心電圖(ECG或EKG)設(shè)計原理及實例應(yīng)用

心電圖(ECG或EKG)用于測量隨時間變化的心肌電信號，并將測量結(jié)果用圖形顯示出來。ECG的應(yīng)用范圍涵蓋了簡單的心率監(jiān)測到特殊的心臟狀況診斷。任何應(yīng)用中，ECG的測試原理是相同的，但設(shè)計細節(jié)以及對電子元件的要求差別很大，從價格低于200美元的便攜設(shè)備到超過5 000美元、大小與傳真機等同的臺式設(shè)備。有些應(yīng)用中，甚至把ECG嵌入到其他儀器中，例如病人監(jiān)護儀、自動體外除顫器(AED)等，如圖1所示。

圖1 病人監(jiān)護儀所顯示的ECG和血氧讀數(shù)

所有ECG都通過連接在身體特殊部位的電極采集心電信號，身體產(chǎn)生的心電信號幅度只有幾個毫伏，通過連接在身體特定位置的電極，可以從不同的角度觀察心電活動，每個位置都可以作為ECG的一個輸出通道顯示并打印，每個通道代表兩個電極之間的差分電壓或某一電極與幾個電極平均電壓的差值，電極間的不同組合可以顯示出比電極數(shù)更多的通道。這些通道一般稱為“導(dǎo)聯(lián)”(或“通道”)，一個12導(dǎo)聯(lián)的ECG設(shè)備具有12個獨立的圖形顯示通道?；诓煌瑧?yīng)用，導(dǎo)聯(lián)數(shù)量可以在1～12之間選擇。問題是，連接電極的導(dǎo)線有時也被稱為導(dǎo)聯(lián)，這樣容易引起混淆，因為12導(dǎo)聯(lián)(12通道)的ECG只需要10個電極(10條線)，所以要仔細判斷所使用的“導(dǎo)聯(lián)”。

除了生物信號外，多數(shù)ECG還會檢測兩個人工信號，其中植入式心臟起搏器(簡稱為“起搏”信號)是最重要的信號。起搏信號時間相當短，從數(shù)十微秒到幾毫秒，幅度從幾毫伏到接近1 V。通常，ECG必須同時偵測是否存在起搏信號，以防干擾其他心電信號。第二種人工信號用于檢測“導(dǎo)聯(lián)脫落”，即電極的接觸不良。許多ECG需要在電極接觸不良時發(fā)出報警指示。為此，ECG設(shè)備產(chǎn)生一個信號用于測量電極與人體間的阻抗，從而檢測是否存在導(dǎo)聯(lián)脫落。測量信號可以是交流或直流，也可以兼用。某些ECG還可以在檢測導(dǎo)聯(lián)脫落的狀態(tài)時通過分析阻抗檢測呼吸頻率。應(yīng)該連續(xù)檢測導(dǎo)聯(lián)脫落狀態(tài)，而且不能妨礙心電信號的準確測量。

圖2所示為ECG總體功能框圖。如果把ECG劃分成對信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換的模擬前端(AFE)和將要進行分析、顯示、存儲和傳輸數(shù)據(jù)的“其余部分”，就比較容易理解心電儀對電子元器件的要求。AFE通常具備相同的基本要求，差別在于導(dǎo)聯(lián)數(shù)、信號保真度、干擾抑制能力等。根據(jù)具體的功能需求，系統(tǒng)“其余部分”的差異很大，典型功能包括顯示器、打印硬件拷貝、無線(RF)連接以及電池充電等。

圖2 ECG總體功能框圖

導(dǎo)聯(lián)數(shù)(導(dǎo)數(shù))

最顯著的特性之一是導(dǎo)聯(lián)數(shù)，有些ECG只有一個導(dǎo)聯(lián)，有些則多達12個導(dǎo)聯(lián)。最常用的12導(dǎo)聯(lián)ECG需要10個電極，其中9個用來采集電信號，第10個電極連接在右腿(RL)上，由ECG電路驅(qū)動，以降低共模電壓。9個輸入電極分別是左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)各一個電極，前心(胸)區(qū)域6個電極(V1-V6)。每個導(dǎo)聯(lián)或心電視圖都代表某一電極與另一電極或一組電極之間的電壓差，如果將電極編組，則取電壓平均值。對RA、LA和LL三個電極引出的6導(dǎo)聯(lián)取平均，作為差分對的一邊，V1～V6分別作為6個差分對的另一邊。有3個導(dǎo)聯(lián)源于RA、LA，LL各自與其他兩個電極的均值之差。其余3個導(dǎo)聯(lián)是把RA、LA和LL作為獨立的差分對進行測量的結(jié)果?；赗A、LA和LL的6個導(dǎo)聯(lián)包含類似信息，只是通過不同方法顯示。因為信息是冗余的，所以不需要測量所有6個導(dǎo)聯(lián)，有些通道數(shù)據(jù)可以利用DSP對其他通道數(shù)據(jù)分析計算得到。

此處描述的是最常用的12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，但不是唯一方案。另外，12導(dǎo)聯(lián)ECG也可以作為5導(dǎo)聯(lián)、3導(dǎo)聯(lián)或1導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)使用。關(guān)鍵是當需要不止1個導(dǎo)聯(lián)時，需要開關(guān)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(dǎo)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(fù)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(yīng)用有關(guān)，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(dǎo)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(shè)備需要快速恢復(fù)，但由于心臟除顫會導(dǎo)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(fù)時間。

AFE架構(gòu)

AFE架構(gòu)對系統(tǒng)性能影響很大，下面描述的增強型架構(gòu)，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(fù)。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(dǎo)聯(lián)信號，隔離起搏信號、導(dǎo)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(gòu)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)備AFE：大多數(shù)ECG設(shè)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(fù)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(yīng)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(shè)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(dǎo)聯(lián)，如果用滿12個導(dǎo)聯(lián)的話，則難以應(yīng)對病員的流動性。通常，患者會連續(xù)幾天使用設(shè)備，因此此類設(shè)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(shè)計，關(guān)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(shè)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(dǎo)聯(lián)監(jiān)護儀不便移動，多數(shù)情況下導(dǎo)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(shè)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(fù)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(shè)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(yīng)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(shè)備。在心臟病發(fā)作時可以立即采用這些設(shè)備，對胸部釋放一個高能量的電脈沖，起搏心臟并使之恢復(fù)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(dǎo)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(shè)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(shè)備的往往是沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員，設(shè)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(shè)計首先要考慮的。

診斷型ECG

診斷型ECG設(shè)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(dǎo)聯(lián)的ECG，并創(chuàng)建硬拷貝輸出。這些設(shè)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(shè)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(shè)計診斷型ECG的關(guān)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(shè)備，可以使手術(shù)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(shù)期間，會受到電子刀和氬離子凝固術(shù)(APC)設(shè)備的高強度RF干擾。另外，能夠從心臟除顫操作中迅速恢復(fù)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(shè)計病人監(jiān)護儀的關(guān)鍵在于RF抑制和低噪聲指標。