心電圖儀設(shè)計(jì)綜述

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(jì)細(xì)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(jī)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(hù)儀、自動體外除顫器(AED)等，如圖1所示。

　　圖1 病人監(jiān)護(hù)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(dú)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?yàn)?2導(dǎo)聯(lián)(12通道)的ECG只需要10個電極(10條線)，所以要仔細(xì)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(dāng)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(zhǔn)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(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換的模擬前端(AFE)和將要進(jìn)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(dá)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(dú)立的差分對進(jìn)行測量的結(jié)果。基于RA、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?yàn)樾畔⑹侨哂嗟模圆恍枰獪y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(jì)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(dāng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)20位。然后用數(shù)字信號處理器(DSP)計(jì)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(jì)算數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動RL電極所需要的信號強(qiáng)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(biāo)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(fèi)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。