一種低噪聲便攜式的心電監測儀設計

董偉超　孟令軍　張會新

摘 要：針對實時監測心電信號對心電分析有重大意義。設計了一種心率監測方法，經導聯輸入從體表獲得的心電信號先經濾波器濾除高頻干擾再經一個50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后進入MSP430單片機的A/D轉換得到數字化的心電信號。電路抗50 Hz陷波性能好，噪聲小，整個電路經Electronics Workbench仿真觀察波形基本無失真。經試驗驗證監測儀顯示心電信號清晰穩定，基本滿足臨床監護以及病理分析的要求。

關鍵詞：心電放大電路；波形仿真；低噪聲；濾波器；數據采集

中圖分類號：TP212.9文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-127-04

Design of Portable and Low Noise ECG Monitor

DONG Weichao,MENG Lingjun,ZHANG Huixin

(Ministry of Education Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan,030051,China)

Abstract：Aimed at the importance of real-time inspect of the ECG signal to ECG signal analysis.A special method for real-time inspectting of the ECG signal is designed.The electrodermal signal gained from the human body which is transmitted by a multiplex selector can be enlarged first transited a preamplifier,next passed a band-pass filter in order to separate high-frequency interfere,and then through a 50 Hz noise rejector,finally the digital signal of electrocardiogram can be gained by the AD of MSP430.The performance of the circuit′s 50 Hz notch filter is good and the noise is low,the waveform of the whole circuit basically does not have the distortion.After testing in the experiment,the waveform of the ECG is clear and stable,basically it can also meet the requirement of the clinical monitor and pathology analysis.

Keywords：ECG amplifier circuit;waveform emulation;low noise;filter;data sampling

0 引 言

監護儀是一種用以測量和監控病人生理參數，并可與已知設定值進行比較，如果出現超差可發出報警的裝置或系統。便攜式監護儀小型方便，結構簡單，性能穩定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監護室及外出搶救病人的監護。心血管疾病是人類生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram,ECG)信號是診斷心血管疾病的主要依據，因此實時監測病人心電活動，設計自動采集病人心電信號的便攜式系統具有重要意義。

傳統的導聯系統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動電極。這種聯接方式有效實用，有利于便攜使用。便攜式監護儀分析處理系統可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監護儀，二是由微機系統組成的心電圖處理診斷系統。被檢查者將某一時段的動態心電信號由監護儀記錄下來，通過GPRS通信方式將數據傳送到醫院的心電圖處理診斷系統中。心電信號是由人體心臟發出相當復雜的微弱信號，為了獲得含有較小噪聲的心電信號，需要對采集到的心電信號做降噪處理。

本設計的特點：

(1) 目前對心電信號的降噪有多種方法，這里主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號中分離。濾波采用高通和低通兩級濾波，濾波電路經Workbench仿真效果明顯。

(2) 與以往雙T型50 Hz陷波器不同的是，該設計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,設計了導聯電極脫落檢測電路，防止運動輸入電極脫落。

1 心電信號的特點及整體系統結構

心電信號屬醫學生物信號，它一般具有以下特點：隨機性較強，即信號無法用確定的函數描述，而只能用統計的方法，從大量測量結果中看其規律；噪聲背景強，即要測的有用信號往往淹沒在許多無用信號中。常規心電信號的頻帶范圍是0.05～100 Hz，在此頻帶范圍內包含了心電信號90%的能量成分。由于心電信號是mV級的信號，因此對于干擾環境而言，它是非常微弱的信號。

心電信號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。它淹沒在許多較強的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號、呼吸波信號等體內干擾信號和以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干擾信號的影響。信號源阻抗大約100 kΩ，信號為10 μV～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；為保持信號的穩定，還要求輸入失調電壓和偏置電流小、溫漂?。粸榱吮阌陔S身攜帶，還要求體積小、電源電壓低、耗電少等。

對心電信號進行精確測量，必須設計出性能優良的放大器。放大器的核心和關鍵是前置級的設計。整個前置級電路由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。從體表獲得的心電信號經導聯輸入后,ECG信號經運放構成的前置放大器放大,濾波器濾除其中的高頻干擾后,再經一個50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾,然后通過電平位移進入A/D轉換,從而得到數字化的心電信號。

2 電路結構描述，心電信號的傳感、放大及濾波

2.1 電路結構描述和仿真

整個監護儀是由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。醫學傳感器獲得體表的心電信號濾除其他頻段干擾后經過放大調理和A/D轉換之后傳給計算機以供數據分析。其中便攜性方面設計了電極脫落檢測電路，擺脫電纜羈絆，使使用者能隨身攜帶。硬件電路用Workbench軟件進行仿真能實現其功能,采用的濾波函數用Matlab和Filterlab軟件仿真之后能達到設計要求。濾波方法采用50 Hz陷波之后，再經過高低通兩級濾波，引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。

2.2 心電輸入電極

電極對動態心電圖采集記錄心電信號的質量至關重要，采用電極應貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導電性能好、極化電壓低的優質電極，此外還應該具有對皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優點。通常采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次性軟電極，并在電極上涂有優質導電膏。

2.3 前置放大器

便攜機前置放大電路是對心電功能進行自動檢測的關鍵部分，要求該系統能在強的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號檢測出來，放大至合適的幅度，送入A/D 變成數字信號，供計算機分析處理。

對心電信號等生物醫學信號的采集采用模塊化的方式，主要由前端醫學傳感器、信號濾波放大調理電路和A/D采樣電路組成。其中調理電路根據不同生物醫學信號的頻譜和幅度范圍的不同選擇不同的濾波器和放大電路。通過前置放大部分對ECG信號進行放大，此部分包括右腿驅動以抑制共模干擾、屏蔽線驅動以消除引線干擾，增益設成10倍左右。設計前置放大采用美國模擬器件公司生產的醫用放大器AD620。放大后的信號經濾波、50 Hz陷波處理后再進一步放大，后級增益設成100倍左右。由于心電信號幅度最大為幾個mV，而A/D轉換中輸入信號的幅度要求在1 V以上，所以總增益設成1 000倍左右。其中，濾波采用二階高(低)通濾波電路，用于消除0.05～100 Hz頻帶以外的肌電等干擾信號，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時，采用有源雙T帶阻濾波電路進一步抑制50 Hz工頻干擾。

2.4 心電信號的放大

心電信號屬于高強噪聲下的低頻微弱信號,且電極與體表的接觸電阻一般高達幾兆歐,所以要求前置放大級應具有高輸入阻抗、高共摸抑制比、低噪聲、高增益且可調、低功耗和抗干擾能力強的特點。經過比較,選用Analog Device公司的低價儀表放大器AD620。

心電信號的放大具體實現電路見圖1。心電信號前置放大級的增益不易設定太高，以免在干擾較強時信號引起嚴重失真。為更好地消除共模電壓，設計了自舉屏蔽驅動電路如圖1所示。采用緩沖放大器將連接點的共模電位驅動到屏蔽線，在輸入共模信號時使屏蔽線與芯線等電位，在差模信號輸入時沒有影響。為了進一步提高電路的抗干擾能力，采用右腿驅動電路從根本上降低空間電場在人體上產生的干擾。此右腿驅動不是實際意義上的右腿驅動，因為由于此系統的側重點在于便攜操作，選用腹部右下側設置電極。

圖1 心電信號放大電路示意圖

2.5 電極脫落檢測

由于此系統應用于人體日常生活中，人常常處于活動狀態，這樣輸入電極很可能脫落，從而使系統不能正常工作。為此，設計了導聯電極脫落檢測電路如圖2所示。

圖2 電極脫落檢測電路

正常情況下，正負電極對人體皮膚形成的極化電壓可以互相抵消。當一側電極脫落時，將有較大的極化電壓輸入，通過一個比較器，當比較電壓超出范圍時，認為電極導聯脫落，V璷輸出電平由正常時的高電平變為低電平，下級三極管導通，蜂鳴器發聲指示。

2.6 心電信號的濾波

BT3受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有下面幾種:工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運動肌電干擾(EMG)、基線漂移等。其中50 Hz的工頻干擾最為嚴重，也是最難消除的。其他的各種噪聲通過高截低通、高通低截濾波方法可以很好地消除。

從心電電極得到的心電信號先要經過前置放大電路，被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時候的心電信號主要受到工頻、肌電等信號的干擾。心電信號需經過兩次陷波和兩次濾波以實現消噪的目的，兩次陷波分別濾掉50 Hz的工頻信號和100 Hz的倍頻諧波信號，兩個濾波器分別是0.05 Hz高通濾波器和100 Hz的低通濾波器。這樣可得到較為光滑的波形。

2.6.1 陷波電路

陷波器的電路如圖3所示，該電路是帶雙T網絡的有源濾波器，其傳遞函數：

A(S)=1+(sCR)21+2(2-A0)sCR+(sCR)2A璙(1)

其中： A璙=R1+R2R2(2)

圖3 陷波器電路圖

與以往雙T型陷波器不同的是，該電路引入放大器A2形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大。品質因數Q可以通過變阻器R瓀來調節。R和C的值可由中心頻率f0確定。

f0=12ΠRC(3)

當f0=50 Hz時，C和R分別取0.068 μF和47 kΩ；f0=100 Hz時，C和R分別取0.068 μF和24 kΩ。

圖4為式(1)傳遞函數的Filterlab 2.0的仿真結果。由此可以看出陷波電路設計符合要求。

圖4 陷波電路的幅頻和相頻特性

2.6.2 帶通濾波電路

帶通濾波器電路如圖5所示，采用的是帶反饋的有源濾波器。該電路前半部分是0.05 Hz的高通濾波器，后半部分為100 Hz的低通濾波器。

圖5 帶通濾波器電路圖

高通濾波器的傳遞函數：

A(S)=-S2C1C3S2C3C4+S(C1+C3+C4)/R5+1/R2R5(4)

低通濾波器的傳遞函數：

A(S)=-1/R1R3S2C2C5+SC5(1/R1+1/R3+1/R4)+1/R3R4(5)

各電阻電容值的選取，除了能夠濾波以外還具有放大作用。以上全部電路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。

圖6是Matlab的濾波仿真結果，從圖中可以看出，信號在50 Hz處被很好地抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達到臨床實用的要求。

濾波器對最終信號的質量尤為重要，由于濾波器的性能對元器件的誤差相當靈敏，因此在這一級的設計中需要選用穩定而精密的阻容原件，可串聯精密電位器以獲得較好的效果。

圖6 濾波前后的ECG頻譜比較

3 結 語

電路中各濾波器的性能與濾波器的參數有直接關系，需經過正確計算。陷波器雙T型網絡中的電阻和電容需要精確匹配，以保證雙T網絡的對稱，否則陷波深度會受影響。變阻器如何調節將會影響波形的好壞，可在實驗中調試得出。

圖7是實際電路測試的結果(縱坐標為μV)，可以看到該電路較好地完成了對心電的降噪。當然，在降噪過程中還可以增加屏蔽技術，以進一步減少外部信號的干擾。帶通濾波器還可以設計成只帶一個放大器的濾波器，使電路更為簡單，但是精確率可能會降低。

圖7 實測心電信號圖

要想獲得清晰穩定的心電信號，心電放大器中前置放大器與濾波器的設計很關鍵,特別是50 Hz的帶阻濾

波器尤其重要。本文設計的以AD620型運放構成的心

電放大器可實現輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度,保證心電信號清晰穩定,按上述設計制作出的監護儀體積小、耗電少、攜帶方便、工作正常。經實測輸出心電波形基本無失真,P波、T波都能得到真實顯示。特別是該電路抗50 Hz陷波性能好,信號中基本看不到寄生工頻干擾。電路穩定性好,即使電極脫落,基線亦無明顯漂移。滿足家居監護以及病理分析的要求。

作為便攜式監護儀器,硬件結構簡單、體積便于攜帶是其自身固有的特點。本文針對這些特點,心電信號采集存儲和數據處理從節省電能和成本方面考慮采用MSP430單片機。為使濾波函數得以更好地實現，可采用具有運算速度快和浮點運算優點的DSP芯片進行改進，使采集的信號失真更小,保真度更高,對ECG信號的采集準確率大大提高，但DSP昂貴的價格會使成本提高。

參考文獻

［1］郭繼鴻.心電學進展［M］.北京:北京醫科大學出版社,2002.

［2］安源,方克仁,任世超.動態心電監護系統的設計［J］.中國心血管雜志,2006,5(4):239-241.

［3］鄒理和.數字濾波器［M］.北京:國防工業出版社,2003.

［4］Joseph J Carr.Introduction to Biomedical Equipment Technology［M］.New York:Prentice Hall,2007.

［5］張唯真.生物放大器前置級的設計［J］.醫療器械,2005,12(1):35-40.

［6］楊福生.生物醫學信號的處理和識別［M］.天津:天津科技翻譯出版公司,2005.

［7］鄧親愷.現代醫學儀器設計原理［M］.北京:科學出版社,2004.

［8］廖德春,廖新浩.幾種常用濾波方法端部效應的比較［J］.中國科學院上海天文臺年刊,2003:22-50.

作者簡介

董偉超 男，1982年出生，河北保定人，碩士研究生。主要研究方向為微系統集成技術。

孟令軍 男，1969年出生，山東壽光人，中北大學副教授，碩士生導師，中國科學院電子學研究所在讀博士。研究方向為無線傳感器網絡技術。

張會新 男，1980年出生，黑龍江牡丹江人，中北大學助教，碩士生導師。研究方向為動態測試與智能儀器設計。