便攜式心電監(jiān)護(hù)儀前置放大電路和抗干擾的設(shè)計(jì)（一）

監(jiān)護(hù)儀是一種用以測(cè)量和監(jiān)控病人生理參數(shù)、并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較、如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置或系統(tǒng)。便攜式監(jiān)護(hù)儀小型方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監(jiān)護(hù)室及外出搶救病人的監(jiān)護(hù)。導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)采用通用的三電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅(qū)動(dòng)電極。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用。便攜式監(jiān)護(hù)儀分析處理系統(tǒng)可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監(jiān)護(hù)儀，另一為由微機(jī)系統(tǒng)組成的心電圖處理診斷系統(tǒng)。被檢查者將某一時(shí)段的動(dòng)態(tài)心電信號(hào)由監(jiān)護(hù)儀記錄下來，通過GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的心電圖處理診斷系統(tǒng)中。

體表心電信號(hào)的頻率主要集中在0. 05~ 100Hz，幅度為10μV~ 4mV （典型值為1mV ） ，是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)。它淹沒在許多較強(qiáng)的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號(hào)、呼吸波信號(hào)等體內(nèi)干擾信號(hào)和以50Hz工頻干擾、電極與皮膚界面之間的噪聲為主的體外電磁場(chǎng)干擾信號(hào)的影響。因此，要對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，必須設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的放大器。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級(jí)的設(shè)計(jì)。整個(gè)前置級(jí)電路是由前置放大電路和濾波電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見如圖1.

1前置放大電路

便攜機(jī)前置放大電路是對(duì)心功能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的關(guān)鍵部件，要求該系統(tǒng)能在強(qiáng)的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號(hào)檢測(cè)出來，放大至合適的幅度，送入A/ D變成數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)分析處理。

根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)以及通過電極提取的方式，前置級(jí)應(yīng)滿足下述要求：

（1）高輸入阻抗。通過電極提取的心電信號(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號(hào)，為了減小信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗；

（2）高共模抑制比CM RR.人體所攜帶的工頻干擾以及所測(cè)量的參數(shù)以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾。前置級(jí)采用CM RR高的差動(dòng)放大形式，能減小共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化；

（3）低噪聲、低漂移；

（4）高安全性，以確保人體的絕對(duì)安全。

1. 1差動(dòng)放大電路

對(duì)于心電信號(hào)而言，采集的信號(hào)屬于差模信號(hào)，因此采用三運(yùn)放差動(dòng)放大電路作為第一級(jí)放大電路，它具有輸入阻抗高（一般達(dá)10⁹ 歐以上） ，低偏置電流，高共模抑制比，單端輸出的特點(diǎn)。它在基本運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上每個(gè)輸入端各連接一個(gè)同相放大器。所以差動(dòng)放大電路的第一級(jí)是兩個(gè)同相放大器（ U 1A和U 1B） ，第二級(jí)是一個(gè)差分放大器（ U 1D）?？偟碾妷涸鲆鍭 u等于兩級(jí)增益之積。由于第一級(jí)采用同相輸入，有較高的輸入電阻，電路的平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)由共模抑制比、失調(diào)及溫度等產(chǎn)生的輸出誤差電壓具有抵抗作用。第二級(jí)差放電路將雙端輸入變單端輸出。把兩級(jí)電路級(jí)聯(lián)后，他們相互取長補(bǔ)短，使組合后的這個(gè)電路具有輸入阻抗高、電壓增益調(diào)節(jié)方便、共模抑制比和漂移相互抵消等一系列優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)放U 1C是一個(gè)積分電路，它的作用是和U 1D共同構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋電路，來消除基線變化對(duì)輸出信號(hào)的影響，穩(wěn)定輸出電壓。由于采用串聯(lián)反饋形式，使放大電路有較高的輸入阻抗，減小失真的產(chǎn)生。

計(jì)算放大器的增益如下：R5= R7= R， R4= R8= R

因此，差動(dòng)放大電路的總增益為：

1.2單極性調(diào)整電路

心電信號(hào)是一種低頻率的雙極性信號(hào)。對(duì)于由電池供電的便攜機(jī)來說，結(jié)構(gòu)簡單，降低功耗是它的重要特性。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)直流分壓電路，把心電信號(hào)抬升為正電平范圍內(nèi)的單極性的信號(hào)。為了使運(yùn)算放大器工作在線性放大區(qū)內(nèi)，我們把該直流電壓設(shè)定為VCC（3.3V）的一半。

1.3放大級(jí)電路

由于U_i2的信號(hào)是由直流信號(hào)和微弱的心電信號(hào)構(gòu)成的。第二級(jí)放大電路的作用是放大心電信號(hào)，而使直流信號(hào)保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。為此，調(diào)整VR2的位置，使Uc的電壓與U_i2的直流分量相等，則U_i2的直流分量不會(huì)被U_2D放大。

U_o2= U-=U_i2放大級(jí)電路的增益為：

由此可得到前置放大電路總的增益接近為600，可以使毫伏級(jí)的心電信號(hào)放大到伏級(jí)，并處于0V到2. 5V之間。

2抗干擾硬件設(shè)計(jì)方案

對(duì)心電監(jiān)護(hù)儀器來說，評(píng)價(jià)其整體性能的好壞的首要標(biāo)準(zhǔn)是心電信號(hào)在不失真的前提下具有較高的抗干擾能力，而且安全可靠。為避免干擾所造成的影響，最有效的措施是消除干擾源。但在實(shí)際應(yīng)用中，不可能完全將干擾源排除，所以要在硬件電路上采取措施來提高系統(tǒng)的抗干擾性。通常采用的措施可分為兩類：一類是消除干擾進(jìn)入系統(tǒng)的通道；另一類是削弱系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的靈敏度。

2. 1提高前置放大器的輸入阻抗和共模抑制比

人體置身于充滿電磁場(chǎng)的空間，恰如一個(gè)天線接收器，人體上感應(yīng)有各種頻率的電壓，對(duì)心電儀器的輸入端大多以共模電壓形式存在，其中最強(qiáng)的是由動(dòng)力線通過分布電容耦合到人體的50Hz交流電壓。對(duì)共模信號(hào)的抑制包括提高前置放大電路的共模抑制比（ CM RR）和提高電路、導(dǎo)聯(lián)和電極電氣特性的對(duì)稱性，以提高輸入阻抗這兩個(gè)方面。

通過采用高精密度、高共模抑制比的集成運(yùn)放器件來搭建三運(yùn)放的差動(dòng)放大電路，可以提高共模抑制比。值得注意的是放大器的實(shí)際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響。通過兩個(gè)電極提取生物電位時(shí)，兩個(gè)等效源阻抗一般不相等，其數(shù)值大小與人體汗腺分泌情況、皮膚清潔程度有關(guān)。各個(gè)電極處的皮膚接觸電極是不平衡的，而且因人而異。這種不平衡造成的危害是共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化，從而造成共模干擾的輸出。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的這種轉(zhuǎn)化，放大器本身的共模抑制能力再高也將無濟(jì)于事。但是，提高放大器輸入阻抗，則會(huì)減小這一轉(zhuǎn)化。

2. 2設(shè)計(jì)硬件濾波器消除高頻干擾

由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，而高頻干擾相對(duì)心電信號(hào)比較高，所以低頻的截止頻率可以在一個(gè)比較寬的范圍內(nèi)選取，一般的心電圖機(jī)或監(jiān)護(hù)儀選取低通的截止頻率為90 ~ 120Hz.考慮到便攜機(jī)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，低通濾波器的設(shè)計(jì)采用了一階濾波電路。以后介紹的軟件濾波也將配合用來消除高頻干擾。

2. 3設(shè)計(jì)硬件濾波器消除工頻干擾

工頻干擾屬于共模信號(hào)，對(duì)心電信號(hào)的干擾特別強(qiáng)。因此，必須從模擬、數(shù)字兩方面加以抑制。工頻干擾的消除在模擬電路中可用二階壓控電壓源帶阻濾波器來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)選取如下：