精確心電圖(ECG)信號處理

心電圖(ECG)是用來(lái)捕捉心臟在一段時(shí)間內情況的反映，它通過(guò)外部電極連接到皮膚轉換成電信號來(lái)采集。心臟外面形成的每個(gè)細胞膜都有一個(gè)關(guān)聯(lián)電荷，它在每次心跳期間去極化。它以微小電信號的形式出現在皮膚上，可以通過(guò)心電圖探測到并放大顯示。

　　早在1900年Willem Einthoven就發(fā)明了第一臺實(shí)用的心電圖。該系統很笨重，需要很多人去操縱它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有電解液的大型電極中。今天的心電監護設備結構緊湊，攜帶方便，這樣病人走動(dòng)時(shí)也可以帶著(zhù)。家用十二導聯(lián)心電圖可以裝在口袋里。

　　心電圖基礎：

　　文中這個(gè)關(guān)于心電圖的術(shù)語(yǔ)“導聯(lián)(lead)”，指的是兩個(gè)電極間的電壓差，這就是設備記錄下來(lái)的差異。例如，“Lead_I”是左臂和右臂電極之間的電壓。Lead_I和Lead_II都指的是肢體導聯(lián)。V1-V6指的是胸部導聯(lián)。心電圖追蹤V1就是Vc1電壓(胸部電極的電壓)，和Lead_I，Lead_II ，Lead_ III的平均電壓之間的差別。一個(gè)標準的十二導聯(lián)心電圖系統包括八個(gè)真實(shí)數值和四個(gè)派生值。表1給出了各種導聯(lián)電壓(真實(shí)的和派生的)的簡(jiǎn)介。

　　導聯(lián)名稱(chēng)計算注釋

　　這是一個(gè)真實(shí)導聯(lián)，顯示在心電圖軌跡中。

　　表1：導聯(lián)名稱(chēng)及心電圖記錄位置。

　　一個(gè)典型的心電圖波形如圖1所示。X軸表示時(shí)間刻度。在這里每格(5毫米)對應的是20毫秒。Y軸顯示的是捕獲信號的振幅。Y軸上每格(5毫米)對應的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

　　圖1：典型的心電圖波形。

　　心電圖特點(diǎn)：

　　心電圖系統設計的第一步包括，了解需要獲取的信號種類(lèi)。心電圖信號包括存在于高偏置和噪聲的低振幅電壓。圖2顯示了心電圖信號的特點(diǎn)。系統里存在高偏移，由于電極產(chǎn)生的半個(gè)細胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統里最常見(jiàn)的電極，它的最大偏移電壓為+ / -300mV。實(shí)際期望的信號為+ / -0.5mV疊加在了電極偏移上。此外，系統還會(huì )合上來(lái)自電源線(xiàn)的50/60Hz噪聲，形成共同模式的信號。電力線(xiàn)噪聲的幅度有可能非常大，需要對其進(jìn)行濾波。

　　圖2：要獲得的心電圖信號特點(diǎn)。

　　心電圖采集

　　模擬前端處理是心電圖系統的重要組成部分，因為它需要區分噪聲和期望信號(振幅很小)。模擬前端處理電路包括一個(gè)測量放大器，從而降低普通模式的信號。測量放大器工作在+ / -5V，通常是用來(lái)加大的輸入電壓范圍。這個(gè)測量放大器應具備高輸入阻抗，因為皮膚的阻抗可能是非常大的。需要運算放大器來(lái)作為心電圖設備的信號處理。心電圖采集系統的信號鏈包括測量放大器、濾波器(可通過(guò)運放實(shí)現)和ADC。