一 种 低 噪 声 便 携 式 的 心 电 监 测 仪 设 计 方 案 0 引 言 监 护 仪 是 一 种 用 以 测 量 和 监 控 病 人 生 理 参 数, 并 可 与 已 知 设 定 值 进 行 比 较, 如 果 出 现 超 差 可 发 出 报 警 的 装 置 或 系 统 便 携 式 监 护 仪 小 型 方 便, 结 构 简 单, 性 能 稳 定, 可 以 随 身 携 带, 可 由 电 池 供 电, 一 般 用 于 非 监 护 室 及 外 出 抢 救 病 人 的 监 护 心 血 管 疾 病 是 人 类 生 命 的 最 主 要 威 胁 之 一, 而 心 电 (Electrocardiogram,ECG 信 号 是 诊 断 心 血 管 疾 病 的 主 要 依 据, 因 此 实 时 监 测 病 人 心 电 活 动, 设 计 自 动 采 集 病 人 心 电 信 号 的 便 携 式 系 统 具 有 重 要 意 义 传 统 的 导 联 系 统 采 用 通 用 的 三 电 极 方 式, 右 胸 上 电 极 及 左 腹 下 电 极 为 心 电 采 样 电 极, 右 腹 下 电 极 为 右 腿 驱 动 电 极 这 种 联 接 方 式 有 效 实 用, 有 利 于 便 携 使 用 便 携 式 监 护 仪 分 析 处 理 系 统 可 以 分 为 两 大 部 分, 一 是 携 带 在 被 检 查 者 身 上 的 袖 珍 监 护 仪, 二 是 由 微 机 系 统 组 成 的 心 电 图 处 理 诊 断 系 统 被 检 查 者 将 某 一 时 段 的 动 态 心 电 信 号 由 监 护 仪 记 录 下 来, 通 过 GPRS 通 信 方 式 将 数 据 传 送 到 医 院 的 心 电 图 处 理 诊 断 系 统 中 心 电 信 号 是 由 人 体 心 脏 发 出 相 当 复 杂 的 微 弱 信 号, 为 了 获 得 含 有 较 小 噪 声 的 心 电 信 号, 需 要 对 采 集 到 的 心 电 信 号 做 降 噪 处 理 本 设 计 的 特 点 : (1) 目 前 对 心 电 信 号 的 降 噪 有 多 种 方 法, 这 里 主 要 从 滤 波 的 方 面 介 绍 将 噪 声 从 信 号 中 分 离 滤 波 采 用 高 通 和 低 通 两 级 滤 波, 滤 波 电 路 经 Workbench 仿 真 效 果 明 显 (2) 与 以 往 双 T 型 50 Hz 陷 波 器 不 同 的 是, 该 设 计 电 路 引 入 放 大 器 形 成 正 反 馈, 以 减 小 阻 带 宽 度 落 (3) 本 文 为 人 体 日 常 生 活 方 便, 设 计 了 导 联 电 极 脱 落 检 测 电 路, 防 止 运 动 输 入 电 极 脱 1 心 电 信 号 的 特 点 及 整 体 系 统 结 构 心 电 信 号 属 医 学 生 物 信 号, 它 一 般 具 有 以 下 特 点 : 随 机 性 较 强, 即 信 号 无 法 用 确 定 的 函 数 描 述, 而 只 能 用 统 计 的 方 法, 从 大 量 测 量 结 果 中 看 其 规 律 ; 噪 声 背 景 强, 即 要 测 的 有 用 信 号 往 往 淹 没 在 许 多 无 用 信 号 中 常 规 心 电 信 号 的 频 带 范 围 是 O.05~100 Hz, 在 此 频 带 范 围 内 包 含 了 心 电 信 号 90% 的 能 量 成 分 由 于 心 电 信 号 是 mv 级 的 信 号, 因 此 对 于 干 扰 环 境 而 言, 它 是 非 常 微 弱 的 信 号 心 电 信 号 由 皮 肤 电 极 取 自 于 人 体 表 面, 是 一 种 低 频 率 的 微 弱 双 极 性 信 号 它 淹 没 在 许 多 较 强 的 干 扰 和 噪 声 之 中 这 些 干 扰 主 要 包 括 肌 电 信 号 呼 吸 波 信 号 等 体 内 干 扰 信 号 和 以 50 Hz 工 频 干 扰 电 极 与 皮 肤 界 面 之 间 的 噪 声 为 主 的 体 外 电 磁 场 干 扰 信 号 的 影 响 信 号 源 阻 抗 大 约 100 kω, 信 号 为 10μV~5 mv, 典 型 值 为 1 mv, 加 上 周 围 的 电 磁 干 扰 ( 特 别 是 50 Hz 的 工 频 干 扰 ) 比 较 大, 要 求 放 大 电 路 具 有 高 增 益 高 输 入 阻 抗 和 高 共 模 抑 制 比 ; 为 保 持 信 号 的 稳 定, 还 要 求 输 入 失 调 电 压 和 偏 置 电 流 小 温 漂 小 ; 为 了 便 于 随 身 携 带, 还 要 求 体 积 小 电 源 电 压 低 耗 电 少 等
对 心 电 信 号 进 行 精 确 测 量, 必 须 设 计 出 性 能 优 良 的 放 大 器 放 大 器 的 核 心 和 关 键 是 前 置 级 的 设 计 整 个 前 置 级 电 路 由 前 置 放 大 电 路, 陷 波 电 路 和 滤 波 电 路 构 成 从 体 表 获 得 的 心 电 信 号 经 导 联 输 入 后,ECG 信 号 经 运 放 构 成 的 前 置 放 大 器 放 大, 滤 波 器 滤 除 其 中 的 高 频 干 扰 后, 再 经 一 个 50 Hz 陷 波 器 进 一 步 抑 制 电 源 干 扰, 然 后 通 过 电 平 位 移 进 入 A/D 转 换, 从 而 得 到 数 字 化 的 心 电 信 号 2 电 路 结 构 描 述, 心 电 信 号 的 传 感 放 大 及 滤 波 2.1 电 路 结 构 描 述 和 仿 真 整 个 监 护 仪 是 由 前 置 放 大 电 路, 陷 波 电 路 和 滤 波 电 路 构 成 医 学 传 感 器 获 得 体 表 的 心 电 信 号 滤 除 其 他 频 段 干 扰 后 经 过 放 大 调 理 和 A/D 转 换 之 后 传 给 计 算 机 以 供 数 据 分 析 其 中 便 携 性 方 面 设 计 了 电 极 脱 落 检 测 电 路, 摆 脱 电 缆 羁 绊, 使 使 用 者 能 随 身 携 带 硬 件 电 路 用 Workbench 软 件 进 行 仿 真 能 实 现 其 功 能, 采 用 的 滤 波 函 数 用 Matlab 和 Filterlab 软 件 仿 真 之 后 能 达 到 设 计 要 求 滤 波 方 法 采 用 50 Hz 陷 波 之 后, 再 经 过 高 低 通 两 级 滤 波, 引 入 放 大 器 形 成 正 反 馈, 以 减 小 阻 带 宽 度 2.2 心 电 输 入 电 极 电 极 对 动 态 心 电 图 采 集 记 录 心 电 信 号 的 质 量 至 关 重 要, 采 用 电 极 应 贴 附 力 强 透 气 性 好 吸 汗 电 极 导 电 性 能 好 极 化 电 压 低 的 优 质 电 极, 此 外 还 应 该 具 有 对 皮 肤 刺 激 小 佩 带 舒 适 拆 卸 方 便 等 优 点 通 常 采 用 表 面 镀 有 AgCl 的 可 拆 卸 的 一 次 性 软 电 极, 并 在 电 极 上 涂 有 优 质 导 电 膏 2.3 前 置 放 大 器 便 携 机 前 置 放 大 电 路 是 对 心 电 功 能 进 行 自 动 检 测 的 关 键 部 分, 要 求 该 系 统 能 在 强 的 噪 声 背 景 下, 通 过 体 表 传 感 器 不 失 真 地 将 心 电 信 号 检 测 出 来, 放 大 至 合 适 的 幅 度, 送 入 A/D 变 成 数 字 信 号, 供 计 算 机 分 析 处 理 对 心 电 信 号 等 生 物 医 学 信 号 的 采 集 采 用 模 块 化 的 方 式, 主 要 由 前 端 医 学 传 感 器 信 号 滤 波 放 大 调 理 电 路 和 A/D 采 样 电 路 组 成 其 中 调 理 电 路 根 据 不 同 生 物 医 学 信 号 的 频 谱 和 幅 度 范 围 的 不 同 选 择 不 同 的 滤 波 器 和 放 大 电 路 通 过 前 置 放 大 部 分 对 ECG 信 号 进 行 放 大, 此 部 分 包 括 右 腿 驱 动 以 抑 制 共 模 干 扰 屏 蔽 线 驱 动 以 消 除 引 线 干 扰, 增 益 设 成 10 倍 左 右 设 计 前 置 放 大 采 用 美 国 模 拟 器 件 公 司 生 产 的 医 用 放 大 器 AD620 放 大 后 的 信 号 经 滤 波 50 Hz 陷 波 处 理 后 再 进 一 步 放 大, 后 级 增 益 设 成 100 倍 左 右 由 于 心 电 信 号 幅 度 最 大 为 几 个 mv, 而 A/D 转 换 中 输 入 信 号 的 幅 度 要 求 在 1 V 以 上, 所 以 总 增 益 设 成 1 000 倍 左 右 其 中, 滤 波 采 用 二 阶 高 ( 低 ) 通 滤 波 电 路, 用 于 消 除 O.05~100 Hz 频 带 以 外 的 肌 电 等 干 扰 信 号, 工 频 中 的 其 余 高 次 谐 波 也 可 被 滤 除 掉 同 时, 采 用 有 源 双 T 带 阻 滤 波 电 路 进 一 步 抑 制 50 Hz 工 频 干 扰 2.4 心 电 信 号 的 放 大 心 电 信 号 属 于 高 强 噪 声 下 的 低 频 微 弱 信 号, 且 电 极 与 体 表 的 接 触 电 阻 一 般 高 达 几 兆 欧,
所 以 要 求 前 置 放 大 级 应 具 有 高 输 入 阻 抗 高 共 摸 抑 制 比 低 噪 声 高 增 益 且 可 调 低 功 耗 和 抗 干 扰 能 力 强 的 特 点 经 过 比 较, 选 用 Analog Device 公 司 的 低 价 仪 表 放 大 器 AD620 心 电 信 号 的 放 大 具 体 实 现 电 路 见 图 1 心 电 信 号 前 置 放 大 级 的 增 益 不 易 设 定 太 高, 以 免 在 干 扰 较 强 时 信 号 引 起 严 重 失 真 为 更 好 地 消 除 共 模 电 压, 设 计 了 自 举 屏 蔽 驱 动 电 路 如 图 1 所 示 采 用 缓 冲 放 大 器 将 连 接 点 的 共 模 电 位 驱 动 到 屏 蔽 线, 在 输 入 共 模 信 号 时 使 屏 蔽 线 与 芯 线 等 电 位, 在 差 模 信 号 输 入 时 没 有 影 响 为 了 进 一 步 提 高 电 路 的 抗 干 扰 能 力, 采 用 右 腿 驱 动 电 路 从 根 本 上 降 低 空 间 电 场 在 人 体 上 产 生 的 干 扰 此 右 腿 驱 动 不 是 实 际 意 义 上 的 右 腿 驱 动, 因 为 由 于 此 系 统 的 侧 重 点 在 于 便 携 操 作, 选 用 腹 部 右 下 侧 设 置 电 极 2.5 电 极 脱 落 检 测 由 于 此 系 统 应 用 于 人 体 日 常 生 活 中, 人 常 常 处 于 活 动 状 态, 这 样 输 入 电 极 很 可 能 脱 落, 从 而 使 系 统 不 能 正 常 工 作 为 此, 设 计 了 导 联 电 极 脱 落 检 测 电 路 如 图 2 所 示
正 常 情 况 下, 正 负 电 极 对 人 体 皮 肤 形 成 的 极 化 电 压 可 以 互 相 抵 消 当 一 侧 电 极 脱 落 时, 将 有 较 大 的 极 化 电 压 输 入, 通 过 一 个 比 较 器, 当 比 较 电 压 超 出 范 围 时, 认 为 电 极 导 联 脱 落, V0 输 出 电 平 由 正 常 时 的 高 电 平 变 为 低 电 平, 下 级 三 极 管 导 通, 蜂 鸣 器 发 声 指 示 2.6 心 电 信 号 的 滤 波 BT3 受 到 各 种 噪 声 的 干 扰, 噪 声 来 源 通 常 有 下 面 几 种 : 工 频 干 扰 电 极 接 触 噪 声 人 为 运 动 肌 电 干 扰 (EMG) 基 线 漂 移 等 其 中 50 Hz 的 工 频 干 扰 最 为 严 重, 也 是 最 难 消 除 的 其 他 的 各 种 噪 声 通 过 高 截 低 通 高 通 低 截 滤 波 方 法 可 以 很 好 地 消 除 从 心 电 电 极 得 到 的 心 电 信 号 先 要 经 过 前 置 放 大 电 路, 被 处 理 后 的 信 号 具 有 低 噪 声 低 漂 移 低 共 模 抑 制 比 等 性 能 这 时 候 的 心 电 信 号 主 要 受 到 工 频 肌 电 等 信 号 的 干 扰 心 电 信 号 需 经 过 两 次 陷 波 和 两 次 滤 波 以 实 现 消 噪 的 目 的, 两 次 陷 波 分 别 滤 掉 50 Hz 的 工 频 信 号 和 100 Hz 的 倍 频 谐 波 信 号, 两 个 滤 波 器 分 别 是 0.05 Hz 高 通 滤 波 器 和 100 Hz 的 低 通 滤 波 器 这 样 可 得 到 较 为 光 滑 的 波 形 2.6.1 陷 波 电 路 陷 波 器 的 电 路 如 图 3 所 示, 该 电 路 是 带 双 T 网 络 的 有 源 滤 波 器, 其 传 递 函 数 :
与 以 往 双 T 型 陷 波 器 不 同 的 是, 该 电 路 引 入 放 大 器 A2 形 成 正 反 馈, 以 减 小 阻 带 宽 度, 使 得 阻 带 中 心 频 率 附 近 两 边 的 幅 值 增 大 品 质 因 数 Q 可 以 通 过 变 阻 器 Rw 来 调 节 R 和 C 的 值 可 由 中 心 频 率 f0 确 定 当 f0=50 Hz 时,C 和 R 分 别 取 O.068μF 和 47 kω;f0=100 Hz 时,C 和 R 分 别 取 O. 068μF 和 24 kω 求 图 4 为 式 (1) 传 递 函 数 的 Filterlab 2.0 的 仿 真 结 果 由 此 可 以 看 出 陷 波 电 路 设 计 符 合 要
2.6.2 带 通 滤 波 电 路 带 通 滤 波 器 电 路 如 图 5 所 示, 采 用 的 是 带 反 馈 的 有 源 滤 波 器 该 电 路 前 半 部 分 是 0.05 Hz 的 高 通 滤 波 器, 后 半 部 分 为 100 Hz 的 低 通 滤 波 器
高 通 滤 波 器 的 传 递 函 数 : 各 电 阻 电 容 值 的 选 取, 除 了 能 够 滤 波 以 外 还 具 有 放 大 作 用 以 上 全 部 电 路 所 用 的 放 大 器 均 是 TI 公 司 的 OPA2137 图 6 是 Matlab 的 滤 波 仿 真 结 果, 从 图 中 可 以 看 出, 信 号 在 50 Hz 处 被 很 好 地 抑 制 了, 滤 波 的 效 果 非 常 理 想, 完 全 可 以 达 到 临 床 实 用 的 要 求 滤 波 器 对 最 终 信 号 的 质 量 尤 为 重 要, 由 于 滤 波 器 的 性 能 对 元 器 件 的 误 差 相 当 灵 敏, 因 此 在 这 一 级 的 设 计 中 需 要 选 用 稳 定 而 精 密 的 阻 容 原 件, 可 串 联 精 密 电 位 器 以 获 得 较 好 的 效 果 3 结 语
电 路 中 各 滤 波 器 的 性 能 与 滤 波 器 的 参 数 有 直 接 关 系, 需 经 过 正 确 计 算 陷 波 器 双 T 型 网 络 中 的 电 阻 和 电 容 需 要 精 确 匹 配, 以 保 证 双 T 网 络 的 对 称, 否 则 陷 波 深 度 会 受 影 响 变 阻 器 如 何 调 节 将 会 影 响 波 形 的 好 坏, 可 在 实 验 中 调 试 得 出 图 7 是 实 际 电 路 测 试 的 结 果 ( 纵 坐 标 为 μv), 可 以 看 到 该 电 路 较 好 地 完 成 了 对 心 电 的 降 噪 当 然, 在 降 噪 过 程 中 还 可 以 增 加 屏 蔽 技 术, 以 进 一 步 减 少 外 部 信 号 的 干 扰 带 通 滤 波 器 还 可 以 设 计 成 只 带 一 个 放 大 器 的 滤 波 器, 使 电 路 更 为 简 单, 但 是 精 确 率 可 能 会 降 低 要 想 获 得 清 晰 稳 定 的 心 电 信 号, 心 电 放 大 器 中 前 置 放 大 器 与 滤 波 器 的 设 计 很 关 键, 特 别 是 50 Hz 的 带 阻 滤 波 器 尤 其 重 要 本 文 设 计 的 以 AD620 型 运 放 构 成 的 心 电 放 大 器 可 实 现 输 出 电 压 高 增 益 低 噪 声 高 灵 敏 度, 保 证 心 电 信 号 清 晰 稳 定, 按 上 述 设 计 制 作 出 的 监 护 仪 体 积 小 耗 电 少 携 带 方 便 工 作 正 常 经 实 测 输 出 心 电 波 形 基 本 无 失 真,P 波 T 波 都 能 得 到 真 实 显 示 特 别 是 该 电 路 抗 50 Hz 陷 波 性 能 好, 信 号 中 基 本 看 不 到 寄 生 工 频 干 扰 电 路 稳 定 性 好, 即 使 电 极 脱 落, 基 线 亦 无 明 显 漂 移 满 足 家 居 监 护 以 及 病 理 分 析 的 要 求 作 为 便 携 式 监 护 仪 器, 硬 件 结 构 简 单 体 积 便 于 携 带 是 其 自 身 固 有 的 特 点 本 文 针 对 这 些 特 点, 心 电 信 号 采 集 存 储 和 数 据 处 理 从 节 省 电 能 和 成 本 方 面 考 虑 采 用 MSP430 单 片 机 为 使 滤 波 函 数 得 以 更 好 地 实 现, 可 采 用 具 有 运 算 速 度 快 和 浮 点 运 算 优 点 的 DSP 芯 片 进 行 改 进, 使 采 集 的 信 号 失 真 更 小, 保 真 度 更 高, 对 ECG 信 号 的 采 集 准 确 率 大 大 提 高, 但 DSP 昂 贵 的 价 格 会 使 成 本 提 高