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如何使用心電測試儀器來測試各類心電圖機中的基本性能

更新時間：2023-09-13

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IEC 心電標準介紹

各類心電圖機中的基本性能測試基本上應基于 3 種國際心電標準中所規(guī)范的用于測試心電圖機基本安全和性能的項目。這 3 種國際心電標準包括 IEC60601-2-25: 2011 適用于診斷式心電圖機，IEC60601-2-27: 2011 適用于心電監(jiān)護儀，IEC60601-2-47: 2012 適用于移動心電圖機。分別對應目前有的中國心電標準包括 YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013。另外 YY1139-2013 則適用于一些其他種類的心電圖機。

基本性能測試項目

心電標準中所規(guī)范的基本性能測試項目主要包括一些電器性能的測試，分為準確性和危險輸出的防護兩大部分。

1. 準確性部分：對于診斷式和移動式心電圖機而言，是以多道數(shù)據(jù)庫波形的測試來實現(xiàn)。心電監(jiān)護儀由于沒有規(guī)范數(shù)據(jù)庫的測試，因此將準確性和危險輸出的防護部分合并在準確性的測試內(nèi)。

2. 危險輸出的防護部分（心電監(jiān)護儀：準確性部分）：各類心電圖機都用類似的方法來測試。這些方法主要分為兩大類，一類是依據(jù)標準內(nèi)所附的通用試驗線路圖，產(chǎn)生所要求的測試信號，測試心電圖機的電氣性能。另一類則是依據(jù)標準內(nèi)所附的 CMRR（Common Mode Rejection Ratio，共模抑制比）線路圖，產(chǎn)生所要求的測試信號，測試心電圖機的 CMRR 和系統(tǒng)內(nèi)部噪聲電平?，F(xiàn)分述如下：

一、準確性部分

多道數(shù)據(jù)庫測試：由于數(shù)據(jù)庫一般都是多導聯(lián)的數(shù)據(jù)，測試的方式分為數(shù)字（Digital）測試和模擬（Analog）測試，數(shù)字測試是將數(shù)據(jù)直接導入心電算法，模擬測試則須將數(shù)字數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換（DAC，Digital to Analog Converter）后，將模擬信號輸入心電圖機的各電極，再經(jīng)由心電圖機內(nèi)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）后導入心電算法，因此在模擬測試時必須使用多道測試器。測試的方法規(guī)范于 IEC60601-2-25 和 IEC60601-2-47內(nèi)，中國心電標準則規(guī)范于 YY0782 和 YY0885內(nèi)。現(xiàn)以 IEC 標準分述如下：

1. IEC60601-2-25: 2011 針對診斷式心電圖機使用 CTS 和 CSE 數(shù)據(jù)庫測試，包括振幅和時限（Duration）間期（Interval）的定量精確度，間期部分包含絕對時限間期和實際人體心電圖時限間期。

(1) 振幅部分：使用 CTS 數(shù)據(jù)庫，包含 12 導的 P1、P2、Q、R、S、J、ST20、ST40、ST60、ST80、T 等 12 項振幅參數(shù)。要求的精確度是當振幅值 ≤500µV 時不得偏離參考值 ±25µV，當振幅值 >500µV 時不得偏離參考值的 5%。

(2) 絕對時限間期：使用 CTS 數(shù)據(jù)庫，包含 12 導的 Q、R、S 等 3 項時限參數(shù)，和 P、PQ、QRS、QT 等 4 項整體間期（Global interval）參數(shù)。要求的精確度如表1：

表1、利用 CTS 心電數(shù)據(jù)進行整體間期和 Q, R 和 S 波的時限測量的可接受的平均誤差和標準偏差

(3) 實際人體心電圖時限間期：使用 CSE 數(shù)據(jù)庫，包括 P、PQ、QRS、QT 等 4 項整體間期參數(shù)。要求的精確度如表2：

表2、利用 CSE 心電數(shù)據(jù)進行整體間期和時限測量的可接受的平均誤差和標準偏差

2. IEC60601-2-47:2012 針對移動式心電圖機使用 AHA、MIT-BIH、CU、NST 和 ESC 數(shù)據(jù)庫測試，測試項目包括 QRS、VEB（室性異搏）、SVEB（室上性異搏）、VF（室顫）、AF（房顫）等心律不整的定性精確度。
需要測試分析的統(tǒng)計數(shù)據(jù)項目和所使用的數(shù)據(jù)庫包含在標準分析和可選分析輸出的報告內(nèi)，報告列表如下：（R 代表「必須測試」）

表3、標準分析輸出的報告要求

表4、可選分析輸出的報告要求

二、危險輸出的防護部分

包括了以通用試驗線路測試的項目和以共模抑制比線路測試的項目。

1. 通用試驗線路：這個線路的特點是單通道測試，如圖1 所示，左方的信號產(chǎn)生器產(chǎn)生標準所要求的測試信號，經(jīng)過 100KΩ : 100Ω 的 1000 : 1 的分壓器后將衰減 1000 倍的電壓正端經(jīng) P1 送到待測電極（圖1 的例子是到 R(RA) 電極）。其它所有電極則經(jīng)由 P2 接到信號產(chǎn)生器的負端。待測電極的路徑中還包括了由 SIm 開關來控制開或關 620KΩ 并聯(lián) 47nF 線路，用來測試心電圖機的輸入阻抗，和由 Sdc 開關控制的 ±300mV 直流偏移電壓的迭加。

由于導聯(lián) I=L-R (LA-RA)，導聯(lián) II=F-R (LL-RA)，在待測電極是到 R(RA) 電極的條件下，因此待測心電圖機導聯(lián) I 和 II 上會顯示負向的信號產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號。此時若依據(jù)標準規(guī)定只測試導聯(lián) II 的波形，這個信號經(jīng)過單一待測電極然后測試單一導聯(lián)的方式就叫做單信道測試。因此測試時必須使用單信道測試儀器。

圖1、通用試驗線路

單道測試的測試項目，除了心電監(jiān)護儀部分多了一些有關心率準確度和報警的項目外，其余測試項目大致類似，只是測試參數(shù)，步驟和通過準則有些差異。這里舉 IEC60601-2-25 的測試項目做一個簡單的說明。

IEC60601-2-25 內(nèi)測試的主要項目包括：

當加到待測電極的直流電壓達到 ECG 輸入的飽和電壓或讓 ECG 過載時，ECG 應有適當指示，警告 ECG 現(xiàn)已不適合操作。
Leads（導聯(lián)）：各導聯(lián)的定義，名稱和最少需要的導聯(lián)數(shù)。另外測試導聯(lián)網(wǎng)絡的正確性，因此測試項目包含了 Golderberg 和 Wilson 導聯(lián)的網(wǎng)絡正確性和恢復時間。由于新型的數(shù)字心電圖機中的導聯(lián)波形都是同時全部顯示不需用到導聯(lián)選擇器，因此恢復時間測試項目就不適用這類型的數(shù)字心電圖機。
Input impedance（輸入阻抗）：主要測試各導聯(lián)網(wǎng)絡的輸入阻抗須大于等于 2.5MΩ。
Required Gains（需要的增益）：要求心電圖機必須有的增益檔位。
：包括 CMRR、Overload tolerance（過載容限）和 Filters（濾波器）三項測試，CMRR 將在下節(jié)進一步說明。過載容限則是心電圖機至少能抑制 1Vp-v 的外部電源頻率電壓。濾波器啟動后若會降低系統(tǒng)性能，ECG 應有適當指示，另外需測試電源頻率濾波器啟動前后，在 ST 段的峰值噪聲增加不應超過 50µVp-v。
Baseline（基線）：包括內(nèi)部系統(tǒng)噪聲電平不超過 30µVp-v。另外，還包括了多道心電圖機的道間干擾不超過 5 mm。等共 2 項測試。
Distortion（失真）：包括測試心電圖機的頻率響應，頻率響應是用不同頻率的正弦波和/或不同底部寬度的三角脈沖波來測試高頻響應，用 100ms 脈寬的矩形脈沖波來測試低頻響應。另外還需測試線性和動態(tài)范圍，要求幅度變化在輸入信號電壓 ±5mV 范圍內(nèi)應小于 5%。最后還規(guī)范了采樣率不應低于 500/s 和幅度量化應小于等于 5µV/LSB。
：包括了記錄標識，患者標識和記錄在紙上的時間和事件 markers（打標器），記錄速度和時間及幅度 ruling（劃線）等 5 項測試。其中除了記錄速度度需用測試信號測試外，其余 4 項都是用檢查或測量記錄紙上的網(wǎng)格線來完成。
：主要測試心臟起搏器的脈沖信號所造成的心電波形失真程度和可見性至少 2mm 幅度的起搏脈沖。

2.　CMRR 和噪聲電平線路：如圖2 所示，左方的信號產(chǎn)生器產(chǎn)生標準所要求的測試信號，經(jīng)過一個由 C1、Ct、Cx 并聯(lián)組成的共 200pF 的線路到 B 點，稱為共模點（Common Mode Point），之后是 S0 開關，所有 CMRR 測試 S0 都是關閉的，只有噪聲電平測試時才打開。S0 開關之后，所有待測心電圖機的電極線都串接一個 51KΩ 并聯(lián) 47nF 的模擬電極皮膚阻抗線路，除了 N(RL) 電極外，由 S1 到 Sn 開關控制各電極是否串接這個阻抗線路。另外待測電極，圖2 的例子是 R(RA) 電極，還可由 SDC 開關控制是否有 ±300mV 直流偏置電壓的迭加。圖中的兩個虛線方框代表內(nèi)外屏蔽設施，兩屏蔽間會存在寄生電容 Cx，因此用一個可調(diào)電容 Ct 來調(diào)整到 Ct + Cx=100pF 再加上 C1=100pF，三個電容共 200pF 的 source impedance（電源阻抗）。

圖2、CMRR 和噪聲電平線路

CMRR 的測試，除了 IEC60601-2-47 (YY 0885) 移動式心電圖機部分要多測兩倍電源頻率外，所有標準中的測試方法幾乎相同，只是測試電壓，串接仿真電極皮膚阻抗線路的方式和通過準則有些差異。測試的精神主要包含了下面 5 個項目：

信號產(chǎn)生器產(chǎn)生標準所要求的測試信號，IEC60601-2-25 / 27 (YY 0782 / 1079 / 1139) 要求 20Vrms 電源頻率信號電壓（Vs），IEC60601-2-47 (YY 0885) 則要求 Vs = 8Vp-v (2.828Vrms) 電源頻率和 Vs = 1.422Vp-v (0.502Vrms) 兩倍電源頻率。
在不接 EUT 所有電極線的設置下，調(diào)整可調(diào)電容 Ct 直到共模點電壓值（Vc）為電源頻率信號電壓值（Vs）的一半，這個步驟主要是確定 Ct + Cx=100pF。
接上 EUT 所有電極線，先做平衡測試（依標準規(guī)定設置，S1 到 Sn 全開或全閉），測量所有心電圖機上導聯(lián)波形幅度。
再做不平衡測試（依標準規(guī)定設置，只開或閉待測電極的 Sn 開關，其余 Sn 開關的開閉和待測電極的 Sn 開關相反），測量所有導聯(lián)波形幅度。
在待測電極線路上迭加 ±300mV 直流偏置電壓，測量所有導聯(lián)波形幅度。

所有導聯(lián)波形幅度通過準則，IEC60601-2-25 / 27 (YY 0782 / 1079 / 1139) 不超過 10mmp-v (1 mVp-v)，IEC60601-2-47 (YY 0885) 不超過 4mVp-v。

噪聲電平測試則是接上 EUT 所有電極線，S0 開關打開，測量所有導聯(lián)波形幅度，IEC60601-2-25 / 27 (YY 0782 / 1079 / 1139) 不超過 30µVp-v，IEC60601-2-47 (YY 0885) 不超過 50µVp-v。

心電測試儀器介紹

依據(jù)心電標準基本性能的要求，心電測試器應該包括多道測試儀器（Multi-channels tester），單道測試儀器（Single channel tester）和 CMRR 測試儀器，這些測試儀器都是透過連接各導聯(lián)電極產(chǎn)生測試信號給待測心電圖機，連接系統(tǒng)示意圖如圖3。由于心電信號都小至 mV 或 µV，因此很容易受到周圍環(huán)境噪聲的干擾，尤其是電源頻率噪聲，因此測試時最好將測試器和待測心電圖機放在圖3中的金屬平板上并將接地點連上金屬板，這塊金屬板就是自制的一個參考地（GND），可以有效的減少噪聲的干擾。另外，控制軟件可更方便的控制測試儀器的設置，并可利用軟件開發(fā)包（SDK，Software Development Kit），控制測試儀器做客制自動化測試。

圖3、心電測試器連接待測心電圖機，測試系統(tǒng)示意圖

一、多道測試儀 – MECG 2.0

多道測試儀器 MECG 2.0 主要是將多道數(shù)據(jù)庫的數(shù)字數(shù)據(jù)以模擬的形式播放出來，這就需要經(jīng)過精確的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換來完成，另外，當然需要方便完整的加載數(shù)字數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)功能。圖4是一個 MECG 2.0 將 IEC60601-2-25 (YY0782) 所需要的 CTS、CSE 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和疊加噪聲加載的例子，測試者只須選擇所需要的數(shù)據(jù)，MECG 2.0 就可以自動將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成模擬信號輸出。圖5是測試者選擇了 CSE001 數(shù)據(jù)輸出并迭加高頻噪聲的例子，右半部顯示了待測心電圖機上各導聯(lián)應顯示的波形。

圖4、MECG 2.0 將 IEC60601-2-25 (YY0782) 所需要的 CTS、CSE 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和疊加噪聲載入的畫面

圖5、MECG 2.0 將 CSE001 數(shù)據(jù)輸出并疊加高頻噪聲的例子，右半部顯示了待測心電圖機上各導聯(lián)應顯示的波形的畫面

圖6 則是一個多道測試器將 IEC60601-2-47 (YY0885) 所需要的 AHA、CU、MIT、NST 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)加載的例子，這邊將 AHA 數(shù)據(jù)庫和其他數(shù)據(jù)庫分開加載的原因是，AHA 數(shù)據(jù)庫須單獨購買，其它數(shù)據(jù)庫則可以從 PhysioNet 網(wǎng)站（physionet.org/cgi-bin/atm/ATM）免費下載。圖6 中選擇 MIT 100 數(shù)據(jù)播放，圖右紅箭頭部分說明導聯(lián)對映（mapping）功能，因為 MIT 100 數(shù)據(jù)中記錄的是導聯(lián) II (MLII) 和 V5，但若待測心電圖機只顯示導聯(lián) I 和 V1，那就無法顯示 MIT 100 的波形，因此多道測試器必須含有導聯(lián)對映的功能。圖7 則是播放 MIT 100 后，待測心電圖機上應顯示的各導聯(lián)波形。

圖6、MECG 2.0 將 IEC60601-2-47 (YY0885) 所需要的 AHA、CU、MIT、NST 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)加載和導聯(lián)對應的畫面

圖7、MECG 2.0 將 MIT 100 數(shù)據(jù)輸出并改變對應導聯(lián)的例子，右半部顯示了待測心電圖機上應顯示的各導聯(lián)波形

除了播放標準數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)波形外，多道測試器還可播放一些函數(shù)波形，譬如正弦波、三角波等，可以在正式測試前確認系統(tǒng)接線和待測心電圖機的功能是否正常。這部分功能標示在圖7 左下角 Other Functions（其他功能）。

單道測試儀器 SECG 4.0 主要就是依據(jù)圖1 所示的通用試驗線路做危險輸出防護部分的基本性能測試，除了所有精確度要符合標準的要求外，因為測試項目繁多，為了讓測試更方便快速并完整，單道測試器在不違背通用試驗線路的精神并能消除內(nèi)部噪聲干擾的情形下，會使用微處理器控制一些電子繼電器和各種標準信號源，如此就可以讓測試者方便快速的設置測試項目所需要的測試條件。

圖8 是 SECG 4.0 的控制軟件窗口，其中包括了所有心電標準針對單信道測試所需要的信號種類、參數(shù)范圍和開關選項。圖中的一些紅色方框設置是以 IEC60601-2-25 輸入阻抗測試為例，測試的步驟是 SECG 4.0 輸出正弦波 3mV, 0.67Hz 至 LA(L)，然后測量待測心電圖機導聯(lián) I 的振幅，再將 ±300mV 直流偏移和 620KΩ 并聯(lián) 4.7nF 線路迭加到 LA(L)，再測導聯(lián) I 的振幅。這些步驟需要 SECG 4.0 使用到圖8 中紅色方框內(nèi)的功能，其中就包括了選擇測試信號、參數(shù)和開關。

圖8、SECG 4.0 的控制軟件窗口，內(nèi)含所有單信道測試所需要的信號種類、參數(shù)設置和開關選項

這類以控制軟件控制測試儀器的設置，可利用 SDK 控制測試儀器的參數(shù)設置步驟，如此一來，就可以將所有心電標準針對單道測試的項目，用個別的程序?qū)懴聹y試步驟做自動化測試。圖8右下角處的 SECG Assistant，就是依據(jù) 3 個 IEC 標準所寫的輔助程序。如圖9 所示，所選的測試項目就是 IEC60601-2-25 章節(jié) 201.12.4.103 的輸入阻抗，測試者只需選取測試步驟，不需要再選測試信號，參數(shù)和開關等繁復的選項，可以輔助測試者節(jié)省大量的測試時間。

測試步驟如圖9 中央部分，測試者只需選擇輸出導聯(lián)電極和測試條件（是否要迭加 ±300mV 直流偏移和是否要加入 620KΩ 并聯(lián) 4.7nF 線路）。通過準則亦列在 Pass Criterion 內(nèi)，詳細的測試步驟在按下 Test Sequence 按鍵后會列出，以利測試時參考。按下 Run 后，軟件會依據(jù)所選的測試條件控制單道測試器產(chǎn)生測試所需要的測試信號、參數(shù)和開關等。

圖9、SECG 4.0 控制軟件中的 SECG Assistant 軟件窗口，可選擇 3 個 IEC 標準

共模抑制測試儀器 CMRR 3.0+ 主要就是依據(jù)圖2所示的共模抑制比和噪聲電平線路做危險輸出防護部分的基本性能測試，和單信道測試儀器 SECG 4.0 一樣，除了所有精確度要符合標準的要求外，也使用微處理器控制一些電子繼電器和工頻信號源，如此就可以讓測試者方便快速的設置測試項目所需要得測試條件。更重要的是測試儀器的設計一定要能符合針對前面述及的共模抑制比測試的 5 個主要精神，即：

信號產(chǎn)生器至少必需能產(chǎn)生 20 / 2.828Vrms 電源頻率信號和 502Vrms 兩倍電源頻率信號。
可調(diào)整可調(diào)電容 Ct 值，直到 Vc 值為電源頻率信號電壓值 Vs 的一半。
平衡測試（S1 到 Sn 全開或全閉）。
不平衡測試（只開或閉待測電極的 Sn 開關，其余 Sn 開關的開閉和待測電極的 Sn 開關相反）。
迭加 ±300mV 直流偏置電壓。

圖10 是 CMRR 3.0+ 的控制軟件窗口，其中所有參數(shù)設置都是針對這 5 個主要精神設計的，包括了：

Standard（標準）：選擇不同標準和測試選項，包括 IEC60601-2-25 / 27 / 47、YY 1079 / 1139 / 0782 / 0885、EC11 / 13、IEC60601-2-26、Noise（噪聲）等，其中 Noise 是用來測試噪聲電平。
Supply Voltage（供應電壓 Vs）：設置有效電壓值 20 / 2.828 / 0.5 / 2.0Vrms。
Frequency（頻率）：設置供應電壓頻率 50 / 60 / 100 / 120Hz。
Inner shield (Vc)（內(nèi)屏蔽 Vc）：調(diào)整 Ct 值，直到 Vc 值為供應電壓值 Vs 的一半。
Electrode with/without Impedance（51KΩ / 47nF 并聯(lián)電路加到或不加到待測電極）：包括 Electrode with Impedance: None, All, RA / LA / LL / V1 ~ V6 和 Electrode without Impedance: RA / LA / LL / V1~V6，其中選擇 None 或 All 是做平衡測試，其余都是不平衡測試。
DC Offset（直流偏移）：選擇是否迭加 ±300mV 直流偏移到待測電極，包括 Off、+300 RA / LA / LL / V1 和 -300 RA / LA / LL / V1。

圖10、CMRR 3.0+ 的控制軟件窗口，內(nèi)含所有測試所需要的信號種類和參數(shù)設置

共模抑制測試時，測試人員應應和測試系統(tǒng)保持一定距離，以免因人體接近所產(chǎn)生的電容效應影響測試結(jié)果。若因人體接近產(chǎn)生電容效應，測試人員可以手碰觸金屬片與系統(tǒng)共地，就可將影響降至zui低。

結(jié)語

心電圖機的基本性能測試項目主要是提供一些方法讓心電圖機能夠完整的擷取心電信號并能夠防護一些外來的危險信號。因此最好在各類型的心電圖機設計之初就能將這些測試項目所要求的規(guī)格涵括在內(nèi)，研發(fā)過程自然也需依據(jù)這些要求逐步完成產(chǎn)品設計，最后的質(zhì)量驗證和產(chǎn)線測試更是可以依據(jù)這些要求逐一或挑選重要項目完成測試。既然這些標準測試已經(jīng)提供了各類型的心電圖機的電器規(guī)范，對于心電圖機的制造商而言，從設計之初到最后的產(chǎn)線測試有關人員，實有必要了解整個測試內(nèi)涵和精神，如此才不會陷入一再修改產(chǎn)品線路和規(guī)格的困境。

當然，要通盤了解整個標準的內(nèi)容，實在是一個曠日廢時的工作，因此，心電測試器的制造廠商若能將所有測試步驟以自動化的方式呈現(xiàn)，必能幫助工程師們節(jié)省大量理解和測試的過程。前面所介紹的三種測試器，除了符合所有標準所需要的功能外，基本上都包含了自動測試步驟的軟件，另外，也提供了 SDK 功能，控制測試器做客制自動化測試。如此可協(xié)助心電圖機制造商提早產(chǎn)品上市的時間，工程師們更專注在心電圖機本身的研發(fā)制造上，開發(fā)出質(zhì)量功能更優(yōu)的心電圖機來。

參考數(shù)據(jù)

1. IEC 醫(yī)療專用標準 IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012。

2. 中國心電標準 YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013、YY1139-2013。