用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)的心電模擬前端的設(shè)計(jì)

吳隆誼，何楚楚，陳亞珠

0 引言

隨著人們健康意識(shí)的不斷提升、醫(yī)療保健需求的不斷提高，醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)所提供的醫(yī)療服務(wù)已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的醫(yī)療保健需求，新的醫(yī)學(xué)模式強(qiáng)調(diào)預(yù)防戰(zhàn)略觀念，要求醫(yī)學(xué)服務(wù)形式從醫(yī)療型向醫(yī)療、預(yù)防、保健型轉(zhuǎn)變[1]。

心電信號(hào)反映出心臟活動(dòng)狀況，是心血管健康的重要指標(biāo)，所以心電檢測(cè)作為醫(yī)療保健的常規(guī)項(xiàng)目具有重要的意義。傳統(tǒng)的心電檢測(cè)以患者前往醫(yī)院就診的方式進(jìn)行，由于設(shè)備的限制不可能做到心電的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量。動(dòng)態(tài)心電圖雖然允許患者自由活動(dòng)中持續(xù)地測(cè)量，但佩戴方式復(fù)雜，需要由專門的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行佩戴；而且貼片電極和導(dǎo)聯(lián)線的使用一定程度上限制了被測(cè)者的活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，心臟的負(fù)荷增大，冠心病、心肌缺血等癥狀容易在心電信號(hào)中表現(xiàn)出來(lái)，所以運(yùn)動(dòng)心電更能反映出心臟的健康狀態(tài)[2]。傳統(tǒng)的心電檢測(cè)設(shè)備和動(dòng)態(tài)心電圖都不能滿足運(yùn)動(dòng)心電檢測(cè)的要求，所以開發(fā)一款佩戴方便的運(yùn)動(dòng)心電檢測(cè)系統(tǒng)具有重要的意義。

1 心電模擬前端的設(shè)計(jì)需求

人體心電信號(hào)幅度為 10μV～5mV，頻率范圍為0.05～150Hz，由于人體體表接觸阻抗很大，在心電采集過(guò)程中不可避免的引入各種干擾，如表1所示：

表1 相同面積的各種電極與皮膚接觸阻抗[3]

主要的噪聲干擾包括：（1）工頻干擾；（2）射頻干擾；（3）肌電干擾[3]。被廣泛采用的Ag/AgCl 電極，由于使用了導(dǎo)電膏，能有效的貼附在皮膚上，從而獲得良好的導(dǎo)電性能。但Ag/AgCl 電極存在很多問題，例如長(zhǎng)時(shí)間使用后導(dǎo)電膏脫水影響信號(hào)質(zhì)量[4]，人體出汗時(shí)容易脫落等等。所以Ag/AgCl 電極并不適用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心電檢測(cè)。為了克服Ag/AgCl 電極的缺陷，發(fā)展出了很多替代電極，包括與皮膚直接接觸而不需要使用導(dǎo)電膏的干電極、采用電容耦合的非接觸電極等[4]。干電極與非接觸電極克服了Ag/AgCl 電極長(zhǎng)期佩戴所產(chǎn)生的不適，但很難保證與皮膚之間的緊密耦合[5]，導(dǎo)致電極與皮膚之間的接觸阻抗增大。

接觸阻抗的增大導(dǎo)致心電信號(hào)耦合更多的工頻噪音，同時(shí)由于兩個(gè)電極之間可能的阻抗不匹配，原本以共模信號(hào)形式出現(xiàn)的工頻噪音部分轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅Ｔ肼?，增大心電信?hào)處理難度。所以使用干電極或者非接觸電極的心電模擬前端需要滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）由于皮膚接觸阻抗很高，要求心電模擬前端具有很高的輸入阻抗以及極小的輸入偏置電流。

（2）從電極到電路的引線要盡可能短，同時(shí)采用引線屏蔽技術(shù)，減小工頻噪聲的耦合。

（3）由于電極與皮膚接觸不夠緊密，在運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生移位，引入更大的直流偏置電壓。所以心電模擬前端需要采用多級(jí)放大的結(jié)構(gòu)，避免過(guò)大的直流偏置引起的電路飽和。

（4）心電模擬前端需要對(duì)射頻噪聲與肌電噪聲進(jìn)行濾波處理。

2 心電模擬前端的設(shè)計(jì)

為滿足心電模擬前端的性能要求，本文設(shè)計(jì)出的電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 心電模擬前端的整體結(jié)構(gòu)

雖然心電信號(hào)受工頻噪聲干擾最為嚴(yán)重，但只要放大器的共模抑制率（CMRR）足夠高，以共模形式出現(xiàn)的工頻噪聲就很容易被抑制?，F(xiàn)代工藝的儀表放大器的CMRR 很容易達(dá)到90dB，完全滿足心電放大電路高CMRR的需求。然而，由于兩個(gè)差分電極與皮膚之間的接觸阻抗的不匹配，以及放大器兩端輸入阻抗的不匹配導(dǎo)致共模的工頻噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅Ｔ肼暎瑖?yán)重影響心電信號(hào)的提取。若用Zia，Zib分別表示兩個(gè)電極的輸入阻抗，用Zea，Zeb表示兩個(gè)電極的接觸阻抗，Vcm表示共模電壓，根據(jù)分壓效應(yīng)可計(jì)算出共模轉(zhuǎn)差模的電壓Vab公式（1）

假設(shè)輸入阻抗遠(yuǎn)大于接觸阻抗，則式（1）可以改寫為公式（2）

公式（2）表明，由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的差模噪聲與共模電壓幅度、接觸阻抗與輸入阻抗之比、接觸阻抗的不匹配率、輸入阻抗的不匹配率有關(guān)。由于接觸阻抗和輸入阻抗各自的不匹配很難避免，同時(shí)干電極和非接觸電極的接觸阻抗Ze比較大，所以可以通過(guò)降低共模噪聲幅度和提高輸入阻抗Zi來(lái)減小由共模產(chǎn)生的差模噪聲。本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)線屏蔽驅(qū)動(dòng)電路減小工頻噪聲對(duì)電路的共模耦合，同時(shí)采用具有極高輸入阻抗（100GΩ||3pF）的儀表放大器INA333 作為電路前級(jí)，減小共模轉(zhuǎn)差模效應(yīng)。

心電信號(hào)幅度很?。?0μV～5mV），通常要放大500～1000倍才能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然而兩差分輸入電極間存在最大± 300mV的直流偏置，若一次性放大，勢(shì)必導(dǎo)致電路飽和，所以采用多級(jí)放大的設(shè)計(jì)。一級(jí)儀表放大電路，利用儀表放大器高CMRR的特性，消除共模噪聲，同時(shí)利用積分反饋電路消除直流偏置。由于無(wú)法避免的共模轉(zhuǎn)差模效應(yīng)，一級(jí)儀表放大電路的輸出信號(hào)中仍然存在幅度可觀的工頻噪聲，如果直接進(jìn)行二級(jí)放大，信號(hào)中的工頻噪聲將和心電信號(hào)一起同時(shí)被放大，不利于心電信號(hào)的提取。所以在一級(jí)儀表放大和二級(jí)放大之間設(shè)計(jì)工頻陷波器用于抑制工頻噪聲。

2.1 導(dǎo)線屏蔽驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

降低共模的工頻噪聲干擾可以采用導(dǎo)線屏蔽技術(shù)。通常將導(dǎo)線外的屏蔽層接地，但是由于導(dǎo)線和屏蔽層之間形成電容，降低了電路的輸入阻抗。為克服這一缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了導(dǎo)線屏蔽驅(qū)動(dòng)電路。將電極輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓跟隨器驅(qū)動(dòng)屏蔽層，使信號(hào)線與屏蔽層的電位保持一致，減少了工頻噪聲的耦合，同時(shí)由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，不會(huì)對(duì)電路的輸入阻抗產(chǎn)生明顯的影響。電壓跟隨器采用TI 公司的運(yùn)算放大器 OPA2333，該運(yùn)放具有極低的輸入偏置電壓（10μV），極低的溫漂（0.05μV/℃），極低的功耗（靜態(tài)電流17μA），而且具備一定的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。電壓跟隨器的輸出電壓以0.99的比率驅(qū)動(dòng)屏蔽層，這樣可以提高驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性，如圖2所示：

圖2 導(dǎo)線屏蔽驅(qū)動(dòng)電路

2.2 一級(jí)儀表放大電路的設(shè)計(jì)

圖3 一級(jí)放大電路

2.3 工頻陷波電路的設(shè)計(jì)

一級(jí)儀表放大電路的共模抑制高達(dá)100dB，有效的消除了共模形式的工頻噪聲，但由于無(wú)法避免的共模轉(zhuǎn)差模效應(yīng)，一級(jí)儀表放大電路輸出信號(hào)中仍然存在幅度較大的工頻噪聲，本文設(shè)計(jì)雙T 型工頻陷波器用于抑制工頻噪聲，如圖4所示：

圖4 雙T 型工頻陷波電路

圖4所示工頻陷波電路的傳遞函數(shù)為[7]:

R，C 分別取0.047Fμ、68kΩ 時(shí)陷波器中心頻率為50Hz。R1，R2 和跟隨器構(gòu)成正反饋，決定陷波器阻帶寬度和增益，R1，R2 分別取1kΩ，50kΩ 時(shí)，可獲得阻帶寬度和增益均適合的頻譜特性，如圖5所示：

圖5 陷波器頻譜特性

2.4 二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)一級(jí)儀表放大電路和工頻陷波電路后，射頻干擾、工頻干擾、直流偏置等噪聲均被有效的抑制了，但一級(jí)儀表放大倍數(shù)僅為5 倍，心電信號(hào)幅度還很小，不能用于數(shù)模轉(zhuǎn)換。此時(shí)需對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，如圖6所示：

圖6 二級(jí)放大電路

3 結(jié)果分析

心電模擬前端采用聚合物鋰電池進(jìn)行供電，體積小巧，安放在心率帶上。使用時(shí)，調(diào)節(jié)心率帶位置，使心電模擬前端位于胸骨劍突處；調(diào)節(jié)心率帶長(zhǎng)度，使心率帶上左右兩個(gè)電極與皮膚充分接觸。心電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線發(fā)送到智能手機(jī)上進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的分析與波形顯示，如圖7所示：

圖7 采集到的心電數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用高輸入阻抗、低偏置電流、低功耗的儀表放大器INA333 和低溫漂、低功耗的精密運(yùn)放OPA2333 設(shè)計(jì)出一款具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的心電模擬前端。結(jié)合單導(dǎo)聯(lián)心率帶，無(wú)需貼片電極和導(dǎo)電膏便可實(shí)現(xiàn)I 導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)的檢測(cè)。該模擬前端功耗低，使用聚合物鋰電池進(jìn)行供電，體積小巧，佩戴方便；通過(guò)藍(lán)牙將心電數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與波形顯示，不會(huì)對(duì)人體活動(dòng)產(chǎn)生任何限制。

該模擬前端具有使用方便、功耗低、無(wú)需貼片電極和導(dǎo)電膏的特點(diǎn)，適合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中心電信號(hào)的采集。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，該模擬前端工作穩(wěn)定，能夠抑制射頻噪聲、工頻噪聲、肌電噪聲，有效地保證了心電信號(hào)的質(zhì)量。

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