基于LabVIEW的除顫監護檢測儀的開發

趙暉

天臺縣人民醫院 設備科，浙江 臺州317200

基于LabVIEW的除顫監護檢測儀的開發

趙暉

天臺縣人民醫院 設備科，浙江 臺州317200

除顫器是用于搶救和治療心律失常病人的設備，為確保除顫器臨床使用的安全有效，必須對其主要指標進行定期檢測。本文設計了一款基于LabVIEW的除顫器檢測儀，用于檢測除顫器的釋放能量、同步除顫延遲時間等指標，并可輸出模擬心電信號和正弦波（或方波）信號。

除顫器；除顫監護檢測儀；心電信號；信噪比

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，使得原來許多由硬件完成的功能可由軟件實現。同時，可視化程序開發語言在軟件領域中為更多易于使用、功能強大的軟件的開發提供了可能性，這就為一種全新的測量儀器系統——虛擬儀器的產生奠定了基礎[1-2]。與傳統的儀器相比， 虛擬儀器立足于軟件，可以充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示以及文件管理等智能化功能，把傳統儀器的專業化功能軟件化，并具有開發與維護費用低、技術更新周期短、價格低等優點。

LabVIEW是美國國家儀器公司的基于圖形化編程——G語言的開發環境[3-4]，其是一個功能強大的圖形化編程工具，由前面板和程序框圖組成。具有功能強大的函數庫，提供了幾乎所有經典的信號處理函數和大量現代的高級信號分析工具，包括數值采集、數據分析、數據顯示及數據存儲等。采用旋鈕、開關、波形圖等構造用戶界面，人機交互界面友好，可廣泛應用于包括醫療在內的各行各業[5-6]。

1 系統概述

除顫器是一種應用電擊來搶救和治療心律失常病人的醫用電子設備，它利用自身的儲能裝置產生幾千伏、能量可控的瞬間高壓電脈沖，通過除顫電極向患者釋放，來消除某些心律紊亂，使患者恢復竇性心律。

由于除顫器是搶救用的醫療儀器，所以它應時刻處在完好的狀態，以備隨時使用。為確保除顫器臨床使用的安全有效，必須對其主要指標進行定期檢測。根據除顫監護儀校準規范[7]，需檢測的指標包括釋放能量的準確度、充電時間、充放電次數、內部放電性能、同步除顫延遲時間、心電信號放大器的性能及心率示值的準確度等。為此，需要使用除顫器檢測儀對其進行檢測，具體指標如下：

（1）內置50Ω阻性放電負載。

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

（3）同步除顫延遲時間測量，最大允許誤差：±2ms。

（4）能輸出同步模擬心電信號或標準心率信號，心率范圍：30 ～240次/min。

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

目前，市場上銷售的除顫器檢測儀幾乎都是進口產品，價格高昂。為此，我們設計了基于LabVIEW的除顫器檢測儀用來完成這些檢測。

該系統選擇LabVIEW作為編程語言，以軟件為中心，在必需的硬件環境下盡可能發揮軟件功能，完成信號采集、信號處理以及測試結果的顯示等工作。系統主要由波形輸出電路（模擬心電信號、正弦波或方波信號輸出），除顫信號處理電路（除顫波的衰減、濾波放大），數據采集卡(完成A/D、 D/A轉換)及軟件系統組成。其中，軟件系統包含3個子vi模塊（波形輸出子vi、數據采集子vi、數據分析子vi），并以友好的圖形界面與用戶進行交互。監護儀操作面板，見圖1。

2 硬件電路

硬件電路主要由波形輸出電路、除顫信號處理電路和數據采集卡DAQ組成。硬件電路示意圖，見圖2。

圖2 硬件電路示意圖

數據采集卡采用USB接口采集卡，采樣時鐘設置為10kHz，分辨率12bit。運放采用低輸入噪聲、低輸入失調電壓的高精度運放。所有電路由USB端口供電，經DC-DC模塊提供±5V電壓。

心電信號、正弦波或方波信號經采集卡DA0端口輸出至運放電路IC3、C4緩沖、濾波后，一路由導聯輸出電路輸出至除顫監護儀，作為同步除顫的心電同步信號，或用以測試監護的頻率響應，另一路經IC5緩沖后至DAQ卡AD0端口，經A/D轉換作為反饋信號用以監測輸出。

因為除顫器是根據人體的阻抗為50Ω來進行設計的，所以在測試時也必須在兩個電極之間加上模擬人體阻抗（50Ω）負載。除顫時作用于心臟的是一次瞬時高能脈沖，一般持續時間為4～10ms，強度為幾千伏（kV）和幾十安培（A），能量在50～360J。采集前需對其進行衰減， R1～R10、IC1組成有源衰減電路，經衰減、IC2緩沖濾波后，輸入DAQ卡AD1端口，經A/D轉換至PC機。D1～D4提供過壓保護。

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

3 軟件系統

圖1 操作面板

3.1 波形輸出子vi

為了測試除顫器同步除顫時的同步性能和監護儀的頻率響應，需輸出幅度、頻率可調的模擬心電信號和正弦波（或方波）信號。

波形輸出由波形輸出子vi和相應電路組成。波形輸出子vi首先使用條件結構進行輸出波形選擇，即通過波形類型下拉列表控件選擇相應的While循環，輸出相應的波形，同時通過旋鈕控件選擇心率或正弦波、方波頻率；通過數值輸入控件設置輸出幅度。心率范圍：30 ～240次/min；正弦波、方波頻率范圍：0.05～200Hz。

心電信號波形輸出程序框圖，見圖3。其最外層為While循環，循環內部由MATLAB腳本節點、波形創建Vi、數據發送Vi 等組成。心電信號通過MATLAB腳本節點執行用MATLAB語言編寫的腳本，生成模擬心電信號，并以數組形式送往波形創建Vi生成波形數據，由數據發送Vi輸出至采集卡。

心電信號是由MATLAB腳本節點生成的，MATLAB是由美國MathWorks公司開發的一種功能強、效率高、簡單易學的科學仿真、計算軟件，具有豐富的數據分析和處理功能模塊，以及強大的科學計算功能、大量穩定可靠的算法庫，仿真過程是交互的，可以隨時修改參數，能夠立即看到仿真結果，生成可實際應用的實時信號，與Labview比較各有優缺點，利用混合編程可以相互補充[8-9]。

一個典型的心電信號由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，一種是將心電信號近似看作是各個三角波信號和正弦信號的組合，先經過計算得到各個特征波序列，再將各特征波合成為最終的仿真信號。通過MATLAB腳本節點輸出心率、幅度連續實時可調的模擬心電信號。另一種是根據心電圖生成的動態模型[10]，求解以下微分方程：

由于求解微分方程相當費時，因此，首先通過MATLAB軟件生成各種心率的波形數據文件，再由程序中MATLAB腳本節點讀取相應數據文件，輸出固定心率的心電信號。

正弦波、方波則由Labview的波形生成vi產生。這些生成的波形通過D/A轉換、濾波放大、經導聯輸出電路至除顫監護儀。

撥動除顫波衰減開關，可通過DO1端口調節除顫信號放大電路的衰減系數。

3.2 數據采集子vi

數據采集子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While循環，循環內部由電壓采集Vi、幅值和電平測量Vi、觸發與門限Vi、波形圖表等組成。數據采集程序框圖，見圖4。

單擊面板上的采集開關，系統開始循環讀取采集卡采集的數據，包括經衰減的除顫信號和波形輸出電路輸出的波形，并分別顯示在波形圖表中。

單擊調零開關，系統通過讀取幅值和電平測量Vi的直流信號對除顫信號輸入通道自動調零，調節幅度旋鈕和位移滑塊，可調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時波形。

而觸發與門限Vi一旦檢測到手動觸發信號或除顫放電脈沖，則采集儲存觸發前后的除顫信號和心電波形，供信號分析模塊分析。

3.3 信號分析子vi

圖3 心電信號波形輸出程序框圖

信號分析模塊從采集模塊獲得觸發前后的除顫信號和心電波形數據，并同時顯示在波形圖表中，同樣可通過調節幅度旋鈕和位移滑塊，調整波形的顯示幅度和上下、左右位置，詳細觀察除顫器的放電波形以及與心電信號的同步關系。并自動測量取樣區間內的釋放能量、同步除顫延遲時間、最大電壓、最大電流。取樣區間的選取可選擇自動或手動模式，通過自動測量選擇開關切換。

自動模式：由于除顫信號脈沖一般持續時間為十幾毫秒（ms），同步觸發延遲時間<30ms，因此，測量區間選擇為觸發前40ms至觸發后20ms。

手動模式：通過移動波形圖表中的兩條游標確定取樣區間。

能量測量：除顫時作用于心臟的是一次瞬時高能脈沖，取該放電電壓進行平方和積分運算，再除以負載電阻即得到相應的電擊能量值[11]。計算公式如下：

式中，dt為100μs，R為50Ω。

同步除顫延遲時間測量：測量從R波峰值到除顫器放電脈沖峰值所持續的時間。

4 結果與分析

利用該測試儀對PHILIPS 4735除顫器進行測量，模擬心電信號為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。測量其實際輸出能量，并與FLUKE QED6除顫器分析儀測試結果進行比較，測試比較結果，見表1。

從表1可看出，在測試低能量輸出時，本文中的測試儀測試誤差較大。分析原因：由于PHILIPS 4735為雙向波輸出，其輸出電壓比單項波低，經衰減后，在低能量輸出時經放大器輸出至采集卡的信號只有幾百毫伏（mV），同時由于采用PC機供電，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，從而對結果有較大影響，而測試較高能量輸出時，采集卡輸入的信號達1～2V，噪音對結果影響相應減弱。

表1 測試比較結果

為此，可完善放大器設計，進一步提高其信噪比，并適當降低衰減系數，提高輸入采集卡的信號電壓，可有效降低測試誤差。由于該檢測儀使用虛擬儀器技術，人機界面友好，其結構簡單，制作成本低廉，經進一步完善，可成為一款性價比較高的檢測設備。

圖4 數據采集程序框圖

[1] 朱志強,田心.LabVIEW及其在生物醫學工程中的應用[J].國外醫學生物醫學工程分冊,2001,24(2):59-64.

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[4] 曾山等.基于LabVIEW的信號發生器和虛擬示波器綜合測試儀的設計[J].醫療設備信息,2006,21(11):10-11.

[5] 吳強華,王鐵嶺,董濤.基于LabVIEW的任意波形發生器設計[J].光學儀器,2007,29(2):68-72.

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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