趙暉

天臺縣人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 臺州317200

基于LabVIEW的除顫監(jiān)護(hù)檢測儀的開發(fā)

趙暉

天臺縣人民醫(yī)院 設(shè)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(shè)備，為確保除顫器臨床使用的安全有效，必須對其主要指標(biāo)進(jìn)行定期檢測。本文設(shè)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(biāo)，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(jiān)護(hù)檢測儀；心電信號；信噪比

近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得原來許多由硬件完成的功能可由軟件實現(xiàn)。同時，可視化程序開發(fā)語言在軟件領(lǐng)域中為更多易于使用、功能強大的軟件的開發(fā)提供了可能性，這就為一種全新的測量儀器系統(tǒng)——虛擬儀器的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)[1-2]。與傳統(tǒng)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(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，并具有開發(fā)與維護(hù)費用低、技術(shù)更新周期短、價格低等優(yōu)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(fā)環(huán)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(shù)庫，提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析工具，包括數(shù)值采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。采用旋鈕、開關(guān)、波形圖等構(gòu)造用戶界面，人機交互界面友好，可廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)療在內(nèi)的各行各業(yè)[5-6]。

1 系統(tǒng)概述

除顫器是一種應(yīng)用電擊來搶救和治療心律失常病人的醫(yī)用電子設(shè)備，它利用自身的儲能裝置產(chǎn)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(fù)竇性心律。

由于除顫器是搶救用的醫(yī)療儀器，所以它應(yīng)時刻處在完好的狀態(tài)，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(biāo)進(jìn)行定期檢測。根據(jù)除顫監(jiān)護(hù)儀校準(zhǔn)規(guī)范[7]，需檢測的指標(biāo)包括釋放能量的準(zhǔn)確度、充電時間、充放電次數(shù)、內(nèi)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(zhǔn)確度等。為此，需要使用除顫器檢測儀對其進(jìn)行檢測，具體指標(biāo)如下：

（1）內(nèi)置50Ω阻性放電負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)口產(chǎn)品，價格高昂。為此，我們設(shè)計了基于LabVIEW的除顫器檢測儀用來完成這些檢測。

該系統(tǒng)選擇LabVIEW作為編程語言，以軟件為中心，在必需的硬件環(huán)境下盡可能發(fā)揮軟件功能，完成信號采集、信號處理以及測試結(jié)果的顯示等工作。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集卡(完成A/D、 D/A轉(zhuǎn)換)及軟件系統(tǒng)組成。其中，軟件系統(tǒng)包含3個子vi模塊（波形輸出子vi、數(shù)據(jù)采集子vi、數(shù)據(jù)分析子vi），并以友好的圖形界面與用戶進(jìn)行交互。監(jiān)護(hù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡采用USB接口采集卡，采樣時鐘設(shè)置為10kHz，分辨率12bit。運放采用低輸入噪聲、低輸入失調(diào)電壓的高精度運放。所有電路由USB端口供電，經(jīng)DC-DC模塊提供±5V電壓。

心電信號、正弦波或方波信號經(jīng)采集卡DA0端口輸出至運放電路IC3、C4緩沖、濾波后，一路由導(dǎo)聯(lián)輸出電路輸出至除顫監(jiān)護(hù)儀，作為同步除顫的心電同步信號，或用以測試監(jiān)護(hù)的頻率響應(yīng)，另一路經(jīng)IC5緩沖后至DAQ卡AD0端口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作為反饋信號用以監(jiān)測輸出。

因為除顫器是根據(jù)人體的阻抗為50Ω來進(jìn)行設(shè)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(fù)載。除顫時作用于心臟的是一次瞬時高能脈沖，一般持續(xù)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(jìn)行衰減， R1～R10、IC1組成有源衰減電路，經(jīng)衰減、IC2緩沖濾波后，輸入DAQ卡AD1端口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換至PC機。D1～D4提供過壓保護(hù)。

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

3 軟件系統(tǒng)

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(jiān)護(hù)儀的頻率響應(yīng)，需輸出幅度、頻率可調(diào)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(yīng)電路組成。波形輸出子vi首先使用條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸出波形選擇，即通過波形類型下拉列表控件選擇相應(yīng)的While循環(huán)，輸出相應(yīng)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(shù)值輸入控件設(shè)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(huán)，循環(huán)內(nèi)部由MATLAB腳本節(jié)點、波形創(chuàng)建Vi、數(shù)據(jù)發(fā)送Vi 等組成。心電信號通過MATLAB腳本節(jié)點執(zhí)行用MATLAB語言編寫的腳本，生成模擬心電信號，并以數(shù)組形式送往波形創(chuàng)建Vi生成波形數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)發(fā)送Vi輸出至采集卡。

心電信號是由MATLAB腳本節(jié)點生成的，MATLAB是由美國MathWorks公司開發(fā)的一種功能強、效率高、簡單易學(xué)的科學(xué)仿真、計算軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能模塊，以及強大的科學(xué)計算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫，仿真過程是交互的，可以隨時修改參數(shù)，能夠立即看到仿真結(jié)果，生成可實際應(yīng)用的實時信號，與Labview比較各有優(yōu)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(jīng)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(jié)點輸出心率、幅度連續(xù)實時可調(diào)的模擬心電信號。另一種是根據(jù)心電圖生成的動態(tài)模型[10]，求解以下微分方程：

由于求解微分方程相當(dāng)費時，因此，首先通過MATLAB軟件生成各種心率的波形數(shù)據(jù)文件，再由程序中MATLAB腳本節(jié)點讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)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(chǎn)生。這些生成的波形通過D/A轉(zhuǎn)換、濾波放大、經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸出電路至除顫監(jiān)護(hù)儀。

撥動除顫波衰減開關(guān)，可通過DO1端口調(diào)節(jié)除顫信號放大電路的衰減系數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集子vi

數(shù)據(jù)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(huán)，循環(huán)內(nèi)部由電壓采集Vi、幅值和電平測量Vi、觸發(fā)與門限Vi、波形圖表等組成。數(shù)據(jù)采集程序框圖，見圖4。

單擊面板上的采集開關(guān)，系統(tǒng)開始循環(huán)讀取采集卡采集的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)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(diào)零開關(guān)，系統(tǒng)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(diào)零，調(diào)節(jié)幅度旋鈕和位移滑塊，可調(diào)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(fā)與門限Vi一旦檢測到手動觸發(fā)信號或除顫放電脈沖，則采集儲存觸發(fā)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(fā)前后的除顫信號和心電波形數(shù)據(jù)，并同時顯示在波形圖表中，同樣可通過調(diào)節(jié)幅度旋鈕和位移滑塊，調(diào)整波形的顯示幅度和上下、左右位置，詳細(xì)觀察除顫器的放電波形以及與心電信號的同步關(guān)系。并自動測量取樣區(qū)間內(nèi)的釋放能量、同步除顫延遲時間、最大電壓、最大電流。取樣區(qū)間的選取可選擇自動或手動模式，通過自動測量選擇開關(guān)切換。

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

手動模式：通過移動波形圖表中的兩條游標(biāo)確定取樣區(qū)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(jìn)行平方和積分運算，再除以負(fù)載電阻即得到相應(yīng)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(xù)的時間。

4 結(jié)果與分析

利用該測試儀對PHILIPS 4735除顫器進(jìn)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(jié)果進(jìn)行比較，測試比較結(jié)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(jīng)衰減后，在低能量輸出時經(jīng)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(jié)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(dá)1～2V，噪音對結(jié)果影響相應(yīng)減弱。

表1 測試比較結(jié)果

為此，可完善放大器設(shè)計，進(jìn)一步提高其信噪比，并適當(dāng)降低衰減系數(shù)，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(shù)，人機界面友好，其結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低廉，經(jīng)進(jìn)一步完善，可成為一款性價比較高的檢測設(shè)備。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

[1] 朱志強,田心.LabVIEW及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊,2001,24(2):59-64.

[2] 孫秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW8.5快速入門與提高[M].西安:交通大學(xué)出版社,2009.

[3] 潘海彬,周哲,李伯全.LabVIEW下使用普通數(shù)據(jù)采集卡方法研究[J].微計算機信息,2007,23(28):74-76.

[4] 曾山等.基于LabVIEW的信號發(fā)生器和虛擬示波器綜合測試儀的設(shè)計[J].醫(yī)療設(shè)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(fā)生器設(shè)計[J].光學(xué)儀器,2007,29(2):68-72.

[6] 魯昌華,曹源,劉勤勤,等.LabVIEW 測量信號時間間隔的實現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(4):142-143.

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF 1149-2006心臟除顫器和心臟除顫監(jiān)護(hù)儀校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京:中國計量出版社,2006.

[8] 徐明,于業(yè)明.LabVIEW 中MATLAB的調(diào)用[J].山東理工大學(xué)學(xué)報,2005,19(4):92-95.

[9] 鄭峰,劉曼芳,許明強.標(biāo)準(zhǔn)心電模擬波形發(fā)生器制作[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2003,24(9):45-46.

[10] Patrick E.McSharry,Gari D,et al.A dynamical model for generating synthetic electrocardiogram signals[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2003,50(3):289-294.

[11] 張玉明,方勝昔,陳海峰.除顫能量測試儀的研究與設(shè)計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2000,(4):11-12.

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