【摘 要】 生理電信號(hào)模擬器的應(yīng)用參數(shù)多，校準(zhǔn)步驟也相當(dāng)繁瑣。本文介紹了一種校準(zhǔn)設(shè)備，其不必使用示波器、可編程放大器、可編程濾波器和穩(wěn)壓源等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備就可以對(duì)生理電信號(hào)模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)，并將其電壓參數(shù)和時(shí)間參數(shù)溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，本文還詳細(xì)地分析了在心電圖機(jī)（多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀）中廣泛應(yīng)用的Levkov濾波方法及本裝置對(duì)Levkov方法的缺點(diǎn)進(jìn)行的改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】 生理電信號(hào)模擬器 計(jì)量校準(zhǔn) Levkov 方法 ECG 血壓信號(hào)

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.03.010

1 概述

生理電信號(hào)模擬器是一種用于模擬心電信號(hào)、呼吸信號(hào)、血壓信號(hào)、心輸出量信號(hào)、溫度信號(hào)等一系列生理信號(hào)的設(shè)備[1]，其主要用于測(cè)試多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療設(shè)備的性能測(cè)試。如今，許多醫(yī)療單位都采用生理電信號(hào)模擬器測(cè)試它們的相關(guān)設(shè)備，因此生理電信號(hào)模擬器的性能直接影響著患者的生命安全。據(jù)調(diào)查，目前市場(chǎng)上的生理電信號(hào)模擬器生產(chǎn)廠家不下20個(gè)，例如常見的Fluke、Dartrend、METRON、medSim、Dale、LionHeart等品牌。在過去較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我國(guó)的醫(yī)療溯源體系發(fā)展相對(duì)落后于工業(yè)計(jì)量溯源體系。目前，生理電信號(hào)模擬器技術(shù)較為成熟，并且有廣泛的應(yīng)用，但是還沒有專門的計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備。在2007年，寧全和呂金華起草了《JJG749-2007心腦電圖機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程》[2]，但是，傳統(tǒng)的心腦電圖機(jī)檢定儀只能輸出正弦和方波信號(hào)，而生理電信號(hào)模擬器不僅能輸出以上基本信號(hào)，還能輸出心電信號(hào)等生理電信號(hào)，因此JJG749-2007中的要求不能適用于生理電信號(hào)模擬器。

從原理說，生理電信號(hào)模擬器的微控制器通過DA和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)輸出指定幅值和頻率的心電信號(hào)，通過可編程電阻模擬呼吸阻抗的變化并產(chǎn)生呼吸信號(hào)。由于血壓信號(hào)是200mV的模擬信號(hào)，所以其產(chǎn)生原理與心電信號(hào)相同。心輸出量信號(hào)和溫度信號(hào)的產(chǎn)生類似，都是通過模擬電阻變化來實(shí)現(xiàn)。通常，由于生理電信號(hào)模擬器的參數(shù)眾多，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需要示波器、數(shù)字多用表、可編程放大器、可編程濾波器和穩(wěn)壓源等多種設(shè)備。所以，生理電信號(hào)模擬器的校準(zhǔn)步驟復(fù)雜而繁瑣。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 心電信號(hào)的測(cè)量

心電信號(hào)因?yàn)槠鋸?fù)雜的波形和微小的幅度而難以測(cè)量。通常，由生理電信號(hào)模擬器產(chǎn)生的心電信號(hào)幅值為0.2mV、0.5mV、1mV、2mV、5mV，由于其信號(hào)較弱且噪聲干擾較強(qiáng)，準(zhǔn)確的采集心電信號(hào)并不容易。同時(shí)，由于其信號(hào)較弱，不能直接采用數(shù)字多用表或示波器對(duì)其進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，所以需要使用放大器對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行放大，通常放大倍數(shù)為1000。圖1展示了生理電信號(hào)模擬器的心電信號(hào)計(jì)量校準(zhǔn)方法。

本裝置的心電信號(hào)檢測(cè)部分由儀表放大器、可編程運(yùn)算放大器和A/D等部分組成。首先，放大器將微小信號(hào)放大；其次通過A/D將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；然后將這些數(shù)字信號(hào)緩存至RAM中；最后通過MCU對(duì)信號(hào)的特征進(jìn)行分析。圖2簡(jiǎn)單地介紹了本裝置的結(jié)構(gòu)。在圖2中，由生理電信號(hào)模擬器產(chǎn)生的心電信號(hào)通過特殊的連接器模塊進(jìn)入本裝置，首先通過放大倍數(shù)為5的儀表放大器模塊，然后通過制止頻率為0.5Hz的高通濾波器模塊（用于去除直流分量，防止放大器飽和），然后通過可編程放大器模塊和截止頻率為300Hz的低通濾波器模塊，然后再通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)至RAM/Flash模塊中，最后進(jìn)入信號(hào)處理模塊。

（RA表示右臂電極，LL表示左腿電極，RL表示右腿電極，粉色箭頭表示微弱信號(hào)的放大路徑，黑色箭頭表示數(shù)字信號(hào)的路徑。）

為了避免儀表放大器的損壞，在特殊連接器模塊中的過壓保護(hù)電路能夠保護(hù)儀表放大器模塊避免過壓損壞。在II導(dǎo)聯(lián)的心電圖連接方法中[3]，RL通常用于連接右腿驅(qū)動(dòng)電路，其采用負(fù)反饋的方法來抑制共模電壓。在本裝置中，由于沒有特殊的共模抑制電壓抑制需求，所以直接將RL與系統(tǒng)的模擬地連接。在儀表放大器模塊中，我們主要采用由Burr-Brown公司生產(chǎn)的INA114產(chǎn)生5倍的放大功能；在高通濾波器模塊中，我們主要采用一階阻容濾波器實(shí)現(xiàn)高通濾波器功能，其實(shí)，由于其截止頻率只有0.5Hz，所以稱其為“隔直”模塊更為貼切。運(yùn)算放大器模塊主要由運(yùn)算放大器組成，在該模塊中，我們使用可編程放大器及其補(bǔ)償電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的500倍至3000倍的放大。低通濾波器模塊主要由KRC濾波器組成，相較于常用的由電阻電容組成的2階低通濾波器，其具有較好的頻率特性。在A/D轉(zhuǎn)換模塊中，一片16位的A/D被采用，由于心電信號(hào)的頻率較低，所以該模塊中的A/D采樣速率只要高于3kHz就可以。信號(hào)處理模塊用于分析心率和R波的幅值，在該模塊中，我們使用了改進(jìn)的Levkov濾波器來消除工頻干擾。該模塊中，我們使用波形匹配算法來挑出真正的心電信號(hào)，并分離出其基線和R波幅值，我們通過計(jì)算在兩個(gè)R波峰值間的采樣次數(shù)來計(jì)算心率。本系統(tǒng)的理論頻率響應(yīng)如圖3所示。

2.2 血壓信號(hào)的測(cè)量

血壓是由血液在血管中的流動(dòng)造成的。生理電信號(hào)模擬器通過電阻電橋來模擬壓力傳感器產(chǎn)生的壓力信號(hào)。通常，生理電信號(hào)模擬器模擬輸出單位為40uV/V/mmHg或5uV/V/mmHg[1]。由于血壓信號(hào)的波形幅值高于心電信號(hào)且波形較規(guī)則，所以血壓信號(hào)的校準(zhǔn)相對(duì)容易，測(cè)量原理如圖4所示。

除了放大系數(shù)，特殊連接器模塊、儀表放大器模塊，運(yùn)算放大器模塊，A/D模塊和Flash模塊與心電信號(hào)測(cè)量相似。相較于心電信號(hào)測(cè)量原理，在血壓信號(hào)測(cè)量時(shí)已不再需要高通濾波器和低通濾波器模塊。

由于呼吸信號(hào)、心輸出量信號(hào)和溫度信號(hào)的測(cè)量比較簡(jiǎn)單和成熟，這里不在對(duì)其測(cè)量實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行贅述。

2.3 溯源性

為了將生理電信號(hào)模擬器的關(guān)鍵參數(shù)溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本裝置采用以下方式實(shí)現(xiàn)溯源。（1）電壓溯源：本裝置在A/D模塊之前預(yù)留了一個(gè)接口，該接口用來測(cè)試本裝置的頻率相應(yīng)，并將電壓參數(shù)溯源至標(biāo)準(zhǔn)。由于該接口的存在，使用者可以方便的使用信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字多用表來測(cè)量本裝置的頻率響應(yīng)。（2）頻率溯源：本裝置通過一個(gè)BNC接口引出MCU的晶振信號(hào)，而MCU的晶振信號(hào)決定了采樣速率和心率校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。（3）電阻溯源：本裝置可以通過數(shù)字多用表直接測(cè)量電阻參數(shù)。

2.4 工頻干擾的去除

為了去除工頻干擾，心電圖機(jī)中廣泛使用軟件濾波方式。與采用硬件實(shí)現(xiàn)的陷波濾波器相比，一些軟件濾波器能夠在盡量不影響陷波頻率點(diǎn)附近頻率的情況下實(shí)現(xiàn)工頻干擾的濾除[4]。在心電圖機(jī)中廣泛應(yīng)用的軟件濾波器是Levkov濾波器就具備上述的優(yōu)點(diǎn)[5-8]。

圖5a中顯示的是無工頻干擾的心電波形，其由文獻(xiàn)[9]中的算法獲得。如圖所示，其R波峰值為0.5mV，采樣頻率為4kHz，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間約為8s。如圖5b中所示，從0.02mV漸變至0.2mV的工頻干擾信號(hào)被疊加在圖5a的波形中。將參數(shù)M=12的Levkov濾波器施加在圖5b中的信號(hào)中以濾除工頻干擾，濾波后的效果如圖5c所示。圖5d顯示了濾波后信號(hào)與原始信號(hào)的幅度誤差。從圖5c和圖5d中的波形可見Levkov方法的優(yōu)越性能。

盡管Levkov濾波器的性能優(yōu)越并廣泛應(yīng)用在心電圖機(jī)中，但其不適合應(yīng)用于計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備中。Levkov濾波器會(huì)對(duì)QRS波和T波進(jìn)行削弱。對(duì)于R波幅值為0.5mV，采樣頻率為4kHz的心電信號(hào)，使用0.02mV～0.2mV的工頻干擾信號(hào)對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng)，然后再使用M=12的Levkov濾波器對(duì)污染的心電信號(hào)進(jìn)行濾波，在加入隨機(jī)性后，使用Matlab進(jìn)行1000次模擬計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

從表1中的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)Levkov方法濾波時(shí)對(duì)心率并不造成影響，但其對(duì)心電信號(hào)的幅值產(chǎn)生影響并產(chǎn)生有規(guī)律的偏差。根據(jù)大量仿真的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)該偏差與心率和R波的幅值存在一定的關(guān)系。通過仿真計(jì)算，我們可以找到這種關(guān)系并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以提高Levkov的性能。由此，本裝置中采用改進(jìn)的Levkov方法對(duì)生理電信號(hào)模擬器產(chǎn)生的心電信號(hào)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。表2中顯示了補(bǔ)償值為0.0385時(shí)的仿真測(cè)試結(jié)果。

表2 采用改進(jìn)的Levkov方法仿真測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

本裝置可以將生理電信號(hào)模擬器的關(guān)鍵參數(shù)可以被溯源至國(guó)家電壓、電阻和頻率標(biāo)準(zhǔn)。使用本裝置對(duì)生理電信號(hào)模擬器進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，可以避免使用示波器、可編程放大器、可編程濾波器和穩(wěn)壓源等設(shè)備，簡(jiǎn)而言之，本裝置可以極大的簡(jiǎn)化生理電信號(hào)模擬器的計(jì)量校準(zhǔn)過程。雖然Levkov軟件濾波方法在心電圖機(jī)中廣泛應(yīng)用，但由于其對(duì)QRS等波形造成削減，所以其不適合直接用于計(jì)量校準(zhǔn)。為此，我們通過大量的數(shù)學(xué)試驗(yàn)，總結(jié)并發(fā)現(xiàn)了Levkov方法的QRS波峰削減規(guī)律。依據(jù)此規(guī)律，我們對(duì)Levkov進(jìn)行改進(jìn)并將其應(yīng)用于本裝置中，使得Levkov方法在滿足濾波的要求的同時(shí)還能滿足計(jì)量校準(zhǔn)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]FLUKE Biomedical.MPS450 Multi-parameter simulator （Rev.1）. Operation Manual， pp. 3-5， Jun. 2010

[2]Ning Quan， Lv Jinhua， A dihu， et al. JJG 749-2007 Verification Regulation of Verification Instrument for Electrocardiograph and Electroencephalograph[M]. Chinese Measurement Press， pp. 3-8， 2007

[3]Winter， B B and Webster， J G.Driven-right-leg circuit design[J]. IEEE Trans Biomed Eng， Vol. 30， No. 1， pp. 62-66， 1983

[4]I. Dotsinsky， PhD， DSc， T. Stoyanov. Power-Line Interference Cancellation in ECG Signals[J]. Biomedical Instrumentation Technology， Vol. 39， pp. 155-162， 2005

[5]Levkov C， Michov G， Ivanov R， et al. Subtraction of 50 Hz interference from the electrocardiogram[J]. Med. Biol. Eng. Comput.， Vol. 22， pp. 371-373， 1984

[6]Christov I I， Dotsinsky I A. New approach to the digital elimination of 50 Hz interference from the electrocardiogram[J]. Med. Biol. Eng. Comput.， Vol. 26， pp. 431-434， 1988

[7]Yan X G. Dynamic Levkov-Christov subtraction of mains interference[J]. Med. Biol. Eng. Comput.， Vol. 31， pp. 635-638， 1993

[8]Sun Jingxia， Bai Yanqiang， Yang Yuxing. An Improved Levkov Method for Filtering 50 Hz Interference in ECG Signals[J]. Space Medicine Medical Engineering， Vol.13， No. 3， pp.196-199， 2000

[9]Neil Forcier. ECG Waveform Simulator In Matlab Central File Exchange.http：//www.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/33247-ecg-waveform-simulator

作者簡(jiǎn)介

劉莉，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，副高級(jí)工程師，從事工作儀器管理。曾發(fā)表過《露點(diǎn)議在半島體芯片中的應(yīng)用》、《濕熱試驗(yàn)裝置溫濕度準(zhǔn)確度的保證》、《使用超聲波測(cè)厚儀應(yīng)注意的問題》等多篇論文，主要從事計(jì)量?jī)x器測(cè)試中方式方法的改進(jìn)的研究。

（責(zé)任編輯：張曉明）