生理電信號模擬器校準裝置的研究

【摘 要】 生理電信號模擬器的應用參數多，校準步驟也相當繁瑣。本文介紹了一種校準設備，其不必使用示波器、可編程放大器、可編程濾波器和穩壓源等標準設備就可以對生理電信號模擬器進行校準，并將其電壓參數和時間參數溯源至國家標準。同時，本文還詳細地分析了在心電圖機（多參數監護儀）中廣泛應用的Levkov濾波方法及本裝置對Levkov方法的缺點進行的改進。

【關鍵詞】 生理電信號模擬器 計量校準 Levkov 方法 ECG 血壓信號

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

1 概述

生理電信號模擬器是一種用于模擬心電信號、呼吸信號、血壓信號、心輸出量信號、溫度信號等一系列生理信號的設備[1]，其主要用于測試多參數監護儀等醫療設備的性能測試。如今，許多醫療單位都采用生理電信號模擬器測試它們的相關設備，因此生理電信號模擬器的性能直接影響著患者的生命安全。據調查，目前市場上的生理電信號模擬器生產廠家不下20個，例如常見的Fluke、Dartrend、METRON、medSim、Dale、LionHeart等品牌。在過去較長的一段時間里，我國的醫療溯源體系發展相對落后于工業計量溯源體系。目前，生理電信號模擬器技術較為成熟，并且有廣泛的應用，但是還沒有專門的計量校準設備。在2007年，寧全和呂金華起草了《JJG749-2007心腦電圖機計量檢定規程》[2]，但是，傳統的心腦電圖機檢定儀只能輸出正弦和方波信號，而生理電信號模擬器不僅能輸出以上基本信號，還能輸出心電信號等生理電信號，因此JJG749-2007中的要求不能適用于生理電信號模擬器。

從原理說，生理電信號模擬器的微控制器通過DA和電阻衰減網絡輸出指定幅值和頻率的心電信號，通過可編程電阻模擬呼吸阻抗的變化并產生呼吸信號。由于血壓信號是200mV的模擬信號，所以其產生原理與心電信號相同。心輸出量信號和溫度信號的產生類似，都是通過模擬電阻變化來實現。通常，由于生理電信號模擬器的參數眾多，對其進行校準時，需要示波器、數字多用表、可編程放大器、可編程濾波器和穩壓源等多種設備。所以，生理電信號模擬器的校準步驟復雜而繁瑣。

2 設計原理

2.1 心電信號的測量

心電信號因為其復雜的波形和微小的幅度而難以測量。通常，由生理電信號模擬器產生的心電信號幅值為0.2mV、0.5mV、1mV、2mV、5mV，由于其信號較弱且噪聲干擾較強，準確的采集心電信號并不容易。同時，由于其信號較弱，不能直接采用數字多用表或示波器對其進行計量校準，所以需要使用放大器對微弱的信號進行放大，通常放大倍數為1000。圖1展示了生理電信號模擬器的心電信號計量校準方法。

本裝置的心電信號檢測部分由儀表放大器、可編程運算放大器和A/D等部分組成。首先，放大器將微小信號放大；其次通過A/D將其轉換成數字信號；然后將這些數字信號緩存至RAM中；最后通過MCU對信號的特征進行分析。圖2簡單地介紹了本裝置的結構。在圖2中，由生理電信號模擬器產生的心電信號通過特殊的連接器模塊進入本裝置，首先通過放大倍數為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模塊轉換成數字信號并存儲至RAM/Flash模塊中，最后進入信號處理模塊。

（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的放大路徑，黑色箭頭表示數字信號的路徑。）

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電路能夠保護儀表放大器模塊避免過壓損壞。在II導聯的心電圖連接方法中[3]，RL通常用于連接右腿驅動電路，其采用負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公司生產的INA114產生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現高通濾波器功能，其實，由于其截止頻率只有0.5Hz，所以稱其為“隔直”模塊更為貼切。運算放大器模塊主要由運算放大器組成，在該模塊中，我們使用可編程放大器及其補償電路來實現系統的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轉換模塊中，一片16位的A/D被采用，由于心電信號的頻率較低，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，并分離出其基線和R波幅值，我們通過計算在兩個R波峰值間的采樣次數來計算心率。本系統的理論頻率響應如圖3所示。

2.2 血壓信號的測量

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

除了放大系數，特殊連接器模塊、儀表放大器模塊，運算放大器模塊，A/D模塊和Flash模塊與心電信號測量相似。相較于心電信號測量原理，在血壓信號測量時已不再需要高通濾波器和低通濾波器模塊。

由于呼吸信號、心輸出量信號和溫度信號的測量比較簡單和成熟，這里不在對其測量實現方式進行贅述。

2.3 溯源性

為了將生理電信號模擬器的關鍵參數溯源至國家標準，本裝置采用以下方式實現溯源。（1）電壓溯源：本裝置在A/D模塊之前預留了一個接口，該接口用來測試本裝置的頻率相應，并將電壓參數溯源至標準。由于該接口的存在，使用者可以方便的使用信號發生器和數字多用表來測量本裝置的頻率響應。（2）頻率溯源：本裝置通過一個BNC接口引出MCU的晶振信號，而MCU的晶振信號決定了采樣速率和心率校準的準確性。（3）電阻溯源：本裝置可以通過數字多用表直接測量電阻參數。

2.4 工頻干擾的去除

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

圖5a中顯示的是無工頻干擾的心電波形，其由文獻[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，信號的持續時間約為8s。如圖5b中所示，從0.02mV漸變至0.2mV的工頻干擾信號被疊加在圖5a的波形中。將參數M=12的Levkov濾波器施加在圖5b中的信號中以濾除工頻干擾，濾波后的效果如圖5c所示。圖5d顯示了濾波后信號與原始信號的幅度誤差。從圖5c和圖5d中的波形可見Levkov方法的優越性能。

盡管Levkov濾波器的性能優越并廣泛應用在心電圖機中，但其不適合應用于計量校準設備中。Levkov濾波器會對QRS波和T波進行削弱。對于R波幅值為0.5mV，采樣頻率為4kHz的心電信號，使用0.02mV～0.2mV的工頻干擾信號對其進行擾動，然后再使用M=12的Levkov濾波器對污染的心電信號進行濾波，在加入隨機性后，使用Matlab進行1000次模擬計算，結果如表1所示。

從表1中的仿真結果可以發現Levkov方法濾波時對心率并不造成影響，但其對心電信號的幅值產生影響并產生有規律的偏差。根據大量仿真的結果，我們發現該偏差與心率和R波的幅值存在一定的關系。通過仿真計算，我們可以找到這種關系并對其進行補償，以提高Levkov的性能。由此，本裝置中采用改進的Levkov方法對生理電信號模擬器產生的心電信號進行計量校準。表2中顯示了補償值為0.0385時的仿真測試結果。

表2 采用改進的Levkov方法仿真測試結果統計表

3 結論

本裝置可以將生理電信號模擬器的關鍵參數可以被溯源至國家電壓、電阻和頻率標準。使用本裝置對生理電信號模擬器進行計量校準時，可以避免使用示波器、可編程放大器、可編程濾波器和穩壓源等設備，簡而言之，本裝置可以極大的簡化生理電信號模擬器的計量校準過程。雖然Levkov軟件濾波方法在心電圖機中廣泛應用，但由于其對QRS等波形造成削減，所以其不適合直接用于計量校準。為此，我們通過大量的數學試驗，總結并發現了Levkov方法的QRS波峰削減規律。依據此規律，我們對Levkov進行改進并將其應用于本裝置中，使得Levkov方法在滿足濾波的要求的同時還能滿足計量校準的需求。

參考文獻

[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

作者簡介

劉莉，畢業于大連理工大學，副高級工程師，從事工作儀器管理。曾發表過《露點議在半島體芯片中的應用》、《濕熱試驗裝置溫濕度準確度的保證》、《使用超聲波測厚儀應注意的問題》等多篇論文，主要從事計量儀器測試中方式方法的改進的研究。

（責任編輯：張曉明）