便攜式心電監(jiān)護儀前置放大電路和抗干擾的設(shè)計（一）

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(shè)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(jié)構(gòu)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。導(dǎo)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(qū)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，另一為由微機系統(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。

體表心電信號的頻率主要集中在0. 05~ 100Hz，幅度為10μV~ 4mV （典型值為1mV ） ，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(nèi)干擾信號和以50Hz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。因此，要對心電信號進行精確測量，必須設(shè)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(shè)計。整個前置級電路是由前置放大電路和濾波電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見如圖1.

1前置放大電路

便攜機前置放大電路是對心功能進行自動檢測的關(guān)鍵部件，要求該系統(tǒng)能在強的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號檢測出來，放大至合適的幅度，送入A/ D變成數(shù)字信號，供計算機分析處理。

根據(jù)心電信號的特點以及通過電極提取的方式，前置級應(yīng)滿足下述要求：

（1）高輸入阻抗。通過電極提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減小信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗；

（2）高共模抑制比CM RR.人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾。前置級采用CM RR高的差動放大形式，能減小共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化；

（3）低噪聲、低漂移；

（4）高安全性，以確保人體的絕對安全。

1. 1差動放大電路

對于心電信號而言，采集的信號屬于差模信號，因此采用三運放差動放大電路作為第一級放大電路，它具有輸入阻抗高（一般達10⁹ 歐以上） ，低偏置電流，高共模抑制比，單端輸出的特點。它在基本運算放大器的基礎(chǔ)上每個輸入端各連接一個同相放大器。所以差動放大電路的第一級是兩個同相放大器（ U 1A和U 1B） ，第二級是一個差分放大器（ U 1D）。總的電壓增益A u等于兩級增益之積。由于第一級采用同相輸入，有較高的輸入電阻，電路的平衡對稱結(jié)構(gòu)對由共模抑制比、失調(diào)及溫度等產(chǎn)生的輸出誤差電壓具有抵抗作用。第二級差放電路將雙端輸入變單端輸出。把兩級電路級聯(lián)后，他們相互取長補短，使組合后的這個電路具有輸入阻抗高、電壓增益調(diào)節(jié)方便、共模抑制比和漂移相互抵消等一系列優(yōu)點。運放U 1C是一個積分電路，它的作用是和U 1D共同構(gòu)成一個負反饋電路，來消除基線變化對輸出信號的影響，穩(wěn)定輸出電壓。由于采用串聯(lián)反饋形式，使放大電路有較高的輸入阻抗，減小失真的產(chǎn)生。

計算放大器的增益如下：R5= R7= R， R4= R8= R

因此，差動放大電路的總增益為：

1.2單極性調(diào)整電路

心電信號是一種低頻率的雙極性信號。對于由電池供電的便攜機來說，結(jié)構(gòu)簡單，降低功耗是它的重要特性。為此，我們設(shè)計了一個直流分壓電路，把心電信號抬升為正電平范圍內(nèi)的單極性的信號。為了使運算放大器工作在線性放大區(qū)內(nèi)，我們把該直流電壓設(shè)定為VCC（3.3V）的一半。

1.3放大級電路

由于U_i2的信號是由直流信號和微弱的心電信號構(gòu)成的。第二級放大電路的作用是放大心電信號，而使直流信號保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。為此，調(diào)整VR2的位置，使Uc的電壓與U_i2的直流分量相等，則U_i2的直流分量不會被U_2D放大。

U_o2= U-=U_i2放大級電路的增益為：

由此可得到前置放大電路總的增益接近為600，可以使毫伏級的心電信號放大到伏級，并處于0V到2. 5V之間。

2抗干擾硬件設(shè)計方案

對心電監(jiān)護儀器來說，評價其整體性能的好壞的首要標(biāo)準(zhǔn)是心電信號在不失真的前提下具有較高的抗干擾能力，而且安全可靠。為避免干擾所造成的影響，最有效的措施是消除干擾源。但在實際應(yīng)用中，不可能完全將干擾源排除，所以要在硬件電路上采取措施來提高系統(tǒng)的抗干擾性。通常采用的措施可分為兩類：一類是消除干擾進入系統(tǒng)的通道；另一類是削弱系統(tǒng)對干擾信號的靈敏度。

2. 1提高前置放大器的輸入阻抗和共模抑制比

人體置身于充滿電磁場的空間，恰如一個天線接收器，人體上感應(yīng)有各種頻率的電壓，對心電儀器的輸入端大多以共模電壓形式存在，其中最強的是由動力線通過分布電容耦合到人體的50Hz交流電壓。對共模信號的抑制包括提高前置放大電路的共模抑制比（ CM RR）和提高電路、導(dǎo)聯(lián)和電極電氣特性的對稱性，以提高輸入阻抗這兩個方面。

通過采用高精密度、高共模抑制比的集成運放器件來搭建三運放的差動放大電路，可以提高共模抑制比。值得注意的是放大器的實際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響。通過兩個電極提取生物電位時，兩個等效源阻抗一般不相等，其數(shù)值大小與人體汗腺分泌情況、皮膚清潔程度有關(guān)。各個電極處的皮膚接觸電極是不平衡的，而且因人而異。這種不平衡造成的危害是共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化，從而造成共模干擾的輸出。對于已經(jīng)發(fā)生的這種轉(zhuǎn)化，放大器本身的共模抑制能力再高也將無濟于事。但是，提高放大器輸入阻抗，則會減小這一轉(zhuǎn)化。

2. 2設(shè)計硬件濾波器消除高頻干擾

由于心電信號屬于低頻信號，而高頻干擾相對心電信號比較高，所以低頻的截止頻率可以在一個比較寬的范圍內(nèi)選取，一般的心電圖機或監(jiān)護儀選取低通的截止頻率為90 ~ 120Hz.考慮到便攜機結(jié)構(gòu)簡單的特點，低通濾波器的設(shè)計采用了一階濾波電路。以后介紹的軟件濾波也將配合用來消除高頻干擾。

2. 3設(shè)計硬件濾波器消除工頻干擾

工頻干擾屬于共模信號，對心電信號的干擾特別強。因此，必須從模擬、數(shù)字兩方面加以抑制。工頻干擾的消除在模擬電路中可用二階壓控電壓源帶阻濾波器來實現(xiàn)。參數(shù)選取如下：