最近 Draeger 的 Derek Qin 提到,在 MEDTEQ ECG 濾波器文章的結(jié)尾,描述了 3mV/100ms 脈沖波對(duì) 0.05Hz 高通濾波器的影響,后脈沖斜率較像是 29µV,而非文章中所敘述的 291µV。
事實(shí)證明 Derek 是正確的,正確的答案是 29µV/s,但是這個(gè)看似簡(jiǎn)單的測(cè)試,背后卻代表著許多信息。
順帶一提,這個(gè)錯(cuò)誤已經(jīng)由兩種不同的方法來(lái)檢查:一種是通過(guò) excel 逐步模擬,另一種是采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法來(lái)計(jì)算指數(shù)衰減和導(dǎo)數(shù)。兩者都有不同誤差,且兩種誤差偶然都達(dá)到 ?291µV/s。
但這不僅是罕見(jiàn)的雙重錯(cuò)誤,與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相比,29µV/s 是個(gè)極低的數(shù)值 – 測(cè)試限制是 300µV/s,但實(shí)際結(jié)果卻又小于 10%?因此,偏差依舊存在于這個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上,在 10 年后解決此問(wèn)題時(shí),作者確信是29µV/s,之后回復(fù)到291µV/s,最終還是回到29µV/s。這仍然無(wú)法解釋實(shí)際測(cè)試結(jié)果的差異,或是為何這個(gè)測(cè)試有這么高的限制。
在討論了一些想法后,Derek指出我的原始計(jì)算是基于獨(dú)立的單一單極性脈沖。 在一連串脈沖(脈沖序列)的情況下,由于波形向下移動(dòng)來(lái)調(diào)適DC偏移,導(dǎo)致結(jié)果大不相同,相對(duì)于DC等級(jí)會(huì)大幅度增加過(guò)沖的絕對(duì)值,這反而增加了衰減的斜率。 仔細(xì)查看下圖可看出這一點(diǎn):
以0.5Hz(30bpm)重復(fù)的3mV/100ms脈沖序列不斷擴(kuò)大,可以看到基線附近的影響,而最后一個(gè)脈沖的斜率明顯不同于第一個(gè)脈沖的斜率。
事實(shí)證明,在脈沖序列的情況下,結(jié)果將取決于:
(a) 脈沖頻率(脈沖重復(fù)率)
(b) 測(cè)試運(yùn)行的時(shí)間(序列中的哪個(gè)脈沖),以及
(c) 模擬器的偏移量
顯然這并不直觀,因此讓我們從一個(gè)單極性3mV/100ms脈沖開(kāi)始重新進(jìn)行計(jì)算(對(duì)于那些對(duì)數(shù)學(xué)不感興趣的人,請(qǐng)直接跳到結(jié)論):
- 過(guò)沖 (Overshoot):剛開(kāi)始的3mV正沿?zé)o失真地通過(guò)高通濾波器,然后根據(jù)時(shí)間常數(shù)τ=2πf= 3.18s開(kāi)始衰減。 100ms之后的衰減為D = A(1- exp(-t /τ))= 3mV x(1- exp(-0.1 / 3.18))= 0.093mV = 93µV。 脈沖末尾的3mV負(fù)沿也通過(guò)濾波器。 由于波形衰減了93µV,因此該衰減值直接顯示為過(guò)沖。
- 斜率 (Slope):使用過(guò)沖作為起始振幅A,從指數(shù)衰減的導(dǎo)數(shù)計(jì)算出斜率:
S = -A/τ = - -92.87µV / 3.183s = +29µV/s
現(xiàn)在,讓我們看一下脈沖序列,首先使用1Hz頻率(60bpm),該頻率已被設(shè)為固定。 0.05Hz濾波器的時(shí)間常數(shù)為3.18s,因此在直流偏移發(fā)生后穩(wěn)定大約需要15s至20s(15s = 1%誤差,20s = 0.2%誤差)。 以1Hz重復(fù)的3mV/100ms脈沖加上0.3mV的初始DC偏移,最終穩(wěn)定的DC電平最大為+ 2.7mV,最小為-0.3mV的波形。 然后,我們可以使用上述方法重新計(jì)算,并使用已確定的值:
- 過(guò)沖 (Overshoot):D = A (1- exp(-t/τ)) = 2.7mV x (1-exp(-0.1/3.18)) = 0.0825mV = 83.5µV
- 斜率 (Slope):新的斜率是根據(jù)過(guò)沖和-0.3mV(-300µV)偏移量(這是穩(wěn)定波形的最小值)所計(jì)算得出的。因此:
S = -A/τ = - (-300-83.5)µV / 3.183s = +121µV/s.
我們可以發(fā)現(xiàn)過(guò)沖僅受到輕微影響,但斜率卻大不相同。 這就解釋了為什么實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)單一脈沖的29µV/s有很大不同。
結(jié)果明顯受到脈沖頻率的影響,因?yàn)檫@會(huì)影響穩(wěn)定波形的最大值/最小值。 例如,一個(gè)0.5Hz(30bpm)的脈沖序列穩(wěn)定值范圍為+2.85 / -0.15mV,而2Hz(120bpm)穩(wěn)定值范圍為2.4 / -0.6mV。
如果波形不固定,則取決于使用哪個(gè)脈沖。 工程師可能會(huì)隨機(jī)選擇第5個(gè)脈沖進(jìn)行測(cè)試,然后再次運(yùn)行測(cè)試并選擇第12個(gè)脈沖,最后想不通為何測(cè)試結(jié)果不同。因此,測(cè)試后應(yīng)先停留20s確保測(cè)試穩(wěn)定后,才可確認(rèn)測(cè)試結(jié)果的一致性。測(cè)試時(shí)應(yīng)至少測(cè)試20秒,讓ECG波形穩(wěn)定下來(lái),才可確保結(jié)果一致。
但這還不是全部,ECG模擬器可能會(huì)使用-50%的偏移量,這可以有效地加倍模擬器的脈沖波波形范圍(如SECG所用)。 模擬器可以使用+1.5mV/100ms,-1.5mV/900ms,而非使用3mV/100ms及0mV/900ms做脈沖波輸出。 在波形穩(wěn)定時(shí),該初始偏移會(huì)極大地影響結(jié)果,甚至可能超過(guò)前幾個(gè)脈沖的300µV/s極限。 同樣,如果允許20秒鐘的測(cè)試,則這種影響會(huì)消除。
事實(shí)證明,此問(wèn)題會(huì)影響ECG濾波器為0.05Hz時(shí),所有ECG測(cè)試中包含直流偏移的測(cè)試波形,像是200/20ms測(cè)試和CAL20160波形。 我們將會(huì)需要更多的工作來(lái)模擬這些波形并確定影響的程度,但與此同時(shí),這些測(cè)試須持續(xù)至少20秒穩(wěn)定,并固定測(cè)試頻率。
結(jié)論
根據(jù)以上分析,所有關(guān)于0.05Hz濾波器的測(cè)試應(yīng)為:
- 允許測(cè)試20秒,可讓待測(cè)物波形穩(wěn)定下來(lái)
- 如果測(cè)試頻率,則以1Hz進(jìn)行測(cè)試,或至少以測(cè)試報(bào)告中包含的測(cè)試頻率進(jìn)行重復(fù)測(cè)試
理想情況下,未來(lái)將發(fā)行的ECG標(biāo)準(zhǔn)版本應(yīng)包括所有測(cè)試的穩(wěn)定時(shí)間和測(cè)試頻率。
如果以上分析中仍然有錯(cuò)誤,請(qǐng)隨時(shí)告知。
(此篇測(cè)試技術(shù)應(yīng)用文章已取得MEDTEQ同意轉(zhuǎn)載)