心電圖儀設計方案與細分領域應用綜述

此處描述的是最常用的12導聯(lián)系統(tǒng)，但不是唯一方案。另外，12導聯(lián)ECG也可以作為5導聯(lián)、3導聯(lián)或1導聯(lián)系統(tǒng)使用。關鍵是當需要不止1個導聯(lián)時，需要開關陣列和均值電路。

模擬前端(AFE)

AFE的主要功能是將心電信號數(shù)字化，由于需要抑制RF信號源、起搏信號、導聯(lián)脫落檢測信號、工頻共模信號等強干擾以及其他肌體信號和電子噪聲的干擾，處理過程非常復雜。另外，毫伏級的心電信號可能疊加在數(shù)百毫伏的直流失調(diào)電壓上，加上通道間的共模電壓，可能超過1 V。連接到患者身體的電極一定不能產(chǎn)生電擊危險或干擾到連接在病人身上的其他醫(yī)療儀器。ECG的有效頻率范圍某種程度上與應用有關，通常在0.05 Hz～100 Hz之間。

AFE的第二個功能是能夠檢測起搏信號、導聯(lián)脫落、呼吸頻率和患者阻抗，檢測工作在幾個通道上同時或幾乎同時進行。另外，心臟除顫時，多數(shù)ECG設備需要快速恢復，但由于心臟除顫會導致前端電路和充電電容飽和，這些容性耦合電路會延長恢復時間。

AFE架構

AFE架構對系統(tǒng)性能影響很大，下面描述的增強型架構，由于采用了高精度、高速ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，從而在較寬的頻率范圍內(nèi)提供高保真。沒有采用電容耦合，而是通過DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)作為RL驅(qū)動，使AFE可以從除顫或射頻干擾中快速恢復。數(shù)字化起搏信號允許對起搏數(shù)據(jù)進行分析，從而減少錯誤的起搏指示，甚至可以檢測起搏器或連接部分的缺陷。另一方面，還要考慮到增強系統(tǒng)需要昂貴的元器件，耗電也很大。相比之下，簡化型AFE價格便宜，電池壽命也更長，其他特性差異則很小。

增強型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如圖3所示)滿足ECG測試要求，可以同時量化9個電極信號，在200 kS/s采樣率下的無噪聲精度可達20位。然后用數(shù)字信號處理器(DSP)計算每個導聯(lián)信號，隔離起搏信號、導聯(lián)脫落信號和呼吸信號，并濾除干擾頻率信號。DSP還計算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動RL電極所需要的信號強度。這種AFE架構需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器的各個通道高度匹配。另外，還需要緩沖器隔離ADC采樣電容和高阻電極。這種方案雖然滿足了測量指標要求，卻不能滿足多數(shù)應用的成本和功耗要求。

簡化型AFE：低端AEF系列的特性是單通道、消費類ECG。這些設備的AFE采用電容耦合電路，將輸入信號耦合到一個低通差分放大器，再饋送給10位、 120 S/s采樣率的ADC。電容耦合電路可以去掉輸入的直流失調(diào)，低通濾波器濾除起搏信號。這些設備通常采用電池供電，且只有一個通道，因此沒有共模電壓。

典型的ECG設備AFE：大多數(shù)ECG設備采用的電路介于上述兩者之間。儀表放大器(IA)常用來抑制共模電壓，消除諸如工頻干擾的共模噪聲，并為 ADC的采樣電容提供緩沖，后續(xù)濾波器可以濾除起搏信號和脫落檢測信號，然后送到ADC進行采樣、數(shù)字轉(zhuǎn)換。某些情形下，心電信號和直流失調(diào)會通過一個高精度ADC直接進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。其他情形下，則會采用高通濾波器或DAC去除直流失調(diào)，從而可以使用典型的12位精度ADC，對放大后的心電信號進行采樣、數(shù)字轉(zhuǎn)換，如圖4所示。每個通道可以配備一個ADC，也可以多個通道共用一個ADC進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。ADC復用則在通道間引起微小的時間偏差，其接受程度取決于具體應用。如果需要檢測起搏信號，則可用高通濾波器提取，然后放大，再用比較器電路進行放大和檢測。

ECG設備類型遙測型ECG

遙測型ECG系統(tǒng)用于臨床環(huán)境下流動患者的連續(xù)監(jiān)測，它包括一個置于患者端、帶無線(RF)收發(fā)功能的ESG和一個中心站，通過無線接收采集并分析患者的監(jiān)測數(shù)據(jù)。有些遙測系統(tǒng)還提供額外數(shù)據(jù)(例如血氧值)，這些數(shù)據(jù)用來驗證治療效果或調(diào)整治療方案，并對即可能發(fā)生的問題告警。

許多遙測系統(tǒng)只有5個導聯(lián)，如果用滿12個導聯(lián)的話，則難以應對病員的流動性。通常，患者會連續(xù)幾天使用設備，因此此類設備多采用一次性電池。其他 ECG也能增加遙測功能，不過“遙測ECG”專指在醫(yī)院內(nèi)部可移動攜帶并能發(fā)送數(shù)據(jù)到本地接收站的移動單元。對于此系統(tǒng)的設計，關鍵要考慮低功耗、低噪聲和小尺寸。

霍爾特(Holter)監(jiān)護儀

紐曼·霍爾特博士發(fā)明了移動監(jiān)護儀對數(shù)據(jù)進行采集并上傳到其他系統(tǒng)進行分析。與遙測型設備不同，這些監(jiān)護儀不需要中心接收站，可以用于家庭、戶外乃至任何地點。對于Holter ECG監(jiān)護儀，因為12導聯(lián)監(jiān)護儀不便移動，多數(shù)情況下導聯(lián)數(shù)不會超過5個。一般用存儲卡從監(jiān)護儀轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，當然，也可以用USB盤或其他方法。多數(shù)患者只需要監(jiān)測1～2天，當需要患者參與某些藥理研究時，則使用特殊的長期監(jiān)護儀，患者可能需要使用一年甚至更久。Holter ECG監(jiān)測儀設計的主要要求也是低功耗、低噪聲和小尺寸。

消費類ECG

這類低端ECG可以方便地固定在手臂上，人們在家里就可以進行ECG檢查，這些儀器能夠保存數(shù)據(jù)并顯示在內(nèi)置屏幕上。數(shù)據(jù)也可以傳送到計算機或通過電話線傳送到康復中心。有些儀器有掛接多個電極，有些則只是在機殼上安裝了兩個電極。內(nèi)置電極可以壓在胸部，或者把兩手分別放在兩個電極上。由此得到的心電圖可能質(zhì)量不是很好，卻為人們在異常時監(jiān)護自身狀況、采集心電數(shù)據(jù)提供了一個有效途徑。對消費類心電儀的設計主要著眼于廉價和小尺寸。

自動體外除顫器(AED)

為了在公眾場合應對一些突發(fā)事件，大多在公共場所(如大型購物中心、健身房以及辦公室等)都會安裝AED設備。在心臟病發(fā)作時可以立即采用這些設備，對胸部釋放一個高能量的電脈沖，起搏心臟并使之恢復到正常心率。如果使用時機不當，脈沖沖擊會造成生命危險，因而，ECG在功能上必須能夠防止這種意外發(fā)生。AED一般只有1個導聯(lián)，其電極既用來釋放高壓脈沖，也用來采集心電信號。AED設備原理框圖如圖5所示。

AED可能數(shù)月或數(shù)年擱置不用，而使用這些設備的往往是沒有經(jīng)過專業(yè)培訓的人員，設備即使存在問題，他們也無從知道。需要使用AED時，要先開機、進行一系列自檢確認功能完好無損，然后再運行一小段時間。所有心電數(shù)據(jù)以及除顫信息，需要記錄下來，用于隨后分析。使用有問題的AED弊大于利，因而可靠性和自診斷能力是AED設計首先要考慮的。

診斷型ECG

診斷型ECG設備用于醫(yī)院和醫(yī)生辦公室，提供高質(zhì)量ECG檢測，可以測試全部12導聯(lián)的ECG，并創(chuàng)建硬拷貝輸出。這些設備使用高性能AFE，通?？梢酝ㄟ^調(diào)整增益、選擇適當?shù)臑V波器來提高ECG檢測質(zhì)量。由于體積較大很少移動，這些設備有空間實現(xiàn)更多功能，例如內(nèi)置打印機、各種通信接口、大尺寸顯示屏等。它們一般使用交流電源，通常也帶有可充電電池用作備份。設計診斷型ECG的關鍵在于低噪聲、高抗干擾能力和靈活性。

病人監(jiān)護儀

病人監(jiān)護儀用于監(jiān)測生命體征(脈搏、呼吸速率、血壓及體溫等)，另外也具備ECG功能，同時還可以監(jiān)測血氧、二氧化碳水平。把這些功能整合成一臺設備，可以使手術室更為簡潔，使用也更為方便。病人監(jiān)護儀的AFE類似于診斷型ECG，但要滿足射頻(RF)抑制要求，因為在手術期間，會受到電子刀和氬離子凝固術(APC)設備的高強度RF干擾。另外，能夠從心臟除顫操作中迅速恢復也是這類AFE的基本要求。由于病員監(jiān)護儀采用交流供電，也配有備用電池，所以功耗也是重要指標。外殼必須能防濺水并便于清潔，當然這會影響冷卻通道，因此還要考慮散熱問題。除了功耗和散熱外，設計病人監(jiān)護儀的關鍵在于RF抑制和低噪聲指標。