典型的模擬心電圖拓撲結(jié)構(gòu)和ECG信號鏈分析

簡介

心電圖（ECG）是心臟產(chǎn)生的體表電活動的記錄。通過放置在身體上指定位置的皮膚電極收集ECG測量信息。 ECG信號的特征是六個峰和谷標(biāo)有字母P，Q，R，S，T和U的連續(xù)字母（圖1）。

本文提出了一些想法用于低成本實施心電監(jiān)護儀。 ¹ 其配置設(shè)想用于個人計算機（PC）。盡管本文是在考慮患者安全的情況下編寫的，但所提出的任何想法本身并不一定與所有系統(tǒng)安全要求兼容;任何使用這些想法的人都必須確保在特定設(shè)計中，整個設(shè)計符合要求的安全標(biāo)準(zhǔn)。

首先，我們概述了典型的模擬心電圖拓撲結(jié)構(gòu)。然后提出了一種執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波和數(shù)字放大的電路 - 所有這些都是通過使用MicroConverter集成的“片上系統(tǒng)”，它結(jié)合了A / D轉(zhuǎn)換器，微控制器和閃存。本文接著討論了MicroConverter組件選擇和編程的注意事項。

心電圖儀的要求

心電圖的前端必須能夠處理極弱信號范圍為0.5 mV至5.0 mV，結(jié)合直流分量高達±300 mV - 由電極 - 皮膚接觸產(chǎn)生 - 加上共模分量高達1.5 V，由電極和地之間的電位產(chǎn)生。根據(jù)應(yīng)用的不同，ECG信號的有用帶寬范圍為0.5 Hz至50 Hz，適用于重癥監(jiān)護室的監(jiān)測應(yīng)用 - 最高1 kHz用于后期潛在測量（起搏器檢測）。標(biāo)準(zhǔn)臨床ECG應(yīng)用的帶寬為0.05 Hz至100 Hz。

ECG信號可能被各種噪聲破壞。噪聲的主要來源是：

• 電力線干擾：50-60 Hz拾音器和來自電源的諧波
• 電極接觸噪聲：電極和電極之間的可變接觸皮膚，導(dǎo)致基線漂移
• 運動偽影：由電極 - 皮膚阻抗變化引起的基線偏移
• 肌肉收縮：肌電圖型信號（EMG）產(chǎn)生并混合心電圖信號
• 呼吸，引起基線漂移
• 來自其他電子設(shè)備的電磁干擾，電極線用作天線，
• 噪聲耦合來自其他電子設(shè)備，通常是高頻率。

為了進行有意義和準(zhǔn)確的檢測，必須采取措施過濾掉或丟棄所有這些噪聲源。

典型ECG信號鏈

圖2顯示了典型的單通道心電圖儀的框圖。在該鏈中，顯然所有濾波都在模擬域中完成，而微處理器，微控制器或DSP主要用于通信和其他下游目的。因此，數(shù)字核心的強大計算屬性不易于處理其基本原始狀態(tài)的信號。此外，復(fù)雜的模擬濾波器由于其不靈活性以及所需的空間，成本和功率而對整體設(shè)計來說成本高昂。

建議電路

通過使用ADuC842 MicroConverter可以簡化信號鏈，該器件允許將ADC，濾波器和微處理器組合在一個集成電路中。其他優(yōu)點是濾波器實現(xiàn)的靈活性和數(shù)字域中的隔離。擬議的系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

模擬輸入處理

模擬前端采用典型方法，儀表放大器（IA）和右腿共模反饋運算放大器。 IA是AD620，一款低成本，高精度儀表放大器，具有出色的直流性能：CMR >> 100 dB至近1 kHz，最大偏移電壓50μV，低輸入偏置電流（最大1 nA），輸入低電壓噪聲（0.28μV，0.1 Hz至10 Hz）。

AD620只需要一個外部增益設(shè)置電阻 R ^G 。電阻器R2和R3將正常增益公式更改為[增益 = 1 + 49.4 k / R _G +（49.4 k / 2）/ 22 K]。為避免輸出飽和，可用增益受到輸出擺幅和IA的最大輸入電壓的限制。采用±5V電源，AD620的輸出擺幅約為±3.8 V;最大輸入為±5 mV加上可變的正常模式直流偏移，最高可達±300 mV，最大增益為12.45。這里，使用 R _G =8.45kΩ，將增益保守設(shè)置為8（±1％）。

右側(cè)使用的運算放大器-46共模反饋電路是OP97，一款低功耗，高精度運算放大器，具有極高的共模抑制性能（最小值為114 dB）。該電路將共模干擾的反相版本應(yīng)用于受試者的右腿，目的是消除干擾。運算放大器的共模電壓為91 [ viz 。，R4 /（R2 || R3）=1MΩ/11kΩ]，電壓增益為1.6 Hz，具有1.6 Hz的衰減和低通截止頻率約為160 Hz，穩(wěn)定性[ f ^{- 3 dB} = 1 /（2π×（10kΩ×0.1μF）]。

數(shù)字隔離

數(shù)字隔離是PC的RS232接口的核心，在本例中建議用于顯示器。隔離器是ADuM1301，一個基于ADI公司的雙向數(shù)字隔離器 i 耦合器^? 技術(shù) - 消除了與光耦合器相關(guān)的設(shè)計難題（不確定的電流傳輸比，非線性傳遞函數(shù)等）。

與光耦合器相比，它還實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和更低的功耗。 ADuM1301有三個獨立的隔離通道，其中兩個用于此處 - 一個用于發(fā)送，另一個用于接收數(shù)據(jù)。 （此處不需要ADuM1301的另一個功能 - 能夠啟用/禁用輸入/輸出數(shù)據(jù)。）ADuM1301測量側(cè)的電源取自ADP3607-5升壓器/穩(wěn)壓器，它提供了一個固定的5 V輸出。 PC側(cè)的電源完全與電路隔離。它可以從PC（就像在這里）或從不同的來源獲取。

安全電源

隔離電源由電池供電，電池在充電時充電車站不使用時。要處理雙極性輸入信號，AD620和OP97需要±5 V雙電源。 ADP3607-5升壓/穩(wěn)壓器和ADP3605逆變器用作穩(wěn)壓雙電源，可通過單個3 V電池提供正負調(diào)節(jié)電壓。

ADP3607是穩(wěn)壓輸出開關(guān)電容電壓倍頻器可提供高達50 mA的電流。它能夠在低至3 V的輸入電壓下工作，提供固定電壓為5 V（ADP3607-5）的版本 - 此處使用的版本。 （它還可通過外部電阻以3 V至9 V范圍內(nèi)的形式提供。它可以產(chǎn)生更大的正電壓，外部泵級由無源元件組成。）

ADP3605開關(guān)電容電壓逆變器具有穩(wěn)定的輸出電壓，能夠提供高達120 mA的電流。它提供穩(wěn)定在-3 V（ADP3605-3）的調(diào)節(jié)，或通過外部電阻在-3 V至-6 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 （與ADP3607一樣，通過增加外部泵級可以實現(xiàn)更大的負電壓。）需要-5 V電源，輸入電壓為+5 V，因此R設(shè)置為31.6kΩ（±1） ％），使用公式， V _OUT = -1.5 R /9.5kΩ。

兩個電源電壓（±5 V）均由電容式電荷泵產(chǎn)生，即使在故障條件下也不會產(chǎn)生不安全的電壓 - 因為它們不需要任何電感器。這些設(shè)備還具有關(guān)閉模式，允許MicroConverter在系統(tǒng)不使用時關(guān)閉設(shè)備。

患者安全

< p>除數(shù)字隔離和安全電源外，串聯(lián)電阻Rx1，Rx2和Rx3為患者提供保護，以符合AAMI（醫(yī)療器械促進協(xié)會）安全電流標(biāo)準(zhǔn)等級（見參考文獻）。這些標(biāo)準(zhǔn)要求rms地電流或來自電子設(shè)備的故障電流必須小于50μA。

信號處理

ADuC842 MicroConverter非常適合主要的信號處理任務(wù)。它具有快速的12位ADC和其他高性能模擬外設(shè)，快速8052微處理器內(nèi)核，集成62KB閃存代碼以及其他幾種有用的外設(shè)，如圖4所示。

此設(shè)計的MicroConverter的關(guān)鍵組件是ADC和8052內(nèi)核。 ADC將儀表放大器的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為8052核心編寫的軟件處理數(shù)字化信號，以產(chǎn)生最終ECG跡線的數(shù)據(jù)。與許多MicroConverter設(shè)計一樣，該軟件包括用C編寫的復(fù)雜高級代碼和用匯編代碼編寫的時間敏感例程。在這種情況下，帶通濾波器和陷波濾波器的實現(xiàn)在C中，而ADC由匯編代碼控制。匯編代碼與轉(zhuǎn)換器速度相結(jié)合，可以累積多個采樣，從而提高ADC的有效分辨率，遠遠超出正常的12位。

圖5給出了MicroConverter有效性的良好指示。頂部跡線是來自應(yīng)用于ADC的儀表放大器的信號。中間跟蹤顯示僅使用C代碼過濾實現(xiàn)的初始結(jié)果，而底部跟蹤顯示使用匯編代碼處理多次轉(zhuǎn)換后的最終結(jié)果。

C代碼中的過濾器

通過MicroConverter中的數(shù)字濾波處理采集的信號。為此，我們基于500 Hz的采樣頻率設(shè)計了兩個二階數(shù)字無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器。陷波濾波器設(shè)計用于抑制50 Hz干擾。所選擇的設(shè)計程序是零極點放置方法，陷波頻率為50 Hz，陷波寬度為10 Hz。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要以下傳遞函數(shù)：

傳遞函數(shù)可以轉(zhuǎn)換為可編程遞歸算法：

在此等式中子索引，< em> k ，表示當(dāng)前值， k -1表示前一瞬間的值，依此類推。

我們現(xiàn)在需要將此等式轉(zhuǎn)換為代碼。 C編碼是這種算術(shù)密集型處理的自動選擇，因為在匯編中對它進行編程會非常耗時。使用ADuC842直接實現(xiàn)濾波器方程效率很低，因為它不適合浮點計算。幸運的是，我們可以縮放系數(shù)（例如4096）并將陷波代碼實現(xiàn)為：

iNOut =（4096L * iNIn-6627L * iNIn1 + 4096L * iNIn2 + 6211L * iNOut1-3598L * iNOut2）/ 4096;

這實現(xiàn)了二階濾波器。雖然我們可以計算更高階的濾波器，但實際上簡單地級聯(lián)二階濾波器似乎是可行的。

第二個濾波器是Butterworth通帶濾波器，具有0.05 Hz的低截止頻率和100- Hz高截止頻率。傳遞函數(shù)和遞歸算法是：

這是用C代碼實現(xiàn)的：

iBOut =（1723L * iBIn-1723L * iBIn2 + 4745L * iBOut1-650L * iBOut2）/ 4096 ;

請注意，只需更改輸入系數(shù)即可縮放輸出。還要注意，為了提高效率（如果信號都是正數(shù)），最后通過右移12來完成4096的除法。

圖6所示的實現(xiàn)是針對五個級聯(lián)的級聯(lián) - 通過濾波器和兩個陷波濾波器。在第一和第二帶通濾波器的每一個中，信號按比例放大4倍。 12位右移實現(xiàn)了4096的分頻。

注意行 if（iAdc00> 24000）iDac- = 1， 和 if（iAdc00 <8000）iDac + = 1，，調(diào)節(jié)ADuC842的DAC輸出，驅(qū)動AD620的電平轉(zhuǎn)換輸入，將AD620輸出轉(zhuǎn)換為MicroConverter ADC輸入的舒適值。這對于減小由于電極施加到皮膚的方式的微小差異而導(dǎo)致的可變dc偏移的影響是期望的。類似的技術(shù)用于確保輸出電壓在輸出范圍內(nèi)居中。

匯編代碼中的處理

匯編代碼的主要功能是定期測量輸入信號并確保以每秒500次的要求速率重復(fù)C代碼計算。在第一種情況下，我們將Timer0編程為連續(xù)運行并以1 ms的間隔生成中斷。每次中斷都會重啟Timer0，獲得ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，并遞增一個變量c2ms，用于同步C代碼。在代碼開發(fā)的這個階段，C代碼的前幾行是：

而（c2ms <2）; //在第一階段使用。
c2ms = 0;
iAdc00 = iAdc0;

最初，c2ms為0，C代碼將在行等待而（c2ms <2）; 。 1 ms后，發(fā)生Timer0中斷，c2ms增加為1.再經(jīng)過1 ms后，c2ms增加為2. 現(xiàn)在，當(dāng)（c2ms <2）; 不再滿足時，通過將計數(shù)器c2ms重置為0并進行濾波器計算，C代碼繼續(xù)運行。此后，C代碼將結(jié)果向下移動表示為循環(huán)的下一次迭代準(zhǔn)備好的各種延遲結(jié)果的變量鏈。循環(huán)的最后一部分是 printf（...），它將結(jié)果發(fā)送到PC進行顯示。超出本文范圍的處理PC上的數(shù)據(jù)可以簡單到將其導(dǎo)入電子表格以進行圖形顯示 - 或者像設(shè)計者希望的那樣復(fù)雜。該解決方案產(chǎn)生了圖5的中間軌跡。

為了改善結(jié)果，Timer0中斷速率縮短為1/32 ms，數(shù)據(jù)在iAdc0中累加，以便使用多次測量而不是單次測量。同時， while 更改為而（c2ms <64），以便C代碼在執(zhí)行每個過濾器循環(huán)之前等待64次測量。 iAdc0中的值保存在iAdc00中以進行進一步處理，然后iAdc0被清除 - 準(zhǔn)備好累積接下來的64次測量。圖7顯示了匯編代碼。這種改進的解決方案產(chǎn)生了圖5的下部跡線。

增益

信號增益始終是ECG信號鏈中的重要考慮因素。在上述設(shè)計中，它取決于許多因素。如前所述，模擬增益設(shè)置為8×。接下來，通過累積該信號的64次測量得到64倍的增益。接下來，從代碼iBIn = iAdc0 >> 3;開始信號丟失8倍，最后，從前兩個帶通濾波器方程的縮放得到4倍的增益。這導(dǎo)致總增益G =（8×64/8）×4×4 = 1024，這是典型的模擬ECG電路。

結(jié)論

圖8顯示了在Einthoven lead I配置中連接的主題的結(jié)果?？梢钥闯觯M管使用的電子硬件簡單，但仍獲得了良好的結(jié)果。該文章表明，通過簡單的硬件和對軟件的關(guān)注，可以實現(xiàn)重大改進。這個例子的改進絕不是最佳水平;專業(yè)設(shè)計師應(yīng)該可以顯著改善結(jié)果。如果要實現(xiàn)具有不同濾波器頻率或其他特殊特性的代碼，則可以進行其他改進。 ADuC842的代碼存儲器基于閃存，允許在制造使用它的產(chǎn)品后進行此類定制 - 或者甚至在患者需求發(fā)生變化時進行。對于潛在的大批量市場而言，最終的結(jié)果可能是緊湊，廉價的ECG。