)心電圖生成的動(dòng)態(tài)模型[10]，求解以下微分方程：

由于求解微分方程相當(dāng)費(fèi)時(shí)，因此，首先通過MATLAB軟件生成各種心率的波形數(shù)據(jù)文件，再由程序中MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)文件，輸出固定心率的心電信號(hào)。

正弦波、方波則由Labview的波形生成vi產(chǎn)生。這些生成的波形通過D/A轉(zhuǎn)換、濾波放大、經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸出電路至除顫監(jiān)護(hù)儀。

撥動(dòng)除顫波衰減開關(guān)，可通過DO1端口調(diào)節(jié)除顫信號(hào)放大電路的衰減系數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集子vi

數(shù)據(jù)采集子vi包括兩部分，第一部分為采集卡初始化程序，第二部分為程序的主要部分, 最外層是一個(gè)While循環(huán)，循環(huán)內(nèi)部由電壓采集Vi、幅值和電平測(cè)量Vi、觸發(fā)與門限Vi、波形圖表等組成。數(shù)據(jù)采集程序框圖，見圖4。

單擊面板上的采集開關(guān)，系統(tǒng)開始循環(huán)讀取采集卡采集的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)衰減的除顫信號(hào)和波形輸出電路輸出的波形，并分別顯示在波形圖表中。

單擊調(diào)零開關(guān)，系統(tǒng)通過讀取幅值和電平測(cè)量Vi的直流信號(hào)對(duì)除顫信號(hào)輸入通道自動(dòng)調(diào)零，調(diào)節(jié)幅度旋鈕和位移滑塊，可調(diào)整顯示波形的顯示幅度和上下位置，方便地觀察心電和除顫實(shí)時(shí)波形。

而觸發(fā)與門限Vi一旦檢測(cè)到手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)或除顫放電脈沖，則采集儲(chǔ)存觸發(fā)前后的除顫信號(hào)和心電波形，供信號(hào)分析模塊分析。

3.3 信號(hào)分析子vi

圖3 心電信號(hào)波形輸出程序框圖

信號(hào)分析模塊從采集模塊獲得觸發(fā)前后的除顫信號(hào)和心電波形數(shù)據(jù)，并同時(shí)顯示在波形圖表中，同樣可通過調(diào)節(jié)幅度旋鈕和位移滑塊，調(diào)整波形的顯示幅度和上下、左右位置，詳細(xì)觀察除顫器的放電波形以及與心電信號(hào)的同步關(guān)系。并自動(dòng)測(cè)量取樣區(qū)間內(nèi)的釋放能量、同步除顫延遲時(shí)間、最大電壓、最大電流。取樣區(qū)間的選取可選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式，通過自動(dòng)測(cè)量選擇開關(guān)切換。

自動(dòng)模式：由于除顫信號(hào)脈沖一般持續(xù)時(shí)間為十幾毫秒（ms），同步觸發(fā)延遲時(shí)間<30ms，因此，測(cè)量區(qū)間選擇為觸發(fā)前40ms至觸發(fā)后20ms。

手動(dòng)模式：通過移動(dòng)波形圖表中的兩條游標(biāo)確定取樣區(qū)間。

能量測(cè)量：除顫時(shí)作用于心臟的是一次瞬時(shí)高能脈沖，取該放電電壓進(jìn)行平方和積分運(yùn)算，再除以負(fù)載電阻即得到相應(yīng)的電擊能量值[11]。計(jì)算公式如下：

式中，dt為100μs，R為50Ω。

同步除顫延遲時(shí)間測(cè)量：測(cè)量從R波峰值到除顫器放電脈沖峰值所持續(xù)的時(shí)間。

4 結(jié)果與分析

利用該測(cè)試儀對(duì)PHILIPS 4735除顫器進(jìn)行測(cè)量，模擬心電信號(hào)為80bpm，1mV峰峰值，觀察除顫器的放電波形，可觀察到該波形為典型的雙相波。測(cè)量其實(shí)際輸出能量，并與FLUKE QED6除顫器分析儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，測(cè)試比較結(jié)果，見表1。

從表1可看出，在測(cè)試低能量輸出時(shí)，本文中的測(cè)試儀測(cè)試誤差較大。分析原因：由于PHILIPS 4735為雙向波輸出，其輸出電壓比單項(xiàng)波低，經(jīng)衰減后，在低能量輸出時(shí)經(jīng)放大器輸出至采集卡的信號(hào)只有幾百毫伏（mV），同時(shí)由于采用PC機(jī)供電，高頻噪音較大，加上未采用低噪音DC-DC模塊，致使放大器有幾十毫伏（mV）的輸出噪音，從而對(duì)結(jié)果有較大影響，而測(cè)試較高能量輸出時(shí)，采集卡輸入的信號(hào)達(dá)1～2V，噪音對(duì)結(jié)果影響相應(yīng)減弱。

表1 測(cè)試比較結(jié)果

為此，可完善放大器設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高其信噪比，并適當(dāng)降低衰減系數(shù)，提高輸入采集卡的信號(hào)電壓，可有效降低測(cè)試誤差。由于該檢測(cè)儀使用虛擬儀器技術(shù)，人機(jī)界面友好，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低廉，經(jīng)進(jìn)一步完善，可成為一款性價(jià)比較高的檢測(cè)設(shè)備。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

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Design of a Def brillator Analyzer System based on LabVIEW

ZHAO Hui
Equipment Department, Tiantai People's Hospital, Taizhou Zhejiang 317200, China

Def brillator is necessary apparatus for rescue and treatment. In order to assure the safety and effectiveness in clinical use of def brillator, the def brillator’s performance must be test periodically. This paper present a def brillator analyzer system based on LabVIEW, to detect the parameters such as release energy and synchronization delay time, and it can output ECG signal and the sine (or square wave) signal.

def brillation; Def brillator Analyzer; ECG signal; signal-to-noise ratio

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.04.008

1674-1633(2012)04-0028-04

2011-09-13

2011-10-25

作者郵箱：ttyyzh@163.com