淺析數字心電圖機的工作原理與檢定方法

張海翔

摘 要：數字心電圖機不僅具有生理信號放大、系統采集、打印記錄等功能，還操作簡單、抗干擾性強?，F如今已經在醫療臨床領域廣泛采用。本文從數字心電圖機的工作原理和特性以及檢定方法三個方面分別進行了分析，以便在日常的使用中為大家提供借鑒。

關鍵詞：數字心電圖機；工作原理；特性；檢定方法

中圖分類號：R540 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0181-02

數字心電圖機是用來記錄和顯示心臟活動時所產生的生理電信號的儀器。它采用數字技術采集、處理心電信號。它不僅具有生理信號放大、系統采集、打印記錄等功能，還應用計算機技術實現了數字濾波和模數信號的轉換，有效地控制了工頻干擾和基線漂移，使心電圖更加“逼真”，操作更加簡單、抗干擾性更好?，F簡述如下：

1 數字心電圖機的工作原理

數字心電圖機主要由導聯輸入、前置放大器、中間放大器、功率放大器、模數轉換電路、記錄器、標準信號發生器、電源供給電路以及走紙傳動裝置等構成。

它利用ECG電極從人體提取微弱生理電信號，經導聯輸入網絡、導聯選擇器送入前置放大、濾波電路，經過高頻濾波電路和低噪聲差分放大電路抑制掉交流干擾，再經A/D變換成數字同步心電圖信號后送入控制器部分，經過數字處理、濾波變換后送入記錄器和顯示器，從而記錄和顯示心電圖波形。原理框圖如圖1所示。

2 數字心電圖機的特性

2.1 電壓

內定標電壓：數字心電圖機所產生的標準幅度為lmV的電壓信號，被作為衡量所記錄的心電圖波形幅度的標準，就是“內標”。內標是數字心電圖機比較重要的指標，假如內標產生較大的誤差，會使得心電信號P波、R波、T波幅度比真實幅度偏高或偏低，導致波形失真，容易引起誤診。檢定規程要求內標的最大允許誤差為±5%，在對數字心電圖機的內標進行檢定時，要把數字心電圖機的阻尼調整到最佳狀態，以確保檢測的準確性；耐極化電壓：對于生物電極來說，有無電流流過時電極電勢有所不同，這是由于電極產生-r的極化作用，有無電流兩種情況的電極電勢的差值稱為極化電壓。極化電壓過高將淹沒電信號，引導不出心電信號。耐極化電壓的檢定就是用于考察數字心電圖機隔直流電壓的能力。當輸入±300mV直流電壓后，各導聯記錄和顯示的基線沒有偏移，則表明該數字心電圖機的此項指標檢定合格。

2.2 輸入電壓動態范圍

被檢心電圖機所能檢測的輸入信號之最小值（在所描記的ECG信號上能夠確定分辨出的最小電壓偏離量）和最大值（在所描記的ECG信號上，在規定的準確度下，所能測量的最大峰值電壓幅度）。在檢定時，受檢數字心電圖機和檢定裝置必須接觸良好，并可靠接地。輸入電壓范圍越大說明數字心電圖機對生理電信號的波動變化適應能力越強，檢定規程要求各導聯的輸入電壓范圍不小于0.03～5mV，且所記錄的波形不要失真。

2.3 共模抑制比

共模抑制比是指心電圖機的差模信號放大倍數與共模信號放大倍數之比，是用于衡量心電放大器對干擾信號抑制能力的一個重要指標。通常差模信號大于60dB，此時意味著放大器輸入端的共模干擾達到lmV時才與1μV的差模輸入信號具有相同幅度的輸出。

2.4 頻率響應

數字心電圖機輸入相同幅值信號時，輸出信號幅度隨頻率變化的關系稱為頻率響應，心電圖機的頻率響應取決于放大器和記錄器的頻率響應。數字心電圖機較快之于傳統心電圖機，由于采用了計算機數字化采集和處理技術，配置了精密熱陣記錄器，其頻響范圍能提高到0.01～150Hz。依據諧波分析，心電圖波形可以分解為若干不同頻率、不同幅度的正弦諧波。在一定的頻率范圍之內，放大器對不同頻率的正弦信號會穩定響應，增加靈敏度不會引起心電波形畸變，而在此范圍之外就會有靈敏度下降的現象。

2.5 時間常數

當直流信號輸入時，心電圖機的輸出幅度從百分之百下降到百分之三十七左右所需的時間，稱為時間常數。時間常數與心電圖的振幅下降速率相關，時間越長幅值下降則越慢。時間常數能反映心電放大器低頻特性的好壞，數值過小，輸出幅度就下降很快，使波形失真，甚至當輸入方波信號時，輸出會變成尖脈沖；數值越大表示低頻響應越好，但過大時基線穩定性下降，心電圖機的時間常數一般都要求大于1.5s而不小于3.2s。

2.6 幅度-時間參數

這是用來描ECG信號波形特性的一組數值，其中包括幅度和間期兩類參數，幅度標稱值包括：P、Q、R（S）、T波幅度和ST段電平；時間間隔標稱值包括：P、Q、R（S）、T波和QRS組合波的波寬，RR、PQ（PR）、QT、Qrmax，TP、QR間期。波形參數識別能力，被檢心電圖機所記錄和顯示信號與輸入的ECG仿真信號在幅度-時間參數上的符合程度。這個指標考察數字心電圖機所記錄的信號與輸入的心電測試信號在幅度-時間參數上的一致性，這對于臨床診斷有著重要意義。

3 數字心電圖機的檢定方法

為了保障數字心電圖機的量值準確可靠，規范數字心電圖機的檢定程序和方法。國家質檢總局于2008年4月制定發布了JJGl041-2008《數字心電圖機檢定規程》，該規程能夠體現數字心電圖機特性的指標項目及檢定方法，它是使用ECG仿真信號來檢定數字心電圖機對采集信號波形重建的能力。對于準確、全面、客觀地評價數字心電圖機的計量性能指標，保障數字心電圖機量值的準確性，具有非常重要的作用。由于數字心電圖機的檢定項目和方法與心電圖機的檢定項目和方法有很多相似或一致的地方，所以作者在這里不做長篇累牘。僅簡要舉幾個例子介紹一下數字心電圖機的檢定方法。

3.1 內定標電壓誤差

按要求連接儀器，調節信號發生器輸出頻率2.5Hz，幅度為1mv的方波信號，被檢心電圖機靈敏度置10mm/mv，記錄速度為25mm/s。首先測量被檢儀器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導聯上記錄的內定標電壓信號幅度，然后將方波信號通過模擬皮膚阻抗Z輸入被檢儀器，測量Ⅰ、Ⅱ導聯上記錄的外部方波信號幅度。將被檢心電圖機的“R”電極接到專用模擬阻抗電路的“L”端，“L”電極接到專用模擬阻抗電路的“R”端，測量Ⅲ導聯上所記錄的外部方波信號幅度（不計過沖和描記線寬度）。

3.2 加權系數誤差

按要求連接儀器，調節信號發生器 輸出頻率為10.0Hz，幅度為3.0mv的正弦波信號；被檢心電圖機靈敏度置10mm/mv，記錄速度為25mm/s。

信號發生器所產生的正弦波信號，通過專用模擬阻抗電路接入被檢心電設備輸入端，在輸出部分測量Ⅰ導聯上所記錄的正弦波信號幅度h1（不計過沖和描記線寬度）；微調信號發生器輸出信號幅值，使h=30mm。測量各導聯上記錄的正弦波信號的幅度hi（i=1，2……9），其理論值H1為30mm，H2和H3為15mm，其他為10mm。

3.3 波形識別能力與幅度-時間參數測量

先要連接標準信號發生器與被檢數字心電圖機。調節信號發生器輸出頻率為0.75Hz、幅度值為2mV的信號ECG仿真信號；然后選擇一個導聯或一組導聯（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVF、aVL、V1～V6），可根據用戶自身要求或保證測試結果可信度最大進行設定，例如記錄速度為25mm/s，靈敏度為20mm/mV。比較被檢心電圖機記錄的波形與JJGl041-2008《數字心電圖機檢定規程》附錄A中圖A.1，A.2、A.3的一致性。導聯Ⅰ、Ⅱ、aVF、aVL、V1～V6的信號波形應無失真，導聯Ⅲ的記錄應為一條直線。

3.4 時間間隔測量誤差

通過比較ECG測試信號時間間隔參數的測量值與標準值之差來確定每個通道的時間間隔測量誤差。檢定裝置輸出標準ECG測試信號至被檢心電圖機，通過比較被檢心電圖機記錄或顯示ECG信號時間參數：P、Q、R（S）、T波間期，PQ（PR）、QT、TP、QR間隔，QRmax、RR和QRS組合波波寬的測試值與標準ECG測試信號所給定的標稱值，來確定時間間隔測量誤差。

綜上，數字心電圖機無論是工作原理還是檢定方法，與之前廣泛使用的模擬心電圖機有了長足的改進?，F今，數字心電圖機在醫療臨床應用中全面取代模擬心電圖機的時代已經來臨，希望謹以此文起到拋磚引玉的作用。

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