一種低噪聲便攜式的心電監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

董偉超　孟令軍　張會(huì)新

摘 要：針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)對(duì)心電分析有重大意義。設(shè)計(jì)了一種心率監(jiān)測(cè)方法，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入從體表獲得的心電信號(hào)先經(jīng)濾波器濾除高頻干擾再經(jīng)一個(gè)50 Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾，然后進(jìn)入MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化的心電信號(hào)。電路抗50 Hz陷波性能好，噪聲小，整個(gè)電路經(jīng)Electronics Workbench仿真觀察波形基本無(wú)失真。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)儀顯示心電信號(hào)清晰穩(wěn)定，基本滿足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。

關(guān)鍵詞：心電放大電路；波形仿真；低噪聲；濾波器；數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-127-04

Design of Portable and Low Noise ECG Monitor

DONG Weichao,MENG Lingjun,ZHANG Huixin

(Ministry of Education Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan,030051,China)

Abstract：Aimed at the importance of real-time inspect of the ECG signal to ECG signal analysis.A special method for real-time inspectting of the ECG signal is designed.The electrodermal signal gained from the human body which is transmitted by a multiplex selector can be enlarged first transited a preamplifier,next passed a band-pass filter in order to separate high-frequency interfere,and then through a 50 Hz noise rejector,finally the digital signal of electrocardiogram can be gained by the AD of MSP430.The performance of the circuit′s 50 Hz notch filter is good and the noise is low,the waveform of the whole circuit basically does not have the distortion.After testing in the experiment,the waveform of the ECG is clear and stable,basically it can also meet the requirement of the clinical monitor and pathology analysis.

Keywords：ECG amplifier circuit;waveform emulation;low noise;filter;data sampling

0 引 言

監(jiān)護(hù)儀是一種用以測(cè)量和監(jiān)控病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置或系統(tǒng)。便攜式監(jiān)護(hù)儀小型方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監(jiān)護(hù)室及外出搶救病人的監(jiān)護(hù)。心血管疾病是人類(lèi)生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram,ECG)信號(hào)是診斷心血管疾病的主要依據(jù)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人心電活動(dòng)，設(shè)計(jì)自動(dòng)采集病人心電信號(hào)的便攜式系統(tǒng)具有重要意義。

傳統(tǒng)的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)采用通用的三電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅(qū)動(dòng)電極。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用。便攜式監(jiān)護(hù)儀分析處理系統(tǒng)可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監(jiān)護(hù)儀，二是由微機(jī)系統(tǒng)組成的心電圖處理診斷系統(tǒng)。被檢查者將某一時(shí)段的動(dòng)態(tài)心電信號(hào)由監(jiān)護(hù)儀記錄下來(lái)，通過(guò)GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的心電圖處理診斷系統(tǒng)中。心電信號(hào)是由人體心臟發(fā)出相當(dāng)復(fù)雜的微弱信號(hào)，為了獲得含有較小噪聲的心電信號(hào)，需要對(duì)采集到的心電信號(hào)做降噪處理。

本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：

(1) 目前對(duì)心電信號(hào)的降噪有多種方法，這里主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號(hào)中分離。濾波采用高通和低通兩級(jí)濾波，濾波電路經(jīng)Workbench仿真效果明顯。

(2) 與以往雙T型50 Hz陷波器不同的是，該設(shè)計(jì)電路引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。

(3) 本文為人體日常生活方便,設(shè)計(jì)了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測(cè)電路，防止運(yùn)動(dòng)輸入電極脫落。

1 心電信號(hào)的特點(diǎn)及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心電信號(hào)屬醫(yī)學(xué)生物信號(hào)，它一般具有以下特點(diǎn)：隨機(jī)性較強(qiáng)，即信號(hào)無(wú)法用確定的函數(shù)描述，而只能用統(tǒng)計(jì)的方法，從大量測(cè)量結(jié)果中看其規(guī)律；噪聲背景強(qiáng)，即要測(cè)的有用信號(hào)往往淹沒(méi)在許多無(wú)用信號(hào)中。常規(guī)心電信號(hào)的頻帶范圍是0.05～100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號(hào)90%的能量成分。由于心電信號(hào)是mV級(jí)的信號(hào)，因此對(duì)于干擾環(huán)境而言，它是非常微弱的信號(hào)。

心電信號(hào)由皮膚電極取自于人體表面，是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)。它淹沒(méi)在許多較強(qiáng)的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號(hào)、呼吸波信號(hào)等體內(nèi)干擾信號(hào)和以50 Hz工頻干擾、電極與皮膚界面之間的噪聲為主的體外電磁場(chǎng)干擾信號(hào)的影響。信號(hào)源阻抗大約100 kΩ，信號(hào)為10 μV～5 mV，典型值為1 mV，加上周?chē)碾姶鸥蓴_(特別是50 Hz的工頻干擾)比較大，要求放大電路具有高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比；為保持信號(hào)的穩(wěn)定，還要求輸入失調(diào)電壓和偏置電流小、溫漂小；為了便于隨身攜帶，還要求體積小、電源電壓低、耗電少等。

對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，必須設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的放大器。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級(jí)的設(shè)計(jì)。整個(gè)前置級(jí)電路由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構(gòu)成。從體表獲得的心電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入后,ECG信號(hào)經(jīng)運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器放大,濾波器濾除其中的高頻干擾后,再經(jīng)一個(gè)50 Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾,然后通過(guò)電平位移進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換,從而得到數(shù)字化的心電信號(hào)。

2 電路結(jié)構(gòu)描述，心電信號(hào)的傳感、放大及濾波

2.1 電路結(jié)構(gòu)描述和仿真

整個(gè)監(jiān)護(hù)儀是由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構(gòu)成。醫(yī)學(xué)傳感器獲得體表的心電信號(hào)濾除其他頻段干擾后經(jīng)過(guò)放大調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換之后傳給計(jì)算機(jī)以供數(shù)據(jù)分析。其中便攜性方面設(shè)計(jì)了電極脫落檢測(cè)電路，擺脫電纜羈絆，使使用者能隨身攜帶。硬件電路用Workbench軟件進(jìn)行仿真能實(shí)現(xiàn)其功能,采用的濾波函數(shù)用Matlab和Filterlab軟件仿真之后能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。濾波方法采用50 Hz陷波之后，再經(jīng)過(guò)高低通兩級(jí)濾波，引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。

2.2 心電輸入電極

電極對(duì)動(dòng)態(tài)心電圖采集記錄心電信號(hào)的質(zhì)量至關(guān)重要，采用電極應(yīng)貼附力強(qiáng)、透氣性好、吸汗、電極導(dǎo)電性能好、極化電壓低的優(yōu)質(zhì)電極，此外還應(yīng)該具有對(duì)皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。通常采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次性軟電極，并在電極上涂有優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電膏。

2.3 前置放大器

便攜機(jī)前置放大電路是對(duì)心電功能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的關(guān)鍵部分，要求該系統(tǒng)能在強(qiáng)的噪聲背景下，通過(guò)體表傳感器不失真地將心電信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，放大至合適的幅度，送入A/D 變成數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)分析處理。

對(duì)心電信號(hào)等生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集采用模塊化的方式，主要由前端醫(yī)學(xué)傳感器、信號(hào)濾波放大調(diào)理電路和A/D采樣電路組成。其中調(diào)理電路根據(jù)不同生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的頻譜和幅度范圍的不同選擇不同的濾波器和放大電路。通過(guò)前置放大部分對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行放大，此部分包括右腿驅(qū)動(dòng)以抑制共模干擾、屏蔽線驅(qū)動(dòng)以消除引線干擾，增益設(shè)成10倍左右。設(shè)計(jì)前置放大采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的醫(yī)用放大器AD620。放大后的信號(hào)經(jīng)濾波、50 Hz陷波處理后再進(jìn)一步放大，后級(jí)增益設(shè)成100倍左右。由于心電信號(hào)幅度最大為幾個(gè)mV，而A/D轉(zhuǎn)換中輸入信號(hào)的幅度要求在1 V以上，所以總增益設(shè)成1 000倍左右。其中，濾波采用二階高(低)通濾波電路，用于消除0.05～100 Hz頻帶以外的肌電等干擾信號(hào)，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時(shí)，采用有源雙T帶阻濾波電路進(jìn)一步抑制50 Hz工頻干擾。

2.4 心電信號(hào)的放大

心電信號(hào)屬于高強(qiáng)噪聲下的低頻微弱信號(hào),且電極與體表的接觸電阻一般高達(dá)幾兆歐,所以要求前置放大級(jí)應(yīng)具有高輸入阻抗、高共摸抑制比、低噪聲、高增益且可調(diào)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)比較,選用Analog Device公司的低價(jià)儀表放大器AD620。

心電信號(hào)的放大具體實(shí)現(xiàn)電路見(jiàn)圖1。心電信號(hào)前置放大級(jí)的增益不易設(shè)定太高，以免在干擾較強(qiáng)時(shí)信號(hào)引起嚴(yán)重失真。為更好地消除共模電壓，設(shè)計(jì)了自舉屏蔽驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。采用緩沖放大器將連接點(diǎn)的共模電位驅(qū)動(dòng)到屏蔽線，在輸入共模信號(hào)時(shí)使屏蔽線與芯線等電位，在差模信號(hào)輸入時(shí)沒(méi)有影響。為了進(jìn)一步提高電路的抗干擾能力，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路從根本上降低空間電場(chǎng)在人體上產(chǎn)生的干擾。此右腿驅(qū)動(dòng)不是實(shí)際意義上的右腿驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橛捎诖讼到y(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)在于便攜操作，選用腹部右下側(cè)設(shè)置電極。

圖1 心電信號(hào)放大電路示意圖

2.5 電極脫落檢測(cè)

由于此系統(tǒng)應(yīng)用于人體日常生活中，人常常處于活動(dòng)狀態(tài)，這樣輸入電極很可能脫落，從而使系統(tǒng)不能正常工作。為此，設(shè)計(jì)了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 電極脫落檢測(cè)電路

正常情況下，正負(fù)電極對(duì)人體皮膚形成的極化電壓可以互相抵消。當(dāng)一側(cè)電極脫落時(shí)，將有較大的極化電壓輸入，通過(guò)一個(gè)比較器，當(dāng)比較電壓超出范圍時(shí)，認(rèn)為電極導(dǎo)聯(lián)脫落，V璷輸出電平由正常時(shí)的高電平變?yōu)榈碗娖?，下?jí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲指示。

2.6 心電信號(hào)的濾波

BT3受到各種噪聲的干擾，噪聲來(lái)源通常有下面幾種:工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運(yùn)動(dòng)肌電干擾(EMG)、基線漂移等。其中50 Hz的工頻干擾最為嚴(yán)重，也是最難消除的。其他的各種噪聲通過(guò)高截低通、高通低截濾波方法可以很好地消除。

從心電電極得到的心電信號(hào)先要經(jīng)過(guò)前置放大電路，被處理后的信號(hào)具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時(shí)候的心電信號(hào)主要受到工頻、肌電等信號(hào)的干擾。心電信號(hào)需經(jīng)過(guò)兩次陷波和兩次濾波以實(shí)現(xiàn)消噪的目的，兩次陷波分別濾掉50 Hz的工頻信號(hào)和100 Hz的倍頻諧波信號(hào)，兩個(gè)濾波器分別是0.05 Hz高通濾波器和100 Hz的低通濾波器。這樣可得到較為光滑的波形。

2.6.1 陷波電路

陷波器的電路如圖3所示，該電路是帶雙T網(wǎng)絡(luò)的有源濾波器，其傳遞函數(shù)：

A(S)=1+(sCR)21+2(2-A0)sCR+(sCR)2A璙(1)

其中： A璙=R1+R2R2(2)

圖3 陷波器電路圖

與以往雙T型陷波器不同的是，該電路引入放大器A2形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大。品質(zhì)因數(shù)Q可以通過(guò)變阻器R瓀來(lái)調(diào)節(jié)。R和C的值可由中心頻率f0確定。

f0=12ΠRC(3)

當(dāng)f0=50 Hz時(shí)，C和R分別取0.068 μF和47 kΩ；f0=100 Hz時(shí)，C和R分別取0.068 μF和24 kΩ。

圖4為式(1)傳遞函數(shù)的Filterlab 2.0的仿真結(jié)果。由此可以看出陷波電路設(shè)計(jì)符合要求。

圖4 陷波電路的幅頻和相頻特性

2.6.2 帶通濾波電路

帶通濾波器電路如圖5所示，采用的是帶反饋的有源濾波器。該電路前半部分是0.05 Hz的高通濾波器，后半部分為100 Hz的低通濾波器。

圖5 帶通濾波器電路圖

高通濾波器的傳遞函數(shù)：

A(S)=-S2C1C3S2C3C4+S(C1+C3+C4)/R5+1/R2R5(4)

低通濾波器的傳遞函數(shù)：

A(S)=-1/R1R3S2C2C5+SC5(1/R1+1/R3+1/R4)+1/R3R4(5)

各電阻電容值的選取，除了能夠?yàn)V波以外還具有放大作用。以上全部電路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。

圖6是Matlab的濾波仿真結(jié)果，從圖中可以看出，信號(hào)在50 Hz處被很好地抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達(dá)到臨床實(shí)用的要求。

濾波器對(duì)最終信號(hào)的質(zhì)量尤為重要，由于濾波器的性能對(duì)元器件的誤差相當(dāng)靈敏，因此在這一級(jí)的設(shè)計(jì)中需要選用穩(wěn)定而精密的阻容原件，可串聯(lián)精密電位器以獲得較好的效果。

圖6 濾波前后的ECG頻譜比較

3 結(jié) 語(yǔ)

電路中各濾波器的性能與濾波器的參數(shù)有直接關(guān)系，需經(jīng)過(guò)正確計(jì)算。陷波器雙T型網(wǎng)絡(luò)中的電阻和電容需要精確匹配，以保證雙T網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱(chēng)，否則陷波深度會(huì)受影響。變阻器如何調(diào)節(jié)將會(huì)影響波形的好壞，可在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試得出。

圖7是實(shí)際電路測(cè)試的結(jié)果(縱坐標(biāo)為μV)，可以看到該電路較好地完成了對(duì)心電的降噪。當(dāng)然，在降噪過(guò)程中還可以增加屏蔽技術(shù)，以進(jìn)一步減少外部信號(hào)的干擾。帶通濾波器還可以設(shè)計(jì)成只帶一個(gè)放大器的濾波器，使電路更為簡(jiǎn)單，但是精確率可能會(huì)降低。

圖7 實(shí)測(cè)心電信號(hào)圖

要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號(hào)，心電放大器中前置放大器與濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,特別是50 Hz的帶阻濾

波器尤其重要。本文設(shè)計(jì)的以AD620型運(yùn)放構(gòu)成的心

電放大器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度,保證心電信號(hào)清晰穩(wěn)定,按上述設(shè)計(jì)制作出的監(jiān)護(hù)儀體積小、耗電少、攜帶方便、工作正常。經(jīng)實(shí)測(cè)輸出心電波形基本無(wú)失真,P波、T波都能得到真實(shí)顯示。特別是該電路抗50 Hz陷波性能好,信號(hào)中基本看不到寄生工頻干擾。電路穩(wěn)定性好,即使電極脫落,基線亦無(wú)明顯漂移。滿足家居監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。

作為便攜式監(jiān)護(hù)儀器,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積便于攜帶是其自身固有的特點(diǎn)。本文針對(duì)這些特點(diǎn),心電信號(hào)采集存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理從節(jié)省電能和成本方面考慮采用MSP430單片機(jī)。為使濾波函數(shù)得以更好地實(shí)現(xiàn)，可采用具有運(yùn)算速度快和浮點(diǎn)運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)的DSP芯片進(jìn)行改進(jìn)，使采集的信號(hào)失真更小,保真度更高,對(duì)ECG信號(hào)的采集準(zhǔn)確率大大提高，但DSP昂貴的價(jià)格會(huì)使成本提高。

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作者簡(jiǎn)介

董偉超 男，1982年出生，河北保定人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)集成技術(shù)。

孟令軍 男，1969年出生，山東壽光人，中北大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀博士。研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

張會(huì)新 男，1980年出生，黑龍江牡丹江人，中北大學(xué)助教，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器設(shè)計(jì)。