一种低噪声便携式的心电监测仪设计

2.4 心电信号的放大
　　心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，且电极与体表的接触电阻一般高达几兆欧，所以要求前置放大级应具有高输入阻抗、高共摸抑制比、低噪声、高增益且可调、低功耗和抗干扰能力强的特点。经过比较，选用Analog Device公司的低价仪表放大器AD620。
　　心电信号的放大具体实现电路见图1。心电信号前置放大级的增益不易设定太高，以免在干扰较强时信号引起严重失真。为更好地消除共模电压，设计了自举屏蔽驱动电路如图1所示。采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，在输入共模信号时使屏蔽线与芯线等电位，在差模信号输入时没有影响。为了
　　进一步提高电路的抗干扰能力，采用右腿驱动电路从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。此右腿驱动不是实际意义上的右腿驱动，因为由于此系统的侧重点在于便携操作，选用腹部右下侧设置电极。
　　


　　2.5 电极脱落检测
　　由于此系统应用于人体日常生活中，人常常处于活动状态，这样输入电极很可能脱落，从而使系统不能正常工作。为此，设计了导联电极脱落检测电路如图2所示。
　　


　　正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以互相抵消。当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，通过一个比较器，当比较电压超出范围时，认为电极导联脱落，V0输出电平由正常时的高电平变为低电平，下级三极管导通，蜂鸣器发声指示。
                               
                　　2.6 心电信号的滤波
　　BT3受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种：工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰(EMG)、基线漂移等。其中50 Hz的工频干扰最为严重，也是最难消除的。其他的各种噪声通过高截低通、高通低截滤波方法可以很好地消除。
　　从心电电极得到的心电信号先要经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰。心电信号需经过两次陷波和两次滤波以实现消噪的目的，两次陷波分别滤掉50 Hz的工频信号和100 Hz的倍频谐波信号，两个滤波器分别是0.05 Hz高通滤波器和100 Hz的低通滤波器。这样可得到较为光滑的波形。
　　2.6.1 陷波电路
　　陷波器的电路如图3所示，该电路是带双T网络的有源滤波器，其传递函数：
　　


　　


　　与以往双T型陷波器不同的是，该电路引入放大器A2形成正反馈，以减小阻带宽度，使得阻带中心频率附近两边的幅值增大。品质因数Q可以通过变阻器Rw来调节。R和C的值可由中心频率f0确定。
　　


　　当f0=50 Hz时，C和R分别取O.068μF和47 kΩ;f0=100 Hz时，C和R分别取O.068μF和24 kΩ。
　　图4为式(1)传递函数的Filterlab 2.0的仿真结果。由此可以看出陷波电路设计符合要求。
　　


　　2.6.2 带通滤波电路
　　带通滤波器电路如图5所示，采用的是带反馈的有源滤波器。该电路前半部分是0.05 Hz的高通滤波器，后半部分为100 Hz的低通滤波器。
　　


　　高通滤波器的传递函数：
　　


　　各电阻电容值的选取，除了能够滤波以外还具有放大作用。以上全部电路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。
　　图6是Matlab的滤波仿真结果，从图中可以看出，信号在50 Hz处被很好地抑制了，滤波的效果非常理想，完全可以达到临床实用的要求。
　　


　　滤波器对最终信号的质量尤为重要，由于滤波器的性能对元器件的误差相当灵敏，因此在这一级的设计中需要选用稳定而精密的阻容原件，可串联精密电位器以获得较好的效果。
                               
                　　3 结 语
　　电路中各滤波器的性能与滤波器的参数有直接关系，需经过正确计算。陷波器双T型网络中的电阻和电容需要精确匹配，以保证双T网络的对称，否则陷波深度会受影响。变阻器如何调节将会影响波形的好坏，可在实验中调试得出。
　　图7是实际电路测试的结果(纵坐标为μV)，可以看到该电路较好地完成了对心电的降噪。当然，在降噪过程中还可以增加屏蔽技术，以进一步减少外部信号的干扰。带通滤波器还可以设计成只带一个放大器的滤波器，使电路更为简单，但是精确率可能会降低。
　　


　　要想获得清晰稳定的心电信号，心电放大器中前置放大器与滤波器的设计很关键，特别是50 Hz的带阻滤波器尤其重要。
　　本文设计的以AD620型运放构成的心电放大器可实现输出电压高增益、低噪声、高灵敏度，保证心电信号清晰稳定，按上述设计制作出的监护仪体积小、耗电少、携带方便、工作正常。经实测输出心电波形基本无失真，P波、T波都能得到真实显示。特别是该电路抗50 Hz陷波性能好，信号中基本看不到寄生工频干扰。电路稳定性好，即使电极脱落，基线亦无明显漂移。满足家居监护以及病理分析的要求。
　　作为便携式监护仪器，硬件结构简单、体积便于携带是其自身固有的特点。本文针对这些特点，心电信号采集存储和数据处理从节省电能和成本方面考虑采用MSP430单片机。为使滤波函数得以更好地实现，可采用具有运算速度快和浮点运算优点的DSP芯片进行改进，使采集的信号失真更小，保真度更高，对ECG信号的采集准确率大大提高，但DSP昂贵的价格会使成本提高。