一种低噪声便携式的心电监测仪设计

摘 要：针对实时监测心电信号对心电分析有重大意义。设计了一种心率监测方法，经导联输入从体表获得的心电信号先经滤波器滤除高频干扰再经一个50 Hz陷波器进一步抑制电源干扰，然后进入MSP430单片机的A／D转换得到数字化的心电信号。电路抗50 Hz陷波性能好，噪声小，整个电路经Electronics Workbench仿真观察波形基本无失真。经试验验证监测仪显示心电信号清晰稳定，基本满足临床监护以及病理分析的要求。
关键词：心电放大电路；波形仿真；低噪声；滤波器；数据采集

0 引 言
监护仪是一种用以测量和监控病人生理参数，并可与已知设定值进行比较，如果出现超差可发出报警的装置或系统。便携式监护仪小型方便，结构简单，性能稳定，可以随身携带，可由电池供电，一般用于非监护室及外出抢救病人的监护。心血管疾病是人类生命的最主要威胁之一，而心电(Electrocardiogram，ECG信号是诊断心血管疾病的主要依据，因此实时监测病人心电活动，设计自动采集病人心电信号的便携式系统具有重要意义。
传统的导联系统采用通用的三电极方式，右胸上电极及左腹下电极为心电采样电极，右腹下电极为右腿驱动电极。这种联接方式有效实用，有利于便携使用。便携式监护仪分析处理系统可以分为两大部分，一是携带在被检查者身上的袖珍监护仪，二是由微机系统组成的心电图处理诊断系统。被检查者将某一时段的动态心电信号由监护仪记录下来，通过GPRS通信方式将数据传送到医院的心电图处理诊断系统中。心电信号是由人体心脏发出相当复杂的微弱信号，为了获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。
本设计的特点：
(1)目前对心电信号的降噪有多种方法，这里主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。滤波采用高通和低通两级滤波，滤波电路经Workbench仿真效果明显。
(2)与以往双T型50 Hz陷波器不同的是，该设计电路引入放大器形成正反馈，以减小阻带宽度。
(3)本文为人体日常生活方便，设计了导联电极脱落检测电路，防止运动输入电极脱落。

1 心电信号的特点及整体系统结构
心电信号属医学生物信号，它一般具有以下特点：随机性较强，即信号无法用确定的函数描述，而只能用统计的方法，从大量测量结果中看其规律；噪声背景强，即要测的有用信号往往淹没在许多无用信号中。常规心电信号的频带范围是O．05～100 Hz，在此频带范围内包含了心电信号90％的能量成分。由于心电信号是mV级的信号，因此对于干扰环境而言，它是非常微弱的信号。
心电信号由皮肤电极取自于人体表面，是一种低频率的微弱双极性信号。它淹没在许多较强的干扰和噪声之中。这些干扰主要包括肌电信号、呼吸波信号等体内干扰信号和以50 Hz工频干扰、电极与皮肤界面之间的噪声为主的体外电磁场干扰信号的影响。信号源阻抗大约100 kΩ，信号为10μV～5 mV，典型值为1 mV，加上周围的电磁干扰(特别是50 Hz的工频干扰)比较大，要求放大电路具有高增益、高输入阻抗和高共模抑制比；为保持信号的稳定，还要求输入失调电压和偏置电流小、温漂小；为了便于随身携带，还要求体积小、电源电压低、耗电少等。
对心电信号进行精确测量，必须设计出性能优良的放大器。放大器的核心和关键是前置级的设计。整个前置级电路由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。从体表获得的心电信号经导联输入后，ECG信号经运放构成的前置放大器放大，滤波器滤除其中的高频干扰后，再经一个50 Hz陷波器进一步抑制电源干扰，然后通过电平位移进入A／D转换，从而得到数字化的心电信号。

2 电路结构描述，心电信号的传感、放大及滤波
2．1 电路结构描述和仿真
整个监护仪是由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。医学传感器获得体表的心电信号滤除其他频段干扰后经过放大调理和A／D转换之后传给计算机以供数据分析。其中便携性方面设计了电极脱落检测电路，摆脱电缆羁绊，使使用者能随身携带。硬件电路用Workbench软件进行仿真能实现其功能，采用的滤波函数用Matlab和Filterlab软件仿真之后能达到设计要求。滤波方法采用50 Hz陷波之后，再经过高低通两级滤波，引入放大器形成正反馈，以减小阻带宽度。