隨著生活水平的提高,，健康問(wèn)題引起人們高度重視，尤其是對(duì)心臟疾病方面,，因而從醫(yī)院大型設(shè)備到便攜式儀器,，甚至各種遠(yuǎn)程診斷設(shè)備，都有飛躍發(fā)展,，而所有心電設(shè)備的基礎(chǔ)都是精確采集到心電信號(hào)" title="心電信號(hào)">心電信號(hào),。在大型設(shè)備中，對(duì)采集電路的性能要求嚴(yán)格,，因此電路設(shè)計(jì)" title="電路設(shè)計(jì)">電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,，體積較大。在便攜式設(shè)備中,，對(duì)采集電路要求性能和體積的統(tǒng)一,。因此在便攜式自動(dòng)心電診斷系統(tǒng)的項(xiàng)目背景下，設(shè)計(jì)出便攜式心電信號(hào)的采集電路,。
1 心電圖產(chǎn)生機(jī)理
在人體內(nèi),，竇房結(jié)發(fā)出一次興奮，按一定途徑和時(shí)程,，依次傳向心房和心室,，引起整個(gè)心臟興奮。因此,，每個(gè)心動(dòng)周期中,，心臟各個(gè)部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑,、次序和時(shí)間都有一定規(guī)律,。這種生物電變化通過(guò)心臟周圍的導(dǎo)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(dòng)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(cè)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(jiǎn)稱ECG),。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的目標(biāo)是具備自動(dòng)診斷心臟疾病的功能，同時(shí)便于家庭和旅行使用,。這里主要給出便攜式心臟疾病自動(dòng)診斷設(shè)備的前端部分,，即信號(hào)采集" title="信號(hào)采集">信號(hào)采集和處理部分。心電信號(hào)的采集主要由放大,、濾波等模擬電路完成,。心電信號(hào)在FPGA" title="FPGA">FPGA控制下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化,，以便后續(xù)進(jìn)一步處理和存儲(chǔ),，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
3 采集心電信號(hào)
3．1 心電信號(hào)的特點(diǎn)
正常心電信號(hào)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(cè)微弱的心電信號(hào)時(shí)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(hào)的混入,、電子器件的噪聲、無(wú)線電波和工頻干擾等,。
根據(jù)心電信號(hào)非常微弱的特點(diǎn),，采集心電信號(hào)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(shí)的共模抑制比為100dB，最大溫度漂移O.6μV／℃,。從AD620的參數(shù)指標(biāo)上看,，適用于心電的前置放大電路。
3．2 導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)
從人體體表采集心電時(shí),，首先要考慮2個(gè)問(wèn)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(duì)測(cè)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(dǎo)聯(lián)系統(tǒng),，常稱導(dǎo)聯(lián)。廣泛認(rèn)可的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián),，分別為I,、Ⅱ、Ⅲ,、aVR,、aVL、aVF,、V1～V6,。其中I、Ⅱ,、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)為雙極導(dǎo)聯(lián),，其余為單極導(dǎo)聯(lián)。I,、Ⅱ,、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)又稱肢體導(dǎo)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(dǎo)聯(lián),。雙極導(dǎo)聯(lián)不反映單電極的電位變化。單極導(dǎo)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(gè)位置,。aVR、aVL,、aVF稱為加壓肢體導(dǎo)聯(lián),，是改變參考電極端，使信號(hào)幅度增加一倍的肢體導(dǎo)聯(lián),。
3．3 一級(jí)放大
心電信號(hào)一級(jí)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(jí)放大倍數(shù)不宜太大，因?yàn)樵诓杉盘?hào)時(shí)可能產(chǎn)生電位波動(dòng)和極化電壓及其他噪聲,，給后續(xù)電路處理噪聲帶來(lái)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(hào)的頻率在0．05～100 Hz，采集電路就需要設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的CR無(wú)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(dá)到理想的濾波效果，對(duì)大于截止頻率的信號(hào),，有較嚴(yán)格的衰減,，設(shè)計(jì)了二階低通濾波器，如圖2所示,。
對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試計(jì)算得到以下數(shù)據(jù),，如表1所示。表1中,，衰減為電路測(cè)試數(shù)據(jù)，“Filterlab”為軟件仿真的數(shù)據(jù),，從數(shù)據(jù)對(duì)比上看,，實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本一致。
圖3給出了二級(jí)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(hào)采集中,，容易受50 Hz工頻干擾的影響，為此設(shè)計(jì)了50 Hz陷波電路,。該陷波電路采用雙T帶阻濾波,。實(shí)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(yán)格匹配,。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)5組參數(shù)進(jìn)行仿真和電路測(cè)試,，5組參數(shù)經(jīng)計(jì)算截止頻率均為50 Hz,，但實(shí)際電路測(cè)試效果很不理想,。最終選擇圖4標(biāo)注的具體電路和參數(shù)，以及46 Hz頻率以下信號(hào)通過(guò)時(shí)波形仿真,，結(jié)果較好,。從波形圖上看，在46 Hz頻率以下的信號(hào)通過(guò)時(shí),，通過(guò)陷波電路的信號(hào)B與原信號(hào)A基本一致,。無(wú)失真。
圖5分別為49 Hz,、50 Hz頻率信號(hào)通過(guò)陷波電路后,，與原輸入信號(hào)波形的比較。由圖中可清楚地看到：當(dāng)輸入49 Hz信號(hào)時(shí),，輸出信號(hào)衰減為原信號(hào)的0．35倍左右,。當(dāng)輸入50Hz信號(hào)時(shí)，信號(hào)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(duì)信號(hào)幅度的要求，兩級(jí)放大器共放大l 000倍左右,，一級(jí)放大電路放大倍數(shù)為8倍,，所以二級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為125倍。從整個(gè)電路集成度和器件性價(jià)比考慮,，這里選用TL064,。該器件內(nèi)部集成4個(gè)運(yùn)放，每個(gè)放大器的功耗只有6 mW,，符合便攜產(chǎn)品的要求,，且價(jià)格較低，可減少實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)成本,。放大電路采用簡(jiǎn)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(hào)要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和顯示,，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),，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(guó)心臟學(xué)會(huì)推薦的采樣率為500 Hz，但實(shí)際中不同應(yīng)用有不同的采樣率,，一般在125～1 000 Hz之間,，監(jiān)護(hù)時(shí)多采用200 Hz或250 Hz，輔助分析時(shí)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(duì)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(jià)比較高的轉(zhuǎn)換器,。在確定器件前,，表2給出備選的幾款A(yù)／D轉(zhuǎn)換器的比較結(jié)果。
通過(guò)表2和實(shí)際項(xiàng)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(gè)模擬信號(hào)輸入端,，可采集8路模擬信號(hào)，符合心電設(shè)備多導(dǎo)聯(lián)的要求,。
控制模塊使用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn),，根據(jù)MAXl97的時(shí)序圖，利用有限狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)控制模塊,。具體內(nèi)容是根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換的進(jìn)程,，將轉(zhuǎn)換過(guò)程分為5個(gè)狀態(tài)：1)為初始化，寫入讀寫信號(hào)及通道選擇和轉(zhuǎn)換電壓范圍等控制字,；2)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘控制下,，輸出信號(hào)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(gè)狀態(tài),；4)為讀低8位，給轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)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(jī)VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)后生成的圖元符號(hào)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(shí)序要求,，能在功能上實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的控制,，得到所需要的數(shù)字信號(hào)。
A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)由FPGA提供,?；贔PGA平臺(tái)搭建一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的控制模塊。選擇FPGA做控制平臺(tái),，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(shí)現(xiàn)心電設(shè)備中的控制存儲(chǔ)、顯示,、按鍵,、通信等其他模塊。這些模塊都在FPGA上完成就構(gòu)成了片上系統(tǒng),，使得設(shè)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(xiàng)目整體方案的考慮。
5 結(jié)束語(yǔ)
在項(xiàng)目的要求下,，通過(guò)分析心電信號(hào)的特點(diǎn),，從幅值，頻率,，噪聲等各方面有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了心電采集電路,，并對(duì)每一環(huán)節(jié)都做了仿真和測(cè)試，最大程度上精簡(jiǎn)電路,，滿足便攜式設(shè)備對(duì)體積的要求,，同時(shí)保持較高的性能，能有效采集到心電信號(hào),。對(duì)采集到的心電信號(hào),，用FP-GA控制A／D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號(hào),，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(gè)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)為診斷并顯示的系統(tǒng),。