【作者】王可伍，肖圣祥，姜麗娜，胡錦凱

浙江大學醫(yī)學院附屬第四醫(yī)院，義烏市，322000

一種檢測自動體外除顫儀性能參數(shù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

【作者】王可伍，肖圣祥，姜麗娜，胡錦凱

浙江大學醫(yī)學院附屬第四醫(yī)院，義烏市，322000

目的 為了定期檢測自動體外除顫儀(AED)的性能參數(shù)，確保儀器使用前安全可靠，研究與設(shè)計一款檢測自動體外除顫儀性能參數(shù)的系統(tǒng)。方法 通過研究自動體外除顫儀的相關(guān)性能參數(shù)，利用STM32為主控制芯片，以STM32的穩(wěn)定性以及它的高速性和PWM調(diào)制方式控制很好地結(jié)合在一起應(yīng)用，通過數(shù)字采樣的方式產(chǎn)生檢測自動體外除顫儀所需要的正常的和非正常的心電信號波形。結(jié)果 實現(xiàn)了一種檢測自動體外除顫儀性能參數(shù)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，完成了樣機。結(jié)論 系統(tǒng)能夠準確測量自動體外除顫儀的除顫放電能量，除顫時間等關(guān)鍵性能參數(shù)。

自動體外除顫儀；STM32；數(shù)字采樣；波形產(chǎn)生；除顫放電能量

0 引言

自動體外除顫儀（Automated External Def i brillator，AED）是利用在極短的時間內(nèi)放出高能量脈沖對由心室纖顫所引起的心源性猝死患者進行短暫電擊的方法，對此類患者進行及時的搶救治療，使其恢復(fù)正常心率[1]。顯然，AED性能參數(shù)的準確性關(guān)系到搶救是否能夠成功，所以必須要通過相應(yīng)的檢測儀器對AED生產(chǎn)時各性能參數(shù)進行檢測以及定期性能檢查。

國際上，對于心臟除顫儀參數(shù)檢測儀器經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)較為成熟。該儀器在國外醫(yī)療機構(gòu)也相當普及[2]，主要有瑞士Metron公司生產(chǎn)的QA-45以及美國FLUKE公司生產(chǎn)的QED-6檢測儀，比較先進，功能強大，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜[3]。儀器能夠存儲大量的各種病態(tài)以及正常的原始心電數(shù)據(jù)，再通過高精度DAC電路，可輸出模擬人體的各種病態(tài)以及正常的心電信號波形。儀器設(shè)計中主要通過主CPU控制程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器，用來完成數(shù)據(jù)處理與傳輸、放電能量的計算與顯示、心電波形輸出與顯示、人機交互等功能[4]。而國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，進展也相當緩慢，國內(nèi)的各大檢測機構(gòu)和醫(yī)療機構(gòu)以及除顫儀生產(chǎn)商還需要依靠進口的除顫儀參數(shù)檢測儀器[5]。國內(nèi)目前主要有幾個高校和研究所在研究開發(fā)除顫儀參數(shù)檢測儀器[6]，設(shè)計的電路都較簡單、數(shù)據(jù)的采集和集成化程度不高[7]。主要原因是設(shè)計時沒有采用高速的A/D芯片，由于放電的時間非常短，且數(shù)據(jù)采集電路不夠合理，導(dǎo)致測量時間過長，測出的能量不準確[8]。國內(nèi)目前研究的除顫儀參數(shù)檢測儀器的功能只有能量的測量，還沒有心電信號產(chǎn)生模塊。這導(dǎo)致在檢測心臟除顫儀時，同時需要配合使用心電信號發(fā)生儀器才能完成檢測[9]。

所以，本文設(shè)計了一款利用STM32位主控制器的AED性能參數(shù)測試系統(tǒng)。它可對AED的各種性能參數(shù)，包括除顫放電能量、放電最大電壓、同步除顫時間等功能進行檢驗。且利用STM32的定時器模擬相應(yīng)的PWM波輸出，根據(jù)采樣控制理論可得到相應(yīng)的心電信號波形。

1 系統(tǒng)設(shè)計

AED性能參數(shù)測試儀器是一種由計算機編程與控制的、用于檢測AED各種性能參數(shù)的自動化程度極高的分析儀器，其工作過程是與除顫儀聯(lián)機進行的。具體過程為：①將分析儀和除顫儀連接好，分別給它們供電；②將系統(tǒng)打開，通過按鍵選擇好輸出的心電信號(60次/min、90次/min、室顫、心率過速)；③將系統(tǒng)的顯示界面調(diào)節(jié)到電壓或者能量顯示界面；④打開除顫儀，除顫儀開始測量系統(tǒng)所模擬設(shè)計的人體胸阻抗值，并且通過串口顯示測得值；⑤檢測系統(tǒng)輸出的心電信號；⑥若測量的信號為VF/VT（室顫/心率過速）且此信號持續(xù)時間10 s，則除顫儀充放電電容開始進行除顫充電，當充電電容充滿電時除顫儀會對系統(tǒng)輸出的心電信號再次進行分析，如果分析結(jié)果仍然為可除顫信號(VF/VT)，此時除顫儀將進行放電；⑦按下放電按鍵后，系統(tǒng)將顯示放電電壓以及一次放電能量。如果系統(tǒng)輸出顯示為60次/min或90次/min的正常心電信號波形時，除顫儀將不進行充放電過程。其間對于第一次充放電結(jié)束后，進行第二次充放電時，等待3 s后再按下放電按鍵，記錄此時系統(tǒng)顯示的能量值，結(jié)合第一次能量值可計算出除顫儀的能量損失率。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包括模擬心電信號波形產(chǎn)生模塊、除顫放電能量的采集與處理模塊、電源模塊、LCD顯示模塊等。結(jié)合本設(shè)計的主要創(chuàng)新點，將詳細介紹系統(tǒng)的模擬心電信號波形產(chǎn)生模塊和除顫放電能量采集與處理模塊。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The control chart of system

1.1.1 模擬心電信號產(chǎn)生模塊

目前模擬心電信號產(chǎn)生的儀器大都由分立元件組成，其體積大、功能少、精度不高，最重要的一點是不具有通用性[10]?；谏鲜鲈?，本系統(tǒng)設(shè)計考慮低功耗、低成本、通用性強。采用可變頻的PWM信號和一些外圍電路實現(xiàn)了這一構(gòu)想，其所有器件均為常見器件，成本低廉。此外，心電信號產(chǎn)生模塊獨特之處在于利用軟件實現(xiàn)PWM波形的生成，使用硬件電路較少，而且穩(wěn)定、易于升級。處理器內(nèi)部Flash中儲存的數(shù)字信號，通過改變定時器中相應(yīng)的寄存器值，改變PWM的占空比，模擬相應(yīng)的PWM波輸出；再通過信號調(diào)整電路進行濾波處理，濾波后的波形經(jīng)過由電阻串聯(lián)組成的信號衰減網(wǎng)絡(luò)衰減成毫伏級；最后經(jīng)過電阻組成的標準導(dǎo)聯(lián)輸出電路，可以輸出測試用的ECG。本文設(shè)計的系統(tǒng)能完成AED功能檢測中需要的正常心電信號波形以及病態(tài)的心電信號波形。

圖2 濾波電路與信號輸出電路Fig.2 Filtering and signal output circuit

如圖2所示，除顫儀放電后，在建立的人體阻抗電路模型（50 Ω）上產(chǎn)生高壓，根據(jù)圖2設(shè)計的濾波電路可知，U1A和U1B由兩個150 Hz的低通濾波器串聯(lián)組成，此部分可以將占空比變化的PWM波信號中的高次諧波過濾掉，從而得到直流電壓信號和相應(yīng)心電信號的交流信號。U1C和U1D由兩個0.3 Hz的低通濾波器串聯(lián)組成，此部分可以保留信號直流分量，過濾掉二次以上諧波，最后將兩個濾波器信號在模擬的人體胸阻抗電阻（50 Ω）上做差即可得到相應(yīng)的交流心電信號。由于心電信號幅值為毫伏級，所以需要將經(jīng)過濾波電路的心電信號進行衰減，系統(tǒng)通過串聯(lián)電阻分壓將信號降為毫伏級。心電信號屬于高阻抗信號，為了使系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬信號更加真實，信號輸出端設(shè)置的人體阻抗模型利用多個電阻組成。1.1.2 除顫儀放電能量采集和處理模塊設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的除顫儀放電能量采集以及處理模塊主要包括：電壓衰減電路、運放電路、A/D轉(zhuǎn)換。

由于除顫儀在極短的時間內(nèi)，放出電壓最大值高，能量比較大（其中電壓最大值可達2 000 V，最大放電能量可達360 J）[11]，所以必須要把高電壓脈沖信號衰減到芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器所能承受的電壓范圍內(nèi)，再將脈沖信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。除顫儀放電后，在建立的人體阻抗模型上產(chǎn)生的高壓經(jīng)過電阻衰減網(wǎng)絡(luò)將電壓進行衰減。由于人體胸阻抗電阻上心電信號產(chǎn)生時的共模電壓信號，會影響后續(xù)能量的計算，所以應(yīng)用INA128對其進行消除，從而輸出幅值較小的電壓，再經(jīng)過主控制器內(nèi)部的16位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后經(jīng)過單片機進行處理。一般除顫儀在正常工作的情況下，放電時間非常短，大約幾十毫秒。本文設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)置采集一個放電數(shù)大約為22 μs，采集到的放電能量數(shù)據(jù)通過微處理器進行運算處理，最后在LCD上顯示。

如圖3所示，除顫儀放電后，在建立的人體阻抗電路模型（50 Ω）上產(chǎn)生高壓，通過電阻R14的衰減和運放INA128組成的調(diào)零電路。輸出的電壓，輸給單片機的A/D模塊，單片機的AD1的通道1進行數(shù)據(jù)的采集，采樣率為44.12 kbps，即1 ms采集44.12個放電數(shù)據(jù)，最后將采集到的數(shù)據(jù)進行處理。

圖3 運放電路Fig.3 The amplif i er circuit

根據(jù)INA128運放的應(yīng)用設(shè)計，RG=(12+0.51) kΩ，設(shè)計增益倍數(shù)為5倍。放電電壓經(jīng)過R14衰減，衰減比例為1:5 000，即若放電電壓為2 500 V時，則衰減后的電壓為0.5 V，再經(jīng)過INA128，輸出的電壓為2.5 V。這2.5 V電壓輸入到單片機，進行A/D處理。由于單片機的最高電壓限制為3.3 V，所以本文設(shè)計的衰減和運放電路是符合要求的。應(yīng)用INA128可消除人體胸阻抗電阻上心電信號產(chǎn)生時的共模電壓信號。

1.1.3 其他外設(shè)模塊的設(shè)計

（1）系統(tǒng)利用了主芯片的I/O總線擴展實現(xiàn)了人機交互模塊的設(shè)計，采用了液晶顯示屏，通過功能按鍵配合完成相應(yīng)的功能選擇和相關(guān)的功能檢測。

（2）系統(tǒng)是由12 V鋰電池給其供電，然而在設(shè)計整個電路時不同芯片需要的電壓也有所不同。本系統(tǒng)中主要是單片機需要的3.3 V電壓以及其他芯片所需的5 V電壓，這幾種電壓要通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換芯片進行轉(zhuǎn)換輸出得到。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.2.1 主流程圖

系統(tǒng)上電后，首先是初始化過程，對單片機各硬件資源設(shè)置初始狀態(tài)，包括設(shè)定程序中的中斷以及堆棧參數(shù)等。之后系統(tǒng)的顯示界面會顯示初始界面，可通過選擇進行相應(yīng)的功能檢測。通過定時器循環(huán)檢測的方法檢測中斷服務(wù)程序中訪問的變量進行判斷處理，包括各功能標志位、菜單界面的標志變量、使系統(tǒng)隨時響應(yīng)按鍵中斷，完成相應(yīng)的測試功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程圖如圖4所示。

圖4 主程序圖Fig.4 The software fl ow chart

1.2.2 放電能量采集與處理子程序

系統(tǒng)設(shè)計了放電能量采集與處理部分軟件，程序完成了除顫儀放電能量數(shù)據(jù)的采集，儲存以及對數(shù)據(jù)的運算，最后通過LCD顯示，流程圖如圖5所示。

1.2.3 心電信號波形產(chǎn)生程序與實現(xiàn)

系統(tǒng)初始化過后，通過定時器1對按鍵進行掃描，如果按鍵1被按下，則開始選擇心電信號波形，有四種心電信號波形可以選擇，如系統(tǒng)按鍵1沒有按下，則系統(tǒng)將默認輸出的測試波形（正弦波），流程圖如圖6所示。

圖6 心電信號選擇流程圖Fig.6 Software fl ow chart of ECG signal selection

圖5 運算處理子程序流程圖Fig.5 Data processing software fl ow chart

2 初步測試結(jié)果與討論

在測試實驗中，實驗的重點主要是對系統(tǒng)產(chǎn)生的心電信號檢測，計算除顫放電能量的精度，以及對其同步除顫時間的測量。將本文設(shè)計的系統(tǒng)測得的除顫儀各項性能參數(shù)數(shù)據(jù)與由FLUKE公司生產(chǎn)的QED-6除顫儀分析儀測得性能參數(shù)數(shù)據(jù)進行對比，然后對本文設(shè)計的系統(tǒng)進行相應(yīng)的評價。

2.1 心電信號測試

通過示波器能夠測得需要的心電信號波形，說明系統(tǒng)設(shè)計軟硬件正常運行，設(shè)計的幾種波形如圖7所示。

圖7 示波器測得的心電信號波形Fig.7 The waveform of ECG signal measured by oscilloscope

2.2 除顫放電能量計算測試

測量方法：本文設(shè)計的除顫儀性能參數(shù)測試系統(tǒng)與安科樂康（北京）診斷技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)的AED進行聯(lián)機調(diào)試，該AED已經(jīng)通過了相應(yīng)的機構(gòu)檢測，其能量范圍包括了低能量(30 J、50 J、75 J)和高能量(120 J、150 J、200 J)放電脈沖的測試數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計顯示的放電能量測試值有4位有效數(shù)字。由于對AED高能量放電脈沖的測試會引起比較強烈的電磁干擾，所以本文作者在測試前進行了多次能量為250 J的連續(xù)測試，從而檢驗本系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計的可靠性。Y1為測量數(shù)據(jù)的相對誤差，并以相對引用誤差Y2用于評定儀器所具有的測量精度。

其中，△max為出現(xiàn)的最大誤差，Hmax為為本系統(tǒng)的測量范圍(2 J～300 J)。

每組能量進行了7次放電測試，測量結(jié)果顯示，低能量放電能量測得數(shù)據(jù)與理論值的相對誤差Y1≤0.4%，相對引用誤差值Y2≤2.8%。高能量放電能量測得數(shù)據(jù)與理論值的相對誤差Y1≤1%，相對引用誤差值Y2≤1.6%。

用本文設(shè)計系統(tǒng)與AED聯(lián)機調(diào)試的結(jié)果與FLUKE公司生產(chǎn)的QED-6與AED聯(lián)機調(diào)試的結(jié)果進行對比。對比結(jié)果顯示，低能量和低電壓測試，本文設(shè)計的系統(tǒng)測試值與理論值之間的誤差范圍±0.46%，明顯優(yōu)越于QED-6測試值與理論值之間的誤差范圍±1.6%。高電壓和高能量以及同步除顫時間測試，兩者之間的誤差范圍也非常接近。且所有測試的結(jié)果顯示，系統(tǒng)測得的結(jié)果誤差均小于±5%，達到了較高水平，可作為測試AED系統(tǒng)。且與QED-6比較，本文通過數(shù)字采樣的方式產(chǎn)生檢測自動體外除顫儀所需要的多種心電信號波形，產(chǎn)生的多種心電信號具有頻率穩(wěn)定性好以及抗干擾能力強的特點。

根據(jù)測試結(jié)果得出，在能量小于100 J時，本文設(shè)計的系統(tǒng)放電能量測量的誤差均小于QED-6。在能量較高時，本文設(shè)計系統(tǒng)測得的誤差也略大于QED-6，而且同步除顫時間以及最大電壓的測量值與QED-6的測量值均非常接近。與QED-6比較，本文通過數(shù)字采樣的方式產(chǎn)生檢測自動體外除顫儀所需要的多種心電信號波形，產(chǎn)生的多種心電信號具有頻率穩(wěn)定性好以及抗干擾能力強的特點。系統(tǒng)功能比較齊全，能夠快速準確測量AED的各項重要性能參數(shù)，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，具有一定的使用價值。

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Research and Design of a System for Detecting Automated External Def i brillator Performance Parameters

【W(wǎng)riters】WANG Kewu, XIAO Shengxiang, JIANG Lina, HU Jingkai
The Fourth Af fi liated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, Yiwu, 322000

Objective In order to regularly detect the performance parameters of automated external defibrillator (AED), to make sure it is safe before using the instrument, research and design of a system for detecting automated external de fi brillator performance parameters. Methods According to the research of the characteristics of its performance parameters, combing the STM32’s stability and high speed with PWM modulation control, the system produces a variety of ECG normal and abnormal signals through the digital sampling methods. Results Completed the design of the hardware and software, formed a prototype. Conclusion This system can accurate detect automated external de fi brillator discharge energy, synchronous de fi brillation time, charging time and other key performance parameters.

automated external de fi brillator, STM32, digital sampling, waveform generator, AED discharge energy

R318

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.05.018

1671-7104(2017)05-0377-04

2017-03-24

王可伍，E-mail: ysdxwkw@sina.com