心電圖(ECG或EKG)設計原理及實(shí)例應用

心電圖(ECG或EKG)用于測量隨時(shí)間變化的心肌電信號，并將測量結果用圖形顯示出來(lái)。ECG的應用范圍涵蓋了簡(jiǎn)單的心率監測到特殊的心臟狀況診斷。任何應用中，ECG的測試原理是相同的，但設計細節以及對電子元件的要求差別很大，從價(jià)格低于200美元的便攜設備到超過(guò)5 000美元、大小與傳真機等同的臺式設備。有些應用中，甚至把ECG嵌入到其他儀器中，例如病人監護儀、自動(dòng)體外除顫器(AED)等，如圖1所示。

圖1 病人監護儀所顯示的ECG和血氧讀數

所有ECG都通過(guò)連接在身體特殊部位的電極采集心電信號，身體產(chǎn)生的心電信號幅度只有幾個(gè)毫伏，通過(guò)連接在身體特定位置的電極，可以從不同的角度觀(guān)察心電活動(dòng)，每個(gè)位置都可以作為ECG的一個(gè)輸出通道顯示并打印，每個(gè)通道代表兩個(gè)電極之間的差分電壓或某一電極與幾個(gè)電極平均電壓的差值，電極間的不同組合可以顯示出比電極數更多的通道。這些通道一般稱(chēng)為“導聯(lián)”(或“通道”)，一個(gè)12導聯(lián)的ECG設備具有12個(gè)獨立的圖形顯示通道?；诓煌瑧?，導聯(lián)數量可以在1～12之間選擇。問(wèn)題是，連接電極的導線(xiàn)有時(shí)也被稱(chēng)為導聯(lián)，這樣容易引起混淆，因為12導聯(lián)(12通道)的ECG只需要10個(gè)電極(10條線(xiàn))，所以要仔細判斷所使用的“導聯(lián)”。

除了生物信號外，多數ECG還會(huì )檢測兩個(gè)人工信號，其中植入式心臟起搏器(簡(jiǎn)稱(chēng)為“起搏”信號)是最重要的信號。起搏信號時(shí)間相當短，從數十微秒到幾毫秒，幅度從幾毫伏到接近1 V。通常，ECG必須同時(shí)偵測是否存在起搏信號，以防干擾其他心電信號。第二種人工信號用于檢測“導聯(lián)脫落”，即電極的接觸不良。許多ECG需要在電極接觸不良時(shí)發(fā)出報警指示。為此，ECG設備產(chǎn)生一個(gè)信號用于測量電極與人體間的阻抗，從而檢測是否存在導聯(lián)脫落。測量信號可以是交流或直流，也可以兼用。某些ECG還可以在檢測導聯(lián)脫落的狀態(tài)時(shí)通過(guò)分析阻抗檢測呼吸頻率。應該連續檢測導聯(lián)脫落狀態(tài)，而且不能妨礙心電信號的準確測量。

圖2所示為ECG總體功能框圖。如果把ECG劃分成對信號進(jìn)行數字轉換的模擬前端(AFE)和將要進(jìn)行分析、顯示、存儲和傳輸數據的“其余部分”，就比較容易理解心電儀對電子元器件的要求。AFE通常具備相同的基本要求，差別在于導聯(lián)數、信號保真度、干擾抑制能力等。根據具體的功能需求，系統“其余部分”的差異很大，典型功能包括顯示器、打印硬件拷貝、無(wú)線(xiàn)(RF)連接以及電池充電等。

圖2 ECG總體功能框圖

導聯(lián)數(導數)

最顯著(zhù)的特性之一是導聯(lián)數，有些ECG只有一個(gè)導聯(lián)，有些則多達12個(gè)導聯(lián)。最常用的12導聯(lián)ECG需要10個(gè)電極，其中9個(gè)用來(lái)采集電信號，第10個(gè)電極連接在右腿(RL)上，由ECG電路驅動(dòng)，以降低共模電壓。9個(gè)輸入電極分別是左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)各一個(gè)電極，前心(胸)區域6個(gè)電極(V1-V6)。每個(gè)導聯(lián)或心電視圖都代表某一電極與另一電極或一組電極之間的電壓差，如果將電極編組，則取電壓平均值。對RA、LA和LL三個(gè)電極引出的6導聯(lián)取平均，作為差分對的一邊，V1～V6分別作為6個(gè)差分對的另一邊。有3個(gè)導聯(lián)源于RA、LA，LL各自與其他兩個(gè)電極的均值之差。其余3個(gè)導聯(lián)是把RA、LA和LL作為獨立的差分對進(jìn)行測量的結果?；赗A、LA和LL的6個(gè)導聯(lián)包含類(lèi)似信息，只是通過(guò)不同方法顯示。因為信息是冗余的，所以不需要測量所有6個(gè)導聯(lián)，有些通道數據可以利用DSP對其他通道數據分析計算得到。

此處描述的是最常用的12導聯(lián)系統，但不是唯一方案。另外，12導聯(lián)ECG也可以作為5導聯(lián)、3導聯(lián)或1導聯(lián)系統使用。關(guān)鍵是當需要不止1個(gè)導聯(lián)時(shí)，需要開(kāi)關(guān)陣列和均值電路。

模擬前端(AFE)

AFE的主要功能是將心電信號數字化，由于需要抑制RF信號源、起搏信號、導聯(lián)脫落檢測信號、工頻共模信號等強干擾以及其他肌體信號和電子噪聲的干擾，處理過(guò)程非常復雜。另外，毫伏級的心電信號可能疊加在數百毫伏的直流失調電壓上，加上通道間的共模電壓，可能超過(guò)1 V。連接到患者身體的電極一定不能產(chǎn)生電擊危險或干擾到連接在病人身上的其他醫療儀器。ECG的有效頻率范圍某種程度上與應用有關(guān)，通常在0.05 Hz～100 Hz之間。

AFE的第二個(gè)功能是能夠檢測起搏信號、導聯(lián)脫落、呼吸頻率和患者阻抗，檢測工作在幾個(gè)通道上同時(shí)或幾乎同時(shí)進(jìn)行。另外，心臟除顫時(shí)，多數ECG設備需要快速恢復，但由于心臟除顫會(huì )導致前端電路和充電電容飽和，這些容性耦合電路會(huì )延長(cháng)恢復時(shí)間。

AFE架構

AFE架構對系統性能影響很大，下面描述的增強型架構，由于采用了高精度、高速ADC(模/數轉換器)，從而在較寬的頻率范圍內提供高保真。沒(méi)有采用電容耦合，而是通過(guò)DAC(數/模轉換器)作為RL驅動(dòng)，使AFE可以從除顫或射頻干擾中快速恢復。數字化起搏信號允許對起搏數據進(jìn)行分析，從而減少錯誤的起搏指示，甚至可以檢測起搏器或連接部分的缺陷。另一方面，還要考慮到增強系統需要昂貴的元器件，耗電也很大。相比之下，簡(jiǎn)化型AFE價(jià)格便宜，電池壽命也更長(cháng)，其他特性差異則很小。

增強型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如圖3所示)滿(mǎn)足ECG測試要求，可以同時(shí)量化9個(gè)電極信號，在200 kS/s采樣率下的無(wú)噪聲精度可達20位。然后用數字信號處理器(DSP)計算每個(gè)導聯(lián)信號，隔離起搏信號、導聯(lián)脫落信號和呼吸信號，并濾除干擾頻率信號。DSP還計算數/模轉換器(DAC)驅動(dòng)RL電極所需要的信號強度。這種AFE架構需要模/數轉換(ADC)器的各個(gè)通道高度匹配。另外，還需要緩沖器隔離ADC采樣電容和高阻電極。這種方案雖然滿(mǎn)足了測量指標要求，卻不能滿(mǎn)足多數應用的成本和功耗要求。

簡(jiǎn)化型AFE：低端AEF系列的特性是單通道、消費類(lèi)ECG。這些設備的AFE采用電容耦合電路，將輸入信號耦合到一個(gè)低通差分放大器，再饋送給10位、120 S/s采樣率的ADC。電容耦合電路可以去掉輸入的直流失調，低通濾波器濾除起搏信號。這些設備通常采用電池供電，且只有一個(gè)通道，因此沒(méi)有共模電壓。典型的ECG設備AFE：大多數ECG設備采用的電路介于上述兩者之間。儀表放大器(IA)常用來(lái)抑制共模電壓，消除諸如工頻干擾的共模噪聲，并為ADC的采樣電容提供緩沖，后續濾波器可以濾除起搏信號和脫落檢測信號，然后送到ADC進(jìn)行采樣、數字轉換。某些情形下，心電信號和直流失調會(huì )通過(guò)一個(gè)高精度ADC直接進(jìn)行數字轉換。其他情形下，則會(huì )采用高通濾波器或DAC去除直流失調，從而可以使用典型的12位精度ADC，對放大后的心電信號進(jìn)行采樣、數字轉換，如圖4所示。每個(gè)通道可以配備一個(gè)ADC，也可以多個(gè)通道共用一個(gè)ADC進(jìn)行數字轉換。ADC復用則在通道間引起微小的時(shí)間偏差，其接受程度取決于具體應用。如果需要檢測起搏信號，則可用高通濾波器提取，然后放大，再用比較器電路進(jìn)行放大和檢測。

ECG設備類(lèi)型遙測型ECG

遙測型ECG系統用于臨床環(huán)境下流動(dòng)患者的連續監測，它包括一個(gè)置于患者端、帶無(wú)線(xiàn)(RF)收發(fā)功能的ESG和一個(gè)中心站，通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收采集并分析患者的監測數據。有些遙測系統還提供額外數據(例如血氧值)，這些數據用來(lái)驗證治療效果或調整治療方案，并對即可能發(fā)生的問(wèn)題告警。

許多遙測系統只有5個(gè)導聯(lián)，如果用滿(mǎn)12個(gè)導聯(lián)的話(huà)，則難以應對病員的流動(dòng)性。通常，患者會(huì )連續幾天使用設備，因此此類(lèi)設備多采用一次性電池。其他ECG也能增加遙測功能，不過(guò)“遙測ECG”專(zhuān)指在醫院內部可移動(dòng)攜帶并能發(fā)送數據到本地接收站的移動(dòng)單元。對于此系統的設計，關(guān)鍵要考慮低功耗、低噪聲和小尺寸。

霍爾特(Holter)監護儀

紐曼·霍爾特博士發(fā)明了移動(dòng)監護儀對數據進(jìn)行采集并上傳到其他系統進(jìn)行分析。與遙測型設備不同，這些監護儀不需要中心接收站，可以用于家庭、戶(hù)外乃至任何地點(diǎn)。對于Holter ECG監護儀，因為12導聯(lián)監護儀不便移動(dòng)，多數情況下導聯(lián)數不會(huì )超過(guò)5個(gè)。一般用存儲卡從監護儀轉移數據，當然，也可以用USB盤(pán)或其他方法。多數患者只需要監測1～2天，當需要患者參與某些藥理研究時(shí)，則使用特殊的長(cháng)期監護儀，患者可能需要使用一年甚至更久。Holter ECG監測儀設計的主要要求也是低功耗、低噪聲和小尺寸。

消費類(lèi)ECG

這類(lèi)低端ECG可以方便地固定在手臂上，人們在家里就可以進(jìn)行ECG檢查，這些儀器能夠保存數據并顯示在內置屏幕上。數據也可以傳送到計算機或通過(guò)電話(huà)線(xiàn)傳送到康復中心。有些儀器有掛接多個(gè)電極，有些則只是在機殼上安裝了兩個(gè)電極。內置電極可以壓在胸部，或者把兩手分別放在兩個(gè)電極上。由此得到的心電圖可能質(zhì)量不是很好，卻為人們在異常時(shí)監護自身狀況、采集心電數據提供了一個(gè)有效途徑。對消費類(lèi)心電儀的設計主要著(zhù)眼于廉價(jià)和小尺寸。

自動(dòng)體外除顫器(AED)

為了在公眾場(chǎng)合應對一些突發(fā)事件，大多在公共場(chǎng)所(如大型購物中心、健身房以及辦公室等)都會(huì )安裝AED設備。在心臟病發(fā)作時(shí)可以立即采用這些設備，對胸部釋放一個(gè)高能量的電脈沖，起搏心臟并使之恢復到正常心率。如果使用時(shí)機不當，脈沖沖擊會(huì )造成生命危險，因而，ECG在功能上必須能夠防止這種意外發(fā)生。AED一般只有1個(gè)導聯(lián)，其電極既用來(lái)釋放高壓脈沖，也用來(lái)采集心電信號。AED設備原理框圖如圖5所示。

AED可能數月或數年擱置不用，而使用這些設備的往往是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓的人員，設備即使存在問(wèn)題，他們也無(wú)從知道。需要使用AED時(shí)，要先開(kāi)機、進(jìn)行一系列自檢確認功能完好無(wú)損，然后再運行一小段時(shí)間。所有心電數據以及除顫信息，需要記錄下來(lái)，用于隨后分析。使用有問(wèn)題的AED弊大于利，因而可靠性和自診斷能力是AED設計首先要考慮的。

診斷型ECG

診斷型ECG設備用于醫院和醫生辦公室，提供高質(zhì)量ECG檢測，可以測試全部12導聯(lián)的ECG，并創(chuàng )建硬拷貝輸出。這些設備使用高性能AFE，通?？梢酝ㄟ^(guò)調整增益、選擇適當的濾波器來(lái)提高ECG檢測質(zhì)量。由于體積較大很少移動(dòng)，這些設備有空間實(shí)現更多功能，例如內置打印機、各種通信接口、大尺寸顯示屏等。它們一般使用交流電源，通常也帶有可充電電池用作備份。設計診斷型ECG的關(guān)鍵在于低噪聲、高抗干擾能力和靈活性。

病人監護儀

病人監護儀用于監測生命體征(脈搏、呼吸速率、血壓及體溫等)，另外也具備ECG功能，同時(shí)還可以監測血氧、二氧化碳水平。把這些功能整合成一臺設備，可以使手術(shù)室更為簡(jiǎn)潔，使用也更為方便。病人監護儀的AFE類(lèi)似于診斷型ECG，但要滿(mǎn)足射頻(RF)抑制要求，因為在手術(shù)期間，會(huì )受到電子刀和氬離子凝固術(shù)(APC)設備的高強度RF干擾。另外，能夠從心臟除顫操作中迅速恢復也是這類(lèi)AFE的基本要求。由于病員監護儀采用交流供電，也配有備用電池，所以功耗也是重要指標。外殼必須能防濺水并便于清潔，當然這會(huì )影響冷卻通道，因此還要考慮散熱問(wèn)題。除了功耗和散熱外，設計病人監護儀的關(guān)鍵在于RF抑制和低噪聲指標。