心電圖儀設(shè)計(jì)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。ECG的應(yīng)用范圍涵蓋了簡單的心率監(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5 000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?；赗A、LA和LL的6個(gè)導(dǎo)聯(lián)包含類似信息，只是通過不同方法顯示。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。

　　此處描述的是最常用的12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，但不是唯一方案。另外，12導(dǎo)聯(lián)ECG也可以作為5導(dǎo)聯(lián)、3導(dǎo)聯(lián)或1導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)使用。關(guān)鍵是當(dāng)需要不止1個(gè)導(dǎo)聯(lián)時(shí)，需要開關(guān)陣列和均值電路。

　　模擬前端(AFE)

　　AFE的主要功能是將心電信號(hào)數(shù)字化，由于需要抑制RF信號(hào)源、起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)信號(hào)、工頻共模信號(hào)等強(qiáng)干擾以及其他肌體信號(hào)和電子噪聲的干擾，處理過程非常復(fù)雜。另外，毫伏級(jí)的心電信號(hào)可能疊加在數(shù)百毫伏的直流失調(diào)電壓上，加上通道間的共模電壓，可能超過1 V。連接到患者身體的電極一定不能產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)或干擾到連接在病人身上的其他醫(yī)療儀器。ECG的有效頻率范圍某種程度上與應(yīng)用有關(guān)，通常在0.05 Hz～100 Hz之間。

　　AFE的第二個(gè)功能是能夠檢測(cè)起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落、呼吸頻率和患者阻抗，檢測(cè)工作在幾個(gè)通道上同時(shí)或幾乎同時(shí)進(jìn)行。另外，心臟除顫時(shí)，多數(shù)ECG設(shè)備需要快速恢復(fù)，但由于心臟除顫會(huì)導(dǎo)致前端電路和充電電容飽和，這些容性耦合電路會(huì)延長恢復(fù)時(shí)間。

　　AFE架構(gòu)

　　AFE架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，下面描述的增強(qiáng)型架構(gòu)，由于采用了高精度、高速ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，從而在較寬的頻率范圍內(nèi)提供高保真。沒有采用電容耦合，而是通過DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)作為RL驅(qū)動(dòng)，使AFE可以從除顫或射頻干擾中快速恢復(fù)。數(shù)字化起搏信號(hào)允許對(duì)起搏數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而減少錯(cuò)誤的起搏指示，甚至可以檢測(cè)起搏器或連接部分的缺陷。另一方面，還要考慮到增強(qiáng)系統(tǒng)需要昂貴的元器件，耗電也很大。相比之下，簡化型AFE價(jià)格便宜，電池壽命也更長，其他特性差異則很小。

　　增強(qiáng)型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如圖3所示)滿足ECG測(cè)試要求，可以同時(shí)量化9個(gè)電極信號(hào)，在200 kS/s采樣率下的無噪聲精度可達(dá)20位。然后用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)計(jì)算每個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，隔離起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落信號(hào)和呼吸信號(hào)，并濾除干擾頻率信號(hào)。DSP還計(jì)算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)RL電極所需要的信號(hào)強(qiáng)度。這種AFE架構(gòu)需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器的各個(gè)通道高度匹配。另外，還需要緩沖器隔離ADC采樣電容和高阻電極。這種方案雖然滿足了測(cè)量指標(biāo)要求，卻不能滿足多數(shù)應(yīng)用的成本和功耗要求。

　　簡化型AFE：低端AEF系列的特性是單通道、消費(fèi)類ECG。這些設(shè)備的AFE采用電容耦合電路，將輸入信號(hào)耦合到一個(gè)低通差分放大器，再饋送給10位、120 S/s采樣率的ADC。電容耦合電路可以去掉輸入的直流失調(diào)，低通濾波器濾除起搏信號(hào)。這些設(shè)備通常采用電池供電，且只有一個(gè)通道，因此沒有共模電壓。