精確心電圖ECG信號(hào)處理的簡(jiǎn)單介紹

心電圖(ECG)是用來(lái)捕捉心臟在一段時(shí)間內(nèi)情況的反映，它通過(guò)外部電極連接到皮膚轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)采集。心臟外面形成的每個(gè)細(xì)胞膜都有一個(gè)關(guān)聯(lián)電荷，它在每次心跳期間去極化。它以微小電信號(hào)的形式出現(xiàn)在皮膚上，可以通過(guò)心電圖探測(cè)到并放大顯示。

早在1900年Willem Einthoven就發(fā)明了第一臺(tái)實(shí)用的心電圖。該系統(tǒng)很笨重，需要很多人去操縱它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有電解液的大型電極中。今天的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，這樣病人走動(dòng)時(shí)也可以帶著。家用十二導(dǎo)聯(lián)心電圖可以裝在口袋里。

心電圖基礎(chǔ)：

文中這個(gè)關(guān)于心電圖的術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)聯(lián)（lead）”，指的是兩個(gè)電極間的電壓差，這就是設(shè)備記錄下來(lái)的差異。例如，“Lead_I”是左臂和右臂電極之間的電壓。Lead_I和Lead_II都指的是肢體導(dǎo)聯(lián)。V1-V6指的是胸部導(dǎo)聯(lián)。心電圖追蹤V1就是Vc1電壓(胸部電極的電壓)，和Lead_I，Lead_II ，Lead_ III的平均電壓之間的差別。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖系統(tǒng)包括八個(gè)真實(shí)數(shù)值和四個(gè)派生值。表1給出了各種導(dǎo)聯(lián)電壓（真實(shí)的和派生的）的簡(jiǎn)介。

這是一個(gè)真實(shí)導(dǎo)聯(lián)，顯示在心電圖軌跡中。

表1：導(dǎo)聯(lián)名稱(chēng)及心電圖記錄位置。

一個(gè)典型的心電圖波形如圖1所示。X軸表示時(shí)間刻度。在這里每格(5毫米)對(duì)應(yīng)的是20毫秒。Y軸顯示的是捕獲信號(hào)的振幅。Y軸上每格(5毫米)對(duì)應(yīng)的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

圖1：典型的心電圖波形。

心電圖特點(diǎn)：

心電圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步包括，了解需要獲取的信號(hào)種類(lèi)。心電圖信號(hào)包括存在于高偏置和噪聲的低振幅電壓。圖2顯示了心電圖信號(hào)的特點(diǎn)。系統(tǒng)里存在高偏移，由于電極產(chǎn)生的半個(gè)細(xì)胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統(tǒng)里最常見(jiàn)的電極，它的最大偏移電壓為 / -300mV。實(shí)際期望的信號(hào)為 / -0.5mV疊加在了電極偏移上。此外，系統(tǒng)還會(huì)合上來(lái)自電源線的50/60Hz噪聲，形成共同模式的信號(hào)。電力線噪聲的幅度有可能非常大，需要對(duì)其進(jìn)行濾波。

圖2：要獲得的心電圖信號(hào)特點(diǎn)。

心電圖采集

模擬前端處理是心電圖系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)樗枰獏^(qū)分噪聲和期望信號(hào)（振幅很小）。模擬前端處理電路包括一個(gè)測(cè)量放大器，從而降低普通模式的信號(hào)。測(cè)量放大器工作在 / -5V，通常是用來(lái)加大的輸入電壓范圍。這個(gè)測(cè)量放大器應(yīng)具備高輸入阻抗，因?yàn)槠つw的阻抗可能是非常大的。需要運(yùn)算放大器來(lái)作為心電圖設(shè)備的信號(hào)處理。心電圖采集系統(tǒng)的信號(hào)鏈包括測(cè)量放大器、濾波器（可通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)）和ADC。

心電圖濾波

信號(hào)處理是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?shí)際的信號(hào)為0.5mV，它處在一個(gè)300mV偏移量的環(huán)境里。其他因素如交流電源干擾，外科設(shè)備的射頻干擾，手術(shù)植入的設(shè)備如起搏器和生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也會(huì)影響精度。心電圖里噪聲的主要來(lái)源是

基線漂移(低頻噪聲)
電力線干擾(來(lái)自電力線的50 Hz或60 Hz噪聲)
肌肉噪聲(這種噪聲是很難被清除，因?yàn)樗窃谕坏貐^(qū)的實(shí)際信號(hào)。它通常是在軟件里糾正。)
其他干擾(例如，來(lái)自其他設(shè)備的射頻噪聲)
共模噪聲去除

干擾通常表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)差分放大器兩端的共模噪聲。這種噪聲可以通過(guò)以下方法去除：

盡可能的把前端接地電路和數(shù)字系統(tǒng)隔離。高效的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)是總體噪聲抑制能力的關(guān)鍵。
使用具有很高共模抑制比（大于100dB）的測(cè)量放大器