一種低噪聲便攜式的心電監(jiān)測儀設計

摘 要：針對實時監(jiān)測心電信號對心電分析有重大意義。設計了一種心率監(jiān)測方法，經導聯(lián)輸入從體表獲得的心電信號先經濾波器濾除高頻干擾再經一個50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后進入MSP430單片機的A／D轉換得到數(shù)字化的心電信號。電路抗50 Hz陷波性能好，噪聲小，整個電路經Electronics Workbench仿真觀察波形基本無失真。經試驗驗證監(jiān)測儀顯示心電信號清晰穩(wěn)定，基本滿足臨床監(jiān)護以及病理分析的要求。
關鍵詞：心電放大電路；波形仿真；低噪聲；濾波器；數(shù)據(jù)采集

0 引 言
監(jiān)護儀是一種用以測量和監(jiān)控病人生理參數(shù)，并可與已知設定值進行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報警的裝置或系統(tǒng)。便攜式監(jiān)護儀小型方便，結構簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監(jiān)護室及外出搶救病人的監(jiān)護。心血管疾病是人類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(jù)，因此實時監(jiān)測病人心電活動，設計自動采集病人心電信號的便攜式系統(tǒng)具有重要意義。
傳統(tǒng)的導聯(lián)系統(tǒng)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電極。這種聯(lián)接方式有效實用，有利于便攜使用。便攜式監(jiān)護儀分析處理系統(tǒng)可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監(jiān)護儀，二是由微機系統(tǒng)組成的心電圖處理診斷系統(tǒng)。被檢查者將某一時段的動態(tài)心電信號由監(jiān)護儀記錄下來，通過GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的心電圖處理診斷系統(tǒng)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：
(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，防止運動輸入電極脫落。

1 心電信號的特點及整體系統(tǒng)結構
心電信號屬醫(yī)學生物信號，它一般具有以下特點：隨機性較強，即信號無法用確定的函數(shù)描述，而只能用統(tǒng)計的方法，從大量測量結果中看其規(guī)律；噪聲背景強，即要測的有用信號往往淹沒在許多無用信號中。常規(guī)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，加上周圍的電磁干擾(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(wěn)定，還要求輸入失調電壓和偏置電流小、溫漂??；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。放大器的核心和關鍵是前置級的設計。整個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導聯(lián)輸入后，ECG信號經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，再經一個50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后通過電平位移進入A／D轉換，從而得到數(shù)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
整個監(jiān)護儀是由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。醫(yī)學傳感器獲得體表的心電信號濾除其他頻段干擾后經過放大調理和A／D轉換之后傳給計算機以供數(shù)據(jù)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軟件進行仿真能實現(xiàn)其功能，采用的濾波函數(shù)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，再經過高低通兩級濾波，引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。