便携式心电信号采集电路设计

摘要：针对便携式心电采集电路体积小、性能高的要求，以AD620和TL064为核心设计出由前置放大电路、无源高通滤波、二阶低通滤波、陷波器和二级放大电路等组成的采集电路。前置放大电路的设计和参数的选择抑制了噪声，省去了通常采集电路中右腿驱动的部分；通过对二阶滤波和陷波器的参数选择和调试，得到较理想的滤波效果。A／D转换是利用FPGA设计控制模块来实现的，其他存储、显示模块可以集中在FPGA上，增加了便携设备的集中度。实验和仿真结果表明，在简单电路和参数下能够得到对50 Hz频率衰减几乎为0，在1 000 Hz时衰减-40 dB，幅度放大1 000倍的心电信号。
关键词：心电信号；信号采集；电路设计；FPGA

随着生活水平的提高，健康问题引起人们高度重视，尤其是对心脏疾病方面，因而从医院大型设备到便携式仪器，甚至各种远程诊断设备，都有飞跃发展，而所有心电设备的基础都是精确采集到心电信号。在大型设备中，对采集电路的性能要求严格，因此电路设计复杂，体积较大。在便携式设备中，对采集电路要求性能和体积的统一。因此在便携式自动心电诊断系统的项目背景下，设计出便携式心电信号的采
集电路。

1 心电图产生机理
在人体内，窦房结发出一次兴奋，按一定途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏兴奋。因此，每个心动周期中，心脏各个部分兴奋过程中出现的生物电变化的方向、途径、次序和时间都有一定规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的生物电变化，即心电位。若把测量电极放置在人体表面的一定部位，记录处心脏电位变化曲线，即常规心电图(Electrocardiogram，简称ECG)。

2 系统结构
便携式心电监护仪的目标是具备自动诊断心脏疾病的功能，同时便于家庭和旅行使用。这里主要给出便携式心脏疾病自动诊断设备的前端部分，即信号采集和处理部分。心电信号的采集主要由放大、滤波等模拟电路完成。心电信号在FPGA控制下，实现信号的数字化，以便后续进一步处理和存储，系统整体结构如图l所示。

3 采集心电信号
3．1 心电信号的特点
正常心电信号的幅值范围为10 V～4 mV，典型值为1 mV。频率范围在0．05～100 Hz，而90％的频谱能量集中在0．25～35 Hz之间。在检测微弱的心电信号时还要注意到噪声的抑制。这些噪声主要有皮肤与电极接触的极化电压、其他生理信号的混入、电子器件的噪声、无线电波和工频干扰等。
根据心电信号非常微弱的特点，采集心电信号的前置放大电路需要具备高输入阻抗、高共模抑制比、放大器低噪声和低漂移等方面性能。
综合考虑以上要求，这里选用放大器为AD620。AD620的输入阻抗为10GΩ，增益为10时的共模抑制比为100dB，最大温度漂移O.6μV／℃。从AD620的参数指标上看，适用于心电的前置放大电路。
3．2 导联系统
从人体体表采集心电时，首先要考虑2个问题：一是电极的放置位置。二是电极与放大器连接形式。临床上为了统一和便于比较所获得的心电波形，对测定ECG的电极位置和与放大器的连接方式都做了统一规定，称为心电图的导联系统，常称导联。广泛认可的国际标准十二导联，分别为I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中I、Ⅱ、Ⅲ导联为双极导联，其余为单极导联。I、Ⅱ、Ⅲ导联又称肢体导联，拾取左右臂和左腿的任两者之间的电位差，所以是双极导联。双极导联不反映单电极的电位变化。单极导联是一端接参考电极，另一端接探查电极，反映心脏局部电位变化。V1～V6便是一端接参考电极，一端的探查电极放在胸部的6个位置。aVR、aVL、aVF称为加压肢体导联，是改变参考电极端，使信号幅度增加一倍的肢体导联。
3．3 一级放大
心电信号一级放大器选用AD620，它在输入阻抗、共模抑制比、低噪低漂移上具有出色的性能。另外，AD620采用差分放大，能够有效地抑制噪声。一级放大倍数不宜太大，因为在采集信号时可能产生电位波动和极化电压及其他噪声，给后续电路处理噪声带来不便，建议在7～lO倍。电路连接如图2所示，另外，AD620的REF引脚接地。

3．4 滤波电路
由于心电信号的频率在0．05～100 Hz，采集电路就需要设计滤波器除去该段频率以外的噪声频率。滤波电路主要由高通滤波、低通滤波和50Hz陷波器组成。高通滤波器，采用简单的CR无源高通电路(图2)，能有效阻断直流通路，消除基线漂移，而基线漂移主要是由呼吸引起。为了达到理想的滤波效果，对大于截止频率的信号，有较严格的衰减，设计了二阶低通滤波器，如图2所示。
对电路进行实际测试计算得到以下数据，如表1所示。表1中，衰减为电路测试数据，“Filterlab”为软件仿真的数据，从数据对比上看，实际计算数据和仿真数据基本一致。