便攜式心電信號采集電路設(shè)計

摘要：針對便攜式心電采集電路體積小、性能高的要求，以AD620和TL064為核心設(shè)計出由前置放大電路、無源高通濾波、二階低通濾波、陷波器和二級放大電路等組成的采集電路。前置放大電路的設(shè)計和參數(shù)的選擇抑制了噪聲，省去了通常采集電路中右腿驅(qū)動的部分；通過對二階濾波和陷波器的參數(shù)選擇和調(diào)試，得到較理想的濾波效果。A／D轉(zhuǎn)換是利用FPGA設(shè)計控制模塊來實現(xiàn)的，其他存儲、顯示模塊可以集中在FPGA上，增加了便攜設(shè)備的集中度。實驗和仿真結(jié)果表明，在簡單電路和參數(shù)下能夠得到對50 Hz頻率衰減幾乎為0，在1 000 Hz時衰減-40 dB，幅度放大1 000倍的心電信號。
關(guān)鍵詞：心電信號；信號采集；電路設(shè)計；FPGA

    隨著生活水平的提高，健康問題引起人們高度重視，尤其是對心臟疾病方面，因而從醫(yī)院大型設(shè)備到便攜式儀器，甚至各種遠程診斷設(shè)備，都有飛躍發(fā)展，而所有心電設(shè)備的基礎(chǔ)都是精確采集到心電信號。在大型設(shè)備中，對采集電路的性能要求嚴格，因此電路設(shè)計復(fù)雜，體積較大。在便攜式設(shè)備中，對采集電路要求性能和體積的統(tǒng)一。因此在便攜式自動心電診斷系統(tǒng)的項目背景下，設(shè)計出便攜式心電信號的采
集電路。

1 心電圖產(chǎn)生機理
    在人體內(nèi)，竇房結(jié)發(fā)出一次興奮，按一定途徑和時程，依次傳向心房和心室，引起整個心臟興奮。因此，每個心動周期中，心臟各個部分興奮過程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑、次序和時間都有一定規(guī)律。這種生物電變化通過心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液反映到身體表面上，使身體各部位在每一心動周期中也都發(fā)生有規(guī)律的生物電變化，即心電位。若把測量電極放置在人體表面的一定部位，記錄處心臟電位變化曲線，即常規(guī)心電圖(Electrocardiogram，簡稱ECG)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    便攜式心電監(jiān)護儀的目標(biāo)是具備自動診斷心臟疾病的功能，同時便于家庭和旅行使用。這里主要給出便攜式心臟疾病自動診斷設(shè)備的前端部分，即信號采集和處理部分。心電信號的采集主要由放大、濾波等模擬電路完成。心電信號在FPGA控制下，實現(xiàn)信號的數(shù)字化，以便后續(xù)進一步處理和存儲，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖l所示。

3 采集心電信號
3．1 心電信號的特點
    正常心電信號的幅值范圍為10 V～4 mV，典型值為1 mV。頻率范圍在0．05～100 Hz，而90％的頻譜能量集中在0．25～35 Hz之間。在檢測微弱的心電信號時還要注意到噪聲的抑制。這些噪聲主要有皮膚與電極接觸的極化電壓、其他生理信號的混入、電子器件的噪聲、無線電波和工頻干擾等。
    根據(jù)心電信號非常微弱的特點，采集心電信號的前置放大電路需要具備高輸入阻抗、高共模抑制比、放大器低噪聲和低漂移等方面性能。
    綜合考慮以上要求，這里選用放大器為AD620。AD620的輸入阻抗為10GΩ，增益為10時的共模抑制比為100dB，最大溫度漂移O.6μV／℃。從AD620的參數(shù)指標(biāo)上看，適用于心電的前置放大電路。
3．2 導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)
    從人體體表采集心電時，首先要考慮2個問題：一是電極的放置位置。二是電極與放大器連接形式。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的心電波形，對測定ECG的電極位置和與放大器的連接方式都做了統(tǒng)一規(guī)定，稱為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，常稱導(dǎo)聯(lián)。廣泛認可的國際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)，分別為I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中I、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)為雙極導(dǎo)聯(lián)，其余為單極導(dǎo)聯(lián)。I、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)又稱肢體導(dǎo)聯(lián)，拾取左右臂和左腿的任兩者之間的電位差，所以是雙極導(dǎo)聯(lián)。雙極導(dǎo)聯(lián)不反映單電極的電位變化。單極導(dǎo)聯(lián)是一端接參考電極，另一端接探查電極，反映心臟局部電位變化。V1～V6便是一端接參考電極，一端的探查電極放在胸部的6個位置。aVR、aVL、aVF稱為加壓肢體導(dǎo)聯(lián)，是改變參考電極端，使信號幅度增加一倍的肢體導(dǎo)聯(lián)。
3．3 一級放大
    心電信號一級放大器選用AD620，它在輸入阻抗、共模抑制比、低噪低漂移上具有出色的性能。另外，AD620采用差分放大，能夠有效地抑制噪聲。一級放大倍數(shù)不宜太大，因為在采集信號時可能產(chǎn)生電位波動和極化電壓及其他噪聲，給后續(xù)電路處理噪聲帶來不便，建議在7～lO倍。電路連接如圖2所示，另外，AD620的REF引腳接地。

3．4 濾波電路
    由于心電信號的頻率在0．05～100 Hz，采集電路就需要設(shè)計濾波器除去該段頻率以外的噪聲頻率。濾波電路主要由高通濾波、低通濾波和50Hz陷波器組成。高通濾波器，采用簡單的CR無源高通電路(圖2)，能有效阻斷直流通路，消除基線漂移，而基線漂移主要是由呼吸引起。為了達到理想的濾波效果，對大于截止頻率的信號，有較嚴格的衰減，設(shè)計了二階低通濾波器，如圖2所示。
    對電路進行實際測試計算得到以下數(shù)據(jù)，如表1所示。表1中，衰減為電路測試數(shù)據(jù)，“Filterlab”為軟件仿真的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)對比上看，實際計算數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本一致。

    圖3給出了二級有源濾波器的幅頻曲線及相頻曲線。其中曲線A為幅頻曲線，曲線B為相頻曲線。
3．5 陷波電路
    由于交流電的影響，在心電信號采集中，容易受50 Hz工頻干擾的影響，為此設(shè)計了50 Hz陷波電路。該陷波電路采用雙T帶阻濾波。實現(xiàn)陷波器的難度在于參數(shù)選擇和電路調(diào)試，另外一定要選擇高精度的電阻電容，確保參數(shù)嚴格匹配。在實驗過程中，對5組參數(shù)進行仿真和電路測試，5組參數(shù)經(jīng)計算截止頻率均為50 Hz，但實際電路測試效果很不理想。最終選擇圖4標(biāo)注的具體電路和參數(shù)，以及46 Hz頻率以下信號通過時波形仿真，結(jié)果較好。從波形圖上看，在46 Hz頻率以下的信號通過時，通過陷波電路的信號B與原信號A基本一致。無失真。

    圖5分別為49 Hz、50 Hz頻率信號通過陷波電路后，與原輸入信號波形的比較。由圖中可清楚地看到：當(dāng)輸入49 Hz信號時，輸出信號衰減為原信號的0．35倍左右。當(dāng)輸入50Hz信號時，信號基本上衰減為零，因此能有效抑制50 Hz的工頻干擾。
3．6 主放大電路
    為滿足A／D轉(zhuǎn)換器對信號幅度的要求，兩級放大器共放大l 000倍左右，一級放大電路放大倍數(shù)為8倍，所以二級放大倍數(shù)設(shè)計為125倍。從整個電路集成度和器件性價比考慮，這里選用TL064。該器件內(nèi)部集成4個運放，每個放大器的功耗只有6 mW，符合便攜產(chǎn)品的要求，且價格較低，可減少實驗和生產(chǎn)成本。放大電路采用簡單的反饋放大電路，調(diào)節(jié)電阻參數(shù)即可。

4 數(shù)字處理部分
4．1 A／D轉(zhuǎn)換
    已放大的模擬信號要實現(xiàn)存儲和顯示，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，因此要完成A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換首先解決采樣率和A／D轉(zhuǎn)換器的選型。
    采樣率，美國心臟學(xué)會推薦的采樣率為500 Hz，但實際中不同應(yīng)用有不同的采樣率，一般在125～1 000 Hz之間，監(jiān)護時多采用200 Hz或250 Hz，輔助分析時多用400～500 Hz，而心電HOLTER一般取125～200 Hz。采樣精度為10 bit或12 bit。
    對于A／D轉(zhuǎn)換器的選型，要根據(jù)電路形式、轉(zhuǎn)換速率、通道數(shù)目、采樣精度、功耗大小、供電電壓等因素綜合考慮，選出性價比較高的轉(zhuǎn)換器。在確定器件前，表2給出備選的幾款A(yù)／D轉(zhuǎn)換器的比較結(jié)果。

    通過表2和實際項目的要求，最終確定使用MAXl97，其采樣位數(shù)，轉(zhuǎn)換速率，功耗，體積等方面均符合心電A／D轉(zhuǎn)換的要求。另外，該轉(zhuǎn)換器有8個模擬信號輸入端，可采集8路模擬信號，符合心電設(shè)備多導(dǎo)聯(lián)的要求。
    控制模塊使用VHDL語言編程實現(xiàn)，根據(jù)MAXl97的時序圖，利用有限狀態(tài)機的方法實現(xiàn)控制模塊。具體內(nèi)容是根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換的進程，將轉(zhuǎn)換過程分為5個狀態(tài)：1)為初始化，寫入讀寫信號及通道選擇和轉(zhuǎn)換電壓范圍等控制字；2)為啟動轉(zhuǎn)換，在時鐘控制下，輸出信號使得A／D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換；3)為判斷轉(zhuǎn)換是否完成，若未完成繼續(xù)轉(zhuǎn)換，若完成跳入下一個狀態(tài)；4)為讀低8位，給轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號hben賦值O，讀出已經(jīng)轉(zhuǎn)換完的低8位；5)為讀高4位，給hben賦值1，讀出高4位。

    圖6是根據(jù)上述狀態(tài)機VHDL語言實現(xiàn)后生成的圖元符號及控制模塊的仿真波形。從仿真波形上可以看出，該模塊符合A／D轉(zhuǎn)換器的時序要求，能在功能上實現(xiàn)對A／D轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需要的數(shù)字信號。
    A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號由FPGA提供?；贔PGA平臺搭建一個A／D轉(zhuǎn)換的控制模塊。選擇FPGA做控制平臺，是由于FPGA有著豐富的可編程邏輯資源，利用這些資源可以實現(xiàn)心電設(shè)備中的控制存儲、顯示、按鍵、通信等其他模塊。這些模塊都在FPGA上完成就構(gòu)成了片上系統(tǒng)，使得設(shè)備體積和可靠性都有了很大程度上的提高。選擇FPGA也是出于項目整體方案的考慮。

5 結(jié)束語
    在項目的要求下，通過分析心電信號的特點，從幅值，頻率，噪聲等各方面有針對性的設(shè)計了心電采集電路，并對每一環(huán)節(jié)都做了仿真和測試，最大程度上精簡電路，滿足便攜式設(shè)備對體積的要求，同時保持較高的性能，能有效采集到心電信號。對采集到的心電信號，用FP-GA控制A／D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號，以便后續(xù)的數(shù)字處理。另外，由于FPGA的豐富可編程資源，可以在這個采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級為診斷并顯示的系統(tǒng)。