心电图仪设计综述

心电图仪设计综述　美国美信集成产品公司　Ｇｅｎｅ　Ｓｖｏｂｏｄａ　摘要：介绍了心电图仪（ＥＣＧ或ＥＫＧ）的基本架构及心　备产生一个信号用于测量电极与人　体间的阻抗，从而检测是否存在导　联脱落。测量信号可以是交流或直　流，也可以兼用。某些ＥＣＧ还可以　在检测导联脱落的状态时通过分析　阻抗检测呼吸频率。应该连续检测　导联脱落状态，而且不能妨碍心电　信号的准确测量。　图２所示为ＥＣＧ总体功能框　图。如果把ＥＣＧ划分成对信号进行　数字转换的模拟前端（ＡＦＥ）和将要　电信号的电子测量和显示的基本原理，探讨了ＥＣＧ设备的　模拟前端（ＡＦＥ）及信号通道对心率信号实现数字化的问题，　并讨论了各种ＥＣＧ应用，包括自动体外除颤仪（ＡＥＤ）、病人　监护仪和高端诊断型ＥＣＧ及其所提供的多种功能。　关键词：ＥＣＧ；ＥＫＧ；心肌电信号　心电图ｆＥＣＧ或ＥＫＧ）用于测量　极，可以从不同的角度观察心电活　随时问变化的心肌电信号，并将测　量结果用图形显示出来。ＥＣＧ的应　动，每个位置都可以作为ＥＣＧ的一　个输出通道显示并打印，每个通道　用范围涵盖了简单的心率监测到特　殊的心脏状况诊断。任何应用中，　代表两个电极之间的差分电压或某　一进行分析、显示、存储和传输数据的　“其余部分”，就比较容易理解心电　仪对电子元器件的要求。ＡＦＥ通常　具备相同的基本要求，差别在于导　联数、信号保真度、干扰抑制能力　等。根据具体的功能需求，系统“其　余部分”的差异很大，典型功能包括　电极与几个电极平均电压的差　ＥＣＧ的测试原理是相同的，但设计　细节以及对电子元件的要求差别很　值，电极问的不同组合可以显示出　比电极数更多的通道。这些通道一　大，从价格低于２００美元的便携设　备到超过５　０００美元、大小与传真　般称为“导联”（或“通道”），一个１２　导联的ＥＣＧ设备具有１２个独立的　图形显示通道。基于不同应用，导联　机等同的台式设备。有些应用中，甚　至把ＥＣＧ嵌入到其他仪器中，例如　数量可以在１～１２之间选择。问题　是，连接电极的导线有时也被称为　导联，这样容易引起混淆，因为１２　导联（１２通道）的ＥＣＧ只需要１０个　显示器、打印硬件拷贝、无线（ＲＦ）连　接以及电池充电等。　病人监护仪、自动体外除颤器（ＡＥＤ）　等，如图１所示。　所有ＥＣＧ都通过连接在身体特　导联数（导数）　最显著的特性之一是导联数，　有些ＥＣＧ只有一个导联，有些则多　殊部位的电极采集心电信号，身体　产生的心电信号幅度只有几个毫　伏，通过连接在身体特定位置的电　电极（１０条线），所以要仔细判断所　使用的“导联”。　除了生物信号外，多数ＥＣＧ还　达１２个导联。最常用的ｌ２导联　ＥＣＧ需要１０个电极，其中９个用来　会检测两个人工信号，其中植入式　心脏起搏器（简称为“起搏”信号）是　最重要的信号。起搏信号时间相当　短，从数十微秒到几毫秒，幅度从几　毫伏到接近１　Ｖ。通常，ＥＣＧ必须同　采集电信号，第１０个电极连接在右　腿ｆＲＬ）上，由ＥＣＧ电路驱动，以降低　共模电压。９个输入电极分别是左　臂（ＬＡ）、右臂（ＲＡ）、左腿（ＬＬ）各一个　电极，前心（胸）区域６个电极（Ｖ１一　时侦测是否存在起搏信号，以防干　扰其他心电信号。第二种人工信号　用于检测“导联脱落”，即电极的接　触不良。许多ＥＣＧ需要在电极接触　图１病人监护仪所显示的ＥＣＧ和血氧读数　不良时发出报警指示。为此，ＥＣＧ设　Ｖ６）。每个导联或心电视图都代表某　一电极与另一电极或一组电极之间　的电压差，如果将电极编组，则取电　压平均值。对ＲＡ、ＬＡ和ＬＬ三个电　极引出的６导联取平均，作为差分　６Ｉ　２ｏｌｏ￣．ｕｌｌＭ　Ｉ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＯＦＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　价格便宜，电池寿命也更长，其他特　性差异贝０很／Ｊ、。　增强型ＡＦＥ和ＤＳＰ　ＡＦＥ：需要　高性能ＡＤＣ（如图３所示）满足ＥＣＧ　测试要求，可以同时量化９个电极信　号，在２００　ｋＳ／ｓ采样率下的无噪声精　度可达２Ｏ位。然后用数字信号处理　器（ＤＳＰ）计算每个导联信号，隔离起　搏信号、导联脱落信号和呼吸信　号，并滤除干扰频率信号。ＤＳＰ还　计算数／模转换器（ＤＡＣ）驱动ＲＬ电　极所需要的信号强度。这种ＡＦＥ架　构需要模／数转换（ＡＤＣ）器的各个通　道高度匹配。另外，还需要缓冲器　隔离ＡＤＣ采样电容和高阻电极。这　种方案虽然满足了测量指标要求，　却不能满足多数应用的成本和功　耗要求。　图２　ＥＣＧ总体功能框图　对的一边，Ｖ１～Ｖ６分别作为６个差　分对的另一边。有３个导联源于　ＲＡ、ＬＡ，ＬＬ各自与其他两个电极的　在病人身上的其他医疗仪　器。ＥＣＧ的有效频率范围　某种程度上与应用有关，通　常在０．０５　Ｈｚ～１００　Ｈｚ之间。　均值之差。其余３个导联是把ＲＡ、　ＬＡ和ＬＬ作为独立的差分对进行测　量的结果。基于ＲＡ、ＬＡ和ＬＬ的６　ＡＦＥ的第二个功能是　能够检测起搏信号、导联　脱落、呼吸频率和患者阻　抗，检测工作在几个通道　上同时或几乎同时进行。　图３直流耦合、高分辨率ＡＤＣ　个导联包含类似信息，只是通过不　同方法显示。因为信息是冗余的，所　以不需要测量所有６个导联，有些　通道数据可以利用ＤＳＰ对其他通道　另外，心脏除颤时，多数　ＥＣＧ设备需要快速恢复，但由于心　脏除颤会导致前端电路和充电电容　简化型ＡＦＥ：低端ＡＥＦ系列的　数据分析计算得到。　此处描述的是最常用的１２导　特性是单通道、消费类ＥＣＧ。这些设　联系统，但不是唯一方案。另外，ｌ２　导联ＥＣＧ也可以作为５导联、３导　联或１导联系统使用。关键是当需　要不止１个导联时，需要开关阵列　和均值电路。　饱和，这些容性耦合电路会延长恢　复时间。　备的ＡＦＥ采用电容耦合电路，将输　入信号耦合到一个低通差分放大　器，再馈送给１０位、１２０　Ｓ／ｓ采样率　的ＡＤＣ。电容耦合电路可以去掉输　入的直流失调，低通滤波器滤除起　搏信号。这些设备通常采用电池供　电，且只有一个通道，因此没有共模　电压。　ＡＦＥ架构　ＡＦＥ架构对系统性能影响很　大，下面描述的增强型架构，由于采　模拟前端（ＡＦＥ）　ＡＦＥ的主要功能是将心电信号　用了高精度、高速ＡＤＣ（模／数转换　器），从而在较宽的频率范围内提供　数字化，由于需要抑制ＲＦ信号源、　起搏信号、导联脱落检测信号、工频　共模信号等强干扰以及其他肌体信　号和电子噪声的干扰，处理过程非　常复杂。另外，毫伏级的心电信号可　能叠加在数百毫伏的直流失调电压　上，加上通道间的共模电压，可能超　高保真。没有采用电容耦合，而是通　过ＤＡＣ（数／模转换器）作为ＲＬ驱动，　使ＡＦＥ可以从除颤或射频干扰中快　速恢复。数字化起搏信号允许对起　搏数据进行分析，从而减少错误的　起搏指示，甚至可以检测起搏器或　连接部分的缺陷。另一方面，还要考　典型的ＥＣＧ设备ＡＦＥ：大多数　ＥＣＧ设备采用的电路介于上述两者　之间。仪表放大器（ＩＡ）常用来抑制　共模电压，消除诸如工频干扰的共　模噪声，并为ＡＤＣ的采样电容提供　缓冲，后续滤波器可以滤除起搏信　过１　Ｖ。连接到患者身体的电极一　定不能产生电击危险或干扰到连接　虑到增强系统需要昂贵的元器件，　耗电也很大。相比之下，简化型ＡＦＥ　号和脱落检测信号，然后送到ＡＤＣ　进行采样、数字转换。某些情形下，　７Ｉ　２０１０Ｓ￣Ｕ１１Ｍ　Ｉ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　心电信号和直流失调会通过一个高　精度ＡＤＣ直接进行数字转换。其他　情形下，则会采用高通滤波器或ＤＡＣ　去除直流失调，从而可以使用典型　的１２位精度ＡＤＣ，对放大后的心电　信号进行采样、数字转换，如图４所　示。每个通道可以配备一个ＡＤＣ，也　可以多个通道共用一个ＡＤＣ进行　霍尔特（Ｈｏｌｔｅｒ）监护仪　纽曼・霍尔特博士发明了移动　集心电数据提供了一个有效途径。　对消费类心电仪的设计主要着眼于　廉价和小尺寸。　监护仪对数据进行采集并上传到其　他系统进行分析。与遥测型设备不　同，这些监护仪不需要中心接收站，　可以用于家庭、户外乃至任何地点。　对于Ｈｏｈｅｒ　ＥＣＧ监护仪，因为１２导　联监护仪不便移动，多数情况下导　联数不会超过５个。一般用存储卡　从监护仪转移数据，当然，也可以用　ＵＳＢ盘或其他方法。多数患者只需　要监测１－２天，当需要患者参与某些　药理研究时，则使用特殊的长期监　护仪，患者可能需要使用一　年甚至更久。Ｈｏｈｅｒ　ＥＣＧ监　自动体外除颤器（ＡＥＤ）　为了在公众场合应对一些突发　事件，大多在公共场所ｆ如大型购物　中心、健身房以及办公室等）都会安　装ＡＥＤ设备。在心脏病发作时可以　立即采用这些设备，对胸部释放一　数字转换。ＡＤＣ复用则在通道问引　起微小的时问偏差，其接受程度取　个高能量的电脉冲，起搏心脏并使　之恢复到正常心率。如果使用时机　决于具体应用。如果需要检测起搏　信号，则可用高通滤波器提取，然后　放大，再用比较器电路进行放大和　检测。　不当，脉冲冲击会造成生命危险，因　而，ＥＣＧ在功能上必须能够防止这　种意外发生。ＡＥＤ一般只有１个导　联，其电极既用来释放高压脉冲，也　用来采集心电信号。ＡＥＤ设备原理　框图如图５所示。　测仪设计的主要要求也是　低功耗、低噪声和小尺寸。　消费类ＥＣＧ　这类低端ＥＣＧ可以方　便地固定在手臂上，人们在　家里就可以进行ＥＣＧ检　ＡＥＤ可能数月或数年搁置不　用，而使用这些设备的往往是没有　经过专业培训的人员，设备即使存　在问题，他们也无从知道。需要使用　ＡＥＤ时，要先开机、进行一系列自检　查，这些仪器能够保存数据　并显示在内置屏幕上。数据　确认功能完好无损，然后再运行一　小段时间。所有心电数据以及除颤　也可以传送到计算机或通　过电话线传送到康复中心。　图４交流耦合ＡＤＣ　信息，需要记录下来，用于随后分　析。使用有问题的ＡＥＤ弊大于利，　因而可靠性和自诊断能力是ＡＥＤ　设计首先要考虑的。　有些仪器有挂接多个电极，　有些则只是在机壳上安装了两个电　极。内置电极可以压在胸部，或者把　两手分别放在两个电极上。由此得　ＥＣＧ设备类型　遥测型ＥＣＧ　遥测型ＥＣＧ系统用于临床环境　下流动患者的连续监测，它包括一个　置于患者端、带无线ｆＲＦ）收发功能　的ＥＳＧ和一个中心站，通过无线接　收采集并分析患者的监测数据。有　些遥测系统还提供额外数据（例如　诊断型ＥＣＧ　诊断型ＥＣＧ设备用于医院和医　生办公室，提供高质量ＥＣＧ检测，　到的心电图可能质量不是很好，却　为人们在异常时监护自身状况、采　血氧值），这些数据用来验证治疗效　果或调整治疗方案，并对即可能发　生的问题告警。　许多遥测系统只有５个导联，　如果用满１２个导联的话，则难以应　对病员的流动性。通常，患者会连续　几天使用设备，因此此类设备多采　用一次性电池。其他ＥＣＧ也能增加　遥测功能，不过“遥测ＥＣＧ”专指在　医院内部可移动携带并能发送数据　到本地接收站的移动单元。对于此　系统的设计，关键要考虑低功耗、低　噪声和小尺寸。　图５　ＡＥＤ设备的原理框图　ｆ下转第１０页）　８　Ｉ　２０１　０ＳＩ￣Ｕｌ　ｌ　ｑ　Ｉ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　未来家庭医疗保健设备的两个　关键问题是连接和电源。在很多情　导体技术的进步都借鉴了其他便携　消费类产品的重大进步，例如手机　况下，精确地将临床读数从诊断设　备提供给医护人员与提供给病人进　行自我照顾是同样重要的。例如糖　和媒体播放器。特别是对于电源管　理、运动检测和ＲＦ传输领域来说尤　其如此。但是，在精密信号放大、转　换和处理上的专业技术对于检测和　分析低电平、复杂的临床信息仍然　非常重要。　尿病管理。又如当前的ＥＣＧ（心电图）　波形可以打印出来或者通过电子通　信方式发送信息，提供给临床医生。　以前，要实现这个功能，ＥＣＧ仪　这些开发工作也获得了Ｃｏｎｔｉｎｕａ　图２　ＦａｌｌＳａｖｅｒ　器需要直接与电脑相连，这使病人　Ｈｅａｌｔｈ　Ａｌｌｉａｎｃｅ的支持、促进和认　下不能走动的病人。无论是在医院、　有潜在的触电危险。ＡＤＩ公司最近　证，该联盟是由最好的医疗保健和　家中或者疗养院内，看护人员不可能　推出的ＡＤｕＭ４１６０　ＵＳＢ隔离器可以　技术公司联合起来组成的非盈利的　一直监护卧床不起的病人。而病人　克服这个问题，在病人与电脑和网　开放式行业联盟，旨在提高个人医　可能因为患有痴呆症或者不想麻烦　络之间提供完全的电气隔离，同时　疗保健品质。Ｃｏｎｔｉｎｕａ在全球有２００　看护人员，在没有看护人员看护的　仍然支持ＥＣＧ的全部功能并保持　多家成员公司致力于建立一个互操　情况下选择起床走动，这经常导致　与电脑的连接。　作性个人健康解决方案系统，用知　因为身体虚弱而摔倒的情况发生。　测量前端也需要少量功率来驱　识将那些解决方案延伸到家庭，从　小小的ＦａｌｌＳａｖｅｒ贴片可贴在病　动用于采集和数字化ＥＣＧ信号的　而培养独立、自主的个人医疗保健　人的大腿上，在长达两周的时间内　放大器和数据转换器。隔离电源由　能力，提供真正个性化的卫生和健　对病人的运动提供持续监测，特别　ＡＤＩｘＭ５０００　ＤＣ—ＤＣ转换器提供，它　康管理机会。Ｃｏｎｔｉｎｕａ　Ｈｅａｌｔｈ　Ａ１－　是确定那些试图站立和走动的动　无需对电池充电和更换电池。这类　ｌｉａｎｃｅ也正在建立设计标准并为那　作。ＦａｌｌＳａｖｅｒ单元会发出报警声并　器件也可用于需要与病人有直接电　些标准提供认证，从而为医疗保健　发送无线电信号给护士呼叫站或看　气接触的许多家用保健设备的设　提供者和消费者在他们选择和使用　护人员携带的电台，以便看护人员　计，它们也有通过ＵＳＢ直接与电脑　这些项目提供的设备时建立信任。　将能在病人摔倒前赶到床边协助其　连接的能力，从而提供存储、分析和　家用医疗设备不断增长的需求　移动。这是临床试验中被证明在这　结果传输的完整功能。这些技术使　使得对系统的要求逐渐变得复杂，　一高风险人群中能显著降低摔倒和　医疗设备设计人员能够更容易地满　需要医疗设备设计人员必须减小尺　摔倒引起的伤病的设备。　足最新的ＩＥＣ６０６０１要求。　寸、提高易用性、提高下一代便携式　Ｆａｌ１Ｓａｖｅｒ也采用ＡＤＸＬ３２３和ＡＤＸ—　通过开发创新的ＩＣ，半导体公　医疗设备的性能。这些新的系统级　Ｌ３３５加速度计，它们能以数字格式　司正改善着全世界病人的医疗保健　需求意味着模拟半导体制造商必须　提供动作信息，可以实现动作方式　品质。那些创造了最新家庭医疗保　迎接挑战，开发具有突破性的模块　的快速算法分析。除了前面提到的　健系统的设计工程师们，正针对疾　ＩＣ，使下一代产品的设计成为可能。　加速度计，下一代三轴加速度计可　病管理、健康保健和给药等方面，以　设计开发的重点在于如何开发医疗　以更低的功耗和更小的尺寸提供高　半导体器件为基础努力发明改变人　设备的未来创新功能，而这越发取　水平的功能，例如ＡＤＩ的ＡＤｘＬ３４５　们生活的产品。　决于系统和模拟ＩＣ设计人员之间　和ＡＤＸＬ３４６。　很多便携和家庭保健产品中半　持续有效地信息共享。　（上接第８页）　高抗干扰能力和灵活性。　凝固术（ＡＰＣ）设备的高强度ＲＦ干扰。　可以测试全部１２导联的ＥＣＧ，并创　病人监护仪　另外，能够从心脏除颤操作中迅速　建硬拷贝输出。这些设备使用高性　病人监护仪用于监测生命体征　恢复也是这类ＡＦＥ的基本要求。由　能ＡＦＥ，通常可以通过调整增益、选　（脉搏、呼吸速率、血压及体温等），　于病员监护仪采用交流供电，也配　择适当的滤波器来提高ＥＣＧ检测　另外也具备ＥＣＧ功能，同时还可以　有备用电池，所以功耗也是重要指　质量。由于体积较大很少移动，这些　监测血氧、二氧化碳水平。把这些功　标。外壳必须能防溅水并便于清洁，　设备有空间实现更多功能，例如内　能整合成一台设备，可以使手术室　当然这会影响冷却通道，因此还要　置打印机、各种通信接口、大尺寸显　更为简洁，使用也更为方便。病人监　考虑散热问题。除了功耗和散热外，　示屏等。它们一般使用交流电源，通　护仪的ＡＦＥ类似于诊断型ＥＣＧ，但　设计病人监护仪的关键在于ＲＦ抑　常也带有可充电电池用作备份。设　要满足射频（ＲＦ）抑制要求，因为在　制和低噪声指标。　计诊断型ＥＣＧ的关键在于低噪声、　手术期间，会受到电子刀和氩离子　１口ｌ　２０１　０ＳＩ￣Ｓ１　１　Ｍ　Ｉ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ