一種心電信號采集電路的設計

摘要：針對心電信號的特征，提出了一種心電信號采集電路的設計方法。通過設計信號放大電路、濾波電路，并對其逐個測試和分析，獲得了清晰準確的心電圖。該電路體積小、成本低、功耗小，可應用于便攜式心電監(jiān)護儀的設計。所得到的心電圖可以為醫(yī)務人員對心臟疾病的診斷提供依據。
關鍵詞：心電信號；信號處理；信號放大；信號濾波

0 引言
心血管疾病是威脅人類生命的主要疾病之一。由于人們工作生活節(jié)奏的加快、飲食結構不合理，導致此類疾病的發(fā)病率不斷增長。如何更好地預防和治療此類疾病儼然成為醫(yī)學界面臨的重要問題之一。針對心電信號采集電路的研究和設計，對于幫助醫(yī)生獲取心電信號，診斷心血管疾病，具有重要的意義。
由于醫(yī)院里使用的心電監(jiān)護系統體積龐大、價格昂貴、難以移動，不能實時現場監(jiān)護患者的病情，給病人和醫(yī)生造成很大的不便。根據心電信號的特點，提出了一種便攜式心電監(jiān)護儀心電信號采集的設計方案。

1 整體方案
從人體體表獲取的心電信號非常微弱，一般只有0．1～3 mV，具有不穩(wěn)定性、低頻特性、隨機性等特點，并且非常容易受到外界環(huán)境的干擾。心電信號的干擾主要有工頻干擾、高頻電磁場干擾、電極極化干擾、測量設備本身的干擾等?；谝陨咸攸c，設計了心電信號獲取電路，按照標準I導聯方式進行設計，左手臂作為電位正極，右手臂為負極。電路整體結構如圖1所示。

心電信號被心電極片獲取后送入前置放大電路進行初步放大，由高性能的差分式前置放大電路對共模干擾信號進行抑制。同時，通過右腿驅動電路抑制共模干擾和50 Hz工頻干擾，提高信號的采集質量。將經過前置放大電路初步放大以后的心電信號送入截止頻率分別為0．5～100 Hz的高通、低通濾波電路。接著將信號輸入主放大器，實現100倍放大，使信號放大到0．08～2．7 V的范圍。為了消除在信號放大過程引入噪聲，同時濾除信號中的50 Hz工頻信號，將主放大后的信號進行50 Hz陷波，然后再經過低通濾波電路，從而得到清晰的波形。由于心電信號是交流信號，而單片機的A／D采集輸入范圍是0～3．3 V，故需將信號進行電平遷移，將其抬升至單片機的模擬電壓采樣范圍，以便進行A／D轉化，滿足嵌入式系統分析、存儲和傳輸的要求。
1．1 前置放大電路設計
由于人體心電信號非常微弱，干擾噪聲強，存在較大的極化電壓，初級放大器必須具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能。采取差分放大電路進行設計，如圖2所示，運放選用儀表放大器AD620芯片。

AD620的增益取值范圍為1～1 000倍，對AD620增益大小的控制是通過調節(jié)1引腳和8引腳之間的電阻RG來實現的，計算公式為：G=49．4 kΩ／RG+1。為了提高被監(jiān)護對象的安全系數且前置放大器不工作在截止區(qū)，前置放大器的增益不能過大。設計電路RG=6．67 kΩ，計算得增益G為8．41。對該電路用小信號進行模擬測試，以峰峰值為100 mV，頻率為50 Hz的正弦波為輸入，得到輸出為Vpp=886．47 mV的正弦波，實際放大倍數為8．86倍，與理論值相符。
1．2 前級濾波電路設計
對心電信號的特征分析發(fā)現，濾波電路的頻帶范圍應為0．5～100 Hz。選擇低通和高通兩個濾波器串聯在一個通道上，組成帶通濾波器對心電信號進行濾波。低通濾波器的截止頻率為100 Hz，高通濾波器的截止頻率為0．5 Hz。選用頻帶范圍較寬的TL082作為濾波器的運放，電路如圖3所示。

為了使濾波效果更加理想，采用二階濾波設計，針對低通濾波器部分，該二階低通濾波器的傳遞函數為：

fc=97．6 Hz (4)
同樣可以計算出，針對高通濾波器二階高通濾波器的截止頻率為：

采用實際信號來檢測濾波器的特性，選擇頻率為1 Hz，Vpp為10 mV的信號，信號微弱且頻率較低，并帶有噪聲干擾。采用LabVIEW進行測試，經過高通和低通濾波前后對比結果如圖4所示，可以看出，設計的濾波器濾除了許多高頻成份，波形相比于濾波之前有了明顯的改善，起到了很好的濾波的效果。