一种检测自动体外除颤仪性能参数系统的研究与设计

【作者】王可伍，肖圣祥，姜丽娜，胡锦凯

浙江大学医学院附属第四医院，义乌市，322000

一种检测自动体外除颤仪性能参数系统的研究与设计

【作者】王可伍，肖圣祥，姜丽娜，胡锦凯

浙江大学医学院附属第四医院，义乌市，322000

目的 为了定期检测自动体外除颤仪(AED)的性能参数，确保仪器使用前安全可靠，研究与设计一款检测自动体外除颤仪性能参数的系统。方法 通过研究自动体外除颤仪的相关性能参数，利用STM32为主控制芯片，以STM32的稳定性以及它的高速性和PWM调制方式控制很好地结合在一起应用，通过数字采样的方式产生检测自动体外除颤仪所需要的正常的和非正常的心电信号波形。结果 实现了一种检测自动体外除颤仪性能参数系统的软硬件设计，完成了样机。结论 系统能够准确测量自动体外除颤仪的除颤放电能量，除颤时间等关键性能参数。

自动体外除颤仪；STM32；数字采样；波形产生；除颤放电能量

0 引言

自动体外除颤仪（Automated External Def i brillator，AED）是利用在极短的时间内放出高能量脉冲对由心室纤颤所引起的心源性猝死患者进行短暂电击的方法，对此类患者进行及时的抢救治疗，使其恢复正常心率[1]。显然，AED性能参数的准确性关系到抢救是否能够成功，所以必须要通过相应的检测仪器对AED生产时各性能参数进行检测以及定期性能检查。

国际上，对于心脏除颤仪参数检测仪器经过了二十多年的发展，相关技术已经较为成熟。该仪器在国外医疗机构也相当普及[2]，主要有瑞士Metron公司生产的QA-45以及美国FLUKE公司生产的QED-6检测仪，比较先进，功能强大，但结构相对复杂[3]。仪器能够存储大量的各种病态以及正常的原始心电数据，再通过高精度DAC电路，可输出模拟人体的各种病态以及正常的心电信号波形。仪器设计中主要通过主CPU控制程序存储器、数据存储器，用来完成数据处理与传输、放电能量的计算与显示、心电波形输出与显示、人机交互等功能[4]。而国内在这方面的研究起步较晚，进展也相当缓慢，国内的各大检测机构和医疗机构以及除颤仪生产商还需要依靠进口的除颤仪参数检测仪器[5]。国内目前主要有几个高校和研究所在研究开发除颤仪参数检测仪器[6]，设计的电路都较简单、数据的采集和集成化程度不高[7]。主要原因是设计时没有采用高速的A/D芯片，由于放电的时间非常短，且数据采集电路不够合理，导致测量时间过长，测出的能量不准确[8]。国内目前研究的除颤仪参数检测仪器的功能只有能量的测量，还没有心电信号产生模块。这导致在检测心脏除颤仪时，同时需要配合使用心电信号发生仪器才能完成检测[9]。

所以，本文设计了一款利用STM32位主控制器的AED性能参数测试系统。它可对AED的各种性能参数，包括除颤放电能量、放电最大电压、同步除颤时间等功能进行检验。且利用STM32的定时器模拟相应的PWM波输出，根据采样控制理论可得到相应的心电信号波形。

1 系统设计

AED性能参数测试仪器是一种由计算机编程与控制的、用于检测AED各种性能参数的自动化程度极高的分析仪器，其工作过程是与除颤仪联机进行的。具体过程为：①将分析仪和除颤仪连接好，分别给它们供电；②将系统打开，通过按键选择好输出的心电信号(60次/min、90次/min、室颤、心率过速)；③将系统的显示界面调节到电压或者能量显示界面；④打开除颤仪，除颤仪开始测量系统所模拟设计的人体胸阻抗值，并且通过串口显示测得值；⑤检测系统输出的心电信号；⑥若测量的信号为VF/VT（室颤/心率过速）且此信号持续时间10 s，则除颤仪充放电电容开始进行除颤充电，当充电电容充满电时除颤仪会对系统输出的心电信号再次进行分析，如果分析结果仍然为可除颤信号(VF/VT)，此时除颤仪将进行放电；⑦按下放电按键后，系统将显示放电电压以及一次放电能量。如果系统输出显示为60次/min或90次/min的正常心电信号波形时，除颤仪将不进行充放电过程。其间对于第一次充放电结束后，进行第二次充放电时，等待3 s后再按下放电按键，记录此时系统显示的能量值，结合第一次能量值可计算出除颤仪的能量损失率。

1.1 系统硬件设计

系统主要包括模拟心电信号波形产生模块、除颤放电能量的采集与处理模块、电源模块、LCD显示模块等。结合本设计的主要创新点，将详细介绍系统的模拟心电信号波形产生模块和除颤放电能量采集与处理模块。系统设计方案如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 The control chart of system

1.1.1 模拟心电信号产生模块

目前模拟心电信号产生的仪器大都由分立元件组成，其体积大、功能少、精度不高，最重要的一点是不具有通用性[10]。基于上述原因，本系统设计考虑低功耗、低成本、通用性强。采用可变频的PWM信号和一些外围电路实现了这一构想，其所有器件均为常见器件，成本低廉。此外，心电信号产生模块独特之处在于利用软件实现PWM波形的生成，使用硬件电路较少，而且稳定、易于升级。处理器内部Flash中储存的数字信号，通过改变定时器中相应的寄存器值，改变PWM的占空比，模拟相应的PWM波输出；再通过信号调整电路进行滤波处理，滤波后的波形经过由电阻串联组成的信号衰减网络衰减成毫伏级；最后经过电阻组成的标准导联输出电路，可以输出测试用的ECG。本文设计的系统能完成AED功能检测中需要的正常心电信号波形以及病态的心电信号波形。

图2 滤波电路与信号输出电路Fig.2 Filtering and signal output circuit

如图2所示，除颤仪放电后，在建立的人体阻抗电路模型（50 Ω）上产生高压，根据图2设计的滤波电路可知，U1A和U1B由两个150 Hz的低通滤波器串联组成，此部分可以将占空比变化的PWM波信号中的高次谐波过滤掉，从而得到直流电压信号和相应心电信号的交流信号。U1C和U1D由两个0.3 Hz的低通滤波器串联组成，此部分可以保留信号直流分量，过滤掉二次以上谐波，最后将两个滤波器信号在模拟的人体胸阻抗电阻（50 Ω）上做差即可得到相应的交流心电信号。由于心电信号幅值为毫伏级，所以需要将经过滤波电路的心电信号进行衰减，系统通过串联电阻分压将信号降为毫伏级。心电信号属于高阻抗信号，为了使系统产生的模拟信号更加真实，信号输出端设置的人体阻抗模型利用多个电阻组成。1.1.2 除颤仪放电能量采集和处理模块设计

系统设计的除颤仪放电能量采集以及处理模块主要包括：电压衰减电路、运放电路、A/D转换。

由于除颤仪在极短的时间内，放出电压最大值高，能量比较大（其中电压最大值可达2 000 V，最大放电能量可达360 J）[11]，所以必须要把高电压脉冲信号衰减到芯片内部A/D转换器所能承受的电压范围内，再将脉冲信号输入到A/D转换模块。除颤仪放电后，在建立的人体阻抗模型上产生的高压经过电阻衰减网络将电压进行衰减。由于人体胸阻抗电阻上心电信号产生时的共模电压信号，会影响后续能量的计算，所以应用INA128对其进行消除，从而输出幅值较小的电压，再经过主控制器内部的16位的A/D转换器转换为数字信号，最后经过单片机进行处理。一般除颤仪在正常工作的情况下，放电时间非常短，大约几十毫秒。本文设计的系统设置采集一个放电数大约为22 μs，采集到的放电能量数据通过微处理器进行运算处理，最后在LCD上显示。

如图3所示，除颤仪放电后，在建立的人体阻抗电路模型（50 Ω）上产生高压，通过电阻R14的衰减和运放INA128组成的调零电路。输出的电压，输给单片机的A/D模块，单片机的AD1的通道1进行数据的采集，采样率为44.12 kbps，即1 ms采集44.12个放电数据，最后将采集到的数据进行处理。

图3 运放电路Fig.3 The amplif i er circuit

根据INA128运放的应用设计，RG=(12+0.51) kΩ，设计增益倍数为5倍。放电电压经过R14衰减，衰减比例为1:5 000，即若放电电压为2 500 V时，则衰减后的电压为0.5 V，再经过INA128，输出的电压为2.5 V。这2.5 V电压输入到单片机，进行A/D处理。由于单片机的最高电压限制为3.3 V，所以本文设计的衰减和运放电路是符合要求的。应用INA128可消除人体胸阻抗电阻上心电信号产生时的共模电压信号。

1.1.3 其他外设模块的设计

（1）系统利用了主芯片的I/O总线扩展实现了人机交互模块的设计，采用了液晶显示屏，通过功能按键配合完成相应的功能选择和相关的功能检测。

（2）系统是由12 V锂电池给其供电，然而在设计整个电路时不同芯片需要的电压也有所不同。本系统中主要是单片机需要的3.3 V电压以及其他芯片所需的5 V电压，这几种电压要通过相应的转换芯片进行转换输出得到。

1.2 系统软件设计

1.2.1 主流程图

系统上电后，首先是初始化过程，对单片机各硬件资源设置初始状态，包括设定程序中的中断以及堆栈参数等。之后系统的显示界面会显示初始界面，可通过选择进行相应的功能检测。通过定时器循环检测的方法检测中断服务程序中访问的变量进行判断处理，包括各功能标志位、菜单界面的标志变量、使系统随时响应按键中断，完成相应的测试功能。系统软件设计主流程图如图4所示。

图4 主程序图Fig.4 The software fl ow chart

1.2.2 放电能量采集与处理子程序

系统设计了放电能量采集与处理部分软件，程序完成了除颤仪放电能量数据的采集，储存以及对数据的运算，最后通过LCD显示，流程图如图5所示。

1.2.3 心电信号波形产生程序与实现

系统初始化过后，通过定时器1对按键进行扫描，如果按键1被按下，则开始选择心电信号波形，有四种心电信号波形可以选择，如系统按键1没有按下，则系统将默认输出的测试波形（正弦波），流程图如图6所示。

图6 心电信号选择流程图Fig.6 Software fl ow chart of ECG signal selection

图5 运算处理子程序流程图Fig.5 Data processing software fl ow chart

2 初步测试结果与讨论

在测试实验中，实验的重点主要是对系统产生的心电信号检测，计算除颤放电能量的精度，以及对其同步除颤时间的测量。将本文设计的系统测得的除颤仪各项性能参数数据与由FLUKE公司生产的QED-6除颤仪分析仪测得性能参数数据进行对比，然后对本文设计的系统进行相应的评价。

2.1 心电信号测试

通过示波器能够测得需要的心电信号波形，说明系统设计软硬件正常运行，设计的几种波形如图7所示。

图7 示波器测得的心电信号波形Fig.7 The waveform of ECG signal measured by oscilloscope

2.2 除颤放电能量计算测试

测量方法：本文设计的除颤仪性能参数测试系统与安科乐康（北京）诊断技术有限责任公司生产的AED进行联机调试，该AED已经通过了相应的机构检测，其能量范围包括了低能量(30 J、50 J、75 J)和高能量(120 J、150 J、200 J)放电脉冲的测试数据。本系统设计显示的放电能量测试值有4位有效数字。由于对AED高能量放电脉冲的测试会引起比较强烈的电磁干扰，所以本文作者在测试前进行了多次能量为250 J的连续测试，从而检验本系统电磁兼容设计的可靠性。Y1为测量数据的相对误差，并以相对引用误差Y2用于评定仪器所具有的测量精度。

其中，△max为出现的最大误差，Hmax为为本系统的测量范围(2 J～300 J)。

每组能量进行了7次放电测试，测量结果显示，低能量放电能量测得数据与理论值的相对误差Y1≤0.4%，相对引用误差值Y2≤2.8%。高能量放电能量测得数据与理论值的相对误差Y1≤1%，相对引用误差值Y2≤1.6%。

用本文设计系统与AED联机调试的结果与FLUKE公司生产的QED-6与AED联机调试的结果进行对比。对比结果显示，低能量和低电压测试，本文设计的系统测试值与理论值之间的误差范围±0.46%，明显优越于QED-6测试值与理论值之间的误差范围±1.6%。高电压和高能量以及同步除颤时间测试，两者之间的误差范围也非常接近。且所有测试的结果显示，系统测得的结果误差均小于±5%，达到了较高水平，可作为测试AED系统。且与QED-6比较，本文通过数字采样的方式产生检测自动体外除颤仪所需要的多种心电信号波形，产生的多种心电信号具有频率稳定性好以及抗干扰能力强的特点。

根据测试结果得出，在能量小于100 J时，本文设计的系统放电能量测量的误差均小于QED-6。在能量较高时，本文设计系统测得的误差也略大于QED-6，而且同步除颤时间以及最大电压的测量值与QED-6的测量值均非常接近。与QED-6比较，本文通过数字采样的方式产生检测自动体外除颤仪所需要的多种心电信号波形，产生的多种心电信号具有频率稳定性好以及抗干扰能力强的特点。系统功能比较齐全，能够快速准确测量AED的各项重要性能参数，达到了预期的设计要求，具有一定的使用价值。

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

【Writers】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