心電圖(Electrocardiogram,ECG或EKG)是最常見的疾病檢查方法,特別是心臟相關疾病。操作ECG時,醫務人員要將導極貼在病患體表。導極可量測心臟在一次跳動週期內的心電活動,並以連續線性軌跡記錄在圖紙上,以繪製心電圖。ECG訊號可顯示:

˙不明原因的胸痛; ˙心臟病症狀的原因; ˙藥物對患者的效果; ˙心律調整器等植入裝置的運作情形; ˙其他心臟相關疾病。

現在有許多心臟檢驗設備,都可顯示並解譯ECG訊號模式。醫療設備設計工程師需仰賴靈活且準確的方法,完美無縫地產生ECG訊號波形,以便驗證他們的設計。

ECG訊號產生功能

進行此測試時,心臟監測設備製造商必須量測他們設計的最新產品在擷取和解譯ECG訊號方面的能力。設計工程師需模擬正常和異常ECG訊號逐漸改變的順序,以測試和調諧其設計的輸入訊號、調整硬體與韌體解譯演算法,以便確保他們的設計不會產生偽陽性或危及性命的偽陰性結果。產生ECG訊號需考慮下列幾個關鍵因素:

˙低振幅訊號±1毫伏特(mV)或±0.5mV; ˙電極的半電位所產生的顯著訊號偏移; ˙共模訊號電源線的系統雜訊(50/60Hz); ˙複雜的ECG訊號碼型。

ECG設備的韌體設計可解決電極和共模訊號電源線所產生的訊號偏移。設計工程師需透過韌體來消除電源線雜訊,並利用濾波器消除電極偏移,進而濾除雜訊,但以上這些設計規則並不在本文討論的範疇。

20170411TA01P1 圖1 疊加QRS複合訊號的所有心臟動作電位以產生ECG訊號。

本文主要從兩方面來探討ECG訊號產生:

˙產生乾淨的低振幅訊號; ˙產生ECG碼型的複雜度。

對此,最好的解決方案是使用任意波形產生器(AWG)。

超低振幅訊號

真正的心臟訊號通常振幅都很低,大約是幾mV甚至更小,因此我們很難使用AWG來進行模擬,因為它的最低振幅設定通常介於10mV~1mV之間。當AWG在最低振幅下運作時,其訊號雜訊比可能會出現問題。克服此缺點的方法之一,就是在AWG的輸出端使用一個分壓器。ECG訊號的頻率很低,所以分壓器只需要電阻就行了,因為反應性效應會被忽略。當建構分壓器時,切記其輸出訊號的振幅準確度,取決於分壓器使用的電阻準確度。舉例而言,使用10kΩ電阻器和10Ω電阻器的分壓器,會使1V的振幅降至1mV,如圖2所示。

20170411TA01P2 圖2 簡易的分壓器。

複雜的ECG碼型

使用AWG產生和儲存ECG訊號的方法有很多,包含:

˙使用者可利用數位轉換器或示波器,從病患身上擷取真正的ECG訊號,然後再將數位化資料點上傳到AWG。大部分新型的AWG都夠支援這種方式; ˙使用者可執行數學運算軟體,例如MATLAB; ˙AWG內建常用的ECG波形。

真實案例中,ECG波形並非標準或規則的心電圖波形,而是從一種波形轉換到另一種波形的動態訊號,而在各種複雜碼型之間順利轉換的能力,是設計工程師期望的一項重要功能。此外,任意排序功能對於設計者來說非常重要,他們可控制ECG波形連續執行的週期,並進一步產生真實的ECG訊號激發,以供設計者測試ECG設備。

ECG訊號分析

在醫療產業中,精密的示波器是ECG設計工程師在設計和驗證階段必備的重要測試設備。示波器需擷取並顯示ECG碼型,並且加以分析。

20170411TA01P3 圖3 ECG波形序列範例。

量測極低振幅訊號

測試工程師面臨的主要測試挑戰是擷取ECG訊號,尤其環境中充斥雜訊干擾,訊號振幅又很低時,量測困難度便大幅升高。一般來說,每分鐘60次到100次的心跳,訊號振幅值介於0.5mV~1mV之間。因此,設計工程師常會使用放大器來增強訊號、設定示波器通道的訊號偏移,甚至使用波形平均法來擷取準確的ECG訊號。實際上,由於ECG訊號不會重複,而且目標訊號的強度太微弱,波形平均的結果導致訊號無法進行觀測,因此並不適合用來抑制雜訊。

20170411TA01P4 圖4 正常擷取模式下,處於雜訊環境的顯示波形,這是常見於一般示波器的多數ECG波形。

最佳解決方案是選擇具有快速波形更新速率的示波器,以便擷取間歇性訊號異常事件。波形更新速率越快,「盲區(dead time)」越小,也就是說示波器完全遺漏訊號的時間越短,因此在擷取模式下,對額外取樣進行平均以減少隨機雜訊並產生更加平滑的軌跡,可有效地增加垂直解析度,如圖5所示。

20170411TA01P5 圖5 在高解析度擷取模式下所擷取到的1mV和0.5mV振幅的ECG訊號。

從「標準(golden)」碼型建立波罩

波罩測試是從量測訊號中有效驗證ECG訊號最好的方法。示波器的顯示畫面會定義出波形必須保留的區域,以便與標準訊號進行對照。這有助於設計工程師迅速地透過目視檢查,找出存在量測訊號中的異常事件。

ECG訊號產生解決方案

Keysight 33622A任意波形產生器擁有任意波形排序功能和任意波形深度記憶體,可提供ECG模擬解決方案。排序功能可實現多種ECG訊號情況之間的無縫轉換;任意波形深度記憶體可儲存數量龐大的ECG波形,進一步改善排序功能。工程師可藉此在波形之間加入細微的變化,以便對他們的設計進行高解析測試。

ECG訊號分析解決方案

Keysight InfiniiVision 4000 X系列示波器具備量測準確度,是在醫療應用中分析極低振幅訊號(例如ECG訊號)的工具。其每秒1百萬個波形的更新率,提供高解析度的擷取功能,可 協助設計工程師全面分析訊號的頻譜變化。該訊號分析工具也提供經濟實惠的效能,不需要另外購買配件,就能實現ECG訊號振幅的高垂直解析度。除此之外,標準訊號波罩讓設計工程師能輕鬆檢視ECG碼型中的異常事件。

20170411TA01P6 圖6 訊號周圍的黑色區域是允許的訊號區域,該區域外的所有訊號均以紅色顯示。