便攜式心電監護儀前置放大電路和抗干擾的設計（一）

監護儀是一種用以測量和監控病人生理參數、并可與已知設定值進(jìn)行比較、如果出現超差可發(fā)出報警的裝置或系統。便攜式監護儀小型方便，結構簡(jiǎn)單，性能穩定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監護室及外出搶救病人的監護。導聯(lián)系統采用通用的三電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅動(dòng)電極。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用。便攜式監護儀分析處理系統可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監護儀，另一為由微機系統組成的心電圖處理診斷系統。被檢查者將某一時(shí)段的動(dòng)態(tài)心電信號由監護儀記錄下來(lái)，通過(guò)GPRS通信方式將數據傳送到醫院的心電圖處理診斷系統中。

體表心電信號的頻率主要集中在0. 05~ 100Hz，幅度為10μV~ 4mV （典型值為1mV ） ，是一種低頻率的微弱雙極性信號。它淹沒(méi)在許多較強的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號、呼吸波信號等體內干擾信號和以50Hz工頻干擾、電極與皮膚界面之間的噪聲為主的體外電磁場(chǎng)干擾信號的影響。因此，要對心電信號進(jìn)行精確測量，必須設計出性能優(yōu)良的放大器。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級的設計。整個(gè)前置級電路是由前置放大電路和濾波電路構成，其結構見(jiàn)如圖1.

1前置放大電路

便攜機前置放大電路是對心功能進(jìn)行自動(dòng)檢測的關(guān)鍵部件，要求該系統能在強的噪聲背景下，通過(guò)體表傳感器不失真地將心電信號檢測出來(lái)，放大至合適的幅度，送入A/ D變成數字信號，供計算機分析處理。

根據心電信號的特點(diǎn)以及通過(guò)電極提取的方式，前置級應滿(mǎn)足下述要求：

（1）高輸入阻抗。通過(guò)電極提取的心電信號是不穩定的高內阻源的微弱信號，為了減小信號源內阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗；

（2）高共模抑制比CM RR.人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾。前置級采用CM RR高的差動(dòng)放大形式，能減小共模干擾向差模干擾的轉化；

（3）低噪聲、低漂移；

（4）高安全性，以確保人體的絕對安全。

1. 1差動(dòng)放大電路

對于心電信號而言，采集的信號屬于差模信號，因此采用三運放差動(dòng)放大電路作為第一級放大電路，它具有輸入阻抗高（一般達10⁹ 歐以上） ，低偏置電流，高共模抑制比，單端輸出的特點(diǎn)。它在基本運算放大器的基礎上每個(gè)輸入端各連接一個(gè)同相放大器。所以差動(dòng)放大電路的第一級是兩個(gè)同相放大器（ U 1A和U 1B） ，第二級是一個(gè)差分放大器（ U 1D）?？偟碾妷涸鲆鍭 u等于兩級增益之積。由于第一級采用同相輸入，有較高的輸入電阻，電路的平衡對稱(chēng)結構對由共模抑制比、失調及溫度等產(chǎn)生的輸出誤差電壓具有抵抗作用。第二級差放電路將雙端輸入變單端輸出。把兩級電路級聯(lián)后，他們相互取長(cháng)補短，使組合后的這個(gè)電路具有輸入阻抗高、電壓增益調節方便、共模抑制比和漂移相互抵消等一系列優(yōu)點(diǎn)。運放U 1C是一個(gè)積分電路，它的作用是和U 1D共同構成一個(gè)負反饋電路，來(lái)消除基線(xiàn)變化對輸出信號的影響，穩定輸出電壓。由于采用串聯(lián)反饋形式，使放大電路有較高的輸入阻抗，減小失真的產(chǎn)生。

計算放大器的增益如下：R5= R7= R， R4= R8= R

因此，差動(dòng)放大電路的總增益為：

1.2單極性調整電路

心電信號是一種低頻率的雙極性信號。對于由電池供電的便攜機來(lái)說(shuō)，結構簡(jiǎn)單，降低功耗是它的重要特性。為此，我們設計了一個(gè)直流分壓電路，把心電信號抬升為正電平范圍內的單極性的信號。為了使運算放大器工作在線(xiàn)性放大區內，我們把該直流電壓設定為VCC（3.3V）的一半。

1.3放大級電路

由于U_i2的信號是由直流信號和微弱的心電信號構成的。第二級放大電路的作用是放大心電信號，而使直流信號保持比較穩定的狀態(tài)。為此，調整VR2的位置，使Uc的電壓與U_i2的直流分量相等，則U_i2的直流分量不會(huì )被U_2D放大。

U_o2= U-=U_i2放大級電路的增益為：

由此可得到前置放大電路總的增益接近為600，可以使毫伏級的心電信號放大到伏級，并處于0V到2. 5V之間。

2抗干擾硬件設計方案

對心電監護儀器來(lái)說(shuō)，評價(jià)其整體性能的好壞的首要標準是心電信號在不失真的前提下具有較高的抗干擾能力，而且安全可靠。為避免干擾所造成的影響，最有效的措施是消除干擾源。但在實(shí)際應用中，不可能完全將干擾源排除，所以要在硬件電路上采取措施來(lái)提高系統的抗干擾性。通常采用的措施可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是消除干擾進(jìn)入系統的通道；另一類(lèi)是削弱系統對干擾信號的靈敏度。

2. 1提高前置放大器的輸入阻抗和共模抑制比

人體置身于充滿(mǎn)電磁場(chǎng)的空間，恰如一個(gè)天線(xiàn)接收器，人體上感應有各種頻率的電壓，對心電儀器的輸入端大多以共模電壓形式存在，其中最強的是由動(dòng)力線(xiàn)通過(guò)分布電容耦合到人體的50Hz交流電壓。對共模信號的抑制包括提高前置放大電路的共模抑制比（ CM RR）和提高電路、導聯(lián)和電極電氣特性的對稱(chēng)性，以提高輸入阻抗這兩個(gè)方面。

通過(guò)采用高精密度、高共模抑制比的集成運放器件來(lái)搭建三運放的差動(dòng)放大電路，可以提高共模抑制比。值得注意的是放大器的實(shí)際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統的影響。通過(guò)兩個(gè)電極提取生物電位時(shí)，兩個(gè)等效源阻抗一般不相等，其數值大小與人體汗腺分泌情況、皮膚清潔程度有關(guān)。各個(gè)電極處的皮膚接觸電極是不平衡的，而且因人而異。這種不平衡造成的危害是共模干擾向差模干擾的轉化，從而造成共模干擾的輸出。對于已經(jīng)發(fā)生的這種轉化，放大器本身的共模抑制能力再高也將無(wú)濟于事。但是，提高放大器輸入阻抗，則會(huì )減小這一轉化。

2. 2設計硬件濾波器消除高頻干擾

由于心電信號屬于低頻信號，而高頻干擾相對心電信號比較高，所以低頻的截止頻率可以在一個(gè)比較寬的范圍內選取，一般的心電圖機或監護儀選取低通的截止頻率為90 ~ 120Hz.考慮到便攜機結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，低通濾波器的設計采用了一階濾波電路。以后介紹的軟件濾波也將配合用來(lái)消除高頻干擾。

2. 3設計硬件濾波器消除工頻干擾

工頻干擾屬于共模信號，對心電信號的干擾特別強。因此，必須從模擬、數字兩方面加以抑制。工頻干擾的消除在模擬電路中可用二階壓控電壓源帶阻濾波器來(lái)實(shí)現。參數選取如下：