基于智能化數(shù)字心電圖機維修系統(tǒng)的導聯(lián)選擇異常故障分析與排除

李昌鋒

（福建生物工程職業(yè)技術(shù)學院，福建 福州 350007）

心電圖機作為醫(yī)用電子儀器的典型代表，在醫(yī)療器械類專業(yè)課程醫(yī)用電子儀器分析與維護中常作為重要的學習載體，對于心電圖機典型故障分析、定位與維修是課程重要的實踐教學內(nèi)容[1]。本文結(jié)合上?，B淼電子科技有限公司研發(fā)的智能化數(shù)字心電圖機維修系統(tǒng)（YD-TH001），以導聯(lián)選擇異常為典型故障進行模擬，從電路原理、故障定位、故障解決等方面闡述心電圖機維修的實踐教學過程。

1 智能化數(shù)字心電圖機維修系統(tǒng)介紹

智能化數(shù)字心電圖機維修系統(tǒng)是一個可用于醫(yī)用電子儀器課程教學、實驗、維修模擬的平臺。該系統(tǒng)的硬件平臺是一套基于ECG-6951D型完整的數(shù)字化心電圖機，如圖1所示；PC上位機軟件是實驗過程控制系統(tǒng)，可進行故障設(shè)置、模擬訓練、考試出題等，如圖2所示。系統(tǒng)采用軟硬件互聯(lián)的模式，可實現(xiàn)心電圖機典型故障的自動設(shè)置、智能切換、故障恢復(fù)、故障解決評分、實驗報告生成等功能。

圖1 智能化數(shù)字心電圖機維修硬件系統(tǒng)

圖2 PC端軟件故障實驗設(shè)置界面

該系統(tǒng)可提供多達40種的心電圖機故障維修模擬實驗，包括出廠參數(shù)的設(shè)置與校正、導聯(lián)選擇電路異常、調(diào)制解調(diào)電路異常、后級放大電路異常、設(shè)備按鍵操作異常、交流供電異常、充電電路指示異常、電池電量指示異常等實驗?zāi)K，每個模塊故障可包含4種不同的故障實驗點設(shè)置。該系統(tǒng)提供的實驗豐富靈活、針對性強、操作便捷，可適用于高職醫(yī)療器械類專業(yè)學生課堂使用。

2 導聯(lián)選擇異常故障分析與處理

做心電波檢測時，電極安放的位置及導線與放大器的連接方式，稱為心電圖的導聯(lián)。從人體表面可以引出無數(shù)個導聯(lián)，但在臨床中常用的導聯(lián)為十二導聯(lián)：標準導聯(lián)（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、加壓單極肢體導聯(lián)（aVR、aVL、aVF）和胸導聯(lián)（V1、V2、V3、V4、V5、V6）。

導聯(lián)選擇的作用是在不改變?nèi)梭w電極連接線的情況下，將接觸在人體各部位電極的導聯(lián)線和心電放大器之間的連接方式，按需要切換組合成某一種導聯(lián)方式[2]。導聯(lián)切換可以是自動模式，每切換一次導聯(lián)都需按順序進行，不能跳換；也可以是手動模式，根據(jù)需要選擇相應(yīng)導聯(lián)進行心電圖描記。如果導聯(lián)選擇模塊出現(xiàn)故障，那么將無法讓指定導聯(lián)的心電信號進入到后續(xù)的電路處理，會造成所有導聯(lián)都無波形顯示或者只有部分導聯(lián)有波形顯示的故障現(xiàn)象。

2.1 電路原理分析

本導聯(lián)選擇電路包含了按鍵模塊、CPU控制模塊、TLP521-4光電耦合模塊、三極管Q202取反模塊、CD4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)模塊，電路原理圖如圖3所示。

圖3 導聯(lián)選擇電路原理圖

其中，TLP521-4是可控制的光電耦合器件。該器件一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收和信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出，完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入輸出隔離的作用。TLP521-4隔離性能優(yōu)越，抗干擾能力強，傳輸效率高，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中的高低壓電隔離、生物電信號的隔離傳輸、無接觸控制等各個方面[3]。

三極管Q202進行信號的取反，實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。當LD0為低電平時，Q202的基極和發(fā)射極的電壓差為0 V，三極管處于截止狀態(tài)，LD1直接連接到+5 V，所以為高電平；當LD0為高電平時，Q202的基極和發(fā)射極的電壓差超過導通電壓，三極管處于導通狀態(tài)，LD1變成接地，所以為低電平。

CD4051是單端8通道多路開關(guān)，它有3個通道選擇輸入端C、B、A和1個禁止輸入端INH。該器件相當于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼C、B、A來決定，當INH禁止端等于1時，各通道均不接通，其真值表見表1[4]。

表1 CD4051的真值表

該導聯(lián)電路的信號傳遞流程如圖4所示。由按鍵按下發(fā)出導聯(lián)選擇切換控制命令，CPU接收到按鍵輸入信號后發(fā)出導聯(lián)切換控制信號LAR、LBR、LCR、LDR，經(jīng)過光電耦合模塊TLP521-4，4個信號由實地端傳送到浮地端，相應(yīng)輸出為LA0、LB0、LC0、LD0，其中LA0、LB0、LC0這3個信號分別加到4片CD4051芯片的A、B、C引腳，而LD0信號只加到U207和U210這2片芯片的INH引腳，同時LD0信號通過三極管Q202取反后成為LD1信號，加到另外2片芯片U219、U223的INH引腳，實現(xiàn)對包括測試導聯(lián)在內(nèi)的13個導聯(lián)進行選擇切換的功能。

圖4 導聯(lián)電路的信號傳遞流程圖

2.2 故障分析與解決

2.2.1 故障案例1

故障現(xiàn)象：開機后，按下導聯(lián)切換按鍵，發(fā)現(xiàn)液晶顯示屏上并沒有顯示任何導聯(lián)的心電波形。

故障分析與定位：根據(jù)導聯(lián)切換按鍵不起作用的故障現(xiàn)象，從信號流程出發(fā)，直接比較快速的故障定位方法是測試光電耦合兩側(cè)的導聯(lián)切換信號是否正常。用萬用表電壓檔位測試光電耦合芯片U224的1、3、5、7四個腳的電壓，發(fā)現(xiàn)4個腳的電壓均為低電平，意味著導聯(lián)選擇的信號是測試信號，無法切換為心電導聯(lián)信號，所以沒有任何心電波形顯示。故障點非常大的可能在于按鍵老化斷路了，通過萬用表的蜂鳴檔測試，確認導聯(lián)切換的S1和S2按鍵均為斷路，更換按鍵，導聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.2.2 故障案例2

故障現(xiàn)象：依然還是開機后，按下導聯(lián)切換按鍵，液晶顯示屏上并沒有任何的心電波形。

故障分析與定位：同樣的，故障定位點首先還是定位在光耦前后，用萬用表電壓檔位測試光電耦合芯片U224的1、3、5、7四個腳的電壓，發(fā)現(xiàn)信號是正確的，也就是光耦前實地端的導聯(lián)切換信號正常，但是測量U224的9、11、13、15四個腳的電平，發(fā)現(xiàn)都為低電平，即光耦后浮地端的導聯(lián)切換信號異常，那么故障點很明顯應(yīng)該是光耦，更換同類型的光耦，導聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.2.3 故障案例3

故障現(xiàn)象：開機后，按下導聯(lián)切換按鍵，發(fā)現(xiàn)部分導聯(lián)（I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1）顯示正常，其他導聯(lián)無法正常顯示。

故障分析與定位：故障定位點首先從光耦后開始，用萬用表電壓檔位測試光電耦合芯片U224的9、11、13、15四個腳的電壓，發(fā)現(xiàn)信號LA0、LB0、LC0、LD0是正確的，導聯(lián)切換信號已經(jīng)正確地傳送到了光耦后浮地端，根據(jù)信號流程中可知LA0、LB0、LC0 3個信號分別加到4片CD4051芯片的A、B、C引腳，而LD0信號需要被取反之后變成LD1信號，可以推出問題的關(guān)鍵很可能在于LD1信號異常。通過萬用表測試驗證，無論導聯(lián)按鍵如何切換，LD1信號一直處于高電平，可以推斷三極管Q202并沒有實現(xiàn)取反的功能，更換三極管Q202，所有導聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.2.4 故障案例4

故障現(xiàn)象：開機后，按下導聯(lián)切換按鍵，發(fā)現(xiàn)部分導聯(lián)（V2-V6）顯示正常，但其他導聯(lián)無法正常顯示。

故障分析與定位：此故障現(xiàn)象和故障案例3恰好是互補型現(xiàn)象，可以初步推斷和三極管Q202是沒有關(guān)系的，通過測試定位發(fā)現(xiàn)信號LA0、LB0、LC0、LD0、LD1和真值表完全是匹配的，即導聯(lián)切換信號正確地傳輸?shù)搅?片CD4051芯片上，而波形顯示異常的導聯(lián)是I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1，正好是芯片U207和U210控制，經(jīng)過上電檢查發(fā)現(xiàn)其中的U207芯片損壞，更換后所有導聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.3 故障排除方法小結(jié)

2.3.1 參數(shù)測量法

這是最基本的故障排除方法[5]。利用萬用表、示波器等檢測設(shè)備，通過測試電壓、電流、電阻、電容、波形和頻率來確定故障部位，這個方法的重點是積累電子元器件的識別檢測知識和掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)和方法。例如通過測量輸入輸出電阻、負載電阻、絕緣電阻、電容器的漏電電阻、放大器的輸入輸出電壓，各種晶體管的管腳電壓、電阻，各種芯片的電源電壓、工作電位，交流放大電路的波形等。一般情況下，在測量完有關(guān)的數(shù)據(jù)后，便可大概判斷出故障所在和元件的好壞。

2.3.2 電路分割法

通過把電路按模塊進行分開測試，一般情況選擇從電路中間開始，先測試信號是否有正確傳送到位，確定其中的一半電路沒有故障，同時就得出另一半電路存在故障，然后循環(huán)用此方法進行分割，便可以不斷縮小故障范圍，從而確定故障所在。此方法的重點在于對電路原理框架要十分熟悉、才可以精準地進行分割測試。該方法是縮小故障范圍的有效途徑。

2.3.3 示波法分析

電壓法主要是指在檢查電路故障過程中，選用電壓表測試直流電中的非動態(tài)電源、集成電路電壓，通過測試電壓值是否正常來判斷電路是否存在問題。但是在測試過程中必須要注意電路內(nèi)阻與電容是否受到影響。示波法則是在檢查電路信號時通過動態(tài)驗證形式，檢測電路各個分點信號、各部分運轉(zhuǎn)及傳輸狀況是否正常，從而準確判斷電路故障位置，但是必須在電路靜態(tài)電位條件下進行該故障檢測方法。

2.3.4 元器件替代法

此方法是將懷疑有故障的元器件替代為完好的元器件，如果調(diào)換以后電路系統(tǒng)正常運作，那么表明元器件有故障，應(yīng)進一步進行測定。對于集成電路，對于電路被懷疑有故障的部分，可在同一芯片上使用相同的電路來代替。對于多個輸入端的集成器件，在具體運作中有剩余輸入端時，可通過換用剩余輸入端進行故障檢測，判斷原輸入端的故障問題。

3 結(jié)束語

本文通過對智能化數(shù)字心電圖機維修系統(tǒng)中導聯(lián)選擇電路原理進行詳細分析，著重闡述了該模塊常見的4種故障類型以及故障排除的方法。通過導聯(lián)故障排除過程總結(jié)得出：故障排除需要一定的經(jīng)驗做基礎(chǔ)，更需要理論聯(lián)系實踐。在故障解決過程中需要加強電路原理的學習，通過查閱電路原理圖資料對整個系統(tǒng)有一個全面了解，抓住信號流程走向，了解各個信號模塊之間的互聯(lián)關(guān)系，這樣才能更好地通過故障現(xiàn)象進行分析推導，定位出故障發(fā)生點。只有在了解系統(tǒng)整體的基礎(chǔ)上才能深入地掌握每個模塊部分，系統(tǒng)框架掌握得越深對于故障排除工作越有利。故障排除不能靠蠻干，不能靠碰運氣，要靠嚴肅認真的科學推理分析，這樣故障排除工作才能得心應(yīng)手。