精確心電圖(ECG)信號處理

心電圖(ECG)是用來捕捉心臟在一段時間內(nèi)情況的反映，它通過外部電極連接到皮膚轉(zhuǎn)換成電信號來采集。心臟外面形成的每個細(xì)胞膜都有一個關(guān)聯(lián)電荷，它在每次心跳期間去極化。它以微小電信號的形式出現(xiàn)在皮膚上，可以通過心電圖探測到并放大顯示。

　　早在1900年Willem Einthoven就發(fā)明了第一臺實用的心電圖。該系統(tǒng)很笨重，需要很多人去操縱它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有電解液的大型電極中。今天的心電監(jiān)護設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，這樣病人走動時也可以帶著。家用十二導(dǎo)聯(lián)心電圖可以裝在口袋里。

　　心電圖基礎(chǔ)：

　　文中這個關(guān)于心電圖的術(shù)語“導(dǎo)聯(lián)(lead)”，指的是兩個電極間的電壓差，這就是設(shè)備記錄下來的差異。例如，“Lead_I”是左臂和右臂電極之間的電壓。Lead_I和Lead_II都指的是肢體導(dǎo)聯(lián)。V1-V6指的是胸部導(dǎo)聯(lián)。心電圖追蹤V1就是Vc1電壓(胸部電極的電壓)，和Lead_I，Lead_II ，Lead_ III的平均電壓之間的差別。一個標(biāo)準(zhǔn)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖系統(tǒng)包括八個真實數(shù)值和四個派生值。表1給出了各種導(dǎo)聯(lián)電壓(真實的和派生的)的簡介。

　　導(dǎo)聯(lián)名稱計算注釋

　　這是一個真實導(dǎo)聯(lián)，顯示在心電圖軌跡中。

　　表1：導(dǎo)聯(lián)名稱及心電圖記錄位置。

　　一個典型的心電圖波形如圖1所示。X軸表示時間刻度。在這里每格(5毫米)對應(yīng)的是20毫秒。Y軸顯示的是捕獲信號的振幅。Y軸上每格(5毫米)對應(yīng)的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

　　圖1：典型的心電圖波形。

　　心電圖特點：

　　心電圖系統(tǒng)設(shè)計的第一步包括，了解需要獲取的信號種類。心電圖信號包括存在于高偏置和噪聲的低振幅電壓。圖2顯示了心電圖信號的特點。系統(tǒng)里存在高偏移，由于電極產(chǎn)生的半個細(xì)胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統(tǒng)里最常見的電極，它的最大偏移電壓為+ / -300mV。實際期望的信號為+ / -0.5mV疊加在了電極偏移上。此外，系統(tǒng)還會合上來自電源線的50/60Hz噪聲，形成共同模式的信號。電力線噪聲的幅度有可能非常大，需要對其進行濾波。

　　圖2：要獲得的心電圖信號特點。

　　心電圖采集

　　模擬前端處理是心電圖系統(tǒng)的重要組成部分，因為它需要區(qū)分噪聲和期望信號(振幅很小)。模擬前端處理電路包括一個測量放大器，從而降低普通模式的信號。測量放大器工作在+ / -5V，通常是用來加大的輸入電壓范圍。這個測量放大器應(yīng)具備高輸入阻抗，因為皮膚的阻抗可能是非常大的。需要運算放大器來作為心電圖設(shè)備的信號處理。心電圖采集系統(tǒng)的信號鏈包括測量放大器、濾波器(可通過運放實現(xiàn))和ADC。