便攜式心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)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(jì)出由前置放大電路、無(wú)源高通濾波、二階低通濾波、陷波器和二級(jí)放大電路等組成的采集電路。前置放大電路的設(shè)計(jì)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(dòng)的部分；通過(guò)對(duì)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(jì)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其他存儲(chǔ)、顯示模塊可以集中在FPGA上，增加了便攜設(shè)備的集中度。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，在簡(jiǎn)單電路和參數(shù)下能夠得到對(duì)50 Hz頻率衰減幾乎為0，在1 000 Hz時(shí)衰減-40 dB，幅度放大1 000倍的心電信號(hào)。
關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；信號(hào)采集；電路設(shè)計(jì)；FPGA

    隨著生活水平的提高，健康問(wèn)題引起人們高度重視，尤其是對(duì)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(yuǎn)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(hào)。在大型設(shè)備中，對(duì)采集電路的性能要求嚴(yán)格，因此電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積較大。在便攜式設(shè)備中，對(duì)采集電路要求性能和體積的統(tǒng)一。因此在便攜式自動(dòng)心電診斷系統(tǒng)的項(xiàng)目背景下，設(shè)計(jì)出便攜式心電信號(hào)的采
集電路。

1 心電圖產(chǎn)生機(jī)理
    在人體內(nèi)，竇房結(jié)發(fā)出一次興奮，按一定途徑和時(shí)程，依次傳向心房和心室，引起整個(gè)心臟興奮。因此，每個(gè)心動(dòng)周期中，心臟各個(gè)部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑、次序和時(shí)間都有一定規(guī)律。這種生物電變化通過(guò)心臟周?chē)膶?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(dòng)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(cè)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(jiǎn)稱(chēng)ECG)。

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

3 采集心電信號(hào)
3．1 心電信號(hào)的特點(diǎn)
    正常心電信號(hào)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(cè)微弱的心電信號(hào)時(shí)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(hào)的混入、電子器件的噪聲、無(wú)線電波和工頻干擾等。
    根據(jù)心電信號(hào)非常微弱的特點(diǎn)，采集心電信號(hào)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(shí)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(shí)，首先要考慮2個(gè)問(wèn)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(duì)測(cè)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(chēng)為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，常稱(chēng)導(dǎo)聯(lián)。廣泛認(rèn)可的國(guó)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(chēng)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(gè)位置。aVR、aVL、aVF稱(chēng)為加壓肢體導(dǎo)聯(lián)，是改變參考電極端，使信號(hào)幅度增加一倍的肢體導(dǎo)聯(lián)。
3．3 一級(jí)放大
    心電信號(hào)一級(jí)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(jí)放大倍數(shù)不宜太大，因?yàn)樵诓杉盘?hào)時(shí)可能產(chǎn)生電位波動(dòng)和極化電壓及其他噪聲，給后續(xù)電路處理噪聲帶來(lái)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(hào)的頻率在0．05～100 Hz，采集電路就需要設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的CR無(wú)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(dá)到理想的濾波效果，對(duì)大于截止頻率的信號(hào)，有較嚴(yán)格的衰減，設(shè)計(jì)了二階低通濾波器，如圖2所示。
    對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)，如表1所示。表1中，衰減為電路測(cè)試數(shù)據(jù)，“Filterlab”為軟件仿真的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)對(duì)比上看，實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本一致。

    圖3給出了二級(jí)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(hào)采集中，容易受50 Hz工頻干擾的影響，為此設(shè)計(jì)了50 Hz陷波電路。該陷波電路采用雙T帶阻濾波。實(shí)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(yán)格匹配。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)5組參數(shù)進(jìn)行仿真和電路測(cè)試，5組參數(shù)經(jīng)計(jì)算截止頻率均為50 Hz，但實(shí)際電路測(cè)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(hào)通過(guò)時(shí)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(hào)通過(guò)時(shí)，通過(guò)陷波電路的信號(hào)B與原信號(hào)A基本一致。無(wú)失真。

    圖5分別為49 Hz、50 Hz頻率信號(hào)通過(guò)陷波電路后，與原輸入信號(hào)波形的比較。由圖中可清楚地看到：當(dāng)輸入49 Hz信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)衰減為原信號(hào)的0．35倍左右。當(dāng)輸入50Hz信號(hào)時(shí)，信號(hào)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(mǎn)足A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)幅度的要求，兩級(jí)放大器共放大l 000倍左右，一級(jí)放大電路放大倍數(shù)為8倍，所以二級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為125倍。從整個(gè)電路集成度和器件性?xún)r(jià)比考慮，這里選用TL064。該器件內(nèi)部集成4個(gè)運(yùn)放，每個(gè)放大器的功耗只有6 mW，符合便攜產(chǎn)品的要求，且價(jià)格較低，可減少實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)成本。放大電路采用簡(jiǎn)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(hào)要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和顯示，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(guó)心臟學(xué)會(huì)推薦的采樣率為500 Hz，但實(shí)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(hù)時(shí)多采用200 Hz或250 Hz，輔助分析時(shí)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(duì)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?xún)r(jià)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(guò)表2和實(shí)際項(xiàng)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(gè)模擬信號(hào)輸入端，可采集8路模擬信號(hào)，符合心電設(shè)備多導(dǎo)聯(lián)的要求。
    控制模塊使用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)MAXl97的時(shí)序圖，利用有限狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)控制模塊。具體內(nèi)容是根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換的進(jìn)程，將轉(zhuǎn)換過(guò)程分為5個(gè)狀態(tài)：1)為初始化，寫(xiě)入讀寫(xiě)信號(hào)及通道選擇和轉(zhuǎn)換電壓范圍等控制字；2)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘控制下，輸出信號(hào)使得A／D轉(zhuǎn)換器開(kāi)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(gè)狀態(tài)；4)為讀低8位，給轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)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(jī)VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)后生成的圖元符號(hào)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(shí)序要求，能在功能上實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需要的數(shù)字信號(hào)。
    A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)由FPGA提供?；贔PGA平臺(tái)搭建一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的控制模塊。選擇FPGA做控制平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)心電設(shè)備中的控制存儲(chǔ)、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(xiàng)目整體方案的考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)
    在項(xiàng)目的要求下，通過(guò)分析心電信號(hào)的特點(diǎn)，從幅值，頻率，噪聲等各方面有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了心電采集電路，并對(duì)每一環(huán)節(jié)都做了仿真和測(cè)試，最大程度上精簡(jiǎn)電路，滿(mǎn)足便攜式設(shè)備對(duì)體積的要求，同時(shí)保持較高的性能，能有效采集到心電信號(hào)。對(duì)采集到的心電信號(hào)，用FP-GA控制A／D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號(hào)，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(gè)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)為診斷并顯示的系統(tǒng)。