低噪聲便攜式的心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì) - 全文

隨著人民物質(zhì)水平的提高，人們對(duì)健康的要求已不僅停留在治療疾病的水平上，而是提出了預(yù)防疾病，健康保健的新課題。心血管病作為人類健康的第二大殺手，已經(jīng)引起了醫(yī)學(xué)界廣泛關(guān)注。心電檢測技術(shù)是目前心臟病診斷、心臟健康保健所必須的一項(xiàng)技術(shù)。在向小型化、家庭化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢下，勢必需要更為簡便、更加低成本的心電檢測設(shè)備。監(jiān)護(hù)儀是一種以測量和控制病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超標(biāo)可發(fā)出警報(bào)的裝置或系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)儀與監(jiān)護(hù)診斷儀器不同，它必須24小時(shí)連續(xù)監(jiān)護(hù)病人的生理參數(shù)，檢出變化趨勢，指出臨危情況，供醫(yī)生應(yīng)急處理和進(jìn)行治療的依據(jù)，使并發(fā)癥減到最少，達(dá)到緩解并消除病情的目的。監(jiān)護(hù)儀的用途除測量和監(jiān)護(hù)生理參數(shù)外，還包括監(jiān)視和處理用藥及手術(shù)前后的狀況。

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，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(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)

心電圖（ECG）信號(hào)自動(dòng)分析與診斷是目前信號(hào)處理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一，其真正實(shí)現(xiàn)將有力地促進(jìn)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展和人們健康水平的提高，也將是現(xiàn)代信號(hào)處理理論與技術(shù)和人工智能等在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用的重大突破。心電（圖）信號(hào)自動(dòng)分析與診斷系統(tǒng)的研究內(nèi)容廣泛，涉及的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)繁多，是一個(gè)多學(xué)科交叉的龐大課題。到目前為止，現(xiàn)有的心電信號(hào)自動(dòng)分析方法中還存在著諸多的缺陷和不足，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面仍有許多改進(jìn)和創(chuàng)新的空間。針對(duì)這種現(xiàn)狀，論文圍繞"心電信號(hào)預(yù)處理"、"心電波形檢測與定位"、"心電特征提取與選擇"和"心電信號(hào)自動(dòng)分類與識(shí)別"四個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

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(hào)的穩(wěn)定，還要求輸入失調(diào)電壓和偏置電流小、溫漂小；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)檢測的關(guān)鍵部分，要求該系統(tǒng)能在強(qiáng)的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號(hào)檢測出來，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、屏蔽線驅(qū)動(dòng)以消除引線干擾，增益設(shè)成10倍左右。設(shè)計(jì)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(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，在輸入共模信號(hào)時(shí)使屏蔽線與芯線等電位，在差模信號(hào)輸入時(shí)沒有影響。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

在電池中電極一般指與電解質(zhì)溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)的位置。電極有正負(fù)之分，一般正極為陰極，獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極則為陽極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。電極可以是金屬或非金屬，只要能夠與電解質(zhì)溶液交換電子，即成為電極。電極是原電池的基本組成部分。利用自發(fā)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流的裝置叫原電池，一個(gè)原電池必須由兩個(gè)基本部分組成：兩個(gè)電極和電解質(zhì)溶液。給出電子發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，如丹尼爾電池（右圖上部所示）中的Zn極，由于其電勢較低，被稱為負(fù)極（negative electrode）；而接受電子發(fā)生還原反應(yīng)的一極，如Cu極，由于其電勢較高，而稱作正極（positive electrode）。

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

用陷波器，即電感電容串聯(lián)諧振電路。串聯(lián)諧振的特征是：對(duì)諧振的頻率信號(hào)阻抗為0,對(duì)其它頻率信號(hào)阻抗為∞；把串聯(lián)諧振電路接在信號(hào)通道與地之間，并諧振于干擾信號(hào)頻率，這樣，干擾信號(hào)就被諧振電路短路入地，對(duì)其它頻率信號(hào)無影響。

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)：

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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(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。

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2．6．2 帶通濾波電路

濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C,或與負(fù)載串聯(lián)電感器L,以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V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

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(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，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是實(shí)際電路測試的結(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)測輸出心電波形基本無失真，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，基線亦無明顯漂移。滿足家居監(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。