心電圖(ECG或EKG)設(shè)計(jì)原理及實(shí)例應(yīng)用

心電圖(ECG或EKG)用于測(cè)量隨時(shí)間變化的心肌電信號(hào)，并將測(cè)量結(jié)果用圖形顯示出來(lái)。ECG的應(yīng)用范圍涵蓋了簡(jiǎn)單的心率監(jiān)測(cè)到特殊的心臟狀況診斷。任何應(yīng)用中，ECG的測(cè)試原理是相同的，但設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及對(duì)電子元件的要求差別很大，從價(jià)格低于200美元的便攜設(shè)備到超過(guò)5 000美元、大小與傳真機(jī)等同的臺(tái)式設(shè)備。有些應(yīng)用中，甚至把ECG嵌入到其他儀器中，例如病人監(jiān)護(hù)儀、自動(dòng)體外除顫器(AED)等，如圖1所示。

圖1 病人監(jiān)護(hù)儀所顯示的ECG和血氧讀數(shù)

所有ECG都通過(guò)連接在身體特殊部位的電極采集心電信號(hào)，身體產(chǎn)生的心電信號(hào)幅度只有幾個(gè)毫伏，通過(guò)連接在身體特定位置的電極，可以從不同的角度觀察心電活動(dòng)，每個(gè)位置都可以作為ECG的一個(gè)輸出通道顯示并打印，每個(gè)通道代表兩個(gè)電極之間的差分電壓或某一電極與幾個(gè)電極平均電壓的差值，電極間的不同組合可以顯示出比電極數(shù)更多的通道。這些通道一般稱為“導(dǎo)聯(lián)”(或“通道”)，一個(gè)12導(dǎo)聯(lián)的ECG設(shè)備具有12個(gè)獨(dú)立的圖形顯示通道。基于不同應(yīng)用，導(dǎo)聯(lián)數(shù)量可以在1～12之間選擇。問(wèn)題是，連接電極的導(dǎo)線有時(shí)也被稱為導(dǎo)聯(lián)，這樣容易引起混淆，因?yàn)?2導(dǎo)聯(lián)(12通道)的ECG只需要10個(gè)電極(10條線)，所以要仔細(xì)判斷所使用的“導(dǎo)聯(lián)”。

除了生物信號(hào)外，多數(shù)ECG還會(huì)檢測(cè)兩個(gè)人工信號(hào)，其中植入式心臟起搏器(簡(jiǎn)稱為“起搏”信號(hào))是最重要的信號(hào)。起搏信號(hào)時(shí)間相當(dāng)短，從數(shù)十微秒到幾毫秒，幅度從幾毫伏到接近1 V。通常，ECG必須同時(shí)偵測(cè)是否存在起搏信號(hào)，以防干擾其他心電信號(hào)。第二種人工信號(hào)用于檢測(cè)“導(dǎo)聯(lián)脫落”，即電極的接觸不良。許多ECG需要在電極接觸不良時(shí)發(fā)出報(bào)警指示。為此，ECG設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)用于測(cè)量電極與人體間的阻抗，從而檢測(cè)是否存在導(dǎo)聯(lián)脫落。測(cè)量信號(hào)可以是交流或直流，也可以兼用。某些ECG還可以在檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落的狀態(tài)時(shí)通過(guò)分析阻抗檢測(cè)呼吸頻率。應(yīng)該連續(xù)檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落狀態(tài)，而且不能妨礙心電信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。

圖2所示為ECG總體功能框圖。如果把ECG劃分成對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換的模擬前端(AFE)和將要進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的“其余部分”，就比較容易理解心電儀對(duì)電子元器件的要求。AFE通常具備相同的基本要求，差別在于導(dǎo)聯(lián)數(shù)、信號(hào)保真度、干擾抑制能力等。根據(jù)具體的功能需求，系統(tǒng)“其余部分”的差異很大，典型功能包括顯示器、打印硬件拷貝、無(wú)線(RF)連接以及電池充電等。

圖2 ECG總體功能框圖

導(dǎo)聯(lián)數(shù)(導(dǎo)數(shù))

最顯著的特性之一是導(dǎo)聯(lián)數(shù)，有些ECG只有一個(gè)導(dǎo)聯(lián)，有些則多達(dá)12個(gè)導(dǎo)聯(lián)。最常用的12導(dǎo)聯(lián)ECG需要10個(gè)電極，其中9個(gè)用來(lái)采集電信號(hào)，第10個(gè)電極連接在右腿(RL)上，由ECG電路驅(qū)動(dòng)，以降低共模電壓。9個(gè)輸入電極分別是左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)各一個(gè)電極，前心(胸)區(qū)域6個(gè)電極(V1-V6)。每個(gè)導(dǎo)聯(lián)或心電視圖都代表某一電極與另一電極或一組電極之間的電壓差，如果將電極編組，則取電壓平均值。對(duì)RA、LA和LL三個(gè)電極引出的6導(dǎo)聯(lián)取平均，作為差分對(duì)的一邊，V1～V6分別作為6個(gè)差分對(duì)的另一邊。有3個(gè)導(dǎo)聯(lián)源于RA、LA，LL各自與其他兩個(gè)電極的均值之差。其余3個(gè)導(dǎo)聯(lián)是把RA、LA和LL作為獨(dú)立的差分對(duì)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。基于RA、LA和LL的6個(gè)導(dǎo)聯(lián)包含類似信息，只是通過(guò)不同方法顯示。因?yàn)樾畔⑹侨哂嗟模圆恍枰獪y(cè)量所有6個(gè)導(dǎo)聯(lián)，有些通道數(shù)據(jù)可以利用DSP對(duì)其他通道數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到。

此處描述的是最常用的12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，但不是唯一方案。另外，12導(dǎo)聯(lián)ECG也可以作為5導(dǎo)聯(lián)、3導(dǎo)聯(lián)或1導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)使用。關(guān)鍵是當(dāng)需要不止1個(gè)導(dǎo)聯(lián)時(shí)，需要開(kāi)關(guān)陣列和均值電路。

模擬前端(AFE)

AFE的主要功能是將心電信號(hào)數(shù)字化，由于需要抑制RF信號(hào)源、起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)信號(hào)、工頻共模信號(hào)等強(qiáng)干擾以及其他肌體信號(hào)和電子噪聲的干擾，處理過(guò)程非常復(fù)雜。另外，毫伏級(jí)的心電信號(hào)可能疊加在數(shù)百毫伏的直流失調(diào)電壓上，加上通道間的共模電壓，可能超過(guò)1 V。連接到患者身體的電極一定不能產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)或干擾到連接在病人身上的其他醫(yī)療儀器。ECG的有效頻率范圍某種程度上與應(yīng)用有關(guān)，通常在0.05 Hz～100 Hz之間。

AFE的第二個(gè)功能是能夠檢測(cè)起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落、呼吸頻率和患者阻抗，檢測(cè)工作在幾個(gè)通道上同時(shí)或幾乎同時(shí)進(jìn)行。另外，心臟除顫時(shí)，多數(shù)ECG設(shè)備需要快速恢復(fù)，但由于心臟除顫會(huì)導(dǎo)致前端電路和充電電容飽和，這些容性耦合電路會(huì)延長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間。

AFE架構(gòu)

AFE架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，下面描述的增強(qiáng)型架構(gòu)，由于采用了高精度、高速ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，從而在較寬的頻率范圍內(nèi)提供高保真。沒(méi)有采用電容耦合，而是通過(guò)DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)作為RL驅(qū)動(dòng)，使AFE可以從除顫或射頻干擾中快速恢復(fù)。數(shù)字化起搏信號(hào)允許對(duì)起搏數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而減少錯(cuò)誤的起搏指示，甚至可以檢測(cè)起搏器或連接部分的缺陷。另一方面，還要考慮到增強(qiáng)系統(tǒng)需要昂貴的元器件，耗電也很大。相比之下，簡(jiǎn)化型AFE價(jià)格便宜，電池壽命也更長(zhǎng)，其他特性差異則很小。

增強(qiáng)型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如圖3所示)滿足ECG測(cè)試要求，可以同時(shí)量化9個(gè)電極信號(hào)，在200 kS/s采樣率下的無(wú)噪聲精度可達(dá)20位。然后用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)計(jì)算每個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，隔離起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落信號(hào)和呼吸信號(hào)，并濾除干擾頻率信號(hào)。DSP還計(jì)算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)RL電極所需要的信號(hào)強(qiáng)度。這種AFE架構(gòu)需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器的各個(gè)通道高度匹配。另外，還需要緩沖器隔離ADC采樣電容和高阻電極。這種方案雖然滿足了測(cè)量指標(biāo)要求，卻不能滿足多數(shù)應(yīng)用的成本和功耗要求。

簡(jiǎn)化型AFE：低端AEF系列的特性是單通道、消費(fèi)類ECG。這些設(shè)備的AFE采用電容耦合電路，將輸入信號(hào)耦合到一個(gè)低通差分放大器，再饋送給10位、120 S/s采樣率的ADC。電容耦合電路可以去掉輸入的直流失調(diào)，低通濾波器濾除起搏信號(hào)。這些設(shè)備通常采用電池供電，且只有一個(gè)通道，因此沒(méi)有共模電壓。典型的ECG設(shè)備AFE：大多數(shù)ECG設(shè)備采用的電路介于上述兩者之間。儀表放大器(IA)常用來(lái)抑制共模電壓，消除諸如工頻干擾的共模噪聲，并為ADC的采樣電容提供緩沖，后續(xù)濾波器可以濾除起搏信號(hào)和脫落檢測(cè)信號(hào)，然后送到ADC進(jìn)行采樣、數(shù)字轉(zhuǎn)換。某些情形下，心電信號(hào)和直流失調(diào)會(huì)通過(guò)一個(gè)高精度ADC直接進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。其他情形下，則會(huì)采用高通濾波器或DAC去除直流失調(diào)，從而可以使用典型的12位精度ADC，對(duì)放大后的心電信號(hào)進(jìn)行采樣、數(shù)字轉(zhuǎn)換，如圖4所示。每個(gè)通道可以配備一個(gè)ADC，也可以多個(gè)通道共用一個(gè)ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。ADC復(fù)用則在通道間引起微小的時(shí)間偏差，其接受程度取決于具體應(yīng)用。如果需要檢測(cè)起搏信號(hào)，則可用高通濾波器提取，然后放大，再用比較器電路進(jìn)行放大和檢測(cè)。

ECG設(shè)備類型遙測(cè)型ECG

遙測(cè)型ECG系統(tǒng)用于臨床環(huán)境下流動(dòng)患者的連續(xù)監(jiān)測(cè)，它包括一個(gè)置于患者端、帶無(wú)線(RF)收發(fā)功能的ESG和一個(gè)中心站，通過(guò)無(wú)線接收采集并分析患者的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。有些遙測(cè)系統(tǒng)還提供額外數(shù)據(jù)(例如血氧值)，這些數(shù)據(jù)用來(lái)驗(yàn)證治療效果或調(diào)整治療方案，并對(duì)即可能發(fā)生的問(wèn)題告警。

許多遙測(cè)系統(tǒng)只有5個(gè)導(dǎo)聯(lián)，如果用滿12個(gè)導(dǎo)聯(lián)的話，則難以應(yīng)對(duì)病員的流動(dòng)性。通常，患者會(huì)連續(xù)幾天使用設(shè)備，因此此類設(shè)備多采用一次性電池。其他ECG也能增加遙測(cè)功能，不過(guò)“遙測(cè)ECG”專指在醫(yī)院內(nèi)部可移動(dòng)攜帶并能發(fā)送數(shù)據(jù)到本地接收站的移動(dòng)單元。對(duì)于此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵要考慮低功耗、低噪聲和小尺寸。

霍爾特(Holter)監(jiān)護(hù)儀

紐曼·霍爾特博士發(fā)明了移動(dòng)監(jiān)護(hù)儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并上傳到其他系統(tǒng)進(jìn)行分析。與遙測(cè)型設(shè)備不同，這些監(jiān)護(hù)儀不需要中心接收站，可以用于家庭、戶外乃至任何地點(diǎn)。對(duì)于Holter ECG監(jiān)護(hù)儀，因?yàn)?2導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)儀不便移動(dòng)，多數(shù)情況下導(dǎo)聯(lián)數(shù)不會(huì)超過(guò)5個(gè)。一般用存儲(chǔ)卡從監(jiān)護(hù)儀轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，當(dāng)然，也可以用USB盤(pán)或其他方法。多數(shù)患者只需要監(jiān)測(cè)1～2天，當(dāng)需要患者參與某些藥理研究時(shí)，則使用特殊的長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)儀，患者可能需要使用一年甚至更久。Holter ECG監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)的主要要求也是低功耗、低噪聲和小尺寸。

消費(fèi)類ECG

這類低端ECG可以方便地固定在手臂上，人們?cè)诩依锞涂梢赃M(jìn)行ECG檢查，這些儀器能夠保存數(shù)據(jù)并顯示在內(nèi)置屏幕上。數(shù)據(jù)也可以傳送到計(jì)算機(jī)或通過(guò)電話線傳送到康復(fù)中心。有些儀器有掛接多個(gè)電極，有些則只是在機(jī)殼上安裝了兩個(gè)電極。內(nèi)置電極可以壓在胸部，或者把兩手分別放在兩個(gè)電極上。由此得到的心電圖可能質(zhì)量不是很好，卻為人們?cè)诋惓r(shí)監(jiān)護(hù)自身狀況、采集心電數(shù)據(jù)提供了一個(gè)有效途徑。對(duì)消費(fèi)類心電儀的設(shè)計(jì)主要著眼于廉價(jià)和小尺寸。

自動(dòng)體外除顫器(AED)

為了在公眾場(chǎng)合應(yīng)對(duì)一些突發(fā)事件，大多在公共場(chǎng)所(如大型購(gòu)物中心、健身房以及辦公室等)都會(huì)安裝AED設(shè)備。在心臟病發(fā)作時(shí)可以立即采用這些設(shè)備，對(duì)胸部釋放一個(gè)高能量的電脈沖，起搏心臟并使之恢復(fù)到正常心率。如果使用時(shí)機(jī)不當(dāng)，脈沖沖擊會(huì)造成生命危險(xiǎn)，因而，ECG在功能上必須能夠防止這種意外發(fā)生。AED一般只有1個(gè)導(dǎo)聯(lián)，其電極既用來(lái)釋放高壓脈沖，也用來(lái)采集心電信號(hào)。AED設(shè)備原理框圖如圖5所示。

AED可能數(shù)月或數(shù)年擱置不用，而使用這些設(shè)備的往往是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的人員，設(shè)備即使存在問(wèn)題，他們也無(wú)從知道。需要使用AED時(shí)，要先開(kāi)機(jī)、進(jìn)行一系列自檢確認(rèn)功能完好無(wú)損，然后再運(yùn)行一小段時(shí)間。所有心電數(shù)據(jù)以及除顫信息，需要記錄下來(lái)，用于隨后分析。使用有問(wèn)題的AED弊大于利，因而可靠性和自診斷能力是AED設(shè)計(jì)首先要考慮的。

診斷型ECG

診斷型ECG設(shè)備用于醫(yī)院和醫(yī)生辦公室，提供高質(zhì)量ECG檢測(cè)，可以測(cè)試全部12導(dǎo)聯(lián)的ECG，并創(chuàng)建硬拷貝輸出。這些設(shè)備使用高性能AFE，通常可以通過(guò)調(diào)整增益、選擇適當(dāng)?shù)臑V波器來(lái)提高ECG檢測(cè)質(zhì)量。由于體積較大很少移動(dòng)，這些設(shè)備有空間實(shí)現(xiàn)更多功能，例如內(nèi)置打印機(jī)、各種通信接口、大尺寸顯示屏等。它們一般使用交流電源，通常也帶有可充電電池用作備份。設(shè)計(jì)診斷型ECG的關(guān)鍵在于低噪聲、高抗干擾能力和靈活性。

病人監(jiān)護(hù)儀

病人監(jiān)護(hù)儀用于監(jiān)測(cè)生命體征(脈搏、呼吸速率、血壓及體溫等)，另外也具備ECG功能，同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)血氧、二氧化碳水平。把這些功能整合成一臺(tái)設(shè)備，可以使手術(shù)室更為簡(jiǎn)潔，使用也更為方便。病人監(jiān)護(hù)儀的AFE類似于診斷型ECG，但要滿足射頻(RF)抑制要求，因?yàn)樵谑中g(shù)期間，會(huì)受到電子刀和氬離子凝固術(shù)(APC)設(shè)備的高強(qiáng)度RF干擾。另外，能夠從心臟除顫操作中迅速恢復(fù)也是這類AFE的基本要求。由于病員監(jiān)護(hù)儀采用交流供電，也配有備用電池，所以功耗也是重要指標(biāo)。外殼必須能防濺水并便于清潔，當(dāng)然這會(huì)影響冷卻通道，因此還要考慮散熱問(wèn)題。除了功耗和散熱外，設(shè)計(jì)病人監(jiān)護(hù)儀的關(guān)鍵在于RF抑制和低噪聲指標(biāo)。