淺析數(shù)字心電圖機(jī)的工作原理與檢定方法

張海翔

摘 要：數(shù)字心電圖機(jī)不僅具有生理信號(hào)放大、系統(tǒng)采集、打印記錄等功能，還操作簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)?，F(xiàn)如今已經(jīng)在醫(yī)療臨床領(lǐng)域廣泛采用。本文從數(shù)字心電圖機(jī)的工作原理和特性以及檢定方法三個(gè)方面分別進(jìn)行了分析，以便在日常的使用中為大家提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)字心電圖機(jī)；工作原理；特性；檢定方法

中圖分類號(hào)：R540 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）13-0181-02

數(shù)字心電圖機(jī)是用來記錄和顯示心臟活動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的生理電信號(hào)的儀器。它采用數(shù)字技術(shù)采集、處理心電信號(hào)。它不僅具有生理信號(hào)放大、系統(tǒng)采集、打印記錄等功能，還應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波和模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)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(jiǎn)單、抗干擾性更好。現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：

1 數(shù)字心電圖機(jī)的工作原理

數(shù)字心電圖機(jī)主要由導(dǎo)聯(lián)輸入、前置放大器、中間放大器、功率放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、記錄器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、電源供給電路以及走紙傳動(dòng)裝置等構(gòu)成。

它利用ECG電極從人體提取微弱生理電信號(hào)，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)聯(lián)選擇器送入前置放大、濾波電路，經(jīng)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(jīng)A/D變換成數(shù)字同步心電圖信號(hào)后送入控制器部分，經(jīng)過數(shù)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(shù)字心電圖機(jī)的特性

2.1 電壓

內(nèi)定標(biāo)電壓：數(shù)字心電圖機(jī)所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)幅度為lmV的電壓信號(hào)，被作為衡量所記錄的心電圖波形幅度的標(biāo)準(zhǔn)，就是“內(nèi)標(biāo)”。內(nèi)標(biāo)是數(shù)字心電圖機(jī)比較重要的指標(biāo)，假如內(nèi)標(biāo)產(chǎn)生較大的誤差，會(huì)使得心電信號(hào)P波、R波、T波幅度比真實(shí)幅度偏高或偏低，導(dǎo)致波形失真，容易引起誤診。檢定規(guī)程要求內(nèi)標(biāo)的最大允許誤差為±5%，在對(duì)數(shù)字心電圖機(jī)的內(nèi)標(biāo)進(jìn)行檢定時(shí)，要把數(shù)字心電圖機(jī)的阻尼調(diào)整到最佳狀態(tài)，以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性；耐極化電壓：對(duì)于生物電極來說，有無電流流過時(shí)電極電勢(shì)有所不同，這是由于電極產(chǎn)生-r的極化作用，有無電流兩種情況的電極電勢(shì)的差值稱為極化電壓。極化電壓過高將淹沒電信號(hào)，引導(dǎo)不出心電信號(hào)。耐極化電壓的檢定就是用于考察數(shù)字心電圖機(jī)隔直流電壓的能力。當(dāng)輸入±300mV直流電壓后，各導(dǎo)聯(lián)記錄和顯示的基線沒有偏移，則表明該數(shù)字心電圖機(jī)的此項(xiàng)指標(biāo)檢定合格。

2.2 輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍

被檢心電圖機(jī)所能檢測(cè)的輸入信號(hào)之最小值（在所描記的ECG信號(hào)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(hào)上，在規(guī)定的準(zhǔn)確度下，所能測(cè)量的最大峰值電壓幅度）。在檢定時(shí)，受檢數(shù)字心電圖機(jī)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(shù)字心電圖機(jī)對(duì)生理電信號(hào)的波動(dòng)變化適應(yīng)能力越強(qiáng)，檢定規(guī)程要求各導(dǎo)聯(lián)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(jī)的差模信號(hào)放大倍數(shù)與共模信號(hào)放大倍數(shù)之比，是用于衡量心電放大器對(duì)干擾信號(hào)抑制能力的一個(gè)重要指標(biāo)。通常差模信號(hào)大于60dB，此時(shí)意味著放大器輸入端的共模干擾達(dá)到lmV時(shí)才與1μV的差模輸入信號(hào)具有相同幅度的輸出。

2.4 頻率響應(yīng)

數(shù)字心電圖機(jī)輸入相同幅值信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)幅度隨頻率變化的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)，心電圖機(jī)的頻率響應(yīng)取決于放大器和記錄器的頻率響應(yīng)。數(shù)字心電圖機(jī)較快之于傳統(tǒng)心電圖機(jī)，由于采用了計(jì)算機(jī)數(shù)字化采集和處理技術(shù)，配置了精密熱陣記錄器，其頻響范圍能提高到0.01～150Hz。依據(jù)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(nèi)，放大器對(duì)不同頻率的正弦信號(hào)會(huì)穩(wěn)定響應(yīng)，增加靈敏度不會(huì)引起心電波形畸變，而在此范圍之外就會(huì)有靈敏度下降的現(xiàn)象。

2.5 時(shí)間常數(shù)

當(dāng)直流信號(hào)輸入時(shí)，心電圖機(jī)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(shí)間，稱為時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)與心電圖的振幅下降速率相關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)幅值下降則越慢。時(shí)間常數(shù)能反映心電放大器低頻特性的好壞，數(shù)值過小，輸出幅度就下降很快，使波形失真，甚至當(dāng)輸入方波信號(hào)時(shí)，輸出會(huì)變成尖脈沖；數(shù)值越大表示低頻響應(yīng)越好，但過大時(shí)基線穩(wěn)定性下降，心電圖機(jī)的時(shí)間常數(shù)一般都要求大于1.5s而不小于3.2s。

2.6 幅度-時(shí)間參數(shù)

這是用來描ECG信號(hào)波形特性的一組數(shù)值，其中包括幅度和間期兩類參數(shù)，幅度標(biāo)稱值包括：P、Q、R（S）、T波幅度和ST段電平；時(shí)間間隔標(biāo)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(shù)識(shí)別能力，被檢心電圖機(jī)所記錄和顯示信號(hào)與輸入的ECG仿真信號(hào)在幅度-時(shí)間參數(shù)上的符合程度。這個(gè)指標(biāo)考察數(shù)字心電圖機(jī)所記錄的信號(hào)與輸入的心電測(cè)試信號(hào)在幅度-時(shí)間參數(shù)上的一致性，這對(duì)于臨床診斷有著重要意義。

3 數(shù)字心電圖機(jī)的檢定方法

為了保障數(shù)字心電圖機(jī)的量值準(zhǔn)確可靠，規(guī)范數(shù)字心電圖機(jī)的檢定程序和方法。國(guó)家質(zhì)檢總局于2008年4月制定發(fā)布了JJGl041-2008《數(shù)字心電圖機(jī)檢定規(guī)程》，該規(guī)程能夠體現(xiàn)數(shù)字心電圖機(jī)特性的指標(biāo)項(xiàng)目及檢定方法，它是使用ECG仿真信號(hào)來檢定數(shù)字心電圖機(jī)對(duì)采集信號(hào)波形重建的能力。對(duì)于準(zhǔn)確、全面、客觀地評(píng)價(jià)數(shù)字心電圖機(jī)的計(jì)量性能指標(biāo)，保障數(shù)字心電圖機(jī)量值的準(zhǔn)確性，具有非常重要的作用。由于數(shù)字心電圖機(jī)的檢定項(xiàng)目和方法與心電圖機(jī)的檢定項(xiàng)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(zhǎng)篇累牘。僅簡(jiǎn)要舉幾個(gè)例子介紹一下數(shù)字心電圖機(jī)的檢定方法。

3.1 內(nèi)定標(biāo)電壓誤差

按要求連接儀器，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率2.5Hz，幅度為1mv的方波信號(hào)，被檢心電圖機(jī)靈敏度置10mm/mv，記錄速度為25mm/s。首先測(cè)量被檢儀器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)上記錄的內(nèi)定標(biāo)電壓信號(hào)幅度，然后將方波信號(hào)通過模擬皮膚阻抗Z輸入被檢儀器，測(cè)量Ⅰ、Ⅱ?qū)?lián)上記錄的外部方波信號(hào)幅度。將被檢心電圖機(jī)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(cè)量Ⅲ導(dǎo)聯(lián)上所記錄的外部方波信號(hào)幅度（不計(jì)過沖和描記線寬度）。

3.2 加權(quán)系數(shù)誤差

按要求連接儀器，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器 輸出頻率為10.0Hz，幅度為3.0mv的正弦波信號(hào)；被檢心電圖機(jī)靈敏度置10mm/mv，記錄速度為25mm/s。

信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)，通過專用模擬阻抗電路接入被檢心電設(shè)備輸入端，在輸出部分測(cè)量Ⅰ導(dǎo)聯(lián)上所記錄的正弦波信號(hào)幅度h1（不計(jì)過沖和描記線寬度）；微調(diào)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)幅值，使h=30mm。測(cè)量各導(dǎo)聯(lián)上記錄的正弦波信號(hào)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(shí)別能力與幅度-時(shí)間參數(shù)測(cè)量

先要連接標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器與被檢數(shù)字心電圖機(jī)。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為0.75Hz、幅度值為2mV的信號(hào)ECG仿真信號(hào)；然后選擇一個(gè)導(dǎo)聯(lián)或一組導(dǎo)聯(lián)（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVF、aVL、V1～V6），可根據(jù)用戶自身要求或保證測(cè)試結(jié)果可信度最大進(jìn)行設(shè)定，例如記錄速度為25mm/s，靈敏度為20mm/mV。比較被檢心電圖機(jī)記錄的波形與JJGl041-2008《數(shù)字心電圖機(jī)檢定規(guī)程》附錄A中圖A.1，A.2、A.3的一致性。導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、aVF、aVL、V1～V6的信號(hào)波形應(yīng)無失真，導(dǎo)聯(lián)Ⅲ的記錄應(yīng)為一條直線。

3.4 時(shí)間間隔測(cè)量誤差

通過比較ECG測(cè)試信號(hào)時(shí)間間隔參數(shù)的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差來確定每個(gè)通道的時(shí)間間隔測(cè)量誤差。檢定裝置輸出標(biāo)準(zhǔn)ECG測(cè)試信號(hào)至被檢心電圖機(jī)，通過比較被檢心電圖機(jī)記錄或顯示ECG信號(hào)時(shí)間參數(shù)：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(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)ECG測(cè)試信號(hào)所給定的標(biāo)稱值，來確定時(shí)間間隔測(cè)量誤差。

綜上，數(shù)字心電圖機(jī)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(jī)有了長(zhǎng)足的改進(jìn)?，F(xiàn)今，數(shù)字心電圖機(jī)在醫(yī)療臨床應(yīng)用中全面取代模擬心電圖機(jī)的時(shí)代已經(jīng)來臨，希望謹(jǐn)以此文起到拋磚引玉的作用。

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