一種低噪聲便攜式的心電監(jiān)測儀設(shè)計

摘 要：針對實時監(jiān)測心電信號對心電分析有重大意義。設(shè)計了一種心率監(jiān)測方法，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入從體表獲得的心電信號先經(jīng)濾波器濾除高頻干擾再經(jīng)一個50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后進入MSP430單片機的A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化的心電信號。電路抗50 Hz陷波性能好，噪聲小，整個電路經(jīng)Electronics Workbench仿真觀察波形基本無失真。經(jīng)試驗驗證監(jiān)測儀顯示心電信號清晰穩(wěn)定，基本滿足臨床監(jiān)護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

0 引 言
    監(jiān)護儀是一種用以測量和監(jiān)控病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報警的裝置或系統(tǒng)。便攜式監(jiān)護儀小型方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監(jiān)護室及外出搶救病人的監(jiān)護。心血管疾病是人類生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram，ECG信號是診斷心血管疾病的主要依據(jù)，因此實時監(jiān)測病人心電活動，設(shè)計自動采集病人心電信號的便攜式系統(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)動電極。這種聯(lián)接方式有效實用，有利于便攜使用。便攜式監(jiān)護儀分析處理系統(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)護儀，二是由微機系統(tǒng)組成的心電圖處理診斷系統(tǒng)。被檢查者將某一時段的動態(tài)心電信號由監(jiān)護儀記錄下來，通過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。心電信號是由人體心臟發(fā)出相當復(fù)雜的微弱信號，為了獲得含有較小噪聲的心電信號，需要對采集到的心電信號做降噪處理。
    本設(shè)計的特點：
    (1)目前對心電信號的降噪有多種方法，這里主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號中分離。濾波采用高通和低通兩級濾波，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)計了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測電路，防止運動輸入電極脫落。

1 心電信號的特點及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    心電信號屬醫(yī)學(xué)生物信號，它一般具有以下特點：隨機性較強，即信號無法用確定的函數(shù)描述，而只能用統(tǒng)計的方法，從大量測量結(jié)果中看其規(guī)律；噪聲背景強，即要測的有用信號往往淹沒在許多無用信號中。常規(guī)心電信號的頻帶范圍是O．05～100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號90％的能量成分。由于心電信號是mV級的信號，因此對于干擾環(huán)境而言，它是非常微弱的信號。
    心電信號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。它淹沒在許多較強的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號、呼吸波信號等體內(nèi)干擾信號和以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干擾信號的影響。信號源阻抗大約100 kΩ，信號為10μV～5 mV，典型值為1 mV，加上周圍的電磁干擾(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；為保持信號的穩(wěn)定，還要求輸入失調(diào)電壓和偏置電流小、溫漂?。粸榱吮阌陔S身攜帶，還要求體積小、電源電壓低、耗電少等。
    對心電信號進行精確測量，必須設(shè)計出性能優(yōu)良的放大器。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級的設(shè)計。整個前置級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經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入后，ECG信號經(jīng)運放構(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50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后通過電平位移進入A／D轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字化的心電信號。

2 電路結(jié)構(gòu)描述，心電信號的傳感、放大及濾波
2．1 電路結(jié)構(gòu)描述和仿真
    整個監(jiān)護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濾除其他頻段干擾后經(jīng)過放大調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換之后傳給計算機以供數(shù)據(jù)分析。其中便攜性方面設(shè)計了電極脫落檢測電路，擺脫電纜羈絆，使使用者能隨身攜帶。硬件電路用Workbench軟件進行仿真能實現(xiàn)其功能，采用的濾波函數(shù)用Matlab和Filterlab軟件仿真之后能達到設(shè)計要求。濾波方法采用50 Hz陷波之后，再經(jīng)過高低通兩級濾波，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
    電極對動態(tài)心電圖采集記錄心電信號的質(zhì)量至關(guān)重要，采用電極應(yīng)貼附力強、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)該具有對皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點。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
    便攜機前置放大電路是對心電功能進行自動檢測的關(guān)鍵部分，要求該系統(tǒng)能在強的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號檢測出來，放大至合適的幅度，送入A／D變成數(shù)字信號，供計算機分析處理。
    對心電信號等生物醫(yī)學(xué)信號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。通過前置放大部分對ECG信號進行放大，此部分包括右腿驅(qū)動以抑制共模干擾、屏蔽線驅(qū)動以消除引線干擾，增益設(shè)成10倍左右。設(shè)計前置放大采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的醫(yī)用放大器AD620。放大后的信號經(jīng)濾波、50 Hz陷波處理后再進一步放大，后級增益設(shè)成100倍左右。由于心電信號幅度最大為幾個mV，而A／D轉(zhuǎn)換中輸入信號的幅度要求在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O．05～100 Hz頻帶以外的肌電等干擾信號，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時，采用有源雙T帶阻濾波電路進一步抑制50 Hz工頻干擾。
2．4 心電信號的放大
    心電信號屬于高強噪聲下的低頻微弱信號，且電極與體表的接觸電阻一般高達幾兆歐，所以要求前置放大級應(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的特點。經(jīng)過比較，選用Analog Device公司的低價儀表放大器AD620。
    心電信號的放大具體實現(xiàn)電路見圖1。心電信號前置放大級的增益不易設(shè)定太高，以免在干擾較強時信號引起嚴重失真。為更好地消除共模電壓，設(shè)計了自舉屏蔽驅(qū)動電路如圖1所示。采用緩沖放大器將連接點的共模電位驅(qū)動到屏蔽線，在輸入共模信號時使屏蔽線與芯線等電位，在差模信號輸入時沒有影響。為了進一步提高電路的抗干擾能力，采用右腿驅(qū)動電路從根本上降低空間電場在人體上產(chǎn)生的干擾。此右腿驅(qū)動不是實際意義上的右腿驅(qū)動，因為由于此系統(tǒng)的側(cè)重點在于便攜操作，選用腹部右下側(cè)設(shè)置電極。

2．5 電極脫落檢測
    由于此系統(tǒng)應(yīng)用于人體日常生活中，人常常處于活動狀態(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)計了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測電路如圖2所示。

    正常情況下，正負電極對人體皮膚形成的極化電壓可以互相抵消。當一側(cè)電極脫落時，將有較大的極化電壓輸入，通過一個比較器，當比較電壓超出范圍時，認為電極導(dǎo)聯(lián)脫落，V0輸出電平由正常時的高電平變?yōu)榈碗娖剑录壢龢O管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲指示。
2．6 心電信號的濾波
    BT3受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有下面幾種：工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運動肌電干擾(EMG)、基線漂移等。其中50 Hz的工頻干擾最為嚴重，也是最難消除的。其他的各種噪聲通過高截低通、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先要經(jīng)過前置放大電路，被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時候的心電信號主要受到工頻、肌電等信號的干擾。心電信號需經(jīng)過兩次陷波和兩次濾波以實現(xiàn)消噪的目的，兩次陷波分別濾掉50 Hz的工頻信號和100 Hz的倍頻諧波信號，兩個濾波器分別是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)：

    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可以通過變阻器Rw來調(diào)節(jié)。R和C的值可由中心頻率f0確定。

   
    當f0=50 Hz時，C和R分別取O．068μF和47 kΩ；f0=100 Hz時，C和R分別取O．068μF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)計符合要求。

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。

    高通濾波器的傳遞函數(shù)：

    各電阻電容值的選取，除了能夠濾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，完全可以達到臨床實用的要求。

    濾波器對最終信號的質(zhì)量尤為重要，由于濾波器的性能對元器件的誤差相當靈敏，因此在這一級的設(shè)計中需要選用穩(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。

3 結(jié) 語
    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)過正確計算。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)的對稱，否則陷波深度會受影響。變阻器如何調(diào)節(jié)將會影響波形的好壞，可在實驗中調(diào)試得出。
    圖7是監(jiān)護儀實際電路測試的結(jié)果(縱坐標為μV)，可以看到該電路較好地完成了對心電的降噪。當然，在降噪過程中還可以增加屏蔽技術(shù)，以進一步減少外部信號的干擾。帶通濾波器還可以設(shè)計成只帶一個放大器的濾波器，使電路更為簡單，但是精確率可能會降低。

    要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號，心電放大器中前置放大器與濾波器的設(shè)計很關(guān)鍵，特別是50 Hz的帶阻濾波器尤其重要。本文設(shè)計的以AD620型運放構(gòu)成的心電放大器可實現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度，保證心電信號清晰穩(wěn)定，按上述設(shè)計制作出的監(jiān)護儀體積小、耗電少、攜帶方便、工作正常。經(jīng)實測輸出心電波形基本無失真，P波、T波都能得到真實顯示。特別是該電路抗50 Hz陷波性能好，信號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，基線亦無明顯漂移。滿足家居監(jiān)護以及病理分析的要求。
    作為便攜式監(jiān)護儀器，硬件結(jié)構(gòu)簡單、體積便于攜帶是其自身固有的特點。本文針對這些特點，心電信號采集存儲和數(shù)據(jù)處理從節(jié)省電能和成本方面考慮采用MSP430單片機。為使濾波函數(shù)得以更好地實現(xiàn)，可采用具有運算速度快和浮點運算優(yōu)點的DSP芯片進行改進，使采集的信號失真更小，保真度更高，對ECG信號的采集準確率大大提高，但DSP昂貴的價格會使成本提高。