心电图机自动检定技术研究

吴新社 邓芳轶 朱 弋 徐天波 周燕兵

心电图机计量检定为国家强制检定项目。现有检定方法是将波形、波幅和频率不同的测试信号送入被检心电图机后进行走纸记录，再按规程开展测量和计算，最后得到检定结果。模拟心电图机共17项检定内容，数字心电图机共11项检定内容，所有检定内容都是围绕心电图机的波形保真度、波幅一致性、时间稳定性和信号噪声比展开的[1]。目前的检定技术功能较多、精度较高，其存在的主要问题为：①需要手动切换和调整测试信号，操作比较复杂；②需要人工测量输出波形和计算检定误差，存在人为误差；③需要使用热敏纸记录测试结果，存在材料消耗；④检定过程较长，需要时间。心电图机自动检定技术通过运用自动控制技术、信号发生技术和数据分析技术，可有效解决操作过程繁杂、检定速度较慢和专用纸张消耗、人为引入误差等技术不足，着力提高心电图机的检定效率，降低检定人员的劳动强度。

1 心电图机自动检定技术原理

1.1 检定技术基本结构

心电图机自动检定技术以国家计量标准(JJG543-2008、JJG1041-2008等)为依据，以单片机信号产生技术为基础，以数据采集和误差计算为工具，以被检心电图机遥控操作为手段，通过自动控制技术实现自动检定。心电图机自动检定技术主要由控制模块、信号模块、被检心电图机和数据处理模块组成。如图1所示，控制模块输出连接信号模块和被检心电图机，信号模块输出连接被检心电图机，被检心电图机输出连接数据处理模块，数据处理模块输出连接控制模块，形成一个复杂的闭环控制系统。

图1 心电图机自动检定技术原理

1.2 检定过程

在心电图机无纸运行条件下，控制模块驱动信号模块顺序产生预定波形、波幅和频率的测试信号，送入被检心电图机，同时控制模块按检定规程改变心电图机的灵敏度、走纸速度及滤波等状态参数。测试信号进入被检心电图机，经机器处理后通过RS232口进入数据处理模块，由数据处理模块进行数据采集和误差计算，完成检定规程规定的检定项目[2]。按照检定规程要求，如果信号模块产生的波幅或频率不等于被检心电图机内部信号产生的波幅或频率，数据处理模块则将误差信号发送到控制器，由控制器改变信号模块的波幅或频率，直到与之相等。检定完毕后数据处理模块输出检定结果和检定结论，必要时还可上传数据和打印结果。

2 检定技术硬件及软件的组成

自动检定技术主要包括控制模块、信号模块、数据处理模块、RS232数据线、心电图机操作电路和低噪声电源等。硬件做成箱形结构，数据处理模块选用笔记本电脑，置于箱体顶层；控制模块和信号模块做成一块PCB板，置于箱体中层；低噪声电源等置于箱体底层。各层之间严格电磁屏蔽，以免相互干扰。

2.1 控制模块

控制模块主要由ARM单片机、电平转换电路、导联切换电路、心电图机操作电路、语音芯片、显示屏和键盘等组成。如图2所示，ARM单片机用于控制信号模块产生不同波形、波幅和频率的测试信号，切换导联，遥控操作心电图机等；电平转换电路用于将RS232口的±12 V电平转换为0～5 V单片机电平，用于接收数据处理模块发来的误差信号；导联切换电路用于切换心电图机导联线与信号发生器的连接方式，如R与L交换、CMRR测量等；心电图机操作电路用于改变被检心电图机灵敏度、走纸速度和滤波开关等状态参数[3]；键盘用于输入控制参数；显示屏用于显示机器工作状态；语音芯片用于提示检定员注意事项。各模块按ARM单片机的I/O接口要求进行配置和连接。电源选用低噪声开关电源。

图2 控制模块组成框图

2.2 信号模块

如图3所示，信号模块是以ARM单片机为核心、采用DDS技术产生脉冲信号的硬件电路，主要包括ARM单片机电路、信号产生与控制电路、共模拟制比(CMRR)测试电路、信号调理电路和导联切换电路[4-5]。信号产生后经过滤波整形等处理，然后送入导联切换电路，在ARM单片机控制下可以实现R导联与L导联、R导联与F导联等切换。输出波形有方波、正弦波和心电波等，每种波形至少连续输出5个周期。波幅通常为0.5～5 mV，耐极化电压时为±300 mV，频率为0.75～10 Hz。

图3 信号模块组成框图

2.3 被检心电图机

为实现自动检定目标，被检心电图机的灵敏度、走纸速度、滤波选择等开关按钮需要扩展，做成专用接口(如RS232口)，置于心电图机机身外部，通过数据线与控制模块直接相连。检定时控制模块可以改变心电图机的工作状态，创造检定条件。目前的机器还没有此种接口，只好在语音提示下手动操作。如确实需要专用接口可以升级改造，其技术难度并不高。标准制定部门应对将来的机型增设专用机控接口，以便自动检定技术运用。

2.4 数据处理模块

数据处理模块主要由电脑硬件和程序软件两部分组成。根据安装与使用要求，电脑硬件选用扁平形的笔记本电脑、平板电脑或智能手机等硬件设备；当然也可重新设计信号处理(DSP)电路，但设计制造成本可能较高。数据处理模块的输入来自被检心电图机的RS232口数据线，输出端为显示器、打印机及其他数字接口。软件(检定程序)需要进行系统全面开发。

数据处理模块负责数据采集、向控制模块发送幅度或频率等误差信号、心电图机输出波形参数测量、检定误差计算、计量结果是否合格的判断、标准格式输出等任务。在制造厂家提供被检心电图机的数据输出格式、波特率等技术参数基础上，数据采集模块通过RS232口直接采集心电波形数据，存入机器内存。接着进行波幅或频率测量，比较被检心电图机内部信号与信号模块送来的信号之间差异，如果超差则将差值反馈到控制模块上的电平转换电路输入端，经电平转换后进入ARM单片机，单片机控制信号模块反向调整波幅和频率等技术指标，直到二者近似相等。信号模块输出的测试信号经心电图机处理后输出串行数据，输出顺序要与心电图机检定规程规定的顺序严格一致，并能被数据采集模块识别和采用。采集动作以电平信号大于某个约定值为开始信号，同理采集结束以电平信号小于或等于某个约定信号为标志，没有专门给出控制信号。数据采集完毕后，数据处理模块测量检定所需的各种波形尺寸参数，并按规程给出的计算公式进行误差计算[6-7]。最后输出计量检定结果，具体过程如图4所示。

心电图机自动检定技术包含信号产生与调整技术、程序数据采集与测量计算技术、心电图机远程无人操作技术以及自动控制技术等内容[8]。信号产生与调整技术能够简化信号切换过程的复杂性，建立自动检定的技术平台。程序数据采集与测量计算可简化复杂的数据处理过程、降低检定人员的劳动强度、消除人为引入误差以及避免心电图机专用记录纸的消耗。

图4 数据采集程序框图

3 结语

心电图机自动检定技术能够较好地解决心电图机计量检定过程操作复杂、用时较长、人为误差、纸张消耗等诸多问题，可有效提高检定精度和速度，明显节省了检定成本和时间，具有重要的实用价值和潜在的应用前景。

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