一種新型心電信號發生器的設計

朱擎琦

廈門市第五醫院 （福建廈門 361101）

心血管疾病是危害人類健康的主要疾病，且因其死亡的人數呈逐年增加的趨勢[1]。心電圖機和心電監護儀在該類疾病的診斷中發揮著重要的作用，但由于大多數醫院中心電圖機和心電監護儀的數量和品牌均較多，且使用年限不等，導致管理難度加大，影響臨床使用，因此，確保每臺機器的正常、準確運行是醫院亟需解決的問題。《國家市場監督管理總局關于發布實施強制管理的計量器具目錄的公告》（2019年第48號）中明確指出，心電圖機和心電監護儀均為每年需計量的設備，表明心電圖機和心電監護儀檢測的準確性對疾病的診斷至關重要。由于心電圖機和心電監護儀的強檢頻率一般為1次/年，導致醫務人員無法及時發現其輸出信號不準確；此外，若心電導聯線老化或設備維修后未及時進行檢測，則會導致醫務人員無法察覺心電圖的失真[2]。基于此，本研究設計了一種新型的心電信號發生器，以標準心電信號為基準信號，通過心電導聯線，檢測心電圖機和心電監護儀的輸出信號是否異常。

1 硬件設計

本系統以標準的心電信號作為基準信號，通過數模轉換電路輸出模擬心電信號至導聯線接口電路上，被檢設備通過導聯線接于導聯線接口上，即可通過被檢設備輸出的心電信號來判斷心電信號是否輸出異常[3]。本系統的硬件電路主要包括電源電路、復位電路、按鍵電路、數模轉換電路、液晶顯示電路、報警電路、導聯線接口電路、低通濾波電路等，見圖1。

圖1 系統硬件框圖

本系統采用2 000 mAh 的鋰電池供電，續航時間較長；按鍵電路用于控制系統開關機及心電信號輸出；液晶顯示電路用于顯示心電信號信息、操作流程、報錯信息等；復位電路用于系統錯誤復位；報警電路用于提示系統的運行狀態。

1.1 數模轉換電路

本系統采用的基準心電信號為美國麻省理工學院與哈佛醫學院貝斯以色列醫學中心（Massachusetts Institute of Technology-Beth Isreal Hospital，MIT-BIH）聯合建立的心電數據庫，其是目前國際上公認的標準心電數據庫之一，也是近年來應用較為廣泛的心電數據庫[4]，見圖2。因心電數據庫存儲的心電信號是數值信號，而心電圖機和心電監護儀的導聯線采集的是模擬信號，所以，需將心電信號轉換為模擬信號。

圖2 MATLAB 描繪100.dat 的心電信號波形

本系統采用的數模轉換器為TLC5602CDW，其為高速并行的8位 D/A 轉換器。TLC5602CDW 的 D0～D7端連接AT89S51的數據端口，用于接收數字心電信號；DVDD 端通過濾波電容C60、C61、C62連接輸入電源；AOUT 模擬信號輸出后經運算放大器LF353及比較器LF353輸出至導聯線接口上，便于導聯線采集心電信號[5]。其電路圖見圖3。

圖3 數模轉換電路

1.2 低通濾波電路

數字心電信號轉換為模擬信號時會伴隨各種高頻階梯波，因此，本系統中設計了1 個低通濾波器來濾除各種高頻階梯信號。當低通濾波器的阻帶特性下降速率大于|-40 dB/10 oct| 時，則必須使用高階低通濾波器。本系統中采用的是四階巴特沃斯濾波電路，經測試，將巴特沃斯低通濾波器的截止頻率設定為23 kHz，既可濾除高頻階梯波，又能較好地保留心電波形的細節。其電路圖見圖4，由圖可知，心電信號通過比較器LM358的3腳與基準信號進行比較，并從LM358的7腳輸出；R5、C1、R6、C2、R7、C3、R8、C4共同組成四階低通濾波器，便于濾除高頻信號[6-7]。

2 軟件設計

圖4 低通濾波電路

新型心電信號發生器主要輸出標準的模擬心電信號，進而檢測心電圖機和心電監護儀的心電輸出信號是否異常。在系統軟件設計中，系統開機后首先進行系統基準信號和端口的初始化，并由液晶顯示系統進程；進入系統后首先檢測電池電量，若電量低，則液晶顯示電量界面并進入報警程序，若電池電量正常，則進入主程序。本系統的子程序主要包括電池電量監測、按鍵掃描、數模轉換、液晶顯示、報警等[7]。其程序框圖見圖5。

圖5 新型心電信號發生器的程序

3 臨床測試結果

新型心電信號發生器主要用于檢測心電圖機和心電監護儀的心電信號是否異常，主要包括設備常規定期檢測、維修后檢測、臨床醫務人員不定時檢測等[8]。本研究應用此系統檢測18臺心電圖機和100臺心電監護儀，將心電圖機和心電監護儀的心電導聯線連接系統的導聯線接口，發現可輸出正常的心電信號，說明該系統能夠準確檢測出設備的心電信號，進而判斷設備存在的安全隱患。

4 小結

心電信號檢測已成為住院及門診檢查或治療不可或缺的輔助手段，因此，醫院的心電圖機和心電監護儀的使用頻率均較高[9]。針對現階段心電圖機和心電監護儀年度檢測和維修后檢測不及時的狀況，本研究設計了一種新型心電信號發生器，可用于心電類設備的檢測，以便及時發現設備存在的安全隱患或故障（如心電導聯線破皮、外部干擾等），進而提示醫務人員及時報修，對提高心電信號的檢測準確性、降低醫療風險具有重要的意義[10]。