心電信號采集系統(tǒng)的研究與設計

王思毅

本文研究設計了十二導聯(lián)心電采集系統(tǒng)。系統(tǒng)由前端采集電路模塊、濾波模塊和控制模塊組成。前端采集模塊對信號進行放大并抑制共模干擾，濾波模塊對信號進行噪聲處理，控制模塊對導聯(lián)切換和模數轉換進行控制。本系統(tǒng)具有體積小、高質量的特點，并使用了低功耗的處理芯片使得長時間的實時心電采集更加簡單方便。其能夠以更高效穩(wěn)定的方式對人體心電信號進采集，在未來可以更好地預防心血管疾病的發(fā)生，為人們的健康生活提供保障。

1 引言

心血管疾病具有很強的隱蔽性和高危險性，一直是醫(yī)學界研究的熱點問題。心電監(jiān)護儀器能夠及時發(fā)現(xiàn)心血管的異常情況，成為臨床診斷以及生命科學研究的重要工具。目前使用較多的心電監(jiān)護儀器主要以工作站的形式應用于醫(yī)院，因其價格昂貴且不便攜帶，阻礙了家庭應用的普及。隨著人們生活水平的提高，肥胖、快節(jié)奏的生活壓力促使心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一。與此同時，心血管疾病的發(fā)病趨勢也不斷趨于年輕化，便攜式的心電系統(tǒng)能夠幫助心血管類疾病的預防以及治療。隨著電子設備的快速發(fā)展，專業(yè)的便攜式心電監(jiān)測設備也能夠進入家庭中實現(xiàn)心電信號的日常監(jiān)護，從而使醫(yī)生能夠更加全面及完整地評估病人的心臟狀況。使用心電監(jiān)護儀可提高護理工作效率，隨時了解患者病情，提高治療和護理質量，大幅度降低危重患者的病死率。因此，本文所研究的十二導聯(lián)采集系統(tǒng)具有重要的醫(yī)療價值與社會價值。

本文設計的便攜式十二導聯(lián)心電采集系統(tǒng)通過電極片從人體的十個不同部位采集心電信號，信號經過放大、共模抑制、濾波并通過MSP430F149芯片控制模數轉換，其通過控制導聯(lián)切換芯片可以得到8路心電信號， 最終可以得到十二導聯(lián)信號。

2 系統(tǒng)總體結構

前端采集電路模塊從人體采集到微弱的生物電信號，并進行放大且抑制共模干擾，信號再經過濾波模塊后得到高質量的心電信號。控制模塊采用了MSP430F149，低功耗處理芯片是系統(tǒng)的中央處理芯片，不僅進行導聯(lián)切換，還控制模數轉換AD7691等芯片。

3 十二導聯(lián)心電采集系統(tǒng)硬件設計

心電信號的頻率主要集中在0.05～150Hz之間。心電信號極其微弱，前端采集模塊需要識別到0.5-2mV的微弱信號。在心電采集過程中還有許多噪聲會對心電信號造成一定的影響，例如肌電干擾、呼吸引起的基線漂移和幅度變化、電極接觸噪聲和電極移位干擾、工頻干擾和其他各種高頻噪聲。系統(tǒng)前端采集模塊包含了采集放大電路、威爾遜中心電路、差分放大電路、右腿驅動電路（DRL）以及濾波電路。

3.1 前端采集放大與差分放大電路

人體與電極的接觸阻抗遠大于人體自身阻抗，因此前端采集模塊需要具有較高的輸入阻抗，所以應選擇具有低失調電壓、低輸入偏置電流、低噪聲和高輸入阻抗的運算放大器。本系統(tǒng)采用了具有高共模抑制比（CMRR=126dB）的OPA4177放大器。由于輸入部分噪聲遠大于信號，因此并不適宜在前端過于放大。在信號經過前端采集后，使用了AD8221作為差分放大器對信號進行放大，并將增益設置約為6倍。AD8221作為高性能差分放大器，具有相同類別產品中最高的共模抑制比，同時它的適用于生物醫(yī)學分析和航空航天儀器等。它可以通過單一電阻實現(xiàn)在1到1000范圍內的增益設置。在信號經過濾波后再對信號進行了放大，放大倍數約為63倍，最終信號放大倍數近400倍。前端采集中加入了威爾遜參考電路和右腿驅動電路，威爾遜網絡是由9個電阻組成星形電路，星形公共點是威爾遜網絡的中心端，這點的電位與人體電偶中心點電位相等，均可視為零點，可與其他導聯(lián)組成差分放大電路。右腿驅動電路的主要功能是抑制人體采集的50Hz工頻干擾，心電信號采集系統(tǒng)中常用右腿驅動電路來降低50Hz工頻干擾，能夠降低共模干擾的影響，大幅度50Hz工頻干擾，心電信號主要頻率成分則不會受到影響。

3.2 濾波器電路

由于心電信號主要集中在0.05-150Hz之間，肌電信號的頻率范圍主要在20-500Hz，容易受到基線漂移和工頻干擾。本系統(tǒng)巴特沃斯濾波器進行濾波處理，其特點是通頻帶內的頻率響應曲線非常的平滑，而在阻頻帶則較快地平穩(wěn)下降。本系統(tǒng)采用二階巴特沃斯低通濾波電路進行低通濾波，截止頻率設置為150Hz。四階巴特沃斯高通濾波器進行高通濾波，并將其截止頻率設置在0.05Hz。

4 結束語

十二導聯(lián)心電采集系統(tǒng)具有便攜、低功耗和高質量的特點，患者的心電信息能夠更好地采集傳輸。本系統(tǒng)通過前端采集模塊對信號進行放大及共模抑制，濾波模塊針對心電信號的噪聲特點進行了濾波處理，減少了干擾，最終采集到高質量的心電信號。endprint