一種低噪聲便攜式的心電監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

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(mǎn)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

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O．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10μV～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??；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(xiàn)驅(qū)動(dòng)以消除引線(xiàn)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O．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(xiàn)，在輸入共模信號(hào)時(shí)使屏蔽線(xiàn)與芯線(xiàn)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。

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。

    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，V0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(xiàn)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)：

    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Rw來(lái)調(diào)節(jié)。R和C的值可由中心頻率f0確定。

   
    當(dāng)f0=50 Hz時(shí)，C和R分別取O．068μF和47 kΩ；f0=100 Hz時(shí)，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(jì)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?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。

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是監(jiān)護(hù)儀實(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。

    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(xiàn)亦無(wú)明顯漂移。滿(mǎn)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。