（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式技术及其在心电监护中的应用研究.pdf

摘要 i i iii 1 ii1 1 1 i iiil y 1814 3 5 3 摘要 随着国家经济发展，人们生活水平得到了大幅度提高。而生活水平提高正 预示了心脏病患者的数量将会增加。心脏疾病已经成为威胁国人生命的主要疾 病之一。因此对心脏活动的检测，以及异常活动后的实时诊断和报警尤为重要。 国内所用的便携式心电系统大多是国外产品，其监护模式也是实时检测、读取、 储存心电数据，定期交付监护中心进行检测，明显已经不能满足未来医疗技术 发展的需要。本文根据现有心电监护系统得不足，引入了嵌入式系统技术设计 了一种基于fpga 的两电极心电监护系统。系统以a l t e r a 公司的e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 芯片为载体进行了以5 1 1 p c o r e 为核心的集成芯片设计，据有性能强、功耗低、 体积小等优点。主要内容如下： 、首先介绍了心电信号产生原理、心电图中各波段的意义和心电信号的提取 方法，分析了心电信号的特点及其干扰因素。 设计了心电监护系统的整个硬件电路，包括模拟电路、数字电路两大部分。 以运放a d 6 2 0 和o p 0 7 设计了模拟电路中的前置放大电路、右腿驱动电路和后 级放大电路，设计了0 0 5 h z 高通滤波电路、l o o h z 低通滤波电路和5 0 h z 陷波 电路，用e w b 软件进行了仿真，且用示波器实际检测了心电信号。 以e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 芯片为载体，以8 0 5 1 i p c o r e 为核心设计了集成的数字电路 部分，对各模块进行了仿真。用c 5 1 设计了c p u 控制程序和简单的诊断程序已经 g p r s 模块的控制程序。 关键词：e c g ，心电检测，嵌入式系统，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o u n t r y se c o n o m i c ，p e o p l e sl i v i n gq u a l i t yh a v e i n c r e a s e di nas u b s t a n t i a l h o w e v e r , t h ei n c r e a s eo ft h el i v i n gq u a l i t yi n d i c a t i n gt h a t t h en u m b e ro fh e a r tp a t i e n t sw i l l i n c r e a s e h e a r td i s e a s eh a sb e c o m eo n eo ft h em a jo r d i s e a s e sw h i c ht h r e a tt ot h el i v e so fp e o p l e s ot h ed e t e c t i o no ft h eh e a r ta n dt h e d i a g n o s i sa n dt h ef a c t t h a tt h er e p o r ta f t e ru n u s u a la c t i v i t yi sv e r yi m p o r t a n t a p o r t a b l ee c gs y s t e m su s e di nc h i n a a r em o s t l yf o r e i g np r o d u c t s ，i t sm o d eo fc u s t o d y i sa l s oaf a c td e t e c t ，r e a d ，e c gd a t as t o r a g e ，r e g u l a rd e l i v e r yt oc a r ec e n t e rf o rt e s t i n g ， i ti so b v i o u s l yt h a ti tc a n n o tm e e tf u t u r em e d i c a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tn e e d s a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g eo ft h ee x i s t i n ge c gm o n i t o r i n gs y s t e mh e r e i n ，i n t r o d u c t i o n ae m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , d e s i g n e dae c gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s eo nf p g a t h es y s t e mu s et h ec h i pe p 2 c 8 t14 4 c 8a st h ec a r r i e rw h i c hm a d eb ya l t e r ac o m p a n y t o d i g i t a lc i r c u i t si n t e g r a t e df o r t h ec p uc o r e ，s t r o n gp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s m a l ls i z ea n do t h e ra d v a n t a g e s t h ef o l l o w i n gk e y e l e m e n t s ： f i r s ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fg e n e r a t i n gt h en e we l e c t r i c a ls i g n a l s ，t h e s i g n i f i c a n c eo ft h eb a n do ft h ee l e c t r o c a r d i o g r a ma n dt h e m e t h o do ft h ee c g e x t r a c t i o n ，a n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee c ga n di n t e r f e r i n gf a c t o r s d e s i g nt h ee n t i r eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h e t w om a i nb o d yo ft h ea n a l o gc i r c u i ta n dt h ed i g i t a lc i r c u i t u s e dt h eo p e r a t i o n a l a m p l i f y i n gc i r c u i ta d 6 2 0 a n do p 0 7d e s i g n e dt h ep r e a m p l i f y i n gc i r c u i t ，a n dt h er i g h t l e gd r i v ec i r c u i ta n da f t e rc l a s sa m p l i f y i n gc i r c u i t ，d e s i g nt h e0 0 5h zh i g h p a s sf i l t e r c i r c u i t 。10 0h zl o w p a s sf i l t e rc i r c u i ta n d5 0h zn o t c hc i r c u i t ，t os i m u l a t i o nw i t h e w bs o f t w a r e a n da c t u a ld e t e c t i o ne c g w i t i lt h eo s c i l l o s c o p e u s ee p 2 c 8 t14 4 c 8c h i p sa st h ec a r r i e r ，u s e8 0 51i p c o r ea st h ec o r ed e s i g nt h e d i g i t a lc i r c u i to fi n t e g r a t e d ，t os i m u l a t i o n a l lt h eb l o c k s u s ec 51d e s i g nac p uc o n t r o l p r o c e d u r e sa n ds i m p l ed i a g n o s t i cp r o c e d u r e sh a v eb e e n c o n t r o lp r o c e d u r e so fg p r s b l o c k s k e yw o r d s ：e c g , c a r d i a ct e s t i n g ，e m b e d d e ds y s t e m s ，f p g a i i 目录 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景与意义1 1 2 课题相关国内外研究现状1 1 3 课题研究目的及其意义3 1 4 本文研究工作的主要内容4 1 5 关键技术及其实施方案4 1 6 本章小结5 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识6 2 1 心电信号的产生原理6 2 2 心电波形图分析6 2 3 心电信号的特征7 2 4 心电信号的干扰8 2 5 心电电极选取、导联介绍以及两电极测量电路设计8 2 5 1 电极选取9 2 5 2 导联r o 2 5 3 右腿驱动电路及其抑制共模干扰的原理1 4 2 6 心电信号的数字处理方法1 6 2 6 1 平滑滤波器16 2 6 2 简单整系数滤波1 6 2 6 3 自适应滤波器16 2 6 4f i r 滤波器1 6 2 7f p g a 简介以及与a r m ，d s p 的比较1 7 2 7 1f p g a 简介17 2 7 2f p g a 与a i 己m 、d s p 的区别1 7 2 8q u a r t u s 2 以及硬件描述语言介绍1 9 2 9 本章小结2 1 i i i 目录 第三章总体设计方案2 2 3 1 总体设计流程2 2 3 2 系统总体框图2 2 第四章测量、放大及滤波电路的设计2 6 4 1 心电采集电路2 6 4 1 1 信号采集前置放大电路2 6 4 1 25 0 h z 陷波电路2 9 4 1 3 二阶巴特沃思低通滤波器3 0 4 1 40 0 4 h z 二阶高通滤波器31 4 1 5 主放大器3 2 4 2 实际测的心电波形3 2 4 3 本章小结3 3 第五章基于f p g a 的i p c o r e 及接口设计3 4 5 18 0 5 1 i p c o r e 简介3 4 5 2m a x l10 6 采样电路设计3 6 5 3f p g a 内部硬件f i r 滤波器3 7 5 4 基于f i ri p c o r e 的滤波器设计。3 7 5 5f p g a 内部各模块的接口电路4 1 5 5 1 外部r a m 与8 0 5 l i p c o r e 的接口电路一4 1 5 5 28 0 51i p c o r e 向滤波器传输数据的接1 3 电路4 5 5 5 3 滤波器到8 0 5 l i p c o r e 传输数据的接口电路5 2 5 5 4 分频器与三态门5 4 5 6g p r s 模块m 2 2 a 控制电路5 8 5 6 1m 2 2 a 简介5 8 5 6 2m 2 2 a 模块与单片机接口电路5 9 5 7 本章小结6 0 第六章单片机程序设计6 l 6 1 单片机主程序6 1 6 1 1 定时6 1 i v 目录 6 1 2 中i 新6 2 6 1 3 串行口6 3 6 2m a x l1 0 6 采样子程序6 4 6 38 0 51i p c o r e 控制m 2 2 a 发短信程序6 6 6 3 1a t 指令简介6 6 6 3 2 程序介绍6 6 6 4 本章小结6 9 第7 章结论与展望7 0 7 1 结论7 0 7 2 进一步工作的方向7 0 致 射7 2 参考文献7 3 攻读学位期间的研究成果7 4 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 心脏病具有突发性和不可预见性，是威胁人类生命的一大杀手。 根据我国卫生部2 0 0 5 年卫生统计资料年鉴显示，在我国市县范围内，死于 心脏病的人数排在肿瘤和脑血管病之后。心脏病已成为严重威胁人们健康和生 命的三大主要疾病之一【l j 。 实时心电监护可以及时获取患者的心电信息，以便及时发现异常情况，采 取相应的处理措施，是降低心脏病死亡率的有效手段之一。实时心电监护系统 对高危人群、亚健康人群、老年人心脏疾病预警意义重大。医学实践表明，对 于心脏病的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行监护的 基础上，尽早发现异常病变，及早进行治疗，以控制病情的进一步发展。 我们日常遇到的实时心电监控系统往往是在医院见到的大型心电工作站， 这种工作站在处理速度、存储能力以及分析能力上占有比较大的优势。但这种 大型工作站体积较大、价格昂贵、专业性很强，限制了它在家庭保健中的广泛 应用，而体积小，使用方便的掌上心电系统始终是研究热点。 1 2 课题相关国内外研究现状 家庭心电监护系统源于h o l t e r ，也是动态心电监护的一种，两者具有同样的 目的，都是通过取得患者的心电波形并对其进行观察以便发现病情。家庭心电 监护的早期对象是做过心脏手术，特别是心脏移植手术的患者。【2 】而单台的h o l t e r 价格高达几万元一套，其配套软件则高达数l o 万，购买者多为医院，并不适合 普通家庭。目前国内也有厂商生产h o l t e r ，但多为采用国外公司的核心模块在国 内组装产品，价格不菲，而且h o k e r 本身就存在很多不足： ( 1 ) 它只是对心电数据进行简单记录，当病人有突发情况发生时不能给患者 带来紧急监护，不具备实时效果，导致患者有生命危险。 ( 2 ) 体积比较大，不便于携带。 目前，在国外和国内应用比较广泛的心电监护系统主要有：以色列 c a r d g u a r d 公司的无线心电监护仪p m p 。它是一个手持式的心电监护仪，通过蓝 第一章绪论 牙技术与p c 机进行通讯，然后通过p c 机将心电数据上传给网络监护中心。监 护中心存储着病人的病历供医护人员诊断，并且监护中心对病人的信息提供独 立的安全保护，医务人员还可随时与病人进行交流与会诊。o t i e 公司研制的 h e a r tv i e w l 2 导联心电监护仪。整个系统由一个心电信号记录单元和通讯单元组 成，心电记录单元可以记录2 5 秒到1 0 秒的心电数据，然后使用者将记录单元 放在通信单元上，将记录的心电图通过接口转换经电话线送往医院监护中心。 广州吉量医疗科技有限公司生产的口袋式心电图机。该系统采用蓝牙技术， 以掌上电脑和p c 机作为操作平台，具有手持化、移动化、网络化、数字化和无 线化的特点，使用携带方便。心电图机可以通过i n t e m e t 网络和医院内部的局域 网接入医院服务器，实现高质量的远程及医院内部心电会诊。其心电采集器和 p c 机、p d a 之间通过蓝牙技术传输心电数据。卡迪欧公司开发的“护心神” 电话传输心电监护系统( t t m ) 。护心神是一个可随身携带的微型心电采集系统， 它可随时随地采集和存储病人的心电信号，并能连接电话适配器和电话线，通 过电话网络传输心电数据。 国内这一领域的研究起步较晚，但也取得了一定的成果。其中西安交通大 学和清华大学较早开展了这一领域的研究，一定程度上促进了国内在远程家庭 监护领域的研究。西安交通大学医学工程与电子技术研究所十几年前就开始进 行人体生命参数监护技术和生理参数远程传输技术的研究，解决了一系列的关 键技术，研制了远程医疗保健家庭监护网，能够实现多参数的实时监护。清华 大学的，“心电血压远程监护系统 在清华园和澳门的小范围内进行了试用，取 得了很好的效果。另外，深圳普泰科技有限公司( 深圳职业技术学院) ，推出一种 家庭健康监护系统，系统由嵌入式监测仪、家庭端p c 机、医生端p c 机和后台 网络服务器组成，能对家庭成员的体温、血压、脉搏和心电图等多种人体生理 指标进行监测，监侧内容可传到后台网络服务器上，医生在网上即可进行分析 并反馈咨询意见。以上系统代表了国内目前该研究领域的较高水平，但是这些 系统的家庭端为“p c + 监护仪”的结构，监护仪多用8 位单片机实现，不能脱离 p c 工作，这在一定程度上制约了其发展和推广。虽然后期清华大学的监护系统 采用了p c 4 8 6 板卡，脱离了p c ，降低了成本，但是随着嵌入式等新技术的发展， 。其优势已不明显。 因此，研制一种适合我国国情的，可应用于普通家庭的，实时的远程监护 系统，是很有必要的。 2 第一章绪论 1 3 课题研究目的及其意义 尽管心电监护技术及心电监护系统的研究已经取得进展，但依然存在很多 不足。首先从3 种主要的心电监护系统来看，心电h o l t e r 系统用户终端只能记 录心电信号，自身没有任何分析功能，而且记录的心电图必须由专门的设备进 行读取、回放、分析。使用者在使用h o l t e r 系统后，必须将所有心电图信息拿 回医院，给医生提供诊断依据。这给使用者和医生都带来了很多麻烦，而且不 能为使用者的心脏活动进行实时监控和及时诊断。比较先进的心脏b p 机系统虽 能做到及时传送患者的心电异常信息，但它需要患者参与其中，整个发病报警 过程需及时按下仪器的“记录 键以记录异常心电图，并拨通救治医疗机构的 电话，并按下系统的“发送 键发送心电图等一系列操作才能实现。特别是患 者在室外或出现严重症状时，极有可能延误报警或报警失败。心脏b p 机系统还 有一个重要的问题在于无法对许多感觉不到或潜在的心脏异常状态进行报警， 造成漏报。可见，心脏b p 机系统还不是一种十分有效的心电监护系统。 除上述方面外，国内的心电监护系统还有很多其他不足：( 1 ) 国内的心电监 护系统研究还处于初级阶段，拥有自主知识产权的心电监护系统极少。( 2 ) 目前 市场上的心电监护系统非常昂贵，只有少数医院和患者能承受如此高额费用， 这不符合我国未来医疗事业的发展趋势。( 3 ) 心电监护系统的功能、功耗和体积 等方面还具有很多不足，给患者的使用和医生的诊断带来诸多不便。由此可见， 根据现代的心电信号检测及分析技术、嵌入式系统技术，对心电监护系统的进 一步研究和开发具有深远的意义。 本课题将研究如何设计具有实用价值的佩戴式远程心电监护系统。如图1 1 。 图1 1 监护流程示意图 3 型涵 3 。磴 急救 第一章绪论 该系统为使用者提供随时随地的心电监护，并能对监测数据进行智能分析 得出具有实际参考价值的诊断结果，再将报警信号远程传送到医院以进一步认 确认及确诊。该课题的研究具有重要的理论意义和现实意义： ( 1 ) 实时提取心电信号数据，具有一般监护仪的功能。 ( 2 ) 可在实时诊断后，发送报警信号通知监护中心或病人家属，提高抢救效 率。 ( 3 ) 提高社会的医疗保健水平，具有良好的社会效益。 ( a ) 可以极大增强病人的安全感 ( b ) 提高社区保健水平，减轻患者心理负担，提高日常生活质量 ( c ) 减少非必要的去医院检查的次数，降低医疗费用 ( d ) 让病人更加对自己的健康负责 ( 4 ) 前世界卫生组织( w t o ) 总干事中岛宏曾提出：“许多病人不是死于疾病， 而是死于无知。只要采取预防措施，就能减少一半的死亡 。【3 】对患有心脏疾病 的病人采取预防措施能够及早发现患者出现的异常征兆，及时给予救治，可以 降低死亡率和致残率，同时也可以大幅度降低医疗费用。 1 4 本文研究工作的主要内容 本文的主要目标是以a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 为核心构 建一个实时心电检测及报警系统，主要研究内容包括： ( 1 ) 分析心电信号的原理以及其信号处理方法。 ( 2 ) 以f p g a 芯片为载体的系统集成，包含8 0 5 1 i p c o r e 核，r a m ，f i r 滤 波器，相关的接口电路。 ( 3 ) g p r s 模块m 2 2 a 在心电系统中的报警应用 ( 4 ) 8 0 5 1 的应用程序设计 1 5 关键技术及其实施方案 ( 1 ) 心电信号的干扰问题 有效地解决心电信号的干扰问题是本项目成功的一个关键点，如果最终的 心电数据仍然存在较大的干扰就可能使系统产生错误的判断，只有干净的心电 数据才是整个系统工作的基础。 4 滤除5 0 h z 工频干扰。 ( 2 ) g p r s 模块报警 当诊断病人发病时，有必要将报警信号发给监护中心或者病人家属，使他 们能够及时确定病人现况并实施及时救护。目前g p r s 无线网络已经在全国普 及( 移动通信网在全国的覆盖率在9 5 以上，非边远地区覆盖率几乎达到1 0 0 ， 是进行无线通讯的理想选择。本系统采用明基公司开发的g p r s 模块m 2 2 a 来 完成g p r s 无线通讯。 ( 3 ) 数字电路的f p g a 集成 为使硬件系统小巧，设计硬件系统的f p g a 集成。 f p g a 芯片是一种可编程逻辑芯片，利用其特点将能实现固定电路功能的电 路，通过硬件编程的方式，使其具有专用芯片的功效。基于资源、成本及体积 的考虑本系统采用a l t e r a 公司的e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 来进行数字电路集成。 ( 4 ) 系统低功耗设计 - 低功耗设计是每个便携式产品设计所必须面临的问题。由进行心电信号异 常诊断的设计者设计的心电诊断程序可以判断当前结果是否需要被传输，从而 大幅降低g p r s 无线通讯的时间，进而有效降低系统功耗。但还不够，由于系 统中存在放大、有源滤波等电路，使得系统即使在不进行g p r s 传输情况下的 功耗仍然比较高，因此有必要采取切实有效的措施降低系统功耗。 本项目主要从三个方面来降低系统功耗，一是选择低功耗元器件，二是合 理的编写程序适时地关闭暂时不用的器件( 如果这些器件可控的话) ，三是选用了 具有低功耗特点的f p g a 芯片。 1 6 本章小结 本章主要对课题背景与研究意义、国内外研究现状、研究目的、工作主要 内容、关键技术及其实施方案进行了阐述。 5 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 2 1 心电信号的产生原理 人体心脏的跳动一此过程实际上是由心脏窦房结发出的一次兴奋，按一定 的途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋过程，在这个过程 中心肌的兴奋会产生生物电，并在人体各部位产生有规律的变化。将两个测量 电极放置在人体体表，生物电在传导过程中由于人体内阻的不同传递到两电极 的电位也不同，而这两个电位之差便构成了最初的心电信号。然后经过放大和 滤波处理之后才形成了心电图中所描述的心电信号。 2 2 心电波形图分析 正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和时程，依次传向 心房和心室，引起整个心脏的兴奋，并在人体各部位产生有规律的生物电变化。 将测量电极放置在人体体表的一定部位，记录出来的心电变化曲线即为临床心 电图( e c g ) ，它反映心脏从兴奋的产生、传导到心脏的恢复过程中生物电的变化 规律【4 1 。 正常心电波形如图2 1 所示，整个周期由一个波群组成，各个波段描述如下： 图2 1 心电图波形 ( 1 ) p 波：反应左右两心房的电激动过程，心脏的激动最先源于窦房结，并传 6 il!一 钳； 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 导至心房，使之发生激动。 ( 2 ) p r 波段：e r 期间：代表一1 5 房肌开始除极到心肌开始除极的时限。 ( 3 ) q r s 波段：q r s 波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。典型的 q r s 波群包含个紧密相连的波，第一个向下的波为q 波，其后向上的高而尖的 为r 波，继r 波之后的一个向下的为s 波。其波形和幅度变化也较大。 ( 4 ) s t 段：心室激动产生q r s 波群后至心室复原，再度在人体体表产生明 显电位差( t 波) 之前的一段水平线。 ( 5 ) t 波：t 波代表心室复极过程中的电位变化，t 波的方向与q r s 波群的 主波方向一致。 ( 6 ) q t 期间：从q r s 波起点到t 波终点间的期间，代表心室开始兴奋去极 化到完全复极到静息状态的时间。 ( 7 ) u 波：在t 波后面有时会有一个很小的波动，它反映心肌激动后产生的 电位差。 2 3 心电信号的特征 1 微弱性 人体体表的心电信号很微弱，一般只有0 0 5 5 m y 。在测量中，对于如此微 弱的信号，很难进行直接记录或处理，必须通过放大器适当放大，同时必须滤 波处理。 2 低频特性 人体心电信号的频谱范围在0 0 5 1 0 0 h z ，其能量谱主要集中在 0 5 h z 3 5 h z i 引，频率是比较低的。 3 高阻抗特性 作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几千欧姆至几万欧姆，这 将给心电测量带来误差和失真。 ( 4 ) 不稳定性和随机性。 人体是在内部环境与外部环境相适应的条件下维持新陈代谢的，为适应外 部环境的变化，人体内各种系统的活动都会在相互影响中不断调整，以便与外 部环境保持平衡，同时遗传等因素也会造成人体的个体差异性，这使得人体心 电信号表现出不稳定性和随机性。 7 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 2 4 心电信号的干扰 ( 1 ) 工频干扰。由于日常供电网络的存在，5 0 h z 工频干扰是最常见的干扰， 它是心电信号主要的干扰源之一。5 0 h z 工频干扰主要通过人体和测量系统输入 导线的电容藕合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没心电信号。 ( 2 ) 电极极化电压干扰。心电信号是通过紧贴在人体体表的电极提取的，而 与电极接触的是电解质溶液( 导电膏、汁液或组织液等) ，这会形成一个金属与电 解质溶液的界面。由于电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称为 极化电压【6 j 。极化电压的幅度一般较高，在几毫伏到几百毫伏之间。当两个电极 的状态不能保持对称时，极化电压就会产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不 良以致脱落的情况下更为严重，而且电极在皮肤表面的移动也会引起电位差变 化。 ( 3 ) 肌电信号干扰。肌肉的兴奋与收缩会引起生物电变化，而这些生物电将 在人体表面产生一定的电位差。由于心电信号必须通过贴在人体表面的电极进 行提取，因此同时肌电干扰信号也会被提取出来。肌电干扰信号是一种快速变 化的电压信号，其频率范围为2 0 h z 5 0 0 0 h z 。 ( 4 ) 测量设备自身产生的干扰。信号处理所采用的电子设备本身也会产生噪 声，这种干扰一般都是高频干扰，用低通滤波器就可滤除。 ( 5 ) 高频电磁场干扰。随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、电 视发射台、通讯设备、雷达等电子设备的工作使空间存在着大量的电磁波。这 些高频电磁干扰可通过测量系统与人体连接的导线引入，并引起测量结果的不 稳定，严重时会使测量系统不能正常工作，必须加以消除。 2 5 心电电极选取、导联介绍以及两电极测量电路设计 电极是来摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称作导引电极。它的 阻抗，极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。作心电图时选用的电极 是表皮电极。表皮电极的种类很多，有金属平板电极，吸附电极，圆盘电极， 悬浮电极，软电极和干电极。按其材料又分为有铜合金镀银电极，镍银合金电 极、锌银铜合金电极，不锈钢电极和银氯化银电极等。 8 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 2 5 1 电极选取 1 金属平板电极 金属平板电极是测量心电图时常用的一种肢体电极，它是一块镍银合金或 铜质镀银制成的凹形金属板，这种电极比较简单，其抗腐蚀性能、抗干扰和抗 噪声能力较差，在微电流通过时容易产生极化，而且电位不稳定和电位随时间 漂移严重，信号失真也较大缺点。日前已较少使用。 2 吸附电极 吸附电极是用镀银金属或镍银合制而成，呈圆筒形，其背部有一个通气孔， 与橡皮吸球相通，它是测量心电时作为胸部电极的一种常用电极。 该电极不用扣带而靠吸力将电极吸附在皮肤上，易于从胸廓上一个部位换 到另一部位。使用时挤压橡皮球，排出球内空气，将电极放在所需部位，然后 放松橡皮球，由于球内减压，使电极吸附在皮肤上。但这种电极，由于只有圆 筒底部的面积与皮肤接触( a p 接触面积小) ，从而使得它的阻抗和对皮肤的压力很 大( 即刺激大) ，因此，不适用于输入阻抗低的放大器和不宜作长时间监护之用。 3 圆盘电极 圆盘电极多数采用银质材料，其背面有一根导线。有的电极为了减轻基线 漂移及移位伪差在其凹面处镀上一层氯化银。值得注意的是，该电极在使用一 段时间后必须重新镀上氯化银。 4 悬浮电极 悬浮电极分为永久性和一次性使用的二种。其中永久性悬浮电极又叫作帽 式电极，其结构是把镀氯化银或烧结的a g a g c i 电极安装在凹槽内，它与皮肤 表面有一空隙。 使用时，应在凹槽内涂满导电膏，用中空的双面胶布把电极贴在皮肤上。 由于导电膏的性质柔软，它粘附着皮肤，也粘附着电极，当肌肉运动时，电极 导电膏和皮肤接触处不易发生变化，起到接触稳定的作用。 一次性悬浮电极也叫作钮扣式电极，其结构是将氯化银电极固定在泡沫垫 上，底部也吸附着一个涂有导电膏的泡沫塑料圆盘，使用前，圆盘周围粘有一 层保护纸，封装在金属箔制成的箱袋内，用时取出，剥去保护纸，即可使用。 5 软电极 为了克服由于各种硬质电极与皮肤贴附不紧密而当人体有所活动时，电极 与体表之问的接触可能会改变原来的状态而引起意外的移位伪差，而生产出了 9 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 软电极。 一种常见的软电极是贴在胶布上的银丝网电极。使用时，只需把银丝网涂 上导电膏后贴在所需的人体部位即可。 另一种软电极是在1 3 1 t m 厚的，聚脂薄膜( m y l a r ) 上镀一层l l x m 厚的氯化银 膜而制成的。整个电极的厚度仅为1 5 i t m ，质地十分柔软。它适用于检测、监护 早产儿心脏变化功能。 6 干电极 干电极是利用固态技术，将放大器与电极组装在一起所示。使用时不必涂 上导电膏而波形又不失真，但必须要一个输入阻抗很高( z s r 1 0 9 f 2 ) 的前置放大器 相匹配。 除上述六种电极外，还有体内电极和胎儿电极等等。 考虑到成本以及使用方便，本文选取一次性悬浮电极作为实验室测试电 极。而导联线则选取一般屏蔽线。 2 5 2 导联 将两个电极置于人体表面上不同的两点，通过导线与心电图机相连，就可 以描出一种心电图波形。描记心电图时的电极安放位置及导线与放大器的联接 方式称为心电图导联。对单导心电图机来说，心电图是通过多个导联而得出的 体表电位差的不同时问的记录。临床诊断上，为便于统一和比较，对常用的导 联做出了严格的规定。 现在广泛应用的是标准十二导联，分别记为i 、i i 、i i i 、a v r 、a v l 、a v f 、 v l - - v 6 。i 、i i 、i i i 为双极导联，a v r 、a v l 、a v f 为单极肢体加压导联，v 1 v 6 为单极胸导联。获取两个测试点的电位差时，用双极导联；获取某一点相对 于参考点的电位时，用单极导联。 1 标准双极导联 i 、i i 、i i i 为标准双极肢体导联，简称标准导联。它是以两肢体间的电位差 为所获取的体表心电。电极安放位置以及与放大器的连接为： i 导联：左上肢( l ) 接放大器正输入端，右上肢( r ) 接放大器负输人端；如图 2 2 ( a ) 所示。 i i 导联：左下肢( f ) 接放大器正输入端，右上肢( r ) 接放大器负输入端；如图 2 2 ( b ) 所示。 1 0 基础知识 ( l ) 接放大器负输人端。如图 ( a )( b )( c ) 图2 2 标准双极导联i 、i i 、 使用标准导联时，右下肢( r f ) 应直接接浮。有些机型接右脚电极驱动器的输 出端，间接接地。 当输入到放大器正输入端的电位比输入到负输入端的电位高时，得到的波 形向上；反之，波形向下。 2 单极胸导联和单极肢体导联 探测心脏某一局部区域电位变化时，用一个电极安放在靠近心脏的胸壁上 ( 称为探查电极) ，另一个电极放置在远离一t l , 脏的肢体上( 称为参考电极) ，探查电 极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化。使参考电极在测量中始终保 持为零电位，称这种导联为单极性导联。 威尔逊最早将单极性导联的方法引入到了心电检测技术。在实验中发现， 当人的皮肤涂上导电膏后，右上肢、左上肢和左下肢之间的平均电阻分别为 1 5 k q 、2 l ( q 、2 5 k o 。如果将这三个肢体连成一点作为参考电极点，在心脏电活 动过程中，这一点的电位并不正好为零。单极性导联法就是设置一个星形电阻 网络，即在三个肢体电极( 左手、右手、左脚) 上各接入一个等值电阻( 称为平衡 电阻) ，使三个肢端与心脏间的电阻数值互相接近，三个电阻的另一端接在一起， 获得一个接近零值的电极电位端。称它为威尔逊中心点。如图2 3 所示： 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 威尔逊中点 图2 3 威尔逊中点的电极连接图 这样在每一个心动周期的每一瞬间，中心点的电位都为零。将放大器的负 输入端接到中心点，正输入端分别接到胸部某些特定点，这样获得的心电图就 叫做单极胸导联心电图，如图2 4 所示。单极性胸导联一般有六个，分别叫做 v 1 v 6 。如果放大器的负输入端接中心点，正输入端分别接左上肢l ( 1 ) 右上肢 r ( 1 ) 左下肢l l ( 或记为f ) ，便构成单极性肢体导联的三种方式，记为v r 、v l 、 v f 。 图2 4 单极胸导联 用上述方法获取的单极性胸导联心电信号是真实的，但所获取的单极性肢 体导联的心电信号由于电阻r 的存在而减弱了，为了便于检测，对威尔逊电阻 网络进行了改进，当记录某一肢体的单极导联心电波形时，将该肢体与中心点 之间所接的平衡电阻断开，改进成增加电压幅度的导联形式，称为单极肢体加 1 2 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 压导联，简称加压导联，分别记作a v r 、a v l 、a v f ，如图2 5 。单极肢体加压 导联记录出来的心电图波幅比单极肢体导联增大5 0 ，并不影响波形。 图2 5 加压导联 3 双极胸导联 除了标准十二导联之外，还有一种双极胸导联。双极胸导联心电图是测定 人体胸部特定部位与三个肢体之间的心电电位差，即探查电极放置于胸部六个 特定点，参考电极分别接到三个肢体上。以c r 、c l 、c f 表示。c r 为胸部与右 手之间的心电电位差，c l 为胸部与左手之间的心电电位差，c f 为胸部与左脚 之间的心电电位差，其组合原理由下式来表达： c r = u c n u rc l = u c n u lc f = u c n u f 其中u c n 为胸部电极v 1 v 6 的心电电位。 双极胸导联在临床诊断上应用较少，这种导联法的临床意义还有待于医务 工作者探索和研究。临床上常用的是单极胸导联。 胸部电极安放位置如图2 6 。 图2 6 胸导联电极连接部位 1 3 图2 7 人体电压示意图 图2 7 为带有右腿驱动电路的测量电路的示意图，由于公用电网与人体之间 的电容的存在，引起一个电流i d ，v c m 则是由电流i d 产生的共模电压，也就是 我们常说的工频干扰。v d 为人体任意两个点之间的点位差。图2 8 为3 电极测 量电路。图2 9 为图2 8 中右腿驱动电路的等效电路。 图2 8 三电极测量电路 1 4 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 v c m 图2 9 右腿驱动电路等效电路 由图2 9 可得出两个算式： f o = v c m i d | r c m 进而推出 垃+鲁=0ra2 。 尺厂 ：型：墨竺 1 + g f r a i d 我们取其经验参数0 2 , u a ，假设r c m 的最坏情况下为1 0 0 k f 2 ，r f 和r a 分别设为5 m r 2 和2 5 k f 2 ，可以得出： v c m = 5 0 , u v 而没有右腿驱动的情况下 v c m = i d xr c m = 1 0 0 k f 2 x0 2 j u a = 2 0 m v 可见加上右腿驱动对降低共模电压干扰有明显作用。 然而，电极越多越不方便，因此我们便着手研究两电极的信号采集电路。 1 5 第二章有关心电信号和f p g a 的基础知识 2 6 心电信号的数字处理方法 心电信号中的主要干扰是工频干扰，既使在模拟电路部分做5 0 h z 的陷波， 对于用于诊断来说，其效果还是不够，尤其是在强电干扰下，5 0 h z 工频干扰仍 可能很明显，因此本设计用到了数字滤波。 对于心电信号的5 0 h z 干扰来说，有很多种数字滤波方法，常用的有：平滑 滤波、简单整系数带阻滤波、自适应滤波、小波变换等。一个性能好的滤波器 应该在不削弱有用信号的前提下，尽可能彻底地滤除干扰，因此对干扰的滤除 是否彻底以及对e c g 信号是否有影响是设计心电滤波器时必须注意的两个关键 问题。 2 6 1 平滑滤波器 平滑滤波器是数字滤波方法中较早被采用的方法。该滤波算法简单，处理 速度快。但是用该滤波器滤除5 0 h z 工频干扰，可能对心电的q r s 波有较大的 削峰，信号衰减很大，因此只能用在对信号波形要求不高的场合。 2 6 2 简单整系数滤波 简单整系数滤波器是用i i r 结构来实现f i r 滤波器，既具有严格的线性相位 特性，又只需要较少的计算量，因而在生物医学信号的处理中受到了广泛关注【7 1 。 消除工频干扰的滤波器具有带阻特性，这可以从一个全通网络中减去具有 相同延迟和增益的线性相位带通网络输出而得到。 2 6 3 自适应滤波器 当干扰的中心频率有漂移时，很难设计一个中心频率固定的窄带滤波器。 采用白适应处理，不但可以不必准确知道干扰的频率，而且能自动跟踪频率的 漂移，具有非常好的适应性。 自适应滤波器其实为一种特殊的陷波器，它能取得不错的效果，但是由于收 敛因子值很小，因此该滤波器计算量很大。 2 6 4f i