ECG監(jiān)護儀設計回顧與發(fā)展

何伶俐，王宇峰，祝元仲，何汶靜

(川北醫(yī)學院影像系，四川南充637000)

ECG監(jiān)護儀設計回顧與發(fā)展

何伶俐，王宇峰，祝元仲，何汶靜

(川北醫(yī)學院影像系，四川南充637000)

隨著電子技術的發(fā)展，心電監(jiān)護儀系統的設計、性能、尺寸、使用的便捷性等已經發(fā)生了很大的變化。本文介紹了ECG監(jiān)護儀的各組成部分，即助電極、模擬前端、控制處理單元以及顯示和分析方法的最新技術進展，并指出今后的發(fā)展方向。

ECG監(jiān)護儀;ECG電極;模擬前端;ECG分析方法

當前，心血管疾病仍是威脅人類健康和生命安全的主要疾病之一，在各種醫(yī)療或保健方式之中，心電圖(electrocardiogram，簡稱ECG)是診斷心臟異常的最好方式?，F代心電圖機的研制和生產是在1903年荷蘭的愛因霍文(Willem Einthoven)制造的第一臺弦線式電流計的基礎上發(fā)展而來的;20世紀50年代之前，心電圖機的發(fā)展主要解決了小型化和提高靈敏度的問題;1960年第一個專用心電圖波形自動識別系統建立起來，1978年美國Marquett公司首次推出數字化12導聯同步心電圖機，開創(chuàng)了心電圖記錄、分析與診斷、保存與管理的新紀元，從此心電圖機進入數字化發(fā)展新時代。常規(guī)的心電圖機有單道和多道，雖使用方便，但體積龐大、價格高，對許多偶發(fā)、短暫心律失常無法進行監(jiān)測，主要用于醫(yī)院;動態(tài)心電圖機(HOLTER)雖然可進行24小時甚至更長時間的心電圖記錄，但是價格昂貴，使用不方便，不能對心電信號進行實時處理［1］。隨著低功耗嵌入式系統和先進的信號處理平臺的發(fā)展，設計出性能更好、使用更方便、價格更經濟的ECG監(jiān)護儀成為一種必然趨勢。

與ECG監(jiān)護儀設計相關的部分主要有電極、模擬前端單元、微處理器和控制單元、顯示和分析單元等，各個部分的特征和結構取決于監(jiān)護儀的具體應用。下面，將對以上各部分進行逐一討論。

1 ECG電極/導聯

ECG電極的作用是將人體心臟的電活動轉化為能被后續(xù)電路識別的電信號。在人體體表記錄心電圖時，對電極的放置位置以及電極與放大器的連接方式都進行了嚴格的規(guī)定。在心電圖的專業(yè)術語中，將電極的放置位置以及電極與放大器的連接方式稱為心電圖的導聯［2］。

ECG導聯系統可分為12導聯、6導聯、5導聯和3導聯，采用何種導聯方式，主要由臨床適用性以及所需實時獲取的心電圖的復雜程度決定。對便攜式ECG系統，通常采用3導聯。3導聯是將電極放置成愛因托文三角形，用矢量代數與適當的數學運算，可以從常規(guī)3導聯心電圖中提取出12導聯心電圖信息。介于3導聯和12導聯之間的5導聯和6導聯也常用到。為了獲得12導聯的優(yōu)勢并保持監(jiān)測系統的實用性，研制出了采用5導聯或6導聯線的“減少導聯設置技術”。飛利浦醫(yī)療研制出了用5電纜系統來估算12導聯的EASI導聯系統，通用電氣醫(yī)療研制出了用6電纜系統實現的內插12導聯系統。目前，已經研制出了能同時查看多個導聯的心臟監(jiān)視器，可獲取更全面的心臟電活動圖［3］。

傳統的電極往往需要皮膚事先做好準備，為了和皮膚有良好的電接觸，需用黏性的墊片、膏或凝膠將電極粘在皮膚上。用膠可能會引起皮膚過敏，并且這些電極一旦粘上，人不能移動，若長期使用可能會引起病人的不適，因此有必要研制不需要凝膠并能適用于便攜式應用的電極。文獻4中提出了用ASIC芯片和微刺陣列構成的智能電極，這些微刺有100μm長，采用MEMS技術制造，通過扎進皮膚表層來獲得更精確的生物電信號，ASIC芯片用于執(zhí)行所需的信號調理操作，如圖1所示［4］。文獻5提出了基于電容耦合技術的無接觸電極，這些電極被集成在PCB板上，用棉帶連接到病人的胸部，實驗結果表明能獲得清晰的ECG信號［5］。還有一種電極可以用無線身體區(qū)域網絡(WBAN)技術來傳輸心電，它能識別人體的健康和背景變化并與周圍環(huán)境進行通信，以幫助改變生活條件并激活設備，這種電極非常適合家庭護理或個性化應用［6］。最新的電極形式有胸帶型，手表型和襯衫型等，能實現無創(chuàng)和長時間監(jiān)控，如圖2所示。

圖1 智能ECG電極

圖2 幾種可穿戴的ECG電極

2 模擬前端單元

ECG模擬前端的作用是將電極所獲取的0．5～5mV的微弱心電信號經過放大濾波后，變成后續(xù)處理器能夠接收的信號，模擬前端有分立式模擬前端和集成模擬前端兩大類。

分立式模擬前端主要由儀用放大器、右腿驅動電路、濾波電路及增益放大器等分立式元件組成，如圖3所示，文獻7～10都提出了各自的設計方案。文獻11用低噪聲前端放大器、可調帶寬的異步ADC和DSP設計了一個異步ECG采集系統，該設計的優(yōu)點是信號精度由采樣率決定，這對緊湊型ECG系統非常有吸引力［11］。

集成模擬前端主要是用模擬前端芯片加一些簡單的外圍電路構成的。德州儀器公司(TI)有一款低功耗模擬前端芯片ADS1293，它具有同步起搏輸出的3個高分辨率數字ECG通道，24位集成模擬前端，內部集成有右腿驅動電路、威爾遜終端、電極脫落檢測等ECG應用所需要的模塊。與分立式模擬前端相比，可將組件數量降低90%以上，單個通道功耗僅為0．3mW，并且具有靈活的斷電和待機模式，非常適合于便攜式ECG監(jiān)護儀使用［12］。ADI公司的全集成模擬前端系列芯片ADAS1000，不但能夠測量ECG信號，還集成了起搏檢測、導聯脫落檢測以及呼吸和胸阻抗測量功能，并能將這些信息以數據幀的形式輸出。除此之外，它還具有功耗低(一個導聯的最低功耗僅1lmW)、低噪聲性能、支持終端設備監(jiān)管標準、提供不同的數據幀速率、能最大程度地簡化數據采集任務、簡化整體設計并縮減系統整體尺寸、縮短開發(fā)時間等優(yōu)點［13］。

圖3 分立式模擬前端主要構成

3 微處理器和控制單元

微處理器是ECG系統的核心部分，主要作用是將前端輸出的模擬信號經A/D轉換為數字信號后，完成信號的運算、分析、診斷、存儲等功能，微處理器的性能決定整個ECG監(jiān)護儀的性能和精度。

文獻14、15和16將ARM7處理器用于便攜式心電監(jiān)護儀中，ARM7是一種通用32位高速處理器，具有成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點，專為移動設備和低功耗電子設備所設計［14，15，16］。另一種微控器dsPIC性能可與ARM7媲美，它將高性能16位單片機的控制特點和DSP高速運算的優(yōu)點相結合，為嵌入式系統設計提供了適合的單芯片、單指令流的解決方案，消除了目前類似設計中所需求的額外組成部分，從而減小了印制板空間，也降低了系統成本，文獻17中就用該處理器設計了一個病人監(jiān)護系統［17］。

TI公司的MSP430系列超低功耗單片機也常作為便攜式醫(yī)療設備的控制器。MSP430系列的CPU采用16位精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率;并且采用數字控制振蕩器(DCO)，從待機模式到喚醒的響應時間小于6us。具有比較豐富的片內外設，各個模塊運行是完全獨立的，包括定時器、輸入/輸出端口、看門狗、UART等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行［18］。

現場可編程邏輯(FPGA)器件也廣泛應用在醫(yī)療儀器中。文獻19用FPGA取代目前心電監(jiān)護產品中廣泛采用的DSP和MCU多CPU結構，在電路的設計過程中，利用靈活的Avalon總線，把要實現的各個功能模塊和外部各個設備接口加到Avalon總線上來，構成一個基于32位嵌入式Nios II軟核CPU的嵌入式系統，實現了信號的采集、處理、回放、存儲、通信和顯示等集于一體的多功能監(jiān)護產品。這些功能模塊、全部的外設接口和NiosII軟核CPU都在同一片FPGA上實現，降低了產品成本、縮短研發(fā)周期、縮小系統體積和降低系統損耗［19］。文獻20中采用FPGA作為心電監(jiān)護系統的核心信號處理芯片，并利用FPGA自有的FIR濾波器進行去噪設計［20］。

4 顯示和分析方法

顯示系統的作用是將處理后的心電信號變?yōu)榭晒┤藗冎苯佑^察的形式。最初，ECG系統主要用光板或CRO來顯示心臟電活動，后來又用繪圖紙將波形打印出來。目前，ECG能在PC機、LCD模型、PDA以及移動設備上顯示，最新的設備還能對信號進行自動分析，減少了用戶的工作量。在每一種平臺下，都有特定的波形顯示和分析軟件，下面對PC機顯示和處理的一些方法和平臺進行討論。

心電信號通過無線方式(藍牙)或有線方式(串口或USB)傳輸到PC機，串口通信可用Visual Basic6．0的通信控件來實現。德州儀器的一款DSP入門套件TMS320C67x帶有兩電極ECG前置放大器，該套件提供了一個稱為代碼調試器(CCS)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。CCS包含一整套用于開發(fā)和調試嵌入式應用的工具，內置有FFT (快速傅立葉)變換、小波變換以及其它信號處理功能，用內置的16位編解碼器采集ECG信號，一次處理和顯示的樣本數分別可達到5000個和2048個［21］。

ECG信號采集和獲取的另一個有效平臺是MATLAB，MATLAB是一種廣泛使用的數據處理平臺。由于能與多種高級語言(C，Java，VB)結合，且有功能豐富的信號處理工具箱，因此在ECG系統中被廣泛使用。

虛擬儀器的出現，徹底改變了電路設計和處理方法。NI公司的LABVIEW軟件就是使用PC機來進行測量、計算、分析和測試的一種虛擬儀器平臺，它采用的是一種圖形化編程語言，內置有很多工具包如數字濾波器設計、前置信號處理，頻譜測量等，配合相應的硬件采集卡，可實現對ECG信號的數字濾波處理和分析［22］，給我們的程序開發(fā)和應用帶來極大的方便。

5 產品調查

飛思卡爾、德州儀器儀表、ADI公司、GE醫(yī)療集團等許多公司對ECG系統組件都提出了各自的解決方案，這些組件包括集成電路放大器、濾波器、電池管理、保護電路、單片機、液晶顯示器、報警系統等，一些公司已經設計出了自己的ECG監(jiān)護儀。Nurosynaptic已研制出一種帶有USB接口的心電圖機，采用12通道同步采集系統，提供了世界一流的心電圖診斷功能并具有包括胎兒心電圖在內的可選升級，而且體積小便于攜帶;其它的監(jiān)護儀有Medchoice公司的手持式ECG監(jiān)護儀、歐姆龍公司的HCG-801便攜式ECG監(jiān)護儀、Daray醫(yī)療的Biolog3000iECG監(jiān)護/記錄儀、通用電氣醫(yī)療的MAC800休眠式ECG分析系統等。

世界上最小的可穿戴式心電監(jiān)護儀叫硅盒子，是由IIT教授與TCS合作研制的。它是一個實時心臟監(jiān)測儀，可實現心臟跳動的分類和診斷心臟狀況的嚴重程度。既可作為床頭顯示器、皮套監(jiān)視器，也可作為便攜式心電監(jiān)護儀，當檢測到心臟出現問題時，能自動與監(jiān)控中心聯系。

6 發(fā)展趨勢

如今，便攜式心電監(jiān)護儀正向著多通道、新型記錄方式、數字智能型、網絡共享型等方向發(fā)展，新型產品也將運用數字化技術不斷提高工作效率并加快描記時效性，這樣能明顯提高臨床診斷的準確性。

隨著集成電路技術、計算機和網絡技術在生物醫(yī)學工程領域應用的進一步深入，心電檢測與分析系統的研究和發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面: (1)儀器小巧化，采集同步化。目前，便攜式心電監(jiān)護儀、HOLTER系統和心臟BP機等都代表了此發(fā)展趨勢。另一方面，多導同步心電檢測系統尤其是十二導同步心電檢測系統將逐步取代目前應用比較廣泛的單導心電檢測系統。(2)ECG分析自動化。目前ECG自動診斷技術應用范圍并不十分廣泛，主要是還缺乏一套完全令人滿意的算法。因此在ECG自動分析領域還需要作大量的研究工作。(3)信息綜合化。建立計算機心電工作站和完善的心電檢測數據庫，完善心電分析內容，結合臨床提供的其他信息資料進行綜合化信息分析判斷。(4)標準統一化。建立國際上統一的心電信息資料傳輸標準，使不同類型心電檢測設備采集的心電圖信息能夠相互傳輸和交流。

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Review and development to the design of ECGmonitor system

HE Ling-li，WANG Yu-feng，ZHU Yuan-zhong，HEWen-jing
(Department of Imaging，North Sichuan Medical College，Nanchong Sichuan 637000)

ECG has been a valuable diagnostic tool in assessing cardiac condition．The electrocardiograph system design，performance，size，ease of use has undergone a great transition along the timeline．The article introduces the new trends and the future direction of concern in the design ofan ECG system which includes analog frontend unit，microcontroller and processing unit，the display and analysis unit．

ECG monitor;electrodes;analog front end;analysismethods

TH772+．2

A

1002-2376(2015)01-0001-04

2014-08-17