简述心电信号采集原理及电路设计

　　心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。

　　随着生活水平的提高，健康问题引起人们高度重视，尤其是对心脏疾病方面，因而从医院大型设备到便携式仪器，甚至各种远程诊断设备，都有飞跃发展，而所有心电设备的基础都是采集到心电信号。在便携式自动心电诊断系统的项目背景下，设计出便携式心电信号的采集电路。

1  心电图产生机理

　　在人体内，窦房结发出兴奋，按一定途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏兴奋。因此，每个心动周期中，心脏各个部分兴奋过程中出现的生物电变化的方向、途径、次序和时间都有一定规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的生物电变化，即心电位。

2  系统结构

　　便携式心电监护仪的目标是具备自动诊断心脏疾病的功能，同时便于家庭和旅行使用。这里主要给出便携式心脏疾病自动诊断设备的前端部分，即信号采集和处理部分。心电信号在FPGA控制下，实现信号的数字化，以便后续进一步处理和存储，系统整体结构如图l所示。

3  采集心电信号

3.1  心电信号的特点

　　正常心电信号的幅值范围为10 V～4 mV，典型值为1 mV。频率范围在0.05～100 Hz，而90％的频谱能量集中在0.25～35 Hz之间。在检测微弱的心电信号时还要注意到噪声的抑制。

　　根据心电信号非常微弱的特点，采集心电信号的前置放大电路需要具备高输入阻抗、高共模抑制比、放大器低噪声和低漂移等方面性能。

　　综合考虑以上要求，这里选用放大器为AD620。AD620的输入阻抗为10GΩ，增益为10时的共模抑制比为100dB，温度漂移O.6μV／℃。

3.2  导联系统

　　从人体体表采集心电时，首先要考虑2个问题：一是电极的放置位置。二是电极与放大器连接形式。临床上为了统一和便于比较所获得的心电波形，对测定ECG的电极位置和与放大器的连接方式都做了统一规定，称为心电图的导联系统，常称导联。广泛认可的国际标准十二导联，分别为I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中I、Ⅱ、Ⅲ导联为双极导联，其余为单极导联。

3.3  放大

　　心电信号放大器选用AD620，它在输入阻抗、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，能够有效地抑制噪声。放大倍数不宜太大，因为在采集信号时可能产生电位波动和极化电压及其他噪声，给后续电路处理噪声带来不便，建议在7～lO倍。电路连接如图2所示。

3.4  滤波电路

　　由于心电信号的频率在0.05～100 Hz，采集电路就需要设计滤波器除去该段频率以外的噪声频率。滤波电路主要由高通滤波、低通滤波和50Hz陷波器组成。为了达到理想的滤波效果，设计了二阶低通滤波器，如图2所示。

　　对电路进行实际测试计算得到以下数据，如表1所示。表1中，衰减为电路测试数据，“Filterlab”为软件仿真的数据，从数据对比上看，实际计算数据和仿真数据基本一致。

　　图3给出了二级有源滤波器的幅频曲线及相频曲线。其中曲线A为幅频曲线，曲线B为相频曲线。

3.5  陷波电路

　　由于交流电的影响，在心电信号采集中，容易受50 Hz工频干扰的影响，为此设计了50 Hz陷波电路。该陷波电路采用双T带阻滤波。实现陷波器的难度在于参数选择和电路调试，另外一定要选择高的电阻电容，确保参数严格匹配。从波形图上看，在46 Hz频率以下的信号通过时，通过陷波电路的信号B与原信号A基本一致。无失真。

　　图5分别为49 Hz、50 Hz频率信号通过陷波电路后，与原输入信号波形的比较。由图中可清楚地看到：当输入49 Hz信号时，输出信号衰减为原信号的0.35倍左右。当输入50Hz信号时，信号基本上衰减为零，因此能有效抑制50 Hz的工频干扰。

3.6  主放大电路

　　为满足A／D转换器对信号幅度的要求，两级放大器共放大l 000倍左右，放大电路放大倍数为8倍，所以二级放大倍数设计为125倍。从整个电路集成度和器件性价比考虑，这里选用TL064。放大电路采用简单的反馈放大电路，调节电阻参数即可。

4  数字处理部分

4.1  A／D转换

　　已放大的模拟信号要实现存储和显示，需要转化为数字信号，因此要完成A／D转换。A／D转换首先解决采样率和A／D转换器的选型。

　　采样率，美国心脏学会推荐的采样率为500 Hz，但实际中不同应用有不同的采样率，一般在125～1 000 Hz之间，监护时多采用200 Hz或250 Hz，辅助分析时多用400～500 Hz，而心电HOLTER一般取125～200 Hz。采样为10 bit或12 bit。

　　

　　通过表2和实际项目的要求，终确定使用MAXl97，其采样位数，转换速率，功耗，体积等方面均符合心电A／D转换的要求。

　　控制模块使用VHDL语言编程实现，根据MAXl97的时序图，利用有限状态机的方法实现控制模块。

 

　　图6是根据上述状态机VHDL语言实现后生成的图元符号及控制模块的仿真波形。从仿真波形上可以看出，该模块符合A／D转换器的时序要求，能在功能上实现对A／D转换器的控制，得到所需要的数字信号。

　　A／D转换器的控制信号由FPGA提供。基于FPGA平台搭建一个A／D转换的控制模块。选择FPGA做控制平台，是由于FPGA有着丰富的可编程逻辑资源，利用这些资源可以实现心电设备中的控制存储、显示、按键、通信等其他模块。选择FPGA也是出于项目整体方案的考虑。

5  结束语

　　在项目的要求下，通过分析心电信号的特点，从幅值，频率，噪声等各方面有针对性的设计了心电采集电路，并对每一环节都做了仿真和测试，上精简电路，满足便携式设备对体积的要求，同时保持较高的性能，能有效采集到心电信号。对采集到的心电信号，用FP-GA控制A／D转换模块，得到数字信号，以便后续的数字处理。