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(多图) 精确心电图(ECG)信号处理

赛普拉斯半导体 Ajay Bharadwaj?? Umanath Kamath?? 2011年09月07日 ?? 收藏0

  心电图(ECG)是用来捕捉心脏在一段时间内情况的反映,它通过外部电极连接到皮肤转换成电信号来采集。心脏外面形成的每个细胞膜都有一个关联电荷,它在每次心跳期间去极化。它以微小电信号的形式出现在皮肤上,可以通过心电图探测到并放大显示。

  早在1900年Willem Einthoven就发明了第一台实用的心电图。该系统很笨重,需要很多人去操纵它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有电解液的大型电极中。今天的心电监护设备结构紧凑,携带方便,这样病人走动时也可以带着。家用十二导联心电图可以装在口袋里。

  心电图基础:

  文中这个关于心电图的术语“导联(lead)”,指的是两个电极间的电压差,这就是设备记录下来的差异。例如,“Lead_I”是左臂和右臂电极之间的电压。Lead_I和Lead_II都指的是肢体导联。V1-V6指的是胸部导联。心电图追踪V1就是Vc1电压(胸部电极的电压),和Lead_I,Lead_II ,Lead_ III的平均电压之间的差别。一个标准的十二导联心电图系统包括八个真实数值和四个派生值。表1给出了各种导联电压(真实的和派生的)的简介。

  这是一个真实导联,显示在心电图轨迹中。

表1:导联名称及心电图记录位置。

导联名称及心电图记录位置

  一个典型的心电图波形如图1所示。X轴表示时间刻度。在这里每格(5毫米)对应的是20毫秒。Y轴显示的是捕获信号的振幅。Y轴上每格(5毫米)对应的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

典型的心电图波形

图1:典型的心电图波形。

  心电图特点:

  心电图系统设计的第一步包括,了解需要获取的信号种类。心电图信号包括存在于高偏置和噪声的低振幅电压。图2显示了心电图信号的特点。系统里存在高偏移,由于电极产生的半个细胞电压。Ag/AgCl (银-银氯化物)是心电图系统里最常见的电极,它的最大偏移电压为+ / -300mV。实际期望的信号为+ / -0.5mV叠加在了电极偏移上。此外,系统还会合上来自电源线的50/60Hz噪声,形成共同模式的信号。电力线噪声的幅度有可能非常大,需要对其进行滤波。

要获得的心电图信号特点

图2:要获得的心电图信号特点。

  心电图采集

  模拟前端处理是心电图系统的重要组成部分,因为它需要区分噪声和期望信号(振幅很小)。模拟前端处理电路包括一个测量放大器,从而降低普通模式的信号。测量放大器工作在+ / -5V,通常是用来加大的输入电压范围。这个测量放大器应具备高输入阻抗,因为皮肤的阻抗可能是非常大的。需要运算放大器来作为心电图设备的信号处理。心电图采集系统的信号链包括测量放大器、滤波器(可通过运放实现)和ADC。

  心电图滤波

  信号处理是一项巨大的挑战,因为实际的信号为0.5mV,它处在一个300mV偏移量的环境里。其他因素如交流电源干扰,外科设备的射频干扰,手术植入的设备如起搏器和生理监测系统也会影响精度。心电图里噪声的主要来源是

  •   基线漂移(低频噪声)
  •   电力线干扰(来自电力线的50 Hz或60 Hz噪声)
  •   肌肉噪声(这种噪声是很难被清除,因为它是在同一地区的实际信号。它通常是在软件里纠正。)
  •   其他干扰(例如,来自其他设备的射频噪声)

  共模噪声去除

  干扰通常表现为经过差分放大器两端的共模噪声。这种噪声可以通过以下方法去除:

  •   尽可能的把前端接地电路和数字系统隔离。高效的系统级设计是总体噪声抑制能力的关键。
  •   使用具有很高共模抑制比(大于100dB)的测量放大器?
  •   使用反向共模信号驱动病人的身体。病人的右腿用Lead_I,Lead_II, Lead_III平均值的反向信号来驱动。适当地减少共模噪声耦合到系统中。
  •   使用金属屏蔽设备,防止高频射频(RF)耦合到系统中。
  •   使用屏蔽电缆采集心电图信号,它是由共模电压驱动的,可以减少噪声耦合。
  •   除了上述方法,信号采集以后,存在很多软件算法来去除噪声。

  前端设计的目的是减小噪声耦合到系统中。

  去除基线漂移:

  基线漂移是一种存在于心电图系统的低频噪声。这是由于电极、呼吸和身体运动的偏置电压造成的。这可能会在分析心电图波形时造成问题。偏置也限制了可从测量放大器获得的最大增益。在较高增益下,信号可能饱和。这种噪声可以通过以下方式去除:

  使用硬件实现高通滤波。截止频率应该是这样的,当基线漂移清除后心电图是未失真的。典型的截止频率值是0.05Hz。既然截止频率很低,这种方法需要大电容。在该方法中,增益要用两个阶段实现,由于自偏置可以在测量放大器输出饱和。两级滤波器也使得系统更为复杂。该系统需要一个低分辨率的ADC,通常有8到16位的分辨率。图3显示了硬件实现高通滤波器的信号链流程。

使用硬件高通滤波器实现的心电图信号链

图3: 使用硬件高通滤波器实现的心电图信号链。


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心电图? ADC? 滤波器? PSoC?

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