赵晖

天台县人民医院 设备科，浙江 台州317200

基于LabVIEW的除颤监护检测仪的开发

赵晖

天台县人民医院 设备科，浙江 台州317200

除颤器是用于抢救和治疗心律失常病人的设备，为确保除颤器临床使用的安全有效，必须对其主要指标进行定期检测。本文设计了一款基于LabVIEW的除颤器检测仪，用于检测除颤器的释放能量、同步除颤延迟时间等指标，并可输出模拟心电信号和正弦波（或方波）信号。

除颤器；除颤监护检测仪；心电信号；信噪比

近年来，随着计算机技术的飞速发展，使得原来许多由硬件完成的功能可由软件实现。同时，可视化程序开发语言在软件领域中为更多易于使用、功能强大的软件的开发提供了可能性，这就为一种全新的测量仪器系统——虚拟仪器的产生奠定了基础[1-2]。与传统的仪器相比， 虚拟仪器立足于软件，可以充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，把传统仪器的专业化功能软件化，并具有开发与维护费用低、技术更新周期短、价格低等优点。

LabVIEW是美国国家仪器公司的基于图形化编程——G语言的开发环境[3-4]，其是一个功能强大的图形化编程工具，由前面板和程序框图组成。具有功能强大的函数库，提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，包括数值采集、数据分析、数据显示及数据存储等。采用旋钮、开关、波形图等构造用户界面，人机交互界面友好，可广泛应用于包括医疗在内的各行各业[5-6]。

1 系统概述

除颤器是一种应用电击来抢救和治疗心律失常病人的医用电子设备，它利用自身的储能装置产生几千伏、能量可控的瞬间高压电脉冲，通过除颤电极向患者释放，来消除某些心律紊乱，使患者恢复窦性心律。

由于除颤器是抢救用的医疗仪器，所以它应时刻处在完好的状态，以备随时使用。为确保除颤器临床使用的安全有效，必须对其主要指标进行定期检测。根据除颤监护仪校准规范[7]，需检测的指标包括释放能量的准确度、充电时间、充放电次数、内部放电性能、同步除颤延迟时间、心电信号放大器的性能及心率示值的准确度等。为此，需要使用除颤器检测仪对其进行检测，具体指标如下：

（1）内置50Ω阻性放电负载。

（2）能量测量范围：0～500J，最大允许误差：测量值的±5%或±2J（两者取较大值）。

（3）同步除颤延迟时间测量，最大允许误差：±2ms。

（4）能输出同步模拟心电信号或标准心率信号，心率范围：30 ～240次/min。

（5）能输出正弦波（或方波）信号，频率范围：1～25Hz；输出电压峰峰值：1mV。

目前，市场上销售的除颤器检测仪几乎都是进口产品，价格高昂。为此，我们设计了基于LabVIEW的除颤器检测仪用来完成这些检测。

该系统选择LabVIEW作为编程语言，以软件为中心，在必需的硬件环境下尽可能发挥软件功能，完成信号采集、信号处理以及测试结果的显示等工作。系统主要由波形输出电路（模拟心电信号、正弦波或方波信号输出），除颤信号处理电路（除颤波的衰减、滤波放大），数据采集卡(完成A/D、 D/A转换)及软件系统组成。其中，软件系统包含3个子vi模块（波形输出子vi、数据采集子vi、数据分析子vi），并以友好的图形界面与用户进行交互。监护仪操作面板，见图1。

2 硬件电路

硬件电路主要由波形输出电路、除颤信号处理电路和数据采集卡DAQ组成。硬件电路示意图，见图2。

图2 硬件电路示意图

数据采集卡采用USB接口采集卡，采样时钟设置为10kHz，分辨率12bit。运放采用低输入噪声、低输入失调电压的高精度运放。所有电路由USB端口供电，经DC-DC模块提供±5V电压。

心电信号、正弦波或方波信号经采集卡DA0端口输出至运放电路IC3、C4缓冲、滤波后，一路由导联输出电路输出至除颤监护仪，作为同步除颤的心电同步信号，或用以测试监护的频率响应，另一路经IC5缓冲后至DAQ卡AD0端口，经A/D转换作为反馈信号用以监测输出。

因为除颤器是根据人体的阻抗为50Ω来进行设计的，所以在测试时也必须在两个电极之间加上模拟人体阻抗（50Ω）负载。除颤时作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲，一般持续时间为4～10ms，强度为几千伏（kV）和几十安培（A），能量在50～360J。采集前需对其进行衰减， R1～R10、IC1组成有源衰减电路，经衰减、IC2缓冲滤波后，输入DAQ卡AD1端口，经A/D转换至PC机。D1～D4提供过压保护。

采集卡数字量输出端口DO1控制J1，用以控制衰减系数在1000:1与2000:1之间切换，

3 软件系统

图1 操作面板

3.1 波形输出子vi

为了测试除颤器同步除颤时的同步性能和监护仪的频率响应，需输出幅度、频率可调的模拟心电信号和正弦波（或方波）信号。

波形输出由波形输出子vi和相应电路组成。波形输出子vi首先使用条件结构进行输出波形选择，即通过波形类型下拉列表控件选择相应的While循环，输出相应的波形，同时通过旋钮控件选择心率或正弦波、方波频率；通过数值输入控件设置输出幅度。心率范围：30 ～240次/min；正弦波、方波频率范围：0.05～200Hz。

心电信号波形输出程序框图，见图3。其最外层为While循环，循环内部由MATLAB脚本节点、波形创建Vi、数据发送Vi 等组成。心电信号通过MATLAB脚本节点执行用MATLAB语言编写的脚本，生成模拟心电信号，并以数组形式送往波形创建Vi生成波形数据，由数据发送Vi输出至采集卡。

心电信号是由MATLAB脚本节点生成的，MATLAB是由美国MathWorks公司开发的一种功能强、效率高、简单易学的科学仿真、计算软件，具有丰富的数据分析和处理功能模块，以及强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库，仿真过程是交互的，可以随时修改参数，能够立即看到仿真结果，生成可实际应用的实时信号，与Labview比较各有优缺点，利用混合编程可以相互补充[8-9]。

一个典型的心电信号由P波、PR段、QRS波、ST段和T波组成，频率范围为0.05～100Hz，幅度约为0～4mV。这里使用两种方法生成心电信号，一种是将心电信号近似看作是各个三角波信号和正弦信号的组合，先经过计算得到各个特征波序列，再将各特征波合成为最终的仿真信号。通过MATLAB脚本节点输出心率、幅度连续实时可调的模拟心电信号。另一种是根据心电图生成的动态模型[10]，求解以下微分方程：

由于求解微分方程相当费时，因此，首先通过MATLAB软件生成各种心率的波形数据文件，再由程序中MATLAB脚本节点读取相应数据文件，输出固定心率的心电信号。

正弦波、方波则由Labview的波形生成vi产生。这些生成的波形通过D/A转换、滤波放大、经导联输出电路至除颤监护仪。

拨动除颤波衰减开关，可通过DO1端口调节除颤信号放大电路的衰减系数。

3.2 数据采集子vi

数据采集子vi包括两部分，第一部分为采集卡初始化程序，第二部分为程序的主要部分, 最外层是一个While循环，循环内部由电压采集Vi、幅值和电平测量Vi、触发与门限Vi、波形图表等组成。数据采集程序框图，见图4。

单击面板上的采集开关，系统开始循环读取采集卡采集的数据，包括经衰减的除颤信号和波形输出电路输出的波形，并分别显示在波形图表中。

单击调零开关，系统通过读取幅值和电平测量Vi的直流信号对除颤信号输入通道自动调零，调节幅度旋钮和位移滑块，可调整显示波形的显示幅度和上下位置，方便地观察心电和除颤实时波形。

而触发与门限Vi一旦检测到手动触发信号或除颤放电脉冲，则采集储存触发前后的除颤信号和心电波形，供信号分析模块分析。

3.3 信号分析子vi

图3 心电信号波形输出程序框图

信号分析模块从采集模块获得触发前后的除颤信号和心电波形数据，并同时显示在波形图表中，同样可通过调节幅度旋钮和位移滑块，调整波形的显示幅度和上下、左右位置，详细观察除颤器的放电波形以及与心电信号的同步关系。并自动测量取样区间内的释放能量、同步除颤延迟时间、最大电压、最大电流。取样区间的选取可选择自动或手动模式，通过自动测量选择开关切换。

自动模式：由于除颤信号脉冲一般持续时间为十几毫秒（ms），同步触发延迟时间<30ms，因此，测量区间选择为触发前40ms至触发后20ms。

手动模式：通过移动波形图表中的两条游标确定取样区间。

能量测量：除颤时作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲，取该放电电压进行平方和积分运算，再除以负载电阻即得到相应的电击能量值[11]。计算公式如下：

式中，dt为100μs，R为50Ω。

同步除颤延迟时间测量：测量从R波峰值到除颤器放电脉冲峰值所持续的时间。

4 结果与分析

利用该测试仪对PHILIPS 4735除颤器进行测量，模拟心电信号为80bpm，1mV峰峰值，观察除颤器的放电波形，可观察到该波形为典型的双相波。测量其实际输出能量，并与FLUKE QED6除颤器分析仪测试结果进行比较，测试比较结果，见表1。

从表1可看出，在测试低能量输出时，本文中的测试仪测试误差较大。分析原因：由于PHILIPS 4735为双向波输出，其输出电压比单项波低，经衰减后，在低能量输出时经放大器输出至采集卡的信号只有几百毫伏（mV），同时由于采用PC机供电，高频噪音较大，加上未采用低噪音DC-DC模块，致使放大器有几十毫伏（mV）的输出噪音，从而对结果有较大影响，而测试较高能量输出时，采集卡输入的信号达1～2V，噪音对结果影响相应减弱。

表1 测试比较结果

为此，可完善放大器设计，进一步提高其信噪比，并适当降低衰减系数，提高输入采集卡的信号电压，可有效降低测试误差。由于该检测仪使用虚拟仪器技术，人机界面友好，其结构简单，制作成本低廉，经进一步完善，可成为一款性价比较高的检测设备。

图4 数据采集程序框图

[1] 朱志强,田心.LabVIEW及其在生物医学工程中的应用[J].国外医学生物医学工程分册,2001,24(2):59-64.

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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

作者邮箱：ttyyzh@163.com