基于ECG AFE簡(jiǎn)化病人監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在較高水平的系統(tǒng)以及病人監(jiān)控設(shè)備的元件系統(tǒng)中不難發(fā)現(xiàn)，許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都存在典型的信號(hào)鏈，包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理與處理以及工作通信。如果再深入探究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多的設(shè)計(jì)問(wèn)題需要理解，比如有關(guān)信號(hào)完整性和共模抑制對(duì)信號(hào)的影響等問(wèn)題等等。保證使用電氣連接設(shè)備的病人的安全同樣至關(guān)重要，但這會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。病人有時(shí)可能需要進(jìn)行除顫，在這時(shí)候，我們必須防止系統(tǒng)自身受到此類活動(dòng)的影響。不僅如此，還有其他的許多行業(yè)規(guī)范以及實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題也會(huì)影響系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)。

圖1是12導(dǎo)聯(lián)ECG（心電圖）監(jiān)控器件的典型信號(hào)鏈，架構(gòu)非常復(fù)雜，存在各種細(xì)微差別和復(fù)雜性。

ECG監(jiān)控

ECG的測(cè)量，即心臟的電活動(dòng)。測(cè)量ECG信號(hào)的設(shè)備包括便攜式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀、臨床心電圖儀以及高通道心臟標(biāo)測(cè)系統(tǒng)，這些設(shè)備在不斷開(kāi)發(fā)中。這些測(cè)量系統(tǒng)使用的環(huán)境十分廣泛，圖2中所示的是其中的一些典型場(chǎng)合。例如醫(yī)院的使用環(huán)境包括手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室、電生理實(shí)驗(yàn)室等，每種環(huán)境都有需要解決的設(shè)計(jì)難題。這些環(huán)境所面臨的設(shè)計(jì)難題的復(fù)雜性和測(cè)量目標(biāo)都十分廣泛，而且范圍仍在不斷擴(kuò)大。隨著醫(yī)療保健行業(yè)朝著遠(yuǎn)程病人監(jiān)控方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)人員面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，需要隨時(shí)提出新的應(yīng)對(duì)措施。

ECG信號(hào)

ECG信號(hào)是心臟在一段時(shí)間內(nèi)電性活動(dòng)的經(jīng)胸反映，通過(guò)皮膚電極采集并于外部進(jìn)行記錄。它是由心電圖設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)創(chuàng)記錄。ECG信號(hào)的幅度通常為0.25mV~5mV，由各種波所組成，如正常竇性心律圖。正常竇性心律的偏差說(shuō)明可能存在異常，醫(yī)生可以借此評(píng)估病人的健康狀況并作出相應(yīng)處理。

ECG信號(hào)的采樣圖由P波、QRS波群和T波組成，代表一個(gè)心動(dòng)周期中的心臟電性活動(dòng)。一個(gè)心跳周期 P波：心房收縮；QRS波群：心室興奮；T波：心室激動(dòng)后的復(fù)原活動(dòng)。如今，通過(guò)研究心臟不同層面的電氣特性，心臟病專家能夠確定很多與心臟功能相關(guān)的異常現(xiàn)象。如圖3所示。

ECG測(cè)量

在ECG測(cè)量中，電極即電勢(shì)傳感器，放置在胸部和/或四肢各個(gè)部位。導(dǎo)聯(lián)來(lái)自ECG電極的各種數(shù)學(xué)組合。雖然出于歷史的原因，有些人認(rèn)為這已經(jīng)過(guò)時(shí)，但在臨床環(huán)境中，12導(dǎo)聯(lián)ECG依然是最常見(jiàn)的設(shè)置。12導(dǎo)聯(lián)ECG包括三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)，即右臂、左臂和左腿，稱為Einthoven導(dǎo)聯(lián)。還有三個(gè)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)VR、VL與VF，也就是通常所說(shuō)的Goldberg加壓導(dǎo)聯(lián)，以及6個(gè)心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)，即V1~V6。心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)也稱V導(dǎo)聯(lián)，大多數(shù)心臟病專家認(rèn)為其屬于獨(dú)立矢量，這也是威爾遜中心電端和目標(biāo)V電極的差異所在。威爾遜中心電端本身由右臂、左臂和左腿導(dǎo)聯(lián)組成，可進(jìn)行3分頻。我們可以發(fā)現(xiàn)，要想形成12導(dǎo)聯(lián)ECG，只需連接9個(gè)電極即可。通常還會(huì)采用第10個(gè)電極來(lái)提供“右腿驅(qū)動(dòng)”，隨著映射的心臟層面增加，測(cè)量心臟生物電信號(hào)也變得更加復(fù)雜。

如圖4所示，Einthoven導(dǎo)聯(lián)和V導(dǎo)聯(lián)一樣可視為獨(dú)立矢量，信號(hào)來(lái)自導(dǎo)聯(lián)1、2、3，從兩臂間或一條手臂與左腿之間測(cè)量得出。加壓導(dǎo)聯(lián)aVL、aVR和aVF與導(dǎo)聯(lián)1、2、3源自同樣的三個(gè)電極。以aVL為例，正極為左臂，負(fù)極為右腿和右臂的組合。因此，上述導(dǎo)聯(lián)不屬于獨(dú)立導(dǎo)聯(lián)。在胸導(dǎo)聯(lián)連接V1~V6，6個(gè)正電極放置于胸部，之前提到的作為測(cè)量參考的威爾遜中心電端則相當(dāng)于負(fù)電極。

圖2 醫(yī)療保健系統(tǒng)中需要ECG監(jiān)控的環(huán)境

圖3 ECG信號(hào)

圖4 經(jīng)過(guò)心臟的aVx導(dǎo)聯(lián)測(cè)量