用于校准和验证心血管监测设备的ECG-PPG生理信号模拟器

《Sensors》：An ECG–PPG Physiological Signal Emulator for Calibration and Validation of Cardiovascular Monitoring Devices

　　

摘要

生理信号模拟器支持心血管监测设备的校准、验证和压力测试。然而，许多现有系统独立生成心电图（ECG）或光体积描记图（PPG），并且对心律失常检测和ECG-PPG耦合的控制能力有限。本研究提出了一种可编程的生理信号模拟器，该模拟器将统一的事件驱动型ECG-PPG模型与同步的多通道硬件集成在一起。该模型将心房起搏、房室传导和心室激活表示为独立的功能模块，能够模拟正常窦性心律、一度房室传导阻滞、二度房室传导阻滞（Mobitz I型）、完全性房室传导阻滞、心房性心动过速和心室性心动过速。基于高斯的ECG信号是根据心房和心室事件序列生成的，而多高斯PPG波形则是通过基于心跳类型的机电延迟从心室激活中得出的。相同的处理架构还支持通过逆向导联变换来回放记录的12导联临床ECG数据。该硬件使用STM32F407VET6微控制器和MCP4921数模转换器（DAC）生成10个同步的模拟输出信号，包括9个ECG电极和1个PPG通道。验证内容涵盖了生理时序、模拟链性能以及端到端信号再现能力。与商用心电图仪相比，正常窦性心律下的PR间期误差为1.23毫秒，一度房室传导阻滞下的PR间期误差为1.66毫秒。在Mobitz I型传导过程中，测量得到的心跳间PR间期增量为毫秒（编程设置为40毫秒）。在至少800毫伏的指令幅度下，两个输出通道的绝对幅度误差均低于0.60%，总谐波失真低于1%，信噪比（SNR）高于30分贝。通道间的R峰偏斜保持在2毫秒的采样间隔以内，在连续运行60分钟内所有监测指标的变化均小于1.5%。对临床12导联记录的再现结果显示，各导联的线性和周期相关性分别为和0.996。该模拟器还能够再现自动化间隔测量和解释标签中的幅度依赖性偏差。这些结果证明了一个低成本、开源的平台，适用于可重复的设备校准、算法压力测试、医学培训以及生理信号处理研究。