基于智能化数字心电图机维修系统的导联选择异常故障分析与排除

李昌锋

（福建生物工程职业技术学院，福建 福州 350007）

心电图机作为医用电子仪器的典型代表，在医疗器械类专业课程医用电子仪器分析与维护中常作为重要的学习载体，对于心电图机典型故障分析、定位与维修是课程重要的实践教学内容[1]。本文结合上海珺淼电子科技有限公司研发的智能化数字心电图机维修系统（YD-TH001），以导联选择异常为典型故障进行模拟，从电路原理、故障定位、故障解决等方面阐述心电图机维修的实践教学过程。

1 智能化数字心电图机维修系统介绍

智能化数字心电图机维修系统是一个可用于医用电子仪器课程教学、实验、维修模拟的平台。该系统的硬件平台是一套基于ECG-6951D型完整的数字化心电图机，如图1所示；PC上位机软件是实验过程控制系统，可进行故障设置、模拟训练、考试出题等，如图2所示。系统采用软硬件互联的模式，可实现心电图机典型故障的自动设置、智能切换、故障恢复、故障解决评分、实验报告生成等功能。

图1 智能化数字心电图机维修硬件系统

图2 PC端软件故障实验设置界面

该系统可提供多达40种的心电图机故障维修模拟实验，包括出厂参数的设置与校正、导联选择电路异常、调制解调电路异常、后级放大电路异常、设备按键操作异常、交流供电异常、充电电路指示异常、电池电量指示异常等实验模块，每个模块故障可包含4种不同的故障实验点设置。该系统提供的实验丰富灵活、针对性强、操作便捷，可适用于高职医疗器械类专业学生课堂使用。

2 导联选择异常故障分析与处理

做心电波检测时，电极安放的位置及导线与放大器的连接方式，称为心电图的导联。从人体表面可以引出无数个导联，但在临床中常用的导联为十二导联：标准导联（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、加压单极肢体导联（aVR、aVL、aVF）和胸导联（V1、V2、V3、V4、V5、V6）。

导联选择的作用是在不改变人体电极连接线的情况下，将接触在人体各部位电极的导联线和心电放大器之间的连接方式，按需要切换组合成某一种导联方式[2]。导联切换可以是自动模式，每切换一次导联都需按顺序进行，不能跳换；也可以是手动模式，根据需要选择相应导联进行心电图描记。如果导联选择模块出现故障，那么将无法让指定导联的心电信号进入到后续的电路处理，会造成所有导联都无波形显示或者只有部分导联有波形显示的故障现象。

2.1 电路原理分析

本导联选择电路包含了按键模块、CPU控制模块、TLP521-4光电耦合模块、三极管Q202取反模块、CD4051单8通道数字控制模拟电子开关模块，电路原理图如图3所示。

图3 导联选择电路原理图

其中，TLP521-4是可控制的光电耦合器件。该器件一般由3部分组成：光的发射、光的接收和信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，完成了电-光-电的转换，从而起到输入输出隔离的作用。TLP521-4隔离性能优越，抗干扰能力强，传输效率高，被广泛应用于医疗设备中的高低压电隔离、生物电信号的隔离传输、无接触控制等各个方面[3]。

三极管Q202进行信号的取反，实现高低电平的转换。当LD0为低电平时，Q202的基极和发射极的电压差为0 V，三极管处于截止状态，LD1直接连接到+5 V，所以为高电平；当LD0为高电平时，Q202的基极和发射极的电压差超过导通电压，三极管处于导通状态，LD1变成接地，所以为低电平。

CD4051是单端8通道多路开关，它有3个通道选择输入端C、B、A和1个禁止输入端INH。该器件相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码C、B、A来决定，当INH禁止端等于1时，各通道均不接通，其真值表见表1[4]。

表1 CD4051的真值表

该导联电路的信号传递流程如图4所示。由按键按下发出导联选择切换控制命令，CPU接收到按键输入信号后发出导联切换控制信号LAR、LBR、LCR、LDR，经过光电耦合模块TLP521-4，4个信号由实地端传送到浮地端，相应输出为LA0、LB0、LC0、LD0，其中LA0、LB0、LC0这3个信号分别加到4片CD4051芯片的A、B、C引脚，而LD0信号只加到U207和U210这2片芯片的INH引脚，同时LD0信号通过三极管Q202取反后成为LD1信号，加到另外2片芯片U219、U223的INH引脚，实现对包括测试导联在内的13个导联进行选择切换的功能。

图4 导联电路的信号传递流程图

2.2 故障分析与解决

2.2.1 故障案例1

故障现象：开机后，按下导联切换按键，发现液晶显示屏上并没有显示任何导联的心电波形。

故障分析与定位：根据导联切换按键不起作用的故障现象，从信号流程出发，直接比较快速的故障定位方法是测试光电耦合两侧的导联切换信号是否正常。用万用表电压档位测试光电耦合芯片U224的1、3、5、7四个脚的电压，发现4个脚的电压均为低电平，意味着导联选择的信号是测试信号，无法切换为心电导联信号，所以没有任何心电波形显示。故障点非常大的可能在于按键老化断路了，通过万用表的蜂鸣档测试，确认导联切换的S1和S2按键均为断路，更换按键，导联切换功能恢复正常。

2.2.2 故障案例2

故障现象：依然还是开机后，按下导联切换按键，液晶显示屏上并没有任何的心电波形。

故障分析与定位：同样的，故障定位点首先还是定位在光耦前后，用万用表电压档位测试光电耦合芯片U224的1、3、5、7四个脚的电压，发现信号是正确的，也就是光耦前实地端的导联切换信号正常，但是测量U224的9、11、13、15四个脚的电平，发现都为低电平，即光耦后浮地端的导联切换信号异常，那么故障点很明显应该是光耦，更换同类型的光耦，导联切换功能恢复正常。

2.2.3 故障案例3

故障现象：开机后，按下导联切换按键，发现部分导联（I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1）显示正常，其他导联无法正常显示。

故障分析与定位：故障定位点首先从光耦后开始，用万用表电压档位测试光电耦合芯片U224的9、11、13、15四个脚的电压，发现信号LA0、LB0、LC0、LD0是正确的，导联切换信号已经正确地传送到了光耦后浮地端，根据信号流程中可知LA0、LB0、LC0 3个信号分别加到4片CD4051芯片的A、B、C引脚，而LD0信号需要被取反之后变成LD1信号，可以推出问题的关键很可能在于LD1信号异常。通过万用表测试验证，无论导联按键如何切换，LD1信号一直处于高电平，可以推断三极管Q202并没有实现取反的功能，更换三极管Q202，所有导联切换功能恢复正常。

2.2.4 故障案例4

故障现象：开机后，按下导联切换按键，发现部分导联（V2-V6）显示正常，但其他导联无法正常显示。

故障分析与定位：此故障现象和故障案例3恰好是互补型现象，可以初步推断和三极管Q202是没有关系的，通过测试定位发现信号LA0、LB0、LC0、LD0、LD1和真值表完全是匹配的，即导联切换信号正确地传输到了4片CD4051芯片上，而波形显示异常的导联是I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1，正好是芯片U207和U210控制，经过上电检查发现其中的U207芯片损坏，更换后所有导联切换功能恢复正常。

2.3 故障排除方法小结

2.3.1 参数测量法

这是最基本的故障排除方法[5]。利用万用表、示波器等检测设备，通过测试电压、电流、电阻、电容、波形和频率来确定故障部位，这个方法的重点是积累电子元器件的识别检测知识和掌握相关的数据和方法。例如通过测量输入输出电阻、负载电阻、绝缘电阻、电容器的漏电电阻、放大器的输入输出电压，各种晶体管的管脚电压、电阻，各种芯片的电源电压、工作电位，交流放大电路的波形等。一般情况下，在测量完有关的数据后，便可大概判断出故障所在和元件的好坏。

2.3.2 电路分割法

通过把电路按模块进行分开测试，一般情况选择从电路中间开始，先测试信号是否有正确传送到位，确定其中的一半电路没有故障，同时就得出另一半电路存在故障，然后循环用此方法进行分割，便可以不断缩小故障范围，从而确定故障所在。此方法的重点在于对电路原理框架要十分熟悉、才可以精准地进行分割测试。该方法是缩小故障范围的有效途径。

2.3.3 示波法分析

电压法主要是指在检查电路故障过程中，选用电压表测试直流电中的非动态电源、集成电路电压，通过测试电压值是否正常来判断电路是否存在问题。但是在测试过程中必须要注意电路内阻与电容是否受到影响。示波法则是在检查电路信号时通过动态验证形式，检测电路各个分点信号、各部分运转及传输状况是否正常，从而准确判断电路故障位置，但是必须在电路静态电位条件下进行该故障检测方法。

2.3.4 元器件替代法

此方法是将怀疑有故障的元器件替代为完好的元器件，如果调换以后电路系统正常运作，那么表明元器件有故障，应进一步进行测定。对于集成电路，对于电路被怀疑有故障的部分，可在同一芯片上使用相同的电路来代替。对于多个输入端的集成器件，在具体运作中有剩余输入端时，可通过换用剩余输入端进行故障检测，判断原输入端的故障问题。

3 结束语

本文通过对智能化数字心电图机维修系统中导联选择电路原理进行详细分析，着重阐述了该模块常见的4种故障类型以及故障排除的方法。通过导联故障排除过程总结得出：故障排除需要一定的经验做基础，更需要理论联系实践。在故障解决过程中需要加强电路原理的学习，通过查阅电路原理图资料对整个系统有一个全面了解，抓住信号流程走向，了解各个信号模块之间的互联关系，这样才能更好地通过故障现象进行分析推导，定位出故障发生点。只有在了解系统整体的基础上才能深入地掌握每个模块部分，系统框架掌握得越深对于故障排除工作越有利。故障排除不能靠蛮干，不能靠碰运气，要靠严肃认真的科学推理分析，这样故障排除工作才能得心应手。