便攜式心電信號采集電路設計

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動的部分；通過對二階濾波和陷波器的參數(shù)選擇和調試，得到較理想的濾波效果。A／D轉換是利用FPGA設計控制模塊來實現(xiàn)的，其他存儲、顯示模塊可以集中在FPGA上，增加了便攜設備的集中度。實驗和仿真結果表明，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。
關鍵詞：心電信號；信號采集；電路設計；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)院大型設備到便攜式儀器，甚至各種遠程診斷設備，都有飛躍發(fā)展，而所有心電設備的基礎都是精確采集到心電信號。在大型設備中，對采集電路的性能要求嚴格，因此電路設計復雜，體積較大。在便攜式設備中，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，設計出便攜式心電信號的采
集電路。

1 心電圖產生機理
在人體內，竇房結發(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)結構
便攜式心電監(jiān)護儀的目標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)整體結構如圖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)指標上看，適用于心電的前置放大電路。
3．2 導聯(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，稱為心電圖的導聯(lián)系統(tǒng)，常稱導聯(lián)。廣泛認可的國際標準十二導聯(lián)，分別為I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中I、Ⅱ、Ⅲ導聯(lián)為雙極導聯(lián)，其余為單極導聯(lián)。I、Ⅱ、Ⅲ導聯(lián)又稱肢體導聯(lián)，拾取左右臂和左腿的任兩者之間的電位差，所以是雙極導聯(lián)。雙極導聯(lián)不反映單電極的電位變化。單極導聯(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稱為加壓肢體導聯(lián)，是改變參考電極端，使信號幅度增加一倍的肢體導聯(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。