心電圖儀設(shè)計(jì)方案與細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用綜述

心電圖(ECG或EKG)用于測(cè)量隨時(shí)間變化的心肌電信號(hào)，并將測(cè)量結(jié)果用圖形顯示出來(lái)。ECG的應(yīng)用范圍涵蓋了簡(jiǎn)單的心率監(jiān)測(cè)到特殊的心臟狀況診斷。任何應(yīng)用中，ECG的測(cè)試原理是相同的，但設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及對(duì)電子元件的要求差別很大，從價(jià)格低于200美元的便攜設(shè)備到超過(guò)5000美元、大小與傳真機(jī)等同的臺(tái)式設(shè)備。有些應(yīng)用中，甚至把ECG嵌入到其他儀器中，例如病人監(jiān)護(hù)儀、自動(dòng)體外除顫器(AED)等，如圖1所示。

圖1 病人監(jiān)護(hù)儀所顯示的ECG和血氧讀數(shù)

所有ECG都通過(guò)連接在身體特殊部位的電極采集心電信號(hào)，身體產(chǎn)生的心電信號(hào)幅度只有幾個(gè)毫伏，通過(guò)連接在身體特定位置的電極，可以從不同的角度觀察心電活動(dòng)，每個(gè)位置都可以作為ECG的一個(gè)輸出通道顯示并打印，每個(gè)通道代表兩個(gè)電極之間的差分電壓或某一電極與幾個(gè)電極平均電壓的差值，電極間的不同組合可以顯示出比電極數(shù)更多的通道。這些通道一般稱為“導(dǎo)聯(lián)”(或“通道”)，一個(gè)12導(dǎo)聯(lián)的ECG設(shè)備具有12個(gè)獨(dú)立的圖形顯示通道?；诓煌瑧?yīng)用，導(dǎo)聯(lián)數(shù)量可以在1～12之間選擇。問(wèn)題是，連接電極的導(dǎo)線有時(shí)也被稱為導(dǎo)聯(lián)，這樣容易引起混淆，因?yàn)?2導(dǎo)聯(lián)(12通道)的ECG只需要10個(gè)電極(10條線)，所以要仔細(xì)判斷所使用的“導(dǎo)聯(lián)”。

除了生物信號(hào)外，多數(shù)ECG還會(huì)檢測(cè)兩個(gè)人工信號(hào)，其中植入式心臟起搏器(簡(jiǎn)稱為“起搏”信號(hào))是最重要的信號(hào)。起搏信號(hào)時(shí)間相當(dāng)短，從數(shù)十微秒到幾毫秒，幅度從幾毫伏到接近1 Ｖ。通常，ECG必須同時(shí)偵測(cè)是否存在起搏信號(hào)，以防干擾其他心電信號(hào)。第二種人工信號(hào)用于檢測(cè)“導(dǎo)聯(lián)脫落”，即電極的接觸不良。許多ECG需要在電極接觸不良時(shí)發(fā)出報(bào)警指示。為此，ECG設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)用于測(cè)量電極與人體間的阻抗，從而檢測(cè)是否存在導(dǎo)聯(lián)脫落。測(cè)量信號(hào)可以是交流或直流，也可以兼用。某些ECG還可以在檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落的狀態(tài)時(shí)通過(guò)分析阻抗檢測(cè)呼吸頻率。應(yīng)該連續(xù)檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落狀態(tài)，而且不能妨礙心電信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。

圖2所示為ECG總體功能框圖。如果把ECG劃分成對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換的模擬前端(AFE)和將要進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的“其余部分”，就比較容易理解心電儀對(duì)電子元器件的要求。AFE通常具備相同的基本要求，差別在于導(dǎo)聯(lián)數(shù)、信號(hào)保真度、干擾抑制能力等。根據(jù)具體的功能需求，系統(tǒng)“其余部分”的差異很大，典型功能包括顯示器、打印硬件拷貝、無(wú)線(RF)連接以及電池充電等。

圖2 ECG總體功能框圖

導(dǎo)聯(lián)數(shù)(導(dǎo)數(shù))

最顯著的特性之一是導(dǎo)聯(lián)數(shù)，有些ECG只有一個(gè)導(dǎo)聯(lián)，有些則多達(dá)12個(gè)導(dǎo)聯(lián)。最常用的12導(dǎo)聯(lián)ECG需要10個(gè)電極，其中9個(gè)用來(lái)采集電信號(hào)，第10個(gè)電極連接在右腿(RL)上，由ECG電路驅(qū)動(dòng)，以降低共模電壓。9個(gè)輸入電極分別是左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)各一個(gè)電極，前心(胸)區(qū)域 6個(gè)電極(V1-V6)。每個(gè)導(dǎo)聯(lián)或心電視圖都代表某一電極與另一電極或一組電極之間的電壓差，如果將電極編組，則取電壓平均值。對(duì)RA、LA和LL三個(gè)電極引出的6導(dǎo)聯(lián)取平均，作為差分對(duì)的一邊，V1～V6分別作為6個(gè)差分對(duì)的另一邊。有3個(gè)導(dǎo)聯(lián)源于RA、LA，LL各自與其他兩個(gè)電極的均值之差。其余 3個(gè)導(dǎo)聯(lián)是把RA、LA和LL作為獨(dú)立的差分對(duì)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。基于RA、LA和LL的6個(gè)導(dǎo)聯(lián)包含類似信息，只是通過(guò)不同方法顯示。因?yàn)樾畔⑹侨哂嗟?，所以不需要測(cè)量所有6個(gè)導(dǎo)聯(lián)，有些通道數(shù)據(jù)可以利用DSP對(duì)其他通道數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到。