人體心電信號檢測系統的研究

【摘要】設計了一種能采集人體微弱心電信號的檢測系統，此系統使用前端電路實現對心電信號的采集，通過濾波、陷波電路過濾掉人體及器件產生的干擾信號，后級放大及電平抬高電路為模擬信號進行模數轉換做準備，最后使用MPS430單片機進行A/D轉換，從而實現心率的讀取。測試結果表明，此系統達到了良好的檢測效果。

【關鍵詞】心電信號；模擬信號采集；濾波電路；放大電路；模數轉換

Abstract：In this paper，a measurement system for weak electrocardiograph（ECG）signal is proposed.The system employs an analog front-end for ECG signal acquisition，which integrates bandpass and notch filters to remove interference signal from human body and environment.A second amplifier stage provides gain and level shifting to signal for analog-to-digital（A/D）conversion.Finally，the A/D conversion is realized by MPS430 micro-controller，which completes the ECG signal measurement.Experiment results show that the system achieves good measuring performance.

Keywords：ECG signal；analog signal acquisition；filter circuit；amplifying circuit；A/D conversion

隨著電子與信息技術的不斷發展及其在醫療系統中應用的深入，世界各地尤其是歐美國家相繼提出了心電檢測設備的小型化、家用化要求和建立遠程醫療體系的設想。從1980年代開始，國外開始建立以電話線路傳輸心電信號的心電圖監測中心，隨后又出現了以數字式電話傳輸心電圖信號的研究。國外各大公司也紛紛跟進，進行心電監護產品的研究開發工作；亞洲的日本在這方面也做了較大的投入，其中SONY，東芝已有類似的監護設備上市，但都價格不菲。

國內在這方面的研究晚于西方國家，一個總的特點是起步晚、起點高。目前，國內生產便攜式心電監護設備的廠家有很多，產品也進入了實用化，但是大多數是以OEM方式進行組裝的，具有自主開發能力的較少?？偟膩碚f，目前國內心電監護產品主要特點為：市場需求越來越大；技術水平和產品質量在不斷提高；生產廠家多，但核心技術掌握不足。隨著中國經濟水平的不斷發展及與國際社會融入程度的不斷加深，在這方面有著巨大的發展潛力。無論國內還是國外都對心電監護設備的研究投入了巨大的人力與物力。伴隨著電子技術的飛速發展[1]，其前景必定相當廣闊。

1.心電信號檢測原理

在心臟興奮過程中出現生物電源，產生電流，它在周圍組織里流動，所以有可能通過心臟外的一對電極測到它的時變電勢差，即心電圖[2]。這對電極構成了最簡單的心電描記導聯方式。臨床上為了便于比較所獲得的ECG波形，對測定ECG的電極位置、引線與放大器的聯接方式有嚴格的統一規定，稱之為心電圖導聯[3]。此線路裝置包括電極與導聯線，置于四肢的電極放在兩腕，兩踝內上側0.05m處。連接四肢的導聯線的顏色也有統一的規定，紅、黃、綠、黑色導聯線分別連于右上肢、左上肢、左下肢、右下肢上電極[4]。根據電極的放置位置及連接方法的不同，常用的有標準雙極導聯，加壓單極肢體導聯，單極胸導聯三種[5]。而在心電監護儀的臨床使用中，根據不同的要求可以選擇不同的導聯。

在心電信號檢測中，攝取人體內的生物電的導體稱之為電極。它的阻抗、極化特性、穩定性等對測量的精確度影響很大[6]。為了準確、方便地記錄心電信號，要求電極（傳感器）從離子導電變成電子導電的電化學半電池反應的可逆性要好。目前國內外供臨床廣泛使用的電極為銀—氯化銀電極。它是用銀粉和氯化銀粉壓制而成的，是一種較為理想的體表心電信號檢測電極。使用時，電極片和皮膚之間充滿導電膏，形成一薄層電解質來傳遞心電信號，從而有效地減小了由于電極片與皮膚直接接觸所造成的極化電壓。心電檢測前端的電極及導聯選擇好后，檢測電路將主要針對心電信號的特點和干擾進行設計。

由于心電信號是自人體體表特定點處拾取的生物電信號，其是一個非常微弱的非正弦的低頻信號，一般只有0.05～5mV，典型值為1mV，可低至幾十微伏，頻譜分布在0.05～ 100Hz，主要頻譜分量集中在0.5～35Hz。要采集這樣的信號，首先必須設計合適的心電信號檢測電路。在心電放大器輸入回路內，由于電極和與電極接觸的電解質溶液（導電膏、汗液或組織液等）之間存在著復雜的離子交換過程，在其接觸面形成極化電動勢Ep1和Ep2，當Ep1≠Ep2時，其差值比心電信號大得多，能達到數百毫伏[7]。差值信號與心電信號一起，由心電放大器放大，勢必造成前置放大器靜態工作點的偏離，甚至進入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞，所以心電檢測電路的前置放大器的增益不能太大。經過后置主放大后，達到心電信號的放大要求。心電信號是低信噪比的周期性微弱信號，在ECG信號采集過程中，易受儀器、人體等方面的影響，并混有很強的工頻干擾，因此放大后的信號還要經過濾波處理以保證通帶為0.05～100Hz，并抑制50Hz工頻干擾。

2.系統功能設計

2.1 系統總體設計

基于對心電信號原理特點和干擾因素的分析，設計的系統[8]應當包含以下幾個部分，系統框圖如圖1所示。

（1）前置放大器將使用導聯電路采集的微弱的心電信號放大50倍左右，使信號可以通過濾波電路正常濾波。

圖1 心電信號采集系統圖示

（2）濾波電路由帶通電路、帶阻電路和陷波電路組成，使被放大的心電信號中0.5-100Hz的成分得以通過，濾掉不符合噪聲等不符合要求的成分。陷波電路的目的是去掉50Hz工頻干擾，所以在設計中采用50Hz的陷波。

（3）電壓抬升電路將濾波之后的信號放大到1V以上，并且把所有信號抬升到正半軸，使信號得以滿足模數轉換的要求。

（4）MPS430單片機的A/D轉換模塊要求輸入信號為大于0的峰峰值在1V以上的信號。通過單片機中的模數轉換模塊實現對心電信號的統計，從而采集到心率值，同時將心率值在液晶模塊上顯示。

2.2 系統單元電路設計

2.2.1 前級放大電路

由AD620構造系統的前級放大電路，兩個輸入端A、B分別使用體表電極接被測者左右手的動脈上，第三個輸入端C通過體表電極接小腿，A、B與C共同構成導聯系統，形成單通道的心電監測系統，以獲得基本ECG中較大的R波。前端放大的設計可以將心電信號放大110倍，電路如圖2所示。

圖2 前級放大電路

圖3 陷波電路

2.2.2 濾波電路

經過前級放大的心電信號首先經過高通濾波使1Hz以上的信號通過，再經過低通濾波使低于100Hz的信號通過。兩部分共同組成帶通電路，過濾掉信號中不滿足要求的部分，留下1Hz到100Hz的有效成分。

2.2.3 陷波電路

陷波器就是一種用作單一頻率陷波的窄帶阻濾波器，一般用帶通濾波器和減法器電路組合起來實現。理想的帶阻濾波器在其阻帶內的增益為零。設計采用雙T型網絡設計50Hz工頻陷波電路，去掉信號中由于工頻干擾產生的噪聲信號，電路如圖3所示。

2.2.4 后級放大電路

信號經過濾波之后仍舊十分微弱，不能滿足模數轉換的條件，后級放大電路可以實現對信號的二次放大并彌補濾波時信號的衰減。前級放大和后級放大將心電信號放大1000倍。電路中使用可變電阻使放大倍數可調。

2.2.5 電平抬升電路

MPS430的模數轉換模塊要求輸入信號的值為正值，故通過電平抬升電路將放大之后的信號抬升到正半軸，以滿足單片機對信號的處理要求。

3.系統功能測試

將本系統作為本科學生課程設計內容，學生結合實驗室提供的元器件通過理論計算并用仿真軟件調試得出的元件參數大小，再到實驗室在萬用板上設計元件及各電路部分的位置并進行焊接。為了便于各個電路部分的調試和修改，首先使用杜邦線將每個部分連接在一起，并使用杜邦線連接信號的輸入輸出方便檢測，其次進行安裝調試。使用體表電極連接雙臂動脈和小腿，將抬升之后的信號輸入到濾波器，調節可變電阻使濾波器上顯示的波形在正半軸。圖4為數字示波器實測的心電波形。

圖4 心電波形

可以看出系統對心電信號的采集沒有受到很大的干擾，波形干凈均勻，各段心電信號均可正常顯示。

4.結束語

系統通過模擬電路的設計，包含前端放大、濾波電路、后級放大和抬升電路四個部分，通過對每部分所用器件、元件的選擇、仿真以及測試使人體的心電信號能夠被采集并正常放大，同時濾掉人體或器件產生的干擾信號。經過電路的焊接調試，最終得到人體心電信號的波形。本次設計是較為成功的，但是設計中還存在一些缺陷和不足，需要后續的學習修正。

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]張開滋，劉海樣，吳杰.心電信息學[M].北京：科學技術文獻出版社，1998.

[3]李根泉.心腦電圖計算機分析的原理和應用[M].北京：科學出版社，1986：90-99.

[4]錢小安.電話傳送心電與計算機會診網絡的臨床應用[J].心電學雜志，1996，15（4）：6-9.

[5]Zhang Y，et al.First Trial of Home ECG and Blood Pressure Telemonitoring System in Macau，Telemedicine Journal，1997，3（7）：569-578.

[6]Miao Zhenkui，Zhu Shuwen.Distant Electrocardiogram Monitoring System.International Medical Device，1999，5（4）：999-1015

[7]馮煥清等.心電計算機輔助診斷中的波形檢測和識別方法研究[J].合肥：中國科技大學學報，2011，21.

[8]何敏，袁海洋，候建彬，王威廉.基于ARM的便攜式移動心電監護終端設計[J].儀器儀表學報，2010，31（8）：164-167.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（項目編號：11273001）。

作者簡介：楊華（1963—），女，遼寧沈陽人，學士，高級實驗師，主要研究方向：電子技術等。