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0 引 言 監護儀是一種用以測量和監控病人生理參數，并可與已知設定值進(jìn)行比較，如果出現超差可發(fā)出報警的裝置或系統。便攜式監護儀小型方便，結構簡(jiǎn)單，性能穩定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監護室及外出搶救病人的監護。心血管疾病是人類(lèi)生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram，ECG信號是診斷心血管疾病的主要依據，因此實(shí)時(shí)監測病人心電活動(dòng)，設計自動(dòng)采集病人心電信號的便攜式系統具有重要意義。 傳統的導聯(lián)系統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動(dòng)電極。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用。便攜式監護儀分析處理系統可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監護儀，二是由微機系統組成的心電圖處理診斷系統。被檢查者將某一時(shí)段的動(dòng)態(tài)心電信號由監護儀記錄下來(lái)，通過(guò)GPRS通信方式將數據傳送到醫院的心電圖處理診斷系統中。心電信號是由人體心臟發(fā)出相當復雜的微弱信號，為了獲得含有較小噪聲的心電信號，需要對采集到的心電信號做降噪處理。 本設計的特點(diǎn)： (1)目前對心電信號的降噪有多種方法，這里主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號中分離。濾波采用高通和低通兩級濾波，濾波電路經(jīng)Workbench仿真效果明顯。 (2)與以往雙T型50 Hz陷波器不同的是，該設計電路引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。 (3)本文為人體日常生活方便，設計了導聯(lián)電極脫落檢測電路，防止運動(dòng)輸入電極脫落。 1 心電信號的特點(diǎn)及整體系統結構 心電信號屬醫學(xué)生物信號，它一般具有以下特點(diǎn)：隨機性較強，即信號無(wú)法用確定的函數描述，而只能用統計的方法，從大量測量結果中看其規律;噪聲背景強，即要測的有用信號往往淹沒(méi)在許多無(wú)用信號中。常規心電信號的頻帶范圍是O.05～100 Hz，在此頻帶范圍內包含了心電信號90%的能量成分。由于心電信號是mV級的信號，因此對于干擾環(huán)境而言，它是非常微弱的信號。 心電信號由皮膚電極取自于人體表面，是一種低頻率的微弱雙極性信號。它淹沒(méi)在許多較強的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號、呼吸波信號等體內干擾信號和以50 Hz工頻干擾、電極與皮膚界面之間的噪聲為主的體外電磁場(chǎng)干擾信號的影響。信號源阻抗大約100 kΩ，信號為10μV～5 mV，典型值為1 mV，加上周?chē)碾姶鸥蓴_(特別是50 Hz的工頻干擾)比較大，要求放大電路具有高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比;為保持信號的穩定，還要求輸入失調電壓和偏置電流小、溫漂小;為了便于隨身攜帶，還要求體積小、電源電壓低、耗電少等。 對心電信號進(jìn)行精確測量，必須設計出性能優(yōu)良的放大器。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級的設計。整個(gè)前置級電路由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。從體表獲得的心電信號經(jīng)導聯(lián)輸入后，ECG信號經(jīng)運放構成的前置放大器放大，濾波器濾除其中的高頻干擾后，再經(jīng)一個(gè)50 Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾，然后通過(guò)電平位移進(jìn)入A/D轉換，從而得到數字化的心電信號。 2 電路結構描述，心電信號的傳感、放大及濾波 2.1 電路結構描述和仿真 整個(gè)監護儀是由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。醫學(xué)傳感器獲得體表的心電信號濾除其他頻段干擾后經(jīng)過(guò)放大調理和A/D轉換之后傳給計算機以供數據分析。其中便攜性方面設計了電極脫落檢測電路，擺脫電纜羈絆，使使用者能隨身攜帶。硬件電路用Workbench軟件進(jìn)行仿真能實(shí)現其功能，采用的濾波函數用Matlab和Filterlab軟件仿真之后能達到設計要求。濾波方法采用50 Hz陷波之后，再經(jīng)過(guò)高低通兩級濾波，引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。 2.2 心電輸入電極 電極對動(dòng)態(tài)心電圖采集記錄心電信號的質(zhì)量至關(guān)重要，采用電極應貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導電性能好、極化電壓低的優(yōu)質(zhì)電極，此外還應該具有對皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。通常采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次性軟電極，并在電極上涂有優(yōu)質(zhì)導電膏。 2.3 前置放大器 便攜機前置放大電路是對心電功能進(jìn)行自動(dòng)檢測的關(guān)鍵部分，要求該系統能在強的噪聲背景下，通過(guò)體表傳感器不失真地將心電信號檢測出來(lái)，放大至合適的幅度，送入A/D變成數字信號，供計算機分析處理。 對心電信號等生物醫學(xué)信號的采集采用模塊化的方式，主要由前端醫學(xué)傳感器、信號濾波放大調理電路和A/D采樣電路組成。其中調理電路根據不同生物醫學(xué)信號的頻譜和幅度范圍的不同選擇不同的濾波器和放大電路。通過(guò)前置放大部分對ECG信號進(jìn)行放大，此部分包括右腿驅動(dòng)以抑制共模干擾、屏蔽線(xiàn)驅動(dòng)以消除引線(xiàn)干擾，增益設成10倍左右。設計前置放大采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的醫用放大器AD620。放大后的信號經(jīng)濾波、50 Hz陷波處理后再進(jìn)一步放大，后級增益設成100倍左右。由于心電信號幅度最大為幾個(gè)mV，而A/D轉換中輸入信號的幅度要求在1 V以上，所以總增益設成1 000倍左右。 其中，濾波采用二階高(低)通濾波電路，用于消除O.05～100 Hz頻帶以外的肌電等干擾信號，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時(shí)，采用有源雙T帶阻濾波電路進(jìn)一步抑制50 Hz工頻干擾。 2.4 心電信號的放大 心電信號屬于高強噪聲下的低頻微弱信號，且電極與體表的接觸電阻一般高達幾兆歐，所以要求前置放大級應具有高輸入阻抗、高共摸抑制比、低噪聲、高增益且可調、低功耗和抗干擾能力強的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)比較，選用Analog Device公司的低價(jià)儀表放大器AD620。 心電信號的放大具體實(shí)現電路見(jiàn)圖1。心電信號前置放大級的增益不易設定太高，以免在干擾較強時(shí)信號引起嚴重失真。為更好地消除共模電壓，設計了自舉屏蔽驅動(dòng)電路如圖1所示。采用緩沖放大器將連接點(diǎn)的共模電位驅動(dòng)到屏蔽線(xiàn)，在輸入共模信號時(shí)使屏蔽線(xiàn)與芯線(xiàn)等電位，在差模信號輸入時(shí)沒(méi)有影響。為了 進(jìn)一步提高電路的抗干擾能力，采用右腿驅動(dòng)電路從根本上降低空間電場(chǎng)在人體上產(chǎn)生的干擾。此右腿驅動(dòng)不是實(shí)際意義上的右腿驅動(dòng)，因為由于此系統的側重點(diǎn)在于便攜操作，選用腹部右下側設置電極。 2.5 電極脫落檢測 由于此系統應用于人體日常生活中，人常常處于活動(dòng)狀態(tài)，這樣輸入電極很可能脫落，從而使系統不能正常工作。為此，設計了導聯(lián)電極脫落檢測電路如圖2所示。 正常情況下，正負電極對人體皮膚形成的極化電壓可以互相抵消。當一側電極脫落時(shí)，將有較大的極化電壓輸入，通過(guò)一個(gè)比較器，當比較電壓超出范圍時(shí)，認為電極導聯(lián)脫落，V0輸出電平由正常時(shí)的高電平變?yōu)榈碗娖�，下�?a href="http://selenalain.com/keyword/三極管" target="_blank" class="relatedlink">三極管導通，蜂鳴器發(fā)聲指示。 2.6 心電信號的濾波 BT3受到各種噪聲的干擾，噪聲來(lái)源通常有下面幾種：工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運動(dòng)肌電干擾(EMG)、基線(xiàn)漂移等。其中50 Hz的工頻干擾最為嚴重，也是最難消除的。其他的各種噪聲通過(guò)高截低通、高通低截濾波方法可以很好地消除。 從心電電極得到的心電信號先要經(jīng)過(guò)前置放大電路，被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時(shí)候的心電信號主要受到工頻、肌電等信號的干擾。心電信號需經(jīng)過(guò)兩次陷波和兩次濾波以實(shí)現消噪的目的，兩次陷波分別濾掉50 Hz的工頻信號和100 Hz的倍頻諧波信號，兩個(gè)濾波器分別是0.05 Hz高通濾波器和100 Hz的低通濾波器。這樣可得到較為光滑的波形。 2.6.1 陷波電路 陷波器的電路如圖3所示，該電路是帶雙T網(wǎng)絡(luò )的有源濾波器，其傳遞函數： 與以往雙T型陷波器不同的是，該電路引入放大器A2形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大。品質(zhì)因數Q可以通過(guò)變阻器Rw來(lái)調節。R和C的值可由中心頻率f0確定。 當f0=50 Hz時(shí)，C和R分別取O.068μF和47 kΩ;f0=100 Hz時(shí)，C和R分別取O.068μF和24 kΩ。 圖4為式(1)傳遞函數的Filterlab 2.0的仿真結果。由此可以看出陷波電路設計符合要求。 2.6.2 帶通濾波電路 帶通濾波器電路如圖5所示，采用的是帶反饋的有源濾波器。該電路前半部分是0.05 Hz的高通濾波器，后半部分為100 Hz的低通濾波器。 高通濾波器的傳遞函數： 各電阻電容值的選取，除了能夠濾波以外還具有放大作用。以上全部電路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。 圖6是Matlab的濾波仿真結果，從圖中可以看出，信號在50 Hz處被很好地抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達到臨床實(shí)用的要求。 濾波器對最終信號的質(zhì)量尤為重要，由于濾波器的性能對元器件的誤差相當靈敏，因此在這一級的設計中需要選用穩定而精密的阻容原件，可串聯(lián)精密電位器以獲得較好的效果。 3 結 語(yǔ) 電路中各濾波器的性能與濾波器的參數有直接關(guān)系，需經(jīng)過(guò)正確計算。陷波器雙T型網(wǎng)絡(luò )中的電阻和電容需要精確匹配，以保證雙T網(wǎng)絡(luò )的對稱(chēng)，否則陷波深度會(huì )受影響。變阻器如何調節將會(huì )影響波形的好壞，可在實(shí)驗中調試得出。 圖7是實(shí)際電路測試的結果(縱坐標為μV)，可以看到該電路較好地完成了對心電的降噪。當然，在降噪過(guò)程中還可以增加屏蔽技術(shù)，以進(jìn)一步減少外部信號的干擾。帶通濾波器還可以設計成只帶一個(gè)放大器的濾波器，使電路更為簡(jiǎn)單，但是精確率可能會(huì )降低。 要想獲得清晰穩定的心電信號，心電放大器中前置放大器與濾波器的設計很關(guān)鍵，特別是50 Hz的帶阻濾波器尤其重要。 本文設計的以AD620型運放構成的心電放大器可實(shí)現輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度，保證心電信號清晰穩定，按上述設計制作出的監護儀體積小、耗電少、攜帶方便、工作正常。經(jīng)實(shí)測輸出心電波形基本無(wú)失真，P波、T波都能得到真實(shí)顯示。特別是該電路抗50 Hz陷波性能好，信號中基本看不到寄生工頻干擾。電路穩定性好，即使電極脫落，基線(xiàn)亦無(wú)明顯漂移。滿(mǎn)足家居監護以及病理分析的要求。 作為便攜式監護儀器，硬件結構簡(jiǎn)單、體積便于攜帶是其自身固有的特點(diǎn)。本文針對這些特點(diǎn)，心電信號采集存儲和數據處理從節省電能和成本方面考慮采用MSP430單片機。為使濾波函數得以更好地實(shí)現，可采用具有運算速度快和浮點(diǎn)運算優(yōu)點(diǎn)的DSP芯片進(jìn)行改進(jìn)，使采集的信號失真更小，保真度更高，對ECG信號的采集準確率大大提高，但DSP昂貴的價(jià)格會(huì )使成本提高。 |
