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護儀的設計。所得到的心電圖可以為醫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

中圖分類號： TN911.7?34；TH89 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0146?03

Design of ECG signal acquisition circuit

LI Zhi?jian， HUANG Guo?ming， XIAO Xi?ji， WU Ling?xi

（School of Physics and Electronic Science， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract： Aiming at the characteristic of the ECG signal， a design of ECG signal acquisition circuit is provided. The amplification and filtering circuit is designed， and they are tested and analyzed one by one， finally clear and accurate electrocardiogram is obtained. The circuit can be used in portable ECG monitor for its small size， low cost and low power consumption. The obtained electrocardiogram can provide the basis for doctors to diagnose cardiac disease.

Keywords： ECG signal； signal processing； signal amplification； signal filtering

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奏的加快、飲食結構不合理，導致此類疾病的發病率不斷增長。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，對于幫助醫生獲取心電信號，診斷心血管疾病，具有重要的意義[1?2]。

由于醫院里使用的心電監護系統體積龐大、價格昂貴、難以移動，不能實時現場監護患者的病情，給病人和醫生造成很大的不便[3?6]。根據心電信號的特點，提出了一種便攜式心電監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，具有不穩定性、低頻特性、隨機性等特點，并且非常容易受到外界環境的干擾。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[7]。基于以上特點，設計了心電信號獲取電路，按照標準I導聯方式進行設計[8]，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。

圖1 系統整體設計框圖

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。

圖2 前置放大電路

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 kΩRG+1。]為了提高被監護對象的安全系數且前置放大器不工作在截止區，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：[Au（s）=Auo1C1C2R1R2s2+1R1C1+1R2C1+（1-Auo）1R2C2s+1C1C2R1R2=Auoω2cs2+ωcQs+ω2c] （1）

其歸一化的傳輸函數為：

[Au（sL）=Auos2L+1QsL+1] （2）

式中：[sL=sωc，][Q]為品質因數，濾波器的截止頻率為：

[ωc=1R1R2C1C2=2πfc=615.15 rad/s] （3）

[fc=97.6 Hz] （4）

圖3 前級濾波電路

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：

[ωc=1R3R4C3C4=2πfc=3.15 rad/s] （5）

[fc=0.50 Hz] （6）

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[9]，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。

圖4 前級濾波測試效果

1.3 主放大電路設計

原始心電信號的幅度約為0.1～3 mV，前置級和濾波電路放大倍數為8.86，而系統采用ADC的刻度范圍為0～3.3 V，為了提高采集精度，設計了主放大電路對信號進一步放大。主放大電路的放大倍數設定為100倍，此時系統總放大倍數為886，得到的心電信號幅度約為0.08～2.7 V，使其在單片機內部ADC模塊的采集范圍內。該電路采用低偏置電壓，低漂移的集成運放OP07來承擔。如圖5所示，100倍的增益由反向輸入端的[R1]和[R2]的電阻決定，同相輸入端采用[R3=100]kΩ電阻以平衡兩端電壓并增大共模抑制比。

圖5 主放大電路

在同相輸入端輸入1 Hz，[Vpp]為100 mV的正弦波，測試經過運算放大器放大后在輸出端測到的信號[Vpp]約為10.3 V，后級放大電路的實際放大倍數約為103倍，測試值與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻[R1]和[R2]的失配引起的。

1.4 50 Hz陷波器設計

工頻干擾主要是由人體和測量系統耦合周圍環境中50 Hz工頻及其諧波成分而引入的，是心電信號的主要干擾之一，對心電波形的影響較大[10]。雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，并且在輸入電路中采用了右腿驅動電路以抑制工頻干擾，但仍有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路。另外，由于輸入回路和電極不穩定等因素，初級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，所以有必要進行陷波處理。設計電路如圖6所示。

圖6 50 Hz陷波器電路

該電路的傳遞函數為：[Au（s）=Afs2+1C2R1R2s2+2R1Cs+1R1R2C2=Afω2c+s2s2+ωcQs+ω2c] （7）

帶阻中心頻率[ωc]為：

[ωc=1R1R2C1C2=2πfc≈312.5 rad/s] （8）

[fc≈49.8 Hz] （9）

對該電路進行軟件仿真，結果如圖7所示，從頻域表可以看出50 Hz左右地方衰減明顯。實際測試時，采用頻率50 Hz，[Vpp]為1 V的正弦信號輸入，經過陷波器之后，原本[Vpp]為1 V的信號，衰減至0.1 V，陷波效果明顯。

圖7 陷波電路幅頻響應圖

1.5 右腿驅動電路

為了提高共模抑制比，取初級放大的共模信號，通過運放反向之后經過右腿加回體表，可以有效抑制測量過程中引入的干擾。實踐證明，采用右腿驅動能夠使50 Hz共模干擾降低到1%以下，而且對于50 Hz干擾的抑制并不以損失心電圖的頻率成份代價，效果較好。右腿驅動電路如圖8所示。

圖8 右腿驅動電路

2 實驗測試結果

按照標準I導聯方式對心電信號進行采樣，經過放大和濾波電路并進行后級低通濾波，得到的心電信號波形清晰，最終測試結果如圖9所示。

圖9 實際的心電信號

3 結 論

本文詳細分析心電信號的基本特征，設計了一種心電信號采集電路的設計方法。該電路結構簡單，硬件體積小，成本低，可廣泛應用于便攜式心電監護儀的心電信號采集。

參考文獻

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