一種心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)心電信號(hào)的特征，提出了一種心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路、濾波電路，并對(duì)其逐個(gè)測試和分析，獲得了清晰準(zhǔn)確的心電圖。該電路體積小、成本低、功耗小，可應(yīng)用于便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)。所得到的心電圖可以為醫(yī)務(wù)人員對(duì)心臟疾病的診斷提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；信號(hào)處理；信號(hào)放大；信號(hào)濾波

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(jié)奏的加快、飲食結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致此類疾病的發(fā)病率不斷增長。如何更好地預(yù)防和治療此類疾病儼然成為醫(yī)學(xué)界面臨的重要問題之一。針對(duì)心電信號(hào)采集電路的研究和設(shè)計(jì)，對(duì)于幫助醫(yī)生獲取心電信號(hào)，診斷心血管疾病，具有重要的意義。
由于醫(yī)院里使用的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體積龐大、價(jià)格昂貴、難以移動(dòng)，不能實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)護(hù)患者的病情，給病人和醫(yī)生造成很大的不便。根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，提出了一種便攜式心電監(jiān)護(hù)儀心電信號(hào)采集的設(shè)計(jì)方案。

1 整體方案
從人體體表獲取的心電信號(hào)非常微弱，一般只有0．1～3 mV，具有不穩(wěn)定性、低頻特性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，并且非常容易受到外界環(huán)境的干擾。心電信號(hào)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(shè)備本身的干擾等。基于以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了心電信號(hào)獲取電路，按照標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，左手臂作為電位正極，右手臂為負(fù)極。電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

心電信號(hào)被心電極片獲取后送入前置放大電路進(jìn)行初步放大，由高性能的差分式前置放大電路對(duì)共模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。同時(shí)，通過右腿驅(qū)動(dòng)電路抑制共模干擾和50 Hz工頻干擾，提高信號(hào)的采集質(zhì)量。將經(jīng)過前置放大電路初步放大以后的心電信號(hào)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(hào)輸入主放大器，實(shí)現(xiàn)100倍放大，使信號(hào)放大到0．08～2．7 V的范圍。為了消除在信號(hào)放大過程引入噪聲，同時(shí)濾除信號(hào)中的50 Hz工頻信號(hào)，將主放大后的信號(hào)進(jìn)行50 Hz陷波，然后再經(jīng)過低通濾波電路，從而得到清晰的波形。由于心電信號(hào)是交流信號(hào)，而單片機(jī)的A／D采集輸入范圍是0～3．3 V，故需將信號(hào)進(jìn)行電平遷移，將其抬升至單片機(jī)的模擬電壓采樣范圍，以便進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)化，滿足嵌入式系統(tǒng)分析、存儲(chǔ)和傳輸?shù)囊蟆?br />1．1 前置放大電路設(shè)計(jì)
由于人體心電信號(hào)非常微弱，干擾噪聲強(qiáng)，存在較大的極化電壓，初級(jí)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(dòng)態(tài)范圍等性能。采取差分放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，運(yùn)放選用儀表放大器AD620芯片。

AD620的增益取值范圍為1～1 000倍，對(duì)AD620增益大小的控制是通過調(diào)節(jié)1引腳和8引腳之間的電阻RG來實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算公式為：G=49．4 kΩ／RG+1。為了提高被監(jiān)護(hù)對(duì)象的安全系數(shù)且前置放大器不工作在截止區(qū)，前置放大器的增益不能過大。設(shè)計(jì)電路RG=6．67 kΩ，計(jì)算得增益G為8．41。對(duì)該電路用小信號(hào)進(jìn)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(shí)際放大倍數(shù)為8．86倍，與理論值相符。
1．2 前級(jí)濾波電路設(shè)計(jì)
對(duì)心電信號(hào)的特征分析發(fā)現(xiàn)，濾波電路的頻帶范圍應(yīng)為0．5～100 Hz。選擇低通和高通兩個(gè)濾波器串聯(lián)在一個(gè)通道上，組成帶通濾波器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)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(yùn)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(shè)計(jì)，針對(duì)低通濾波器部分，該二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

fc=97．6 Hz (4)
同樣可以計(jì)算出，針對(duì)高通濾波器二階高通濾波器的截止頻率為：

采用實(shí)際信號(hào)來檢測濾波器的特性，選擇頻率為1 Hz，Vpp為10 mV的信號(hào)，信號(hào)微弱且頻率較低，并帶有噪聲干擾。采用LabVIEW進(jìn)行測試，經(jīng)過高通和低通濾波前后對(duì)比結(jié)果如圖4所示，可以看出，設(shè)計(jì)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。