心電圖機自動檢定技術研究

吳新社 鄧芳軼 朱 弋 徐天波 周燕兵

心電圖機計量檢定為國家強制檢定項目。現有檢定方法是將波形、波幅和頻率不同的測試信號送入被檢心電圖機后進行走紙記錄，再按規程開展測量和計算，最后得到檢定結果。模擬心電圖機共17項檢定內容，數字心電圖機共11項檢定內容，所有檢定內容都是圍繞心電圖機的波形保真度、波幅一致性、時間穩定性和信號噪聲比展開的[1]。目前的檢定技術功能較多、精度較高，其存在的主要問題為：①需要手動切換和調整測試信號，操作比較復雜；②需要人工測量輸出波形和計算檢定誤差，存在人為誤差；③需要使用熱敏紙記錄測試結果，存在材料消耗；④檢定過程較長，需要時間。心電圖機自動檢定技術通過運用自動控制技術、信號發生技術和數據分析技術，可有效解決操作過程繁雜、檢定速度較慢和專用紙張消耗、人為引入誤差等技術不足，著力提高心電圖機的檢定效率，降低檢定人員的勞動強度。

1 心電圖機自動檢定技術原理

1.1 檢定技術基本結構

心電圖機自動檢定技術以國家計量標準(JJG543-2008、JJG1041-2008等)為依據，以單片機信號產生技術為基礎，以數據采集和誤差計算為工具，以被檢心電圖機遙控操作為手段，通過自動控制技術實現自動檢定。心電圖機自動檢定技術主要由控制模塊、信號模塊、被檢心電圖機和數據處理模塊組成。如圖1所示，控制模塊輸出連接信號模塊和被檢心電圖機，信號模塊輸出連接被檢心電圖機，被檢心電圖機輸出連接數據處理模塊，數據處理模塊輸出連接控制模塊，形成一個復雜的閉環控制系統。

圖1 心電圖機自動檢定技術原理

1.2 檢定過程

在心電圖機無紙運行條件下，控制模塊驅動信號模塊順序產生預定波形、波幅和頻率的測試信號，送入被檢心電圖機，同時控制模塊按檢定規程改變心電圖機的靈敏度、走紙速度及濾波等狀態參數。測試信號進入被檢心電圖機，經機器處理后通過RS232口進入數據處理模塊，由數據處理模塊進行數據采集和誤差計算，完成檢定規程規定的檢定項目[2]。按照檢定規程要求，如果信號模塊產生的波幅或頻率不等于被檢心電圖機內部信號產生的波幅或頻率，數據處理模塊則將誤差信號發送到控制器，由控制器改變信號模塊的波幅或頻率，直到與之相等。檢定完畢后數據處理模塊輸出檢定結果和檢定結論，必要時還可上傳數據和打印結果。

2 檢定技術硬件及軟件的組成

自動檢定技術主要包括控制模塊、信號模塊、數據處理模塊、RS232數據線、心電圖機操作電路和低噪聲電源等。硬件做成箱形結構，數據處理模塊選用筆記本電腦，置于箱體頂層；控制模塊和信號模塊做成一塊PCB板，置于箱體中層；低噪聲電源等置于箱體底層。各層之間嚴格電磁屏蔽，以免相互干擾。

2.1 控制模塊

控制模塊主要由ARM單片機、電平轉換電路、導聯切換電路、心電圖機操作電路、語音芯片、顯示屏和鍵盤等組成。如圖2所示，ARM單片機用于控制信號模塊產生不同波形、波幅和頻率的測試信號，切換導聯，遙控操作心電圖機等；電平轉換電路用于將RS232口的±12 V電平轉換為0～5 V單片機電平，用于接收數據處理模塊發來的誤差信號；導聯切換電路用于切換心電圖機導聯線與信號發生器的連接方式，如R與L交換、CMRR測量等；心電圖機操作電路用于改變被檢心電圖機靈敏度、走紙速度和濾波開關等狀態參數[3]；鍵盤用于輸入控制參數；顯示屏用于顯示機器工作狀態；語音芯片用于提示檢定員注意事項。各模塊按ARM單片機的I/O接口要求進行配置和連接。電源選用低噪聲開關電源。

圖2 控制模塊組成框圖

2.2 信號模塊

如圖3所示，信號模塊是以ARM單片機為核心、采用DDS技術產生脈沖信號的硬件電路，主要包括ARM單片機電路、信號產生與控制電路、共模擬制比(CMRR)測試電路、信號調理電路和導聯切換電路[4-5]。信號產生后經過濾波整形等處理，然后送入導聯切換電路，在ARM單片機控制下可以實現R導聯與L導聯、R導聯與F導聯等切換。輸出波形有方波、正弦波和心電波等，每種波形至少連續輸出5個周期。波幅通常為0.5～5 mV，耐極化電壓時為±300 mV，頻率為0.75～10 Hz。

圖3 信號模塊組成框圖

2.3 被檢心電圖機

為實現自動檢定目標，被檢心電圖機的靈敏度、走紙速度、濾波選擇等開關按鈕需要擴展，做成專用接口(如RS232口)，置于心電圖機機身外部，通過數據線與控制模塊直接相連。檢定時控制模塊可以改變心電圖機的工作狀態，創造檢定條件。目前的機器還沒有此種接口，只好在語音提示下手動操作。如確實需要專用接口可以升級改造，其技術難度并不高。標準制定部門應對將來的機型增設專用機控接口，以便自動檢定技術運用。

2.4 數據處理模塊

數據處理模塊主要由電腦硬件和程序軟件兩部分組成。根據安裝與使用要求，電腦硬件選用扁平形的筆記本電腦、平板電腦或智能手機等硬件設備；當然也可重新設計信號處理(DSP)電路，但設計制造成本可能較高。數據處理模塊的輸入來自被檢心電圖機的RS232口數據線，輸出端為顯示器、打印機及其他數字接口。軟件(檢定程序)需要進行系統全面開發。

數據處理模塊負責數據采集、向控制模塊發送幅度或頻率等誤差信號、心電圖機輸出波形參數測量、檢定誤差計算、計量結果是否合格的判斷、標準格式輸出等任務。在制造廠家提供被檢心電圖機的數據輸出格式、波特率等技術參數基礎上，數據采集模塊通過RS232口直接采集心電波形數據，存入機器內存。接著進行波幅或頻率測量，比較被檢心電圖機內部信號與信號模塊送來的信號之間差異，如果超差則將差值反饋到控制模塊上的電平轉換電路輸入端，經電平轉換后進入ARM單片機，單片機控制信號模塊反向調整波幅和頻率等技術指標，直到二者近似相等。信號模塊輸出的測試信號經心電圖機處理后輸出串行數據，輸出順序要與心電圖機檢定規程規定的順序嚴格一致，并能被數據采集模塊識別和采用。采集動作以電平信號大于某個約定值為開始信號，同理采集結束以電平信號小于或等于某個約定信號為標志，沒有專門給出控制信號。數據采集完畢后，數據處理模塊測量檢定所需的各種波形尺寸參數，并按規程給出的計算公式進行誤差計算[6-7]。最后輸出計量檢定結果，具體過程如圖4所示。

心電圖機自動檢定技術包含信號產生與調整技術、程序數據采集與測量計算技術、心電圖機遠程無人操作技術以及自動控制技術等內容[8]。信號產生與調整技術能夠簡化信號切換過程的復雜性，建立自動檢定的技術平臺。程序數據采集與測量計算可簡化復雜的數據處理過程、降低檢定人員的勞動強度、消除人為引入誤差以及避免心電圖機專用記錄紙的消耗。

圖4 數據采集程序框圖

3 結語

心電圖機自動檢定技術能夠較好地解決心電圖機計量檢定過程操作復雜、用時較長、人為誤差、紙張消耗等諸多問題，可有效提高檢定精度和速度，明顯節省了檢定成本和時間，具有重要的實用價值和潛在的應用前景。

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