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。

    图3给出了二级有源滤波器的幅频曲线及相频曲线。其中曲线A为幅频曲线，曲线B为相频曲线。
3．5 陷波电路
    由于交流电的影响，在心电信号采集中，容易受50 Hz工频干扰的影响，为此设计了50 Hz陷波电路。该陷波电路采用双T带阻滤波。实现陷波器的难度在于参数选择和电路调试，另外一定要选择高精度的电阻电容，确保参数严格匹配。在实验过程中，对5组参数进行仿真和电路测试，5组参数经计算截止频率均为50 Hz，但实际电路测试效果很不理想。最终选择图4标注的具体电路和参数，以及46 Hz频率以下信号通过时波形仿真，结果较好。从波形图上看，在46 Hz频率以下的信号通过时，通过陷波电路的信号B与原信号A基本一致。无失真。

    图5分别为49 Hz、50 Hz频率信号通过陷波电路后，与原输入信号波形的比较。由图中可清楚地看到：当输入49 Hz信号时，输出信号衰减为原信号的0．35倍左右。当输入50Hz信号时，信号基本上衰减为零，因此能有效抑制50 Hz的工频干扰。
3．6 主放大电路
    为满足A／D转换器对信号幅度的要求，两级放大器共放大l 000倍左右，一级放大电路放大倍数为8倍，所以二级放大倍数设计为125倍。从整个电路集成度和器件性价比考虑，这里选用TL064。该器件内部集成4个运放，每个放大器的功耗只有6 mW，符合便携产品的要求，且价格较低，可减少实验和生产成本。放大电路采用简单的反馈放大电路，调节电阻参数即可。

4 数字处理部分
4．1 A／D转换
    已放大的模拟信号要实现存储和显示，需要转化为数字信号，因此要完成A／D转换。A／D转换首先解决采样率和A／D转换器的选型。
    采样率，美国心脏学会推荐的采样率为500 Hz，但实际中不同应用有不同的采样率，一般在125～1 000 Hz之间，监护时多采用200 Hz或250 Hz，辅助分析时多用400～500 Hz，而心电HOLTER一般取125～200 Hz。采样精度为10 bit或12 bit。
    对于A／D转换器的选型，要根据电路形式、转换速率、通道数目、采样精度、功耗大小、供电电压等因素综合考虑，选出性价比较高的转换器。在确定器件前，表2给出备选的几款A／D转换器的比较结果。

    通过表2和实际项目的要求，最终确定使用MAXl97，其采样位数，转换速率，功耗，体积等方面均符合心电A／D转换的要求。另外，该转换器有8个模拟信号输入端，可采集8路模拟信号，符合心电设备多导联的要求。
    控制模块使用VHDL语言编程实现，根据MAXl97的时序图，利用有限状态机的方法实现控制模块。具体内容是根据A／D转换的进程，将转换过程分为5个状态：1)为初始化，写入读写信号及通道选择和转换电压范围等控制字；2)为启动转换，在时钟控制下，输出信号使得A／D转换器开始转换；3)为判断转换是否完成，若未完成继续转换，若完成跳入下一个状态；4)为读低8位，给转换结束标志信号hben赋值O，读出已经转换完的低8位；5)为读高4位，给hben赋值1，读出高4位。

    图6是根据上述状态机VHDL语言实现后生成的图元符号及控制模块的仿真波形。从仿真波形上可以看出，该模块符合A／D转换器的时序要求，能在功能上实现对A／D转换器的控制，得到所需要的数字信号。
    A／D转换器的控制信号由FPGA提供。基于FPGA平台搭建一个A／D转换的控制模块。选择FPGA做控制平台，是由于FPGA有着丰富的可编程逻辑资源，利用这些资源可以实现心电设备中的控制存储、显示、按键、通信等其他模块。这些模块都在FPGA上完成就构成了片上系统，使得设备体积和可靠性都有了很大程度上的提高。选择FPGA也是出于项目整体方案的考虑。

5 结束语
    在项目的要求下，通过分析心电信号的特点，从幅值，频率，噪声等各方面有针对性的设计了心电采集电路，并对每一环节都做了仿真和测试，最大程度上精简电路，满足便携式设备对体积的要求，同时保持较高的性能，能有效采集到心电信号。对采集到的心电信号，用FP-GA控制A／D转换模块，得到数字信号，以便后续的数字处理。另外，由于FPGA的丰富可编程资源，可以在这个采集系统基础上升级为诊断并显示的系统。