心電監(jiān)測(cè)儀的特性及發(fā)展

尚 宇 ，王 維

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710032)

心臟病等心血管疾病已成為世界死亡人數(shù)最多的“頭號(hào)殺手”。由于心臟病有突發(fā)性長(zhǎng)期性的雙重特性，對(duì)心臟病人也需要長(zhǎng)期的治療和監(jiān)護(hù)。心臟在收縮前，產(chǎn)生生物電流，并經(jīng)組織和體液的傳導(dǎo)至體表各部產(chǎn)生不同的電位變化，形成體表電位差。這種變化著的電位差記錄成動(dòng)態(tài)曲線稱為心電圖，如圖1所示。心臟的一些異常會(huì)通過(guò)心電圖表現(xiàn)出來(lái)。心房肌的除極在心電圖上表現(xiàn)為P波，心室肌的除極表現(xiàn)為QRS波群，心房的復(fù)極在P—R段上，心室肌復(fù)極則表現(xiàn)為心電圖上的ST段及T波[1]。

心電圖作為生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中一項(xiàng)較成熟的技術(shù)，已成為一種常規(guī)臨床檢查的手段，并在心臟疾病的診斷和藥效分析等方面有著重要作用。當(dāng)前市場(chǎng)上有很多有關(guān)心電檢測(cè)與處理的醫(yī)用儀器，隨著科技的進(jìn)步心電儀會(huì)增加更多的功能，為診斷、治療病人提供了便利;還有很多產(chǎn)品如心電發(fā)生器，其中包含了幾乎所有心電信號(hào)的模板，包括不同頻率的正常、病態(tài)的心電信號(hào)，為臨床應(yīng)用提供了幫助。各種各樣的醫(yī)療儀器，為醫(yī)生診治病人提供了強(qiáng)有力的幫助，延伸了醫(yī)生的感覺器官。

但是心電信號(hào)十分微弱且頻率低，同時(shí)處于不斷變化的過(guò)程中，所以心電檢測(cè)方法也具有特殊性。在檢測(cè)過(guò)程中常遇到干擾，皮膚和電極的接觸將引起極化電動(dòng)勢(shì)作為直流共模干擾輸入心電放大器，其數(shù)值可達(dá)數(shù)百mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于心電信號(hào)，而且心電信號(hào)的探測(cè)易受現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的干擾，尤其是市電的共模干擾。目前處理的方法是通過(guò)濾波的方式去除干擾，其中濾波器設(shè)計(jì)方面包括硬件濾波和數(shù)字濾波兩方面。硬件濾波方面，通常采取合理的屏蔽和接地、提高電路的共模抑制比、設(shè)置模擬濾波器、采用性能優(yōu)良的器件和浮點(diǎn)跟蹤電路、光電隔離等措施。但是，僅依靠硬件措施并不能完全解決干擾問(wèn)題，隨著計(jì)算機(jī)的改進(jìn)，數(shù)字濾波技術(shù)也成為濾除干擾的一種有效手段。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)心電圖信號(hào)

心電監(jiān)測(cè)儀由4個(gè)模塊構(gòu)成:

(1)心電采集模塊，即通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式采集心電信號(hào)到儀器中。

(2)放大模塊是硬件電路的關(guān)鍵所在，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響信號(hào)的質(zhì)量，從而影響儀器的特性。

(3)濾波模塊，高頻信號(hào)濾除電路和工頻干擾濾除電路。它不僅可以消除其中的共模和工頻干擾，還能提高共模抑制比，使信號(hào)輸出的質(zhì)量得到提高。

(4)處理模塊，監(jiān)測(cè)儀的核心部件，需依托有效分析方法分析處理心電信號(hào)，并給出有效分析結(jié)果或能將處理過(guò)的信號(hào)輸出。

1 心電采集模塊

將心電描記器的記錄電極放在體表的任何兩個(gè)非等電部位，都可記錄出心電變化的圖像，這種測(cè)量方法叫做雙極導(dǎo)聯(lián)，所測(cè)的電位變化是體表被測(cè)兩點(diǎn)電位變化的代數(shù)和，分析波形較為復(fù)雜。如果設(shè)法使其中一個(gè)電極，使其電位始終保持零電位，而另一個(gè)電極放在體表某一測(cè)量點(diǎn)，這種測(cè)量方法叫做單極導(dǎo)聯(lián)。目前在臨床檢查心電圖時(shí)，單極和雙極導(dǎo)聯(lián)均在使用。常規(guī)使用的心電圖導(dǎo)聯(lián)方法有12種。文中采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式，如圖2所示[2]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)

標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，屬雙極導(dǎo)聯(lián)，只能描記兩電極間的電位差。電極連接方法為第一導(dǎo)聯(lián)，右臂與左臂;第二導(dǎo)聯(lián)，右臂與左足;第三導(dǎo)聯(lián)，左臂與左足。

2 放大模塊

前置放大器是用來(lái)放大導(dǎo)聯(lián)輸入的心電信號(hào)。由于心電信號(hào)比較弱，需要先被放大到一定的電平才可以輸出到其它級(jí)上。通常前置具有較高的電壓增益，可以將小信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)電平上。

根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，前置級(jí)應(yīng)該滿足:

(1)高輸入阻抗。獲取后心電信號(hào)是高內(nèi)阻源的微弱的不穩(wěn)定信號(hào)，為降低信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須增大放大器輸入阻抗數(shù)值。

(2)共模抑制比高?？紤]到50 Hz的工頻干擾以及所測(cè)量的參數(shù)以外的人體所攜帶的生理作用的干擾，前置級(jí)須采用CMRR高的差動(dòng)放大形式，這樣能降低共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化。

(3)低噪聲、低漂移。要求放大器的作用對(duì)信號(hào)源的影響弱，獲取信號(hào)的能力強(qiáng)，輸出穩(wěn)定。

集成化儀表用放大器也同樣具有較高的輸入阻抗和共模抑制比的特點(diǎn)，但其共模抑制比與增益成正比。由于極化電壓的存在，作為心電前置放大器時(shí)的增益只能在100 dB以內(nèi)，這就使得儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能設(shè)置很高。

儀器放大器的種類有多種，這里以常用的INA128為例，實(shí)現(xiàn)圖3電路[3]。

圖3 采用INA128進(jìn)行心電信號(hào)的放大

前級(jí)A1、A2采用并聯(lián)型差動(dòng)放大器，其共模抑制比理論為無(wú)窮大;后級(jí)A3采用儀器放大器，將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出，由于阻容耦合電路的隔直作用，可得到較高的增益，進(jìn)而得到更高的CMRR[4]。

3 濾波模塊

高頻干擾的濾除電路，由于心電頻率一般在100 Hz以下，能量主要集中在17 Hz附近，且幅度微小，所以要對(duì)100 Hz以內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，添加高頻濾波電路把100 Hz以外的高頻信號(hào)濾除。常見的有RC有源濾波器，其由RC元件與運(yùn)算放大器組成，其功能是抑制設(shè)計(jì)范圍以外的信號(hào)。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實(shí)現(xiàn)。只能用實(shí)際濾波器的幅頻特性去逼近理想的特性。常用的方法是巴特沃斯(Butterworth)逼近和切比雪夫(Chebysher)逼近，濾波器的階數(shù)N越高，幅頻特性衰減的速度越快，就越接近于理想幅頻特性。濾波電路階次的選擇，可參考表1。

如圖4所示，前后分別為一階和二階低通濾波器，連接后為三階低通濾波器，相當(dāng)兩個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)。

表1 低階巴特沃斯濾波器H(s)分母多項(xiàng)式系數(shù)

圖4 三階巴特沃斯濾波器

工頻干擾的濾除電路，常用帶阻濾波器。典型的是RC雙T帶阻濾波選頻放大器，它能對(duì)某一頻段的信號(hào)進(jìn)行濾除，對(duì)于電源工頻產(chǎn)生的50 Hz噪聲，用它能有效選擇而對(duì)噪聲進(jìn)行濾除[5]。

如圖5所示，是RC雙T帶阻濾波選頻放大器。

圖5 RC雙T帶阻濾波電路

4 處理模塊

濾波后心電信號(hào)的處理和識(shí)別，一般有幾種方式:

(1)對(duì)于沒有特別精度和時(shí)間要求的病例可用單片機(jī)作為核心部件來(lái)處理，其好處是便捷、成本低。

(2)對(duì)于有精度和時(shí)間限制的病例，需要將濾波后的信號(hào)傳送到處理信號(hào)能力更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)中處理，有時(shí)還需要將信息反饋給醫(yī)師，利用人機(jī)交互的方式做出診斷[6]。

處理心電信號(hào)的關(guān)鍵是對(duì)心電信號(hào)中QRS復(fù)波的精確識(shí)別。正常人的QRS波群的寬度為0.06～0.10 s，且不受心律變化的影響。針對(duì)R波很尖銳的特點(diǎn)，通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)時(shí)間窗判斷信號(hào)峰、谷是否滿足要求，同時(shí)確認(rèn)其是否在時(shí)間窗內(nèi)。對(duì)信號(hào)幅值的閾值采用雙可變閾值法，即對(duì)波形設(shè)置波峰和波谷閾值。如果峰閾值和谷閾值在一段適當(dāng)時(shí)間內(nèi)有較大變化，則重新設(shè)置峰閾值和谷閾值。根據(jù)在一定的時(shí)期內(nèi)，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)設(shè)置峰谷閾值，對(duì)QRS波進(jìn)行定位，計(jì)算得出心率[7]。

得到心律后可將正常的心電波形與樣本心電信號(hào)比較，并通過(guò)既有經(jīng)驗(yàn)推斷是否有心臟問(wèn)題，也可以將結(jié)果通知醫(yī)師或傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行繼續(xù)處理。

5 發(fā)展與展望

現(xiàn)階段各種心電儀特點(diǎn)相似而性價(jià)比相對(duì)于其他醫(yī)療儀器來(lái)說(shuō)比較低，其發(fā)展方向是多種多樣的。

(1)儀器微型化:心電儀由最初能占據(jù)半個(gè)房間的“龐然大物”發(fā)展至今已縮小很多倍，單手即可攜帶，可料想將來(lái)的心電監(jiān)測(cè)儀將會(huì)可以隨時(shí)隨地的測(cè)量。

(2)檢測(cè)智能化:隨著人工智能的完善、專家系統(tǒng)的進(jìn)步，判斷病癥的“重任”已悄然交付給智能化芯片身上，人工干預(yù)的程度將會(huì)越來(lái)越小。

(3)信息多樣化:從最開始只能測(cè)量心率到現(xiàn)在集測(cè)量、診斷、預(yù)測(cè)于一身，心電儀的功能日趨多樣化，能提供的備選信息也越來(lái)越多。

(4)診斷遠(yuǎn)程化:現(xiàn)階段已能將家用便攜式心電監(jiān)測(cè)儀與醫(yī)療中心計(jì)算機(jī)連接互動(dòng)，帶來(lái)更加準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，在不遠(yuǎn)的將來(lái)這種聯(lián)系會(huì)更加緊密[8]。

[1]魏太星，魏經(jīng)漢，魏毅東.臨床心電圖學(xué)及圖譜[M].4版.鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]張開滋，羅道生，王紅宇，等.簡(jiǎn)明12導(dǎo)聯(lián)同步心電圖圖解[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[3]楊幫文.新編混合集成電路實(shí)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]武漢力源信息技術(shù)服務(wù)有限公司.INA128/INA129精密低功耗儀表放大器[M].武漢:武漢力源信息技術(shù)服務(wù)有限公司，2010.

[5]劉敏華.心電檢測(cè)系統(tǒng)的前向通路[D].溫州:溫州大學(xué)，2005.

[6]張永杰，秦山虎，卞正中.高性能微控制器ADμC814在心電檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(17):16-19.

[7]談曉雋.基于ARM核的單雙電源心電監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué)，2000.

[8]李婧，劉知貴，彭桂力，等.心電檢測(cè)技術(shù)及其在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008(27):1-8.