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是德科技 使用任意波形发生器生成复杂的 ECG 波形 测量技巧 第10 卷, 第3期应用指南 心电图 (ECG) 是检查人体疾病的重要手段.

在使用 ECG 时, 医务人员将导联和电极置于患者体表, 测 量一个心动周期内的心电活动, 导联和电极的各路输出结合在一起, 可生成一个 ECG 信号. 该信号的幅 度与时间变化可显示各种病症的迹象, 例如心肌梗死、 低血钙症和肺气肿. 目前有很多心脏仪器都能显 示和分析 ECG 信号波形. 医疗设备设计人员需要灵活和完美地生成精确的 ECG 信号波形, 以便验证和 测试他们的设计. 本测量提示将讨论如何使用任意波形发生器 (AWG) 生成复杂的 ECG 信号波形. 快照 心脏监视设备制造商需要测试其最新设计的仪器在 ECG 信号 捕获和分析方面的能力. 设计工程师应当逐步针对变化中的正常 和非正常 ECG 信号序列进行仿真, 以测量和调试设计的输入信 号调理硬件与固化软件解释算法, 从而确保他们的设计不会产 生误报或危及生命的漏报. 工程师可以使用 Keysight 33521A 函数/任意波形发生器来仿真 ECG 信号. 33521A 具有任意波形排 序功能. 该功能使工程师能够对存储在任意波形存储器中的各 种ECG 信号进行无缝切换. 他们也不必中断测试便能仿真各种 逐渐变化的 ECG 异常信号. 此外, 33521A 的100 万点任意波形 存储器还使他们能够存储数目庞大的 ECG 信号. 引言 测量技巧 ECG 波形 图1显示了一个典型的

12 导联和电极的 ECG 波形. 主要的波 形和间隔均已标出. 图1.

12 导联线 ECG 波形 图2. 内置 ECG 波形 在本测量简报中, 我们将以

12 导联和电极 ECG 波形为例, 为您展示如何使用 AWG 生成复杂的心脏信号波形. AWG 也 可用于仿真其他多个电极的 ECG 波形或是单导联电极信 号. 本章主要介绍如何使用 AWG 生成复杂的心脏信号波形. ECG 波形 在AWG 中生成和存储 ECG 的方法有三种: 1.您可以使用数字化仪或示波器来捕获患者实际的 ECG 信号, 随后再将数字化点上传至 AWG. 现代 AWG 能够提供多 种方式帮助您完成信号存储, 包括使用 .csv 文件和 U 盘. 2.您可以使用数学软件来生成 ECG 信号, 也可以采用专为 AWG 设计的自定义软件或是标配软件包 (例如 MATLAB ? ) . 3.如果条件允许的话, 您可以使用 AWG 的内置典型 ECG 波形. Keysight 33521A 就具备这种功能. 您可以下载和使用 MATLAB 中的 ECG 仿真器程序. 您 可以在 http://www.mathworks.com/matlabcentral/ fileexchange/10858-ecg-simulation-using-matlab 中找 到ECG 仿真器下载及说明, 或者在搜索引擎中输入 ECG MATLAB , 在搜索结果的前端找到它. 该程序通过对多 个傅立叶级数求和, 生成 ECG 波形. 傅立叶级数可应用于 ECG 波形中的各种波形, 例如 P 波和 T 波等. 该程序使您 能够调整各种 ECG 波形参数以仿真不同的心脏状况. 如图

2 所示, 本测量提示稍后用到的示例 ECG 波形是以 33521A 的内置 ECG 波形为基础. 将方法

1 与方法

2 或是方法

3 与方法

2 结合使用, 可轻松生成一整套不同的 ECG 波形. 您 可以获取并处理内置 ECG 波形中的数字化点 (方法 3) , 以生 成其他非典型或非正常的 ECG 信号来测试心脏监测设备. 一 种方式是, 您可以通过采用 33521A 的大型前面板显示器来完 成测试. 另一种方式是使用数学软件工具 (方法 2) . 由此, 您能 够结合使用方法

2 和方法 3, 以生成一整套不同的 ECG 波形. 方法

1 和方法

2 也是如此. P R QRS Complex ST Segment PR Interval QT Interval PR Segment T Q S

3 | 是德科技 | S5020A FD-MIMO 多通道参考解决方案?手册 测量技巧 测量技巧 使用 AWG 的任意波形排序功能仿真复杂的 ECG 波形 33521A 函数/任意波形发生器具备任意波形排序功能, 无需 中断输出即可在存储器中的任意波形之间进行无缝转换. 图3显示了针对三个分别存储于存储器的不同 ECG 波形应用 33521A 任意波形排序功能的实例. 总结 人的生命非常脆弱, 因此对心脏监测设备的设计进行完整的测试 很重要. 为了确保您的设计能够正确表征和分析各种 ECG 波形情 况, 必须对复杂 ECG 信号波形的仿真模型进行精确测试. 33521A 拥有任意波形排序功能和任意波形深存储器, 可为 ECG 仿真提供 卓越的解决方案. 排序功能可以实现多种 ECG 信号情况之间的无 缝转换. 任意波形深存储器可存储数目庞大的 ECG 波形, 进一步 完善排序功能. 因此, 您能够在波形之间进行细微的改变, 以便对 设计进行高分辨率测试. 第一个波形周期是 33521A 的内置 ECG 波形. 第

二、 三个波形是 以第一个波形为基础, 在应用 MATLAB 软件时会发生系统性的 改变. 请注意, 第二个 ECG 波形具有一个平坦的 T 波. 在第三个 ECG 波形中, 这个 T 波将被倒置. 33521A 的排序功能可使您灵活地控制波形排序. 作为控制排序 的一种方式, 您需要在对下一个波形进行排序之前, 提前指定每 个波形的运作周期次数. 序列也可返回至先前在其他序列中出 现过的波形. 33521A 拥有任意波形排序功能、 大型任意波形存储器、 标配每 通道

100 万点以及可选的

1600 万点, 使您能够仿真复杂的 ECG 波形, 以便对心脏监测设备的设计进行完整的测试. 例如, 图3显示的三种波形均为

500 点. 33521A 的标配任意波形存储器使 您可以存储多达

2000 个大小相等的 ECG 波形. 33521A 支持内 含512 个步进的任意波形序列, 使您能够生成复杂的 ECG 波形 以进行完整测试. 图3. ECG 波形序列示例 图4. 简单的分压器 您可以通过使用触发器来异步控制 33521A 中的任意波形 序列, 进而控制波形转换 (代替周期计数) . 您能够使一个 波形在某个未确定时间周期内循环往复, 直至波形接收软 件触发、 外部触发或是前面板触发. 当波形接收触发时, 33521A 会跳转至序列中的下一个波形. 您也可以在序列中 混合应用这两种转换方法, 指定计数并且使用触发器. 实际心脏信号的幅度极低, 通常仅有几毫伏甚至更少. 这 会为 AWG 的仿真应用带来困难. AWG 的最低幅度设置是 在10 mV 至1mV 之间 (33521A 的最低幅度是

1 mV) , 因 此在采用最低幅度时, AWG 的信噪比会出现问题. 您可以 在AWG 的输出端使用分压器克服上述缺点. 鉴于 ECG 信 号的频率极低, 因此分压器只需使用若干电阻器, 并且不 必考虑反作用. 当您在构建分压器时, 切记其输出信号的 幅度精度取决于所用电阻器的精密度. 例如, 图4所示, 使用10 kΩ 电阻器和

10 Ω 电阻器的分压器将会使幅度从

1 V 降至

1 mV. ECG in

1 V max ECG out

1 mV max

10 k?

10 ? 如欲了解是德科技函数/ 任意波形发生器解决方 案的更多详情, 请访问 www.keysight.com/ ?nd/FunctionGenerator Spotlight

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5 | 是德科技 | S5020A FD-MIMO 多通道参考解决方案?手册 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 ? Keysight Technologies,

2010 -

2014 Published in USA, July 31,

2014 出版号:5990-5899CHCN www.keysight.com myKeysight www.keysight.com/find/mykeysight ?性?视图为?提供???自己的?? !

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