心電信號(hào)采集與調(diào)理電路

1、心電信號(hào)的采集和調(diào)理電路1 概述1.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀心電圖機(jī)就是用來(lái)記錄心臟活動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的生理電信號(hào)的儀器。 由于心電圖機(jī)診斷技術(shù)成熟、 可靠， 操作簡(jiǎn)便，價(jià)格適中，對(duì)病人無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，已成為各級(jí)醫(yī)院中最普及的醫(yī)用電子儀器之一。在國(guó)外，心電圖機(jī)的研制和生產(chǎn)，占主要地位的是以德國(guó)、日本、加拿大、美國(guó)為主的發(fā)達(dá)國(guó)家， 相對(duì)而言國(guó)內(nèi)心電圖機(jī)發(fā)展速度較慢， 水平較落后， 心電圖機(jī)的研制和生產(chǎn)是在 1904年荷蘭的愛(ài)因托芬 (Willem Einthoven) 制造的第一臺(tái)弦線式電流計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，20世紀(jì)50年代之前， 心電圖機(jī)的發(fā)展主要解決了小型化和提高靈敏度的問(wèn)題。1960年第一個(gè)專用心電圖

2、波形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)建立起來(lái)，自1978年美國(guó) Marquett 公司首次推出數(shù)字化 12導(dǎo)同步心電圖機(jī)，便開(kāi)創(chuàng)了心電圖記錄、分析與診斷、保存 與管理的新紀(jì)元， 從此心電圖機(jī)進(jìn)入數(shù)字化發(fā)展新時(shí)代， 特別是計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用， 數(shù)字化 信息處理為醫(yī)學(xué)界進(jìn)步和深入研究提供了現(xiàn)代化高科技手段。 常規(guī)的心電圖機(jī)有單道和多道， 雖使用方 便，但體積龐大、價(jià)格高，主要適合醫(yī)院，并且對(duì)許多偶發(fā)、短暫心律失常無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)；動(dòng)態(tài)心電圖 機(jī) (HOLTER) ，雖然可用于 24小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間的心電圖記錄，但是 HOLTER 價(jià)格昂貴，使用不方便， 并且不能實(shí)時(shí)處理。在國(guó)內(nèi)，截至 2007 年10月，據(jù)不完全

3、統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)12530家，而專業(yè)生產(chǎn)心電圖機(jī)的企業(yè)僅有 20幾家，大多數(shù)是中小企業(yè)，產(chǎn)品技術(shù)水平較低，不具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，所需的器件、材 料、工藝，水平低基礎(chǔ)差。目前我國(guó)心電圖機(jī)主要生產(chǎn)廠家在廣東、山東和上海，但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上均形 不成主導(dǎo)地位。 1985年上海醫(yī)用心電圖機(jī)的產(chǎn)品約占全國(guó)的 80，產(chǎn)品暢銷； 但自 1989年12月上海醫(yī)用 電子儀器廠與日本光電工業(yè)株式會(huì)社簽約合資成立上海光電醫(yī)用電子儀器有限公司后， 中國(guó)幾家心電圖 機(jī)生產(chǎn)企業(yè)便開(kāi)始滑坡， 而光電公司的產(chǎn)品卻更加穩(wěn)固地占領(lǐng)了中國(guó)市場(chǎng)。 我國(guó)心電圖機(jī)產(chǎn)品數(shù)量尚遠(yuǎn) 低于國(guó)際上已有品種， 技術(shù)水平同樣偏低。 國(guó)產(chǎn)設(shè)備多為

4、勞動(dòng)密集型的低科技產(chǎn)品， 特別是由于基礎(chǔ)研 究弱、 創(chuàng)新能力差、 缺少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。目前僅能解決中小醫(yī)院的基本裝備需求，高檔設(shè)備主要靠進(jìn)口。由于心電圖已應(yīng)用于各個(gè)層次的醫(yī)療機(jī)構(gòu)的臨床和科研中， 特別是人們對(duì)其的深入認(rèn)識(shí)和廣泛用于 臨床中的各個(gè)疾病。 由于心電圖機(jī)的非創(chuàng)傷性和多功能化， 使心電圖不局限于心臟疾患的范圍， 而且可 用于臨床電解質(zhì)監(jiān)測(cè)， 非心臟疾病的鑒別診斷等等。 隨著人們生活節(jié)奏的加快和生活方式的改變， 心血 管疾病的發(fā)病率不斷上升， 心電圖也在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)更現(xiàn)重要。 心電圖機(jī)正向著多通道， 數(shù)字智 能型，網(wǎng)絡(luò)共享型等方向發(fā)展。1.2心電信號(hào)的形成心臟是由大量心肌細(xì)

5、胞組成的一塊心肌， 整個(gè)心臟的退極化與復(fù)極化是許多心肌細(xì)胞退極化和復(fù)極 化的結(jié)果。心肌細(xì)胞除極和復(fù)極的電生理現(xiàn)象是心臟運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ) 1 。由心臟內(nèi)部產(chǎn)生的一系列非常協(xié)調(diào) 的電刺激脈沖， 分別使心房、心室的的肌肉細(xì)胞興奮，使之有節(jié)律的舒張和收縮。 這些運(yùn)動(dòng)在體表的不 同部位形成不同的電位差，通常從體表檢測(cè)到的心電信號(hào)就是這種電位差信號(hào)。 1.3心電信號(hào)的采集電極一次性使用心電電極為銀 /氯化銀電極，由醫(yī)用壓敏膠粘貼、電極扣、電極芯和導(dǎo)電膠等組成。一種一次性使用心電電極 2 ，包括電極、導(dǎo)電膏、護(hù)罩、固定帶、護(hù)紙、粘貼紙、固定片，護(hù)罩通 過(guò)固定帶固定在護(hù)紙上， 護(hù)紙的中心有一通孔， 電極和導(dǎo)電膏通過(guò)

6、該通孔置于護(hù)罩上的凹槽中， 粘貼紙 和護(hù)紙粘結(jié)， 在粘貼紙的外側(cè)粘結(jié)有固定片， 其特征是在固定片上安裝有連接柱， 連接柱的一端穿過(guò)固 定片及粘貼紙與電極相連，另一端加工有內(nèi)螺孔，內(nèi)螺孔與施電電極上的螺柱相連。 1.4心電信號(hào)的特點(diǎn) 微弱性：從人體體表拾取的心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05mV5mV。 不穩(wěn)定性： 人體電信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化之中。 由于人體是一個(gè)與外界有密切關(guān)系的開(kāi)放系統(tǒng)， 加之 內(nèi)部存在著器官間的相互影響， 所以，無(wú)論來(lái)自外部或者內(nèi)部的刺激， 都會(huì)使人體因適應(yīng)這種變化， 而 從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)， 從而使人體信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。 因此，在對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、 分析 和處理時(shí)，

7、 應(yīng)該注意到它是隨時(shí)間變化的信號(hào)， 應(yīng)按其頻譜特性， 選擇適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)和顯示記錄裝置。 低頻特性：人體心電信號(hào)的頻譜范圍主要集中在0.05100Hz,分布的帶寬范圍有限，其頻率是比較低的。 隨機(jī)性： 人體心電信號(hào)是反映人體機(jī)能的信號(hào), 它是整個(gè)人體系統(tǒng)信息的一部分。 由于人體的不 均勻性以及可接收多通道輸入,信息易隨外界干擾而變化,從而使心電信號(hào)表現(xiàn)出隨機(jī)性。 1.5心電信號(hào)的常見(jiàn)噪聲心電信號(hào)具有微弱、低頻、和高阻抗等特性,極其容易受到干擾,所以分析干擾的來(lái)源,以便采取 相應(yīng)的濾除措施,是數(shù)據(jù)采集重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。常見(jiàn)干擾有如下幾種：1）工頻干擾。由于供電網(wǎng)絡(luò)無(wú)所不在，因此 50Hz的工頻

8、干擾是最普遍的，也是心電信號(hào)的主要干 擾來(lái)源。 它主要通過(guò)人體和測(cè)量系統(tǒng)的輸入導(dǎo)線的電容性耦合, 以位移電流的形式引入, 其強(qiáng)度足以淹 沒(méi)有用的心電信號(hào)。2）呼吸引起的基線漂移和 ECG （心電信號(hào)）幅度改變。呼吸引起的基線漂移可以看成是一個(gè)以呼 吸的頻率加入ECG信號(hào)的竇性成分（正弦曲線）。這個(gè)正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的 ECG信號(hào)的幅值的變化可以達(dá)到 15%?；€漂移的頻率約是從 0.1Hz0.3Hz。3）高頻電磁場(chǎng)干擾。隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，各種頻段的無(wú)線電廣播、電視發(fā)射臺(tái)、通訊設(shè)備、雷達(dá)等的工作使空中的電磁波大量增加。這些高頻電磁干擾也可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入

9、， 可能引起測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)不能工作。4）電極極化干擾。心電的獲取是通過(guò)在人體體表放置電極來(lái)進(jìn)行的。與電極接觸的是電解質(zhì)溶液（導(dǎo)電膏、汗液或組織液等），從而會(huì)構(gòu)成一個(gè)金屬一電解質(zhì)溶液界面，因電化學(xué)的作用，在二者之間會(huì)產(chǎn)生一定的電位差，稱之為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當(dāng)兩電極狀態(tài)不能保持對(duì)稱時(shí)， 極化電壓就會(huì)產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重。5）肌電干擾。興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，肌肉機(jī)械性活動(dòng)并伴隨有生物電活動(dòng)。這些生物電活動(dòng)產(chǎn)生的電位差隨時(shí)間變化的曲線即為肌電圖。肌電通常是一種快速的電變化

10、，其頻率范圍為 20 5000Hz。6）測(cè)量設(shè)備本身的干擾。 信號(hào)處理所采用的電子設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生儀器噪聲。這類干擾一般具有較高的頻率特性，容易通過(guò)低通濾波加以濾除。2心電采集與調(diào)理電路的概述2.1心電采集與調(diào)理電路的概述由于心電信號(hào)比較微弱，僅為毫伏級(jí)（在體表上攝取到的信號(hào)電壓通常僅0.05mV-5mV），所以極易受環(huán)境的影響。為了增強(qiáng)心電信號(hào)中的有效成分，抑制噪聲，提高波形檢測(cè)準(zhǔn)確率，對(duì)采集電路的抗干擾能力具有較高要求。大 H電阻器求和網(wǎng)絡(luò)用于建立一個(gè)公共檢測(cè)點(diǎn)以驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制性輸出緩沖放大器（force amplifier）。該放大器的輸出補(bǔ)償通過(guò)病人的電流，直到三個(gè)緩沖放大器的凈輸出和為零。

11、2.2總體設(shè)計(jì)要求和要解決的問(wèn)題心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部分。人體心電信號(hào)十分微弱。實(shí)時(shí)、無(wú)失真地提取心臟的電信號(hào)，是十分有意義的，為研究各種疾病和心臟電信號(hào)的聯(lián)系打下基礎(chǔ)。由于心電信號(hào)中通?；祀s有其它生物電信號(hào)，本文利用專用的儀器儀表放大器 AD620A、ATmega64L單片機(jī)和多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)。采集電路要解決的問(wèn)題：1）設(shè)計(jì)采集心電信號(hào)的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用比較傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)的采集方式；2）針對(duì)心電信號(hào)的特征選擇合適的儀器儀表放大器和運(yùn)算放大器，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠；3）設(shè)計(jì)二階壓控帶

12、通濾波電路、抗工頻和肌電干擾的陷波電路。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及框圖模擬信號(hào)處理電路的任務(wù)是從含有工頻干擾、基線漂移、電極接觸噪聲、電極極化噪聲、肌電干擾、放大電路內(nèi)部噪聲和運(yùn)動(dòng)干擾噪聲中提取心電信號(hào)，并將信號(hào)放大到適合的電平提供給A/D轉(zhuǎn)換電路，從心電電極得到的心電信號(hào)先要通過(guò)緩沖電路、前置放大電路，被處理后的信號(hào)具有低噪聲、低漂移、 低共模信號(hào)等性能。 此時(shí)，心電信號(hào)主要受到工頻、肌電等信號(hào)的干擾。心電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路后 送到0.03Hz-100Hz的帶通濾波器，再到主放大級(jí)，然后把信號(hào)送入50Hz和35Hz陷波器，其作用是消除頻率為50Hz的工頻信號(hào)和頻率為35Hz的肌電干擾。心電信號(hào)通

13、過(guò)帶通濾波和陷波以達(dá)到消噪的目的， 最后得到較為光滑的心電波形。根據(jù)心電信號(hào)的特征及其本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了三導(dǎo)聯(lián)心電采集模塊。圖2心電采集電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3心電采集與調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)3.1導(dǎo)聯(lián)線輸入緩沖電路的設(shè)計(jì)EOG LAR7100K圖3導(dǎo)聯(lián)出入緩沖電路（隔離電路）（電源濾波電容：小電容一般是用來(lái)濾除高頻雜波的，而大電容是濾除低頻雜波的）緩沖器實(shí)際上是一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器（放大倍數(shù)為1）將人體和電阻網(wǎng)絡(luò)威爾遜網(wǎng)絡(luò)隔離使輸入阻抗及人體心電信號(hào)不受電阻網(wǎng)絡(luò)的影響。采用的芯片是OP4177（SOIC封裝）。通過(guò)緩沖器電路有比較大的輸入阻抗，信號(hào)比較穩(wěn)定，電路和人體有了一定的隔離，同時(shí)也有一定的抗干擾的能

14、力其電路如圖 3所示。3.2心電前置放大電路的設(shè)計(jì)前置放大電路如圖4所示。前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于人體心電信號(hào)十分微弱、噪聲背景強(qiáng)、信號(hào)源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值大（比心電差值幅度大幾百倍），這就要求前置放大器有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能。所以我們采用了 ANALOG DEVICES公司的AD620A（SOIC封裝），這是一款性價(jià)比很高的儀用放大器， 輸入失調(diào)電壓最大為50uV，輸入失調(diào)漂移0. 16uV每度，共模抑制比120dB（G=10），且最大供電電流只 有1 13mA。儀表放大器與運(yùn)算放大器是有區(qū)別的，儀表

15、放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。大多數(shù)情況下，儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值三109Q。其輸入偏置電流也應(yīng)很低，典型值為1nA至50nA。與運(yùn)算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（m Q ）。運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個(gè)內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，它與其信號(hào)輸入端隔離。對(duì)儀表放大器的兩個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益既可由內(nèi)部該增益電阻器也與信號(hào)輸入端隔離。預(yù)置，也可由用戶通過(guò)引腳連接一個(gè)內(nèi)部或者外部增益電阻器設(shè)置,放大器是一種放大兩輸入信號(hào)電壓之差而抑制對(duì)兩輸入端

16、共模的任何信號(hào)的器件。因此，儀表放大器在從傳感器和其它信號(hào)源提取微弱信號(hào)時(shí)提供非常重要的功能。共模抑制（CMR）是指抵消任何共模信號(hào)（兩輸入端電位相同）同時(shí)放大差模信號(hào)（兩輸入端的電位差）的特性，這是儀表放大器所提供的最重要 的功能。DC和交流（AC）CMR兩者都是儀表放大器的重要技術(shù)指標(biāo)。使用現(xiàn)代任何質(zhì)量合格的儀表放大 器都能將由于DC共模電壓（即，出現(xiàn)在兩輸入端的DC電壓）產(chǎn)生的任何誤差減小到 80dB120 dB。然而， 如果AC CMR不夠大會(huì)產(chǎn)生一種很大的時(shí)變誤差。因?yàn)樗ǔｋS著頻率產(chǎn)生很大變化，所以要在儀表放大器的輸出端消除它是困難的。幸好大多數(shù)現(xiàn)代單片集成電路（IC）儀表放大器提

17、供了優(yōu)良的 AC CMR和DC CMR。共模增益（ACM）是指輸出電壓變化與共模輸入電壓變化之比，它與CMR有關(guān)。ACM是指兩個(gè)輸入端施加共模電壓時(shí)從輸入到輸出的凈增益（衰減）。運(yùn)算放大器與儀表放大器的 CMR比較運(yùn)算放大器、儀表放大器和差分放大器都可以提供CMR。然而，儀表放大器和差分放大器適合用于抑制共模信號(hào)以便它們不在其放大器的輸出端出現(xiàn)。R2圖4前置放大電路盡管AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成。但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計(jì)，如電源范圍寬（士2.3V 士 18V），設(shè)計(jì)體積小，功耗非常低 （最大供電電流僅1.3mA），因而適 用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

18、AD620的2個(gè)內(nèi)部增益電阻為24.7K Q,因而增益方程式為：49.4K.1G=+1Rg對(duì)于所需的增益，則外部控制電阻值為:Rg =49.4k QG-13.8 V,而心電信號(hào)幅值在 5mV之內(nèi)，加由于AD620的供電電壓是+5V ,允許最大輸出電壓范圍是士上共模直流偏移高達(dá) 300 mV，所以AD620可以設(shè)置最大為12.45的增益。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，將其設(shè)置為10經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到：Rg=5.6K Q3.3帶通濾波電路的設(shè)計(jì)心電信號(hào)頻帶主要集中在 0.05100Hz,所以帶通濾波設(shè)計(jì)在0.03110Hz以濾除心電信號(hào)頻帶以外 的信號(hào)頻率。帶通濾波由高通濾波和低通濾波組成，電路采用OP07系列運(yùn)放

19、芯片，具有低偏執(zhí)電壓，高開(kāi)環(huán)增益，高精度低功耗等特點(diǎn)，如圖5。圖5帶通濾波電路（二階高通濾波器加二階低通濾波器）根據(jù)心臟電信號(hào)的特點(diǎn)和特征我們把帶通濾波器的頻帶控制在0.03Hz-110Hz在這個(gè)頻帶里基本包含了心臟電信號(hào)的所有的特征。在電阻和電容的選擇上我們盡量的選擇精密度很高的器件，這樣有利于濾波效果。其理論依據(jù)如下：高通濾波器（HPF）截至頻率：f高通=0.03Hz2 山-.,R16R17C35C36低通濾波器（LPF）截至頻率:R18R19C41C42=110Hz3.4抗工頻干擾和肌電干擾電路的設(shè)計(jì)圖6抗工頻干擾電路工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制

20、作用，但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的5，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須用專門的電路來(lái)濾除工頻干擾。電路采用雙T陷波電路，由高通濾波電路和低通濾波，電路組成如圖6所示，中間頻率即陷波頻率 f。和Q值如下：根據(jù)其傳遞函數(shù)如1+（令/（加）=- 沙一 =】+2（2-如F）竺十（理yL一SQ g gRZ+十一帀二詢?nèi)绻鸄vf=I，則Q=0.5，增加Avf，Q將隨之升高。當(dāng)Avf趨近2時(shí)，Q趨向無(wú)窮大。其帶阻濾波電路的選頻特性越好，根據(jù)心電圖儀器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)餡波器對(duì)50H的抑制能應(yīng)該達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-35dB，也就

21、是R328K127,4K63H+J(_LL insrR2IBR27 J t32KH-5+1/ C61圖8主放大電路圖7抗肌電干擾電路肌電干擾是隨個(gè)體的不同而有不同程度的干擾，其主要集中在35Hz左右6,設(shè)計(jì)采用無(wú)限增益多路反饋型二階陷波器，電路如圖7所示，由OP2177（SOIC封裝）組成。3.5主放大及電平抬升電路的設(shè)計(jì)叫5120AQU14 OP2!77_B 、-7心電信號(hào)幅度約為05mV ,而AD轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)要求02.5V ,因此，整個(gè)信號(hào)電路的放大倍數(shù)需 500倍左右，而前置放大約I 0倍左右，因此本級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為50倍左右，電路如圖8所示，即:U1IOPI177 6C59insuFU13 OP2177 A0.68dFR3510KZC72I O.luF圖9電平抬升電路信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理以后， 從陷波