心電圖指的是心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化的圖形（簡(jiǎn)稱ECG）。心電圖是心臟興奮的發(fā)生、傳播及恢復(fù)過程的客觀指標(biāo)。

　　隨著生活水平的提高，健康問題引起人們高度重視，尤其是對(duì)心臟疾病方面，因而從醫(yī)院大型設(shè)備到便攜式儀器，甚至各種遠(yuǎn)程診斷設(shè)備，都有飛躍發(fā)展，而所有心電設(shè)備的基礎(chǔ)都是采集到心電信號(hào)。在便攜式自動(dòng)心電診斷系統(tǒng)的項(xiàng)目背景下，設(shè)計(jì)出便攜式心電信號(hào)的采集電路。

1  心電圖產(chǎn)生機(jī)理

　　在人體內(nèi)，竇房結(jié)發(fā)出興奮，按一定途徑和時(shí)程，依次傳向心房和心室，引起整個(gè)心臟興奮。因此，每個(gè)心動(dòng)周期中，心臟各個(gè)部分興奮過程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑、次序和時(shí)間都有一定規(guī)律。這種生物電變化通過心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液反映到身體表面上，使身體各部位在每一心動(dòng)周期中也都發(fā)生有規(guī)律的生物電變化，即心電位。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的目標(biāo)是具備自動(dòng)診斷心臟疾病的功能，同時(shí)便于家庭和旅行使用。這里主要給出便攜式心臟疾病自動(dòng)診斷設(shè)備的前端部分，即信號(hào)采集和處理部分。心電信號(hào)在FPGA控制下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化，以便后續(xù)進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖l所示。

3  采集心電信號(hào)

3.1  心電信號(hào)的特點(diǎn)

　　正常心電信號(hào)的幅值范圍為10 V～4 mV，典型值為1 mV。頻率范圍在0.05～100 Hz，而90％的頻譜能量集中在0.25～35 Hz之間。在檢測(cè)微弱的心電信號(hào)時(shí)還要注意到噪聲的抑制。

　　根據(jù)心電信號(hào)非常微弱的特點(diǎn)，采集心電信號(hào)的前置放大電路需要具備高輸入阻抗、高共模抑制比、放大器低噪聲和低漂移等方面性能。

　　綜合考慮以上要求，這里選用放大器為AD620。AD620的輸入阻抗為10GΩ，增益為10時(shí)的共模抑制比為100dB，溫度漂移O.6μV／℃。

3.2  導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)

　　從人體體表采集心電時(shí)，首先要考慮2個(gè)問題：一是電極的放置位置。二是電極與放大器連接形式。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的心電波形，對(duì)測(cè)定ECG的電極位置和與放大器的連接方式都做了統(tǒng)一規(guī)定，稱為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，常稱導(dǎo)聯(lián)。廣泛認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)，分別為I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中I、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)為雙極導(dǎo)聯(lián)，其余為單極導(dǎo)聯(lián)。

3.3  放大

　　心電信號(hào)放大器選用AD620，它在輸入阻抗、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，能夠有效地抑制噪聲。放大倍數(shù)不宜太大，因?yàn)樵诓杉盘?hào)時(shí)可能產(chǎn)生電位波動(dòng)和極化電壓及其他噪聲，給后續(xù)電路處理噪聲帶來不便，建議在7～lO倍。電路連接如圖2所示。

3.4  濾波電路

　　由于心電信號(hào)的頻率在0.05～100 Hz，采集電路就需要設(shè)計(jì)濾波器除去該段頻率以外的噪聲頻率。濾波電路主要由高通濾波、低通濾波和50Hz陷波器組成。為了達(dá)到理想的濾波效果，設(shè)計(jì)了二階低通濾波器，如圖2所示。

　　對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)，如表1所示。表1中，衰減為電路測(cè)試數(shù)據(jù)，“Filterlab”為軟件仿真的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)對(duì)比上看，實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本一致。

　　圖3給出了二級(jí)有源濾波器的幅頻曲線及相頻曲線。其中曲線A為幅頻曲線，曲線B為相頻曲線。

3.5  陷波電路

　　由于交流電的影響，在心電信號(hào)采集中，容易受50 Hz工頻干擾的影響，為此設(shè)計(jì)了50 Hz陷波電路。該陷波電路采用雙T帶阻濾波。實(shí)現(xiàn)陷波器的難度在于參數(shù)選擇和電路調(diào)試，另外一定要選擇高的電阻電容，確保參數(shù)嚴(yán)格匹配。從波形圖上看，在46 Hz頻率以下的信號(hào)通過時(shí)，通過陷波電路的信號(hào)B與原信號(hào)A基本一致。無失真。

　　圖5分別為49 Hz、50 Hz頻率信號(hào)通過陷波電路后，與原輸入信號(hào)波形的比較。由圖中可清楚地看到：當(dāng)輸入49 Hz信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)衰減為原信號(hào)的0.35倍左右。當(dāng)輸入50Hz信號(hào)時(shí)，信號(hào)基本上衰減為零，因此能有效抑制50 Hz的工頻干擾。

3.6  主放大電路

　　為滿足A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)幅度的要求，兩級(jí)放大器共放大l 000倍左右，放大電路放大倍數(shù)為8倍，所以二級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為125倍。從整個(gè)電路集成度和器件性價(jià)比考慮，這里選用TL064。放大電路采用簡(jiǎn)單的反饋放大電路，調(diào)節(jié)電阻參數(shù)即可。

4  數(shù)字處理部分

4.1  A／D轉(zhuǎn)換

　　已放大的模擬信號(hào)要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和顯示，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，因此要完成A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換首先解決采樣率和A／D轉(zhuǎn)換器的選型。

　　采樣率，美國心臟學(xué)會(huì)推薦的采樣率為500 Hz，但實(shí)際中不同應(yīng)用有不同的采樣率，一般在125～1 000 Hz之間，監(jiān)護(hù)時(shí)多采用200 Hz或250 Hz，輔助分析時(shí)多用400～500 Hz，而心電HOLTER一般取125～200 Hz。采樣為10 bit或12 bit。

　　通過表2和實(shí)際項(xiàng)目的要求，終確定使用MAXl97，其采樣位數(shù)，轉(zhuǎn)換速率，功耗，體積等方面均符合心電A／D轉(zhuǎn)換的要求。

　　控制模塊使用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)MAXl97的時(shí)序圖，利用有限狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)控制模塊。

　　圖6是根據(jù)上述狀態(tài)機(jī)VHDL語言實(shí)現(xiàn)后生成的圖元符號(hào)及控制模塊的仿真波形。從仿真波形上可以看出，該模塊符合A／D轉(zhuǎn)換器的時(shí)序要求，能在功能上實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需要的數(shù)字信號(hào)。

　　A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)由FPGA提供?；贔PGA平臺(tái)搭建一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的控制模塊。選擇FPGA做控制平臺(tái)，是由于FPGA有著豐富的可編程邏輯資源，利用這些資源可以實(shí)現(xiàn)心電設(shè)備中的控制存儲(chǔ)、顯示、按鍵、通信等其他模塊。選擇FPGA也是出于項(xiàng)目整體方案的考慮。

5  結(jié)束語

　　在項(xiàng)目的要求下，通過分析心電信號(hào)的特點(diǎn)，從幅值，頻率，噪聲等各方面有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了心電采集電路，并對(duì)每一環(huán)節(jié)都做了仿真和測(cè)試，上精簡(jiǎn)電路，滿足便攜式設(shè)備對(duì)體積的要求，同時(shí)保持較高的性能，能有效采集到心電信號(hào)。對(duì)采集到的心電信號(hào)，用FP-GA控制A／D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)的數(shù)字處理。