人体心电信号检测系统的研究

【摘要】设计了一种能采集人体微弱心电信号的检测系统，此系统使用前端电路实现对心电信号的采集，通过滤波、陷波电路过滤掉人体及器件产生的干扰信号，后级放大及电平抬高电路为模拟信号进行模数转换做准备，最后使用MPS430单片机进行A/D转换，从而实现心率的读取。测试结果表明，此系统达到了良好的检测效果。

【关键词】心电信号；模拟信号采集；滤波电路；放大电路；模数转换

Abstract：In this paper，a measurement system for weak electrocardiograph（ECG）signal is proposed.The system employs an analog front-end for ECG signal acquisition，which integrates bandpass and notch filters to remove interference signal from human body and environment.A second amplifier stage provides gain and level shifting to signal for analog-to-digital（A/D）conversion.Finally，the A/D conversion is realized by MPS430 micro-controller，which completes the ECG signal measurement.Experiment results show that the system achieves good measuring performance.

Keywords：ECG signal；analog signal acquisition；filter circuit；amplifying circuit；A/D conversion

随着电子与信息技术的不断发展及其在医疗系统中应用的深入，世界各地尤其是欧美国家相继提出了心电检测设备的小型化、家用化要求和建立远程医疗体系的设想。从1980年代开始，国外开始建立以电话线路传输心电信号的心电图监测中心，随后又出现了以数字式电话传输心电图信号的研究。国外各大公司也纷纷跟进，进行心电监护产品的研究开发工作；亚洲的日本在这方面也做了较大的投入，其中SONY，东芝已有类似的监护设备上市，但都价格不菲。

国内在这方面的研究晚于西方国家，一个总的特点是起步晚、起点高。目前，国内生产便携式心电监护设备的厂家有很多，产品也进入了实用化，但是大多数是以OEM方式进行组装的，具有自主开发能力的较少。总的来说，目前国内心电监护产品主要特点为：市场需求越来越大；技术水平和产品质量在不断提高；生产厂家多，但核心技术掌握不足。随着中国经济水平的不断发展及与国际社会融入程度的不断加深，在这方面有着巨大的发展潜力。无论国内还是国外都对心电监护设备的研究投入了巨大的人力与物力。伴随着电子技术的飞速发展[1]，其前景必定相当广阔。

1.心电信号检测原理

在心脏兴奋过程中出现生物电源，产生电流，它在周围组织里流动，所以有可能通过心脏外的一对电极测到它的时变电势差，即心电图[2]。这对电极构成了最简单的心电描记导联方式。临床上为了便于比较所获得的ECG波形，对测定ECG的电极位置、引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之为心电图导联[3]。此线路装置包括电极与导联线，置于四肢的电极放在两腕，两踝内上侧0.05m处。连接四肢的导联线的颜色也有统一的规定，红、黄、绿、黑色导联线分别连于右上肢、左上肢、左下肢、右下肢上电极[4]。根据电极的放置位置及连接方法的不同，常用的有标准双极导联，加压单极肢体导联，单极胸导联三种[5]。而在心电监护仪的临床使用中，根据不同的要求可以选择不同的导联。

在心电信号检测中，摄取人体内的生物电的导体称之为电极。它的阻抗、极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大[6]。为了准确、方便地记录心电信号，要求电极（传感器）从离子导电变成电子导电的电化学半电池反应的可逆性要好。目前国内外供临床广泛使用的电极为银—氯化银电极。它是用银粉和氯化银粉压制而成的，是一种较为理想的体表心电信号检测电极。使用时，电极片和皮肤之间充满导电膏，形成一薄层电解质来传递心电信号，从而有效地减小了由于电极片与皮肤直接接触所造成的极化电压。心电检测前端的电极及导联选择好后，检测电路将主要针对心电信号的特点和干扰进行设计。

由于心电信号是自人体体表特定点处拾取的生物电信号，其是一个非常微弱的非正弦的低频信号，一般只有0.05～5mV，典型值为1mV，可低至几十微伏，频谱分布在0.05～ 100Hz，主要频谱分量集中在0.5～35Hz。要采集这样的信号，首先必须设计合适的心电信号检测电路。在心电放大器输入回路内，由于电极和与电极接触的电解质溶液（导电膏、汗液或组织液等）之间存在着复杂的离子交换过程，在其接触面形成极化电动势Ep1和Ep2，当Ep1≠Ep2时，其差值比心电信号大得多，能达到数百毫伏[7]。差值信号与心电信号一起，由心电放大器放大，势必造成前置放大器静态工作点的偏离，甚至进入截止或饱和，引起心电放大器的阻塞，所以心电检测电路的前置放大器的增益不能太大。经过后置主放大后，达到心电信号的放大要求。心电信号是低信噪比的周期性微弱信号，在ECG信号采集过程中，易受仪器、人体等方面的影响，并混有很强的工频干扰，因此放大后的信号还要经过滤波处理以保证通带为0.05～100Hz，并抑制50Hz工频干扰。

2.系统功能设计

2.1 系统总体设计

基于对心电信号原理特点和干扰因素的分析，设计的系统[8]应当包含以下几个部分，系统框图如图1所示。

（1）前置放大器将使用导联电路采集的微弱的心电信号放大50倍左右，使信号可以通过滤波电路正常滤波。

图1 心电信号采集系统图示

（2）滤波电路由带通电路、带阻电路和陷波电路组成，使被放大的心电信号中0.5-100Hz的成分得以通过，滤掉不符合噪声等不符合要求的成分。陷波电路的目的是去掉50Hz工频干扰，所以在设计中采用50Hz的陷波。

（3）电压抬升电路将滤波之后的信号放大到1V以上，并且把所有信号抬升到正半轴，使信号得以满足模数转换的要求。

（4）MPS430单片机的A/D转换模块要求输入信号为大于0的峰峰值在1V以上的信号。通过单片机中的模数转换模块实现对心电信号的统计，从而采集到心率值，同时将心率值在液晶模块上显示。

2.2 系统单元电路设计

2.2.1 前级放大电路

由AD620构造系统的前级放大电路，两个输入端A、B分别使用体表电极接被测者左右手的动脉上，第三个输入端C通过体表电极接小腿，A、B与C共同构成导联系统，形成单通道的心电监测系统，以获得基本ECG中较大的R波。前端放大的设计可以将心电信号放大110倍，电路如图2所示。

图2 前级放大电路

图3 陷波电路

2.2.2 滤波电路

经过前级放大的心电信号首先经过高通滤波使1Hz以上的信号通过，再经过低通滤波使低于100Hz的信号通过。两部分共同组成带通电路，过滤掉信号中不满足要求的部分，留下1Hz到100Hz的有效成分。

2.2.3 陷波电路

陷波器就是一种用作单一频率陷波的窄带阻滤波器，一般用带通滤波器和减法器电路组合起来实现。理想的带阻滤波器在其阻带内的增益为零。设计采用双T型网络设计50Hz工频陷波电路，去掉信号中由于工频干扰产生的噪声信号，电路如图3所示。

2.2.4 后级放大电路

信号经过滤波之后仍旧十分微弱，不能满足模数转换的条件，后级放大电路可以实现对信号的二次放大并弥补滤波时信号的衰减。前级放大和后级放大将心电信号放大1000倍。电路中使用可变电阻使放大倍数可调。

2.2.5 电平抬升电路

MPS430的模数转换模块要求输入信号的值为正值，故通过电平抬升电路将放大之后的信号抬升到正半轴，以满足单片机对信号的处理要求。

3.系统功能测试

将本系统作为本科学生课程设计内容，学生结合实验室提供的元器件通过理论计算并用仿真软件调试得出的元件参数大小，再到实验室在万用板上设计元件及各电路部分的位置并进行焊接。为了便于各个电路部分的调试和修改，首先使用杜邦线将每个部分连接在一起，并使用杜邦线连接信号的输入输出方便检测，其次进行安装调试。使用体表电极连接双臂动脉和小腿，将抬升之后的信号输入到滤波器，调节可变电阻使滤波器上显示的波形在正半轴。图4为数字示波器实测的心电波形。

图4 心电波形

可以看出系统对心电信号的采集没有受到很大的干扰，波形干净均匀，各段心电信号均可正常显示。

4.结束语

系统通过模拟电路的设计，包含前端放大、滤波电路、后级放大和抬升电路四个部分，通过对每部分所用器件、元件的选择、仿真以及测试使人体的心电信号能够被采集并正常放大，同时滤掉人体或器件产生的干扰信号。经过电路的焊接调试，最终得到人体心电信号的波形。本次设计是较为成功的，但是设计中还存在一些缺陷和不足，需要后续的学习修正。

参考文献

[1]郭继鸿.心电学进展[M].北京：北京医科大学出版社， 2002.

[2]张开滋，刘海样，吴杰.心电信息学[M].北京：科学技术文献出版社，1998.

[3]李根泉.心脑电图计算机分析的原理和应用[M].北京：科学出版社，1986：90-99.

[4]钱小安.电话传送心电与计算机会诊网络的临床应用[J].心电学杂志，1996，15（4）：6-9.

[5]Zhang Y，et al.First Trial of Home ECG and Blood Pressure Telemonitoring System in Macau，Telemedicine Journal，1997，3（7）：569-578.

[6]Miao Zhenkui，Zhu Shuwen.Distant Electrocardiogram Monitoring System.International Medical Device，1999，5（4）：999-1015

[7]冯焕清等.心电计算机辅助诊断中的波形检测和识别方法研究[J].合肥：中国科技大学学报，2011，21.

[8]何敏，袁海洋，候建彬，王威廉.基于ARM的便携式移动心电监护终端设计[J].仪器仪表学报，2010，31（8）：164-167.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：11273001）。

作者简介：杨华（1963—），女，辽宁沈阳人，学士，高级实验师，主要研究方向：电子技术等。

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