監(jiān)護(hù)儀是一種用以測量和監(jiān)控病人生理參數(shù),、并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較,、如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置或系統(tǒng),。便攜式監(jiān)護(hù)儀小型方便,，結(jié)構(gòu)簡單,，性能穩(wěn)定,，可以隨身攜帶,，可由電池供電,，一般用于非監(jiān)護(hù)室及外出搶救病人的監(jiān)護(hù),。導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)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(qū)動電極,。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用,。便攜式監(jiān)護(hù)儀分析處理系統(tǒng)可以分為兩大部分,，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監(jiān)護(hù)儀，另一為由微機(jī)系統(tǒng)組成的心電圖處理診斷系統(tǒng),。被檢查者將某一時(shí)段的動態(tài)心電信號由監(jiān)護(hù)儀記錄下來,，通過GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的心電圖處理診斷系統(tǒng)中。

　　體表心電信號的頻率主要集中在0. 05~ 100Hz,，幅度為10μV~ 4mV （典型值為1mV ） ,，是一種低頻率的微弱雙極性信號。它淹沒在許多較強(qiáng)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(nèi)干擾信號和以50Hz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,。因此,，要對心電信號進(jìn)行精確測量，必須設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的放大器,。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級的設(shè)計(jì)。整個前置級電路是由前置放大電路和濾波電路構(gòu)成,，其結(jié)構(gòu)見如圖1.

　　1 前置放大電路

　　便攜機(jī)前置放大電路是對心功能進(jìn)行自動檢測的關(guān)鍵部件,，要求該系統(tǒng)能在強(qiáng)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(shù)字信號,，供計(jì)算機(jī)分析處理。

　　根據(jù)心電信號的特點(diǎn)以及通過電極提取的方式,，前置級應(yīng)滿足下述要求：

　?。?）高輸入阻抗。通過電極提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號,，為了減小信號源內(nèi)阻的影響,，必須提高放大器的輸入阻抗；

　?。?）高共模抑制比CM RR.人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)以外的生理作用的干擾,，一般為共模干擾。前置級采用CM RR高的差動放大形式,，能減小共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化,；

　　（3）低噪聲,、低漂移,；

　　（4）高安全性,，以確保人體的絕對安全,。

　　1. 1 差動放大電路

　　對于心電信號而言，采集的信號屬于差模信號,，因此采用三運(yùn)放差動放大電路作為第一級放大電路,，它具有輸入阻抗高（一般達(dá)109 歐以上） ，低偏置電流,，高共模抑制比,，單端輸出的特點(diǎn)。它在基本運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上每個輸入端各連接一個同相放大器,。所以差動放大電路的第一級是兩個同相放大器（ U 1A和U 1B） ,，第二級是一個差分放大器（ U 1D）?？偟碾妷涸鲆鍭 u等于兩級增益之積,。由于第一級采用同相輸入，有較高的輸入電阻,，電路的平衡對稱結(jié)構(gòu)對由共模抑制比,、失調(diào)及溫度等產(chǎn)生的輸出誤差電壓具有抵抗作用。第二級差放電路將雙端輸入變單端輸出,。把兩級電路級聯(lián)后,，他們相互取長補(bǔ)短，使組合后的這個電路具有輸入阻抗高、電壓增益調(diào)節(jié)方便,、共模抑制比和漂移相互抵消等一系列優(yōu)點(diǎn),。運(yùn)放U 1C是一個積分電路，它的作用是和U 1D共同構(gòu)成一個負(fù)反饋電路,，來消除基線變化對輸出信號的影響,，穩(wěn)定輸出電壓。由于采用串聯(lián)反饋形式,，使放大電路有較高的輸入阻抗,，減小失真的產(chǎn)生。

　　計(jì)算放大器的增益如下：R5= R7= R',， R4= R8= R''

　　因此,，差動放大電路的總增益為：

　　1.2 單極性調(diào)整電路

　　心電信號是一種低頻率的雙極性信號。對于由電池供電的便攜機(jī)來說,，結(jié)構(gòu)簡單,，降低功耗是它的重要特性。為此,，我們設(shè)計(jì)了一個直流分壓電路,，把心電信號抬升為正電平范圍內(nèi)的單極性的信號。為了使運(yùn)算放大器工作在線性放大區(qū)內(nèi),，我們把該直流電壓設(shè)定為VCC（3.3V）的一半,。

　　1.3 放大級電路

　　由于Ui2的信號是由直流信號和微弱的心電信號構(gòu)成的。第二級放大電路的作用是放大心電信號,，而使直流信號保持比較穩(wěn)定的狀態(tài),。為此，調(diào)整VR2的位置,，使Uc的電壓與Ui2的直流分量相等,，則Ui2的直流分量不會被U2D放大。

　　Uo2= U-=Ui2放大級電路的增益為：

　　由此可得到前置放大電路總的增益接近為600,，可以使毫伏級的心電信號放大到伏級,，并處于0V到2. 5V之間。

　　2 抗干擾硬件設(shè)計(jì)方案

　　對心電監(jiān)護(hù)儀器來說,，評價(jià)其整體性能的好壞的首要標(biāo)準(zhǔn)是心電信號在不失真的前提下具有較高的抗干擾能力,，而且安全可靠。為避免干擾所造成的影響,，最有效的措施是消除干擾源,。但在實(shí)際應(yīng)用中，不可能完全將干擾源排除,，所以要在硬件電路上采取措施來提高系統(tǒng)的抗干擾性,。通常采用的措施可分為兩類：一類是消除干擾進(jìn)入系統(tǒng)的通道；另一類是削弱系統(tǒng)對干擾信號的靈敏度。

　　2. 1 提高前置放大器的輸入阻抗和共模抑制比

　　人體置身于充滿電磁場的空間,，恰如一個天線接收器，人體上感應(yīng)有各種頻率的電壓,，對心電儀器的輸入端大多以共模電壓形式存在,，其中最強(qiáng)的是由動力線通過分布電容耦合到人體的50Hz交流電壓。對共模信號的抑制包括提高前置放大電路的共模抑制比（ CM RR）和提高電路,、導(dǎo)聯(lián)和電極電氣特性的對稱性,，以提高輸入阻抗這兩個方面。

　　通過采用高精密度,、高共模抑制比的集成運(yùn)放器件來搭建三運(yùn)放的差動放大電路,，可以提高共模抑制比。值得注意的是放大器的實(shí)際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響,。通過兩個電極提取生物電位時(shí),，兩個等效源阻抗一般不相等，其數(shù)值大小與人體汗腺分泌情況,、皮膚清潔程度有關(guān),。各個電極處的皮膚接觸電極是不平衡的，而且因人而異,。這種不平衡造成的危害是共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化,，從而造成共模干擾的輸出。對于已經(jīng)發(fā)生的這種轉(zhuǎn)化,，放大器本身的共模抑制能力再高也將無濟(jì)于事,。但是，提高放大器輸入阻抗,，則會減小這一轉(zhuǎn)化,。

　　2. 2 設(shè)計(jì)硬件濾波器消除高頻干擾

　　由于心電信號屬于低頻信號，而高頻干擾相對心電信號比較高,，所以低頻的截止頻率可以在一個比較寬的范圍內(nèi)選取,，一般的心電圖機(jī)或監(jiān)護(hù)儀選取低通的截止頻率為90 ~ 120Hz.考慮到便攜機(jī)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，低通濾波器的設(shè)計(jì)采用了一階濾波電路,。以后介紹的軟件濾波也將配合用來消除高頻干擾,。

　　2. 3 設(shè)計(jì)硬件濾波器消除工頻干擾

　　工頻干擾屬于共模信號，對心電信號的干擾特別強(qiáng),。因此,，必須從模擬、數(shù)字兩方面加以抑制,。工頻干擾的消除在模擬電路中可用二階壓控電壓源帶阻濾波器來實(shí)現(xiàn),。參數(shù)選取如下：