一種低噪聲便攜式的心電監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)對(duì)心電分析有重大意義。設(shè)計(jì)了一種心率監(jiān)測(cè)方法，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入從體表獲得的心電信號(hào)先經(jīng)濾波器濾除高頻干擾再經(jīng)一個(gè)50 Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾，然后進(jìn)入MSP430單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化的心電信號(hào)。電路抗50 Hz陷波性能好，噪聲小，整個(gè)電路經(jīng)Electronics Workbench仿真觀察波形基本無(wú)失真。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)儀顯示心電信號(hào)清晰穩(wěn)定，基本滿足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。
關(guān)鍵詞：心電放大電路；波形仿真；低噪聲；濾波器；數(shù)據(jù)采集

0 引 言
監(jiān)護(hù)儀是一種用以測(cè)量和監(jiān)控病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置或系統(tǒng)。便攜式監(jiān)護(hù)儀小型方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監(jiān)護(hù)室及外出搶救病人的監(jiān)護(hù)。心血管疾病是人類生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram，ECG信號(hào)是診斷心血管疾病的主要依據(jù)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人心電活動(dòng)，設(shè)計(jì)自動(dòng)采集病人心電信號(hào)的便攜式系統(tǒng)具有重要意義。
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(lái)，通過(guò)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(cè)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)
心電信號(hào)屬醫(yī)學(xué)生物信號(hào)，它一般具有以下特點(diǎn)：隨機(jī)性較強(qiáng)，即信號(hào)無(wú)法用確定的函數(shù)描述，而只能用統(tǒng)計(jì)的方法，從大量測(cè)量結(jié)果中看其規(guī)律；噪聲背景強(qiáng)，即要測(cè)的有用信號(hào)往往淹沒(méi)在許多無(wú)用信號(hào)中。常規(guī)心電信號(hào)的頻帶范圍是O．05～100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號(hào)90％的能量成分。由于心電信號(hào)是mV級(jí)的信號(hào)，因此對(duì)于干擾環(huán)境而言，它是非常微弱的信號(hào)。
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(méi)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(chǎng)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??；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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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。