摘要：針對便攜式心電采集電路體積小、性能高的要求,，以AD620和TL064為核心設計出由前置放大電路,、無源高通濾波、二階低通濾波,、陷波器和二級放大電路等組成的采集電路,。前置放大電路的設計和參數(shù)的選擇抑制了噪聲，省去了通常采集電路中右腿驅(qū)動的部分,；通過對二階濾波和陷波器的參數(shù)選擇和調(diào)試,，得到較理想的濾波效果。A／D轉(zhuǎn)換是利用FPGA設計控制模塊來實現(xiàn)的,，其他存儲,、顯示模塊可以集中在FPGA上，增加了便攜設備的集中度,。實驗和仿真結果表明,，在簡單電路和參數(shù)下能夠得到對50 Hz頻率衰減幾乎為0，在1 000 Hz時衰減-40 dB,，幅度放大1 000倍的心電信號,。
關鍵詞：心電信號；信號采集；電路設計,；FPGA
隨著生活水平的提高,，健康問題引起人們高度重視，尤其是對心臟疾病方面,，因而從醫(yī)院大型設備到便攜式儀器,，甚至各種遠程診斷設備，都有飛躍發(fā)展,，而所有心電設備的基礎都是精確采集到心電信號,。在大型設備中，對采集電路的性能要求嚴格,，因此電路設計復雜,，體積較大。在便攜式設備中,，對采集電路要求性能和體積的統(tǒng)一,。因此在便攜式自動心電診斷系統(tǒng)的項目背景下，設計出便攜式心電信號的采
集電路,。
1 心電圖產(chǎn)生機理
在人體內(nèi),，竇房結發(fā)出一次興奮，按一定途徑和時程,，依次傳向心房和心室,，引起整個心臟興奮。因此,，每個心動周期中,，心臟各個部分興奮過程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑,、次序和時間都有一定規(guī)律,。這種生物電變化通過心臟周圍的導電組織和體液反映到身體表面上，使身體各部位在每一心動周期中也都發(fā)生有規(guī)律的生物電變化,，即心電位,。若把測量電極放置在人體表面的一定部位，記錄處心臟電位變化曲線,，即常規(guī)心電圖(Electrocardiogram,，簡稱ECG)。
2 系統(tǒng)結構
便攜式心電監(jiān)護儀的目標是具備自動診斷心臟疾病的功能,，同時便于家庭和旅行使用,。這里主要給出便攜式心臟疾病自動診斷設備的前端部分，即信號采集和處理部分,。心電信號的采集主要由放大,、濾波等模擬電路完成,。心電信號在FPGA控制下，實現(xiàn)信號的數(shù)字化,，以便后續(xù)進一步處理和存儲,，系統(tǒng)整體結構如圖l所示。
3 采集心電信號
3．1 心電信號的特點
正常心電信號的幅值范圍為10 V～4 mV,，典型值為1 mV,。頻率范圍在0．05～100 Hz，而90％的頻譜能量集中在0．25～35 Hz之間,。在檢測微弱的心電信號時還要注意到噪聲的抑制,。這些噪聲主要有皮膚與電極接觸的極化電壓、其他生理信號的混入,、電子器件的噪聲,、無線電波和工頻干擾等。
根據(jù)心電信號非常微弱的特點,，采集心電信號的前置放大電路需要具備高輸入阻抗,、高共模抑制比、放大器低噪聲和低漂移等方面性能,。
綜合考慮以上要求,，這里選用放大器為AD620,。AD620的輸入阻抗為10GΩ,，增益為10時的共模抑制比為100dB，最大溫度漂移O.6μV／℃,。從AD620的參數(shù)指標上看,，適用于心電的前置放大電路。
3．2 導聯(lián)系統(tǒng)
從人體體表采集心電時,，首先要考慮2個問題：一是電極的放置位置,。二是電極與放大器連接形式。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的心電波形,，對測定ECG的電極位置和與放大器的連接方式都做了統(tǒng)一規(guī)定,，稱為心電圖的導聯(lián)系統(tǒng)，常稱導聯(lián),。廣泛認可的國際標準十二導聯(lián),，分別為I、Ⅱ,、Ⅲ,、aVR、aVL,、aVF,、V1～V6,。其中I、Ⅱ,、Ⅲ導聯(lián)為雙極導聯(lián),，其余為單極導聯(lián)。I,、Ⅱ,、Ⅲ導聯(lián)又稱肢體導聯(lián)，拾取左右臂和左腿的任兩者之間的電位差,，所以是雙極導聯(lián),。雙極導聯(lián)不反映單電極的電位變化。單極導聯(lián)是一端接參考電極,，另一端接探查電極,，反映心臟局部電位變化。V1～V6便是一端接參考電極,，一端的探查電極放在胸部的6個位置,。aVR、aVL,、aVF稱為加壓肢體導聯(lián),，是改變參考電極端，使信號幅度增加一倍的肢體導聯(lián),。
3．3 一級放大
心電信號一級放大器選用AD620,，它在輸入阻抗、共模抑制比,、低噪低漂移上具有出色的性能,。另外，AD620采用差分放大,，能夠有效地抑制噪聲,。一級放大倍數(shù)不宜太大，因為在采集信號時可能產(chǎn)生電位波動和極化電壓及其他噪聲,，給后續(xù)電路處理噪聲帶來不便,，建議在7～lO倍。電路連接如圖2所示,，另外,，AD620的REF引腳接地。
3．4 濾波電路
由于心電信號的頻率在0．05～100 Hz,，采集電路就需要設計濾波器除去該段頻率以外的噪聲頻率,。濾波電路主要由高通濾波、低通濾波和50Hz陷波器組成,。高通濾波器,，采用簡單的CR無源高通電路(圖2),，能有效阻斷直流通路，消除基線漂移,，而基線漂移主要是由呼吸引起,。為了達到理想的濾波效果，對大于截止頻率的信號,，有較嚴格的衰減,，設計了二階低通濾波器，如圖2所示,。
對電路進行實際測試計算得到以下數(shù)據(jù),，如表1所示。表1中,，衰減為電路測試數(shù)據(jù),，“Filterlab”為軟件仿真的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)對比上看,，實際計算數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本一致,。
圖3給出了二級有源濾波器的幅頻曲線及相頻曲線。其中曲線A為幅頻曲線,，曲線B為相頻曲線,。
3．5 陷波電路
由于交流電的影響，在心電信號采集中,，容易受50 Hz工頻干擾的影響,，為此設計了50 Hz陷波電路。該陷波電路采用雙T帶阻濾波,。實現(xiàn)陷波器的難度在于參數(shù)選擇和電路調(diào)試,，另外一定要選擇高精度的電阻電容，確保參數(shù)嚴格匹配,。在實驗過程中，對5組參數(shù)進行仿真和電路測試,，5組參數(shù)經(jīng)計算截止頻率均為50 Hz,，但實際電路測試效果很不理想。最終選擇圖4標注的具體電路和參數(shù),，以及46 Hz頻率以下信號通過時波形仿真,，結果較好。從波形圖上看,，在46 Hz頻率以下的信號通過時,，通過陷波電路的信號B與原信號A基本一致。無失真,。
圖5分別為49 Hz,、50 Hz頻率信號通過陷波電路后,，與原輸入信號波形的比較。由圖中可清楚地看到：當輸入49 Hz信號時,，輸出信號衰減為原信號的0．35倍左右,。當輸入50Hz信號時，信號基本上衰減為零,，因此能有效抑制50 Hz的工頻干擾,。
3．6 主放大電路
為滿足A／D轉(zhuǎn)換器對信號幅度的要求，兩級放大器共放大l 000倍左右,，一級放大電路放大倍數(shù)為8倍,，所以二級放大倍數(shù)設計為125倍。從整個電路集成度和器件性價比考慮,，這里選用TL064,。該器件內(nèi)部集成4個運放，每個放大器的功耗只有6 mW,，符合便攜產(chǎn)品的要求,，且價格較低，可減少實驗和生產(chǎn)成本,。放大電路采用簡單的反饋放大電路,，調(diào)節(jié)電阻參數(shù)即可。
4 數(shù)字處理部分
4．1 A／D轉(zhuǎn)換
已放大的模擬信號要實現(xiàn)存儲和顯示,，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,，因此要完成A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換首先解決采樣率和A／D轉(zhuǎn)換器的選型,。
采樣率,，美國心臟學會推薦的采樣率為500 Hz，但實際中不同應用有不同的采樣率,，一般在125～1 000 Hz之間,，監(jiān)護時多采用200 Hz或250 Hz，輔助分析時多用400～500 Hz,，而心電HOLTER一般取125～200 Hz,。采樣精度為10 bit或12 bit。
對于A／D轉(zhuǎn)換器的選型,，要根據(jù)電路形式,、轉(zhuǎn)換速率、通道數(shù)目,、采樣精度,、功耗大小、供電電壓等因素綜合考慮,，選出性價比較高的轉(zhuǎn)換器,。在確定器件前,，表2給出備選的幾款A／D轉(zhuǎn)換器的比較結果。
通過表2和實際項目的要求,，最終確定使用MAXl97,，其采樣位數(shù)，轉(zhuǎn)換速率,，功耗,，體積等方面均符合心電A／D轉(zhuǎn)換的要求。另外,，該轉(zhuǎn)換器有8個模擬信號輸入端,，可采集8路模擬信號，符合心電設備多導聯(lián)的要求,。
控制模塊使用VHDL語言編程實現(xiàn),，根據(jù)MAXl97的時序圖，利用有限狀態(tài)機的方法實現(xiàn)控制模塊,。具體內(nèi)容是根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換的進程,，將轉(zhuǎn)換過程分為5個狀態(tài)：1)為初始化，寫入讀寫信號及通道選擇和轉(zhuǎn)換電壓范圍等控制字,；2)為啟動轉(zhuǎn)換,，在時鐘控制下，輸出信號使得A／D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換,；3)為判斷轉(zhuǎn)換是否完成,，若未完成繼續(xù)轉(zhuǎn)換，若完成跳入下一個狀態(tài),；4)為讀低8位,，給轉(zhuǎn)換結束標志信號hben賦值O，讀出已經(jīng)轉(zhuǎn)換完的低8位,；5)為讀高4位,，給hben賦值1，讀出高4位,。
圖6是根據(jù)上述狀態(tài)機VHDL語言實現(xiàn)后生成的圖元符號及控制模塊的仿真波形,。從仿真波形上可以看出，該模塊符合A／D轉(zhuǎn)換器的時序要求,，能在功能上實現(xiàn)對A／D轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需要的數(shù)字信號,。
A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號由FPGA提供,。基于FPGA平臺搭建一個A／D轉(zhuǎn)換的控制模塊,。選擇FPGA做控制平臺,，是由于FPGA有著豐富的可編程邏輯資源,，利用這些資源可以實現(xiàn)心電設備中的控制存儲、顯示,、按鍵,、通信等其他模塊。這些模塊都在FPGA上完成就構成了片上系統(tǒng),，使得設備體積和可靠性都有了很大程度上的提高,。選擇FPGA也是出于項目整體方案的考慮。
5 結束語
在項目的要求下,，通過分析心電信號的特點,，從幅值，頻率,，噪聲等各方面有針對性的設計了心電采集電路,，并對每一環(huán)節(jié)都做了仿真和測試，最大程度上精簡電路,，滿足便攜式設備對體積的要求,，同時保持較高的性能，能有效采集到心電信號,。對采集到的心電信號,，用FP-GA控制A／D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號,，以便后續(xù)的數(shù)字處理,。另外，由于FPGA的豐富可編程資源,，可以在這個采集系統(tǒng)基礎上升級為診斷并顯示的系統(tǒng),。