应对心电图设备中的信号采集的设计挑战

 

　　从上个世纪50年代，首次实现心电信号模数转换（A/D），心电信息计算机化就成为心电技术发展的主要潮流，并且伴随着计算机技术的发展心电信息也同时逐渐走进数字化、网络化。今天伴随着临床医疗信息化的迅猛发展--HIS、PACS、LIS、CIS、麻醉系统、病理系统等正逐步覆盖临床的各个领域，对于作为临床常规检查的心电检查的信息，实现数字化和网络化的渴求也更是同趋强烈。

　　心壁收缩产生的动作电位将电流从心脏传遍全身。传播电流在身体的不同位置产生不同的电位，可由电极通过使用金属和盐制成的生物变送器在表皮感应到。此电位是一种带宽为 0.05Hz 至 100Hz（有时高达 1kHz）的 AC 信号。存在更大的外部高频噪声加 50Hz/60Hz 干扰的正常模式（与电极信号混合）和共模电压（所有电极信号共有）时，它的峰至峰值一般约为 1mV.

　　共模由两个部分组成：（1） 50Hz 或 60Hz 干扰和 （2） DC 电极偏移电位。生物物理带宽范围内的其它噪音或更高频率来自移动伪像，移动伪像会改变皮肤电极接口、肌肉收缩或肌电图峰值、呼吸（可以是有节奏的或无节奏的）、电磁干扰 （EMI） 以及源自输入耦合的其它电子器件的噪声。有些噪声可借助高输入阻抗仪器title="放大器">放大器 （INA）（例如 INA326 或 INA118）来抵消，这种放大器可消除两种输入都常见的 AC 线路噪声，并放大输入中存在的剩余不规则信号；IA CMR 越高，噪声抑制就越高。由于它们发生在身体的不同位置，左臂和右臂 ECG 信号将处于不同的电压水平，并被 IA 放大。要进一步抑制 50Hz 和 60Hz 的噪声，可使用推导共模电压的运算放大器倒转共模信号，并使用放大器 A2 通过右腿驱回病人体内。仅需要几微安培或更弱的电流就可取得显着的 CMR 改进，并维持在 UL544 限制内。

　　三个 ECG 电极通过具有 5V 单电源的 CMOS 器件与病人相连。

 

 

　　信号采集挑战

　　大的直流偏移和多种干扰信号的出现会导致ECG信号的测量面临挑战。典型电极的电压可达300mV.干扰信号包含来自电源的50/60Hz干扰、病人活动导致的运动伪影、电外科设备、除颤脉冲、起搏器脉冲及其它监控设备等引起的射频干扰。

　　ECG内所需的准确度会随终端设备的变化而有所不同：

　　标准监控设备需要0.05~30Hz之间的频率

　　诊断设备需要0.05~1000Hz之间的频率

　　可以借助能消除两输入端AC线路常见噪声的高输入阻抗仪表放大器（INA）抵消一些50Hz/60Hz共模干扰。为了进一步消除线电源噪声，信号凭借放大器通过右腿被反向并向病人驱回。只需少许微电流甚至更少即可实现显着的CMR改进并保持在UL544限制之内。此外还会使用50/60Hz数字陷波滤波器进一步降低干扰。

　　电源电压

　　与大多数其它应用一样，生物物理监控的系统电源电压持续趋于较低的、单电源电平。尽管双极电源仍在使用，5V 系统现已很常见，并趋向于 3.3V 单电源。这一趋势为面对 500mV 电极电位的设计人员带来一项重大的挑战，并强调了对信号调节解决方案的需求。尽管以下讨论 集中在单电源设计上，所涉及的原理同样适用于双极电源设计。下面列出了单电源和双极电源器件的推荐列表。

　　频率响应

　　频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变化关系称为频率响应。也是指在振幅允许的范围内音响系统能够重放的频率范围，以及在此范围内信号的变化量称为频率响应，也叫频率特性。在额定的频率范围内，输出电压幅度的值与值之比，以分贝数（dB）来表示其不均匀度。频率响应在电能质量概念中通常是指系统或计量传感器的阻抗随频率的变化。

　　用于病人监控的标准 3dB 频率为 0.05Hz 至 30Hz,而诊断级监控需要 0.05Hz 至 100Hz 或更高频率。虽然 ECG 波形的重要特性具有超低频率的特点，所有 ECG 前端都必须与 AC 耦合，以便从电极偏移电位中移除伪像。

　　电极电位

　　由于电极电位可达到 +/-500mV,因此可通过 AC 耦合在低频下消除电极电位的影响以实现测量。反馈配置中的 DC 恢复放大器将 DC 偏移调零。如果左臂 DC 偏移为 +300mV 而右臂电极为 0V DC,则差动输入电压为 300mV.由于仪表放大器具有 10 的增益，因此仪表放大器的输出显示为 3V.如果增益为 50 或以上，输出放大器会尝试将信号向上驱动至 150V,但永远不会达到这一电压，因为反馈集成器会对参考点应用等伏负电压。利用此线性求和效果，3V 正偏移由负 3V 校正电压所抵消。该 DC 恢复的结果是将原 DC 耦合放大器转变为 AC 耦合放大器。因为 DC 电极偏移已经消除，所以输出级可放大信号，在不饱和的情况下地扩展数据转换器输入范围。

　　仪表放大器要求

　　低增益下的稳定性（G = 1 至 10）

　　高共模抑制 （CMR）

　　低输入偏置电流 （IB）

　　良好的输出轨摆幅

　　超低偏移和漂移

　　运算放大器要求

　　低噪声，高增益（增益 = 10 至 1000）