基于虛擬儀器技術(shù)的心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙夢(mèng)凡

(西安交通工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710300)

1 研究與意義

心電(ECG)信號(hào)是人類(lèi)研究的最古老的生物學(xué)信號(hào)[1],因其具有容易捕捉、便于分析的特性,對(duì)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步有著重要促進(jìn)作用,因此被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。心電監(jiān)測(cè)的技術(shù)在臨床上應(yīng)用得越來(lái)越廣泛,目前在臨床中使用的比較多的就是遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)心電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),它主要的作用可以總結(jié)為預(yù)警、監(jiān)測(cè)、診斷[1]。心電圖是進(jìn)行預(yù)警以及快速臨床處理的依據(jù),它具有診斷可靠,而且方便簡(jiǎn)單,對(duì)患者沒(méi)有任何損傷等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)的心電圖有一定的缺陷,因?yàn)樗涗浀臅r(shí)間僅僅只有幾十秒、短時(shí)間內(nèi)獲得的信息量有一定的限制,因此在工作的有效時(shí)間里,即使病人出現(xiàn)一些異常現(xiàn)象,例如心律異常等情況被發(fā)現(xiàn)的概率是極低的。這才有了心電監(jiān)測(cè)技術(shù),它利用的是長(zhǎng)時(shí)間且動(dòng)態(tài)的記錄病患的心電數(shù)據(jù),這對(duì)發(fā)現(xiàn)心律失常有重大作用,在臨床上主要是用來(lái)診斷各種心律失常以及進(jìn)行暈厥查因等相關(guān)檢查。

2 心電信號(hào)的特征分析

2.1 心電信號(hào)產(chǎn)生原理

心臟的活動(dòng)與電刺激這一特性是息息相關(guān)的,因此,電刺激也就成為了心電圖的構(gòu)造原理。心肌中的興奮流可以從心臟穿過(guò)身體的組織流到身體的表面,從竇房結(jié)形成起搏后,心臟的各個(gè)部位相繼接收到脈沖信號(hào),繼而做出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。正常的心電圖活動(dòng)是有規(guī)律的特定模式,當(dāng)心臟的特定部位受損時(shí),脈沖電流會(huì)在受損部位周?chē)鷤鬏?從而對(duì)正常的ECG波形產(chǎn)生干擾。執(zhí)行心電圖檢查時(shí),可以將對(duì)心臟的電脈沖敏感的幾個(gè)金屬電極板放在手腕、腳踝和上胸部的皮膚上,以測(cè)量心臟電流的強(qiáng)度和性質(zhì)。

2.2 心電信號(hào)的特征

心電信號(hào)是反映人心臟狀況的小信號(hào)。其特點(diǎn)是:1) 弱信號(hào):離開(kāi)人體表微小的距離,就基本上檢測(cè)不到信號(hào);2) 低頻特性:能量主要在幾百赫茲以下;3) 可變性:生物信息會(huì)受到個(gè)體差異的影響,包括性別、年齡、生活地域等因素都會(huì)影響到人體的平衡系統(tǒng),而為了適應(yīng)這種系統(tǒng),生物信息會(huì)隨著各種影響因素的波動(dòng)而產(chǎn)生變化;4) 強(qiáng)干擾:一般而言,除外部環(huán)境外,人體內(nèi)部存在一定噪聲,會(huì)對(duì)心電信號(hào)造成不同程度的影響。

2.3 心電波形的分析

正常的人體表面積心電圖由一系列波形組成,通過(guò)將引導(dǎo)電極放置在人體的不同部位以測(cè)量ECG或通過(guò)更改記錄電極(即引線系統(tǒng))的連接方式,可以記錄不同的心電波形,心電圖波形的每個(gè)部分都反映了心臟不同部位的去極化或重新極化過(guò)程。這一系列的電刺激擴(kuò)散,引起一系列的電勢(shì)變化,形成心電圖的相應(yīng)變化,如圖1所示,臨床心電圖為這些心電圖的各個(gè)頻段提供了統(tǒng)一的名稱(chēng),不同的波形具有不同的臨床含義,它們的名稱(chēng)和臨床意義主要包括以下幾個(gè)方面:

圖1 心電波形圖示

1) P波:最早出現(xiàn),波幅很小,反映了心房的去極化過(guò)程。將P波分為3份,分別代表右心房的去極化、右心房和左心房的去極化和左心房除極。P波被導(dǎo)線AVR反轉(zhuǎn),并在導(dǎo)線I,II,AVF,V4至V6上直立。導(dǎo)線AVL的P波的方向不固定,導(dǎo)線V1的P波是可以雙向的。

2) T頻段:這代表了在后期快速心室復(fù)極過(guò)程中的電位變化,正常的T波為圓形鈍角,波形為非對(duì)稱(chēng)波形。

3) U頻段:U波的幅度與心率的速度有關(guān),隨著心率增加,U波幅度與心率呈負(fù)相關(guān),慢慢減小,反之則緩上漲。由此可見(jiàn),低血鉀癥中病人普遍存在心跳緩慢的問(wèn)題,因此由U波是呈現(xiàn)較高的狀態(tài),而在冠心病等患者的心電圖中則更容易看見(jiàn)其在零線之下。

4) P-R段:主要是顯示P波與QRS波之間的時(shí)間統(tǒng)計(jì),用來(lái)表示心房興奮信號(hào)的觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間。在心率正常情況下,PR值一般處于0.12 s～0.20 s之間波動(dòng),對(duì)于小孩或者幼兒相較于標(biāo)準(zhǔn)PR較小,如果是老人的話(huà),PR則相較于標(biāo)準(zhǔn)PR較大,PR間隔可以稍長(zhǎng)一些,但通常少于0.22 s。

5) QRS段:這是一組高振幅波,代表由左右心室的復(fù)極化引起的潛在變化。 QTS復(fù)合體的形狀和幅度取決于前QRS環(huán)的最大矢量投影的角度。當(dāng)發(fā)生肢體導(dǎo)聯(lián)的QRS絕對(duì)值低于0.5 mV或者胸導(dǎo)聯(lián)絕對(duì)值低于0.8 mV時(shí)會(huì)出現(xiàn)低電壓情況,常出現(xiàn)于甲狀腺功能衰退或者肺氣腫的患者身上。

6) 正常人的典型心電圖值:P波:0.2 mV; Q波:0.1 mV; R波:0.5～1.5 mV; S波:0.2 mV; T波:0.1～0.5 mV; PR間隔:0.12～0.2 s; QRS間隔:0.06～0.1 s; ST段:0.12～0.16 s; PR段:0.04～0.08 s。

3 心電信號(hào)采集電路總體電路構(gòu)成

ECG數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集對(duì)象是人體表面的ECG信號(hào),報(bào)備采集后,首先進(jìn)入到信號(hào)收集器當(dāng)中,也在這一過(guò)程正式實(shí)現(xiàn)了,由外部環(huán)境到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移。但是由于各種環(huán)境噪聲和人體的內(nèi)部干擾都會(huì)對(duì)信號(hào)采集的精確度造成一定程度上的影響,因此怎樣保證信號(hào)采集的完整性和高效性成為現(xiàn)在ECG信號(hào)研究的起點(diǎn)和難點(diǎn)。因此本研究在設(shè)計(jì)電路時(shí)充分考慮到這一問(wèn)題,并將電路分為以下幾個(gè)部分共同組成:

首先是保護(hù)電路,如其字面含義所示,可以保護(hù)其下屬的所有電路。

第二個(gè)是前置放大器電路。主要用于加強(qiáng)信號(hào),一般可以將信號(hào)放大為原來(lái)的十倍。

第三個(gè)是抑制共模信號(hào)電路。專(zhuān)門(mén)用于抗干擾,是確保信號(hào)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

第四個(gè)是帶通濾波器電路。

第五個(gè)是后置放大器電路。要觀察ECG信號(hào),需要將其放大數(shù)千倍。前置放大器的增益約為10倍,在此水平下需要放大約100倍。

第六個(gè)是50 Hz帶阻濾波器電路。這允許濾波器濾除特定頻帶中的信號(hào)。對(duì)于由電源頻率產(chǎn)生的50 Hz噪聲,可用于有效選擇和過(guò)濾噪聲。本文所選擇的類(lèi)型為雙T頻帶抑制濾波器電路。

4 心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的心電信號(hào)檢測(cè)器主要包括心電信號(hào)傳感器AD8232和myDAQ數(shù)據(jù)采集卡,用于采集信號(hào),并對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波,然后將采集卡連接到計(jì)算機(jī)和傳感器,并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)電腦LabVIEW。經(jīng)過(guò)濾波處理后,將獲得信號(hào)所需的波形[2]。

5 確定心電信號(hào)的檢測(cè)方式

目前,通過(guò)檢測(cè)獲得的心電圖信號(hào)是通過(guò)電極片接觸人的皮膚[3],從而可以連接心電圖采集裝置的正負(fù)導(dǎo)入端,然后改變電位差記錄兩點(diǎn)之間的距離,最后通過(guò)技術(shù)繪制心電圖。當(dāng)前的國(guó)際通用引線方法包括以下3種類(lèi)型:雙極身體引線,單極受壓肢體引線和胸部引線。本文主要介紹雙極體導(dǎo)線。

將左臂的電極連接到檢測(cè)設(shè)備的正極,將右臂的電極連接到負(fù)極,從而取得兩臂之間的電位差值,根據(jù)圖形可以觀察得到,如果左臂電位較高,則波形處于向上趨勢(shì),反之,波形向下。

分別將患者的左右臂連接到電極的正負(fù)極,隨后用儀器來(lái)測(cè)量?jī)蓸O之間的電位差,假如存在右臂電位差低于左臂的現(xiàn)象,則波形處于向上趨勢(shì),反之,波形向下。

將左腳連接到測(cè)試設(shè)備的正極,將左臂的電極連接到負(fù)極,以反映左腳和左臂之間的電位差[4]。如果左腿的電位高于左臂的電位,則波形將向上,否則將升高。否則,波形是向下的。放在右腿上的電極稱(chēng)為“無(wú)關(guān)電極”,有助于穩(wěn)定走線。圖5所示為實(shí)物連接圖。

圖5 采集信號(hào)

6 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠完成心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)被測(cè)者心率及血壓參數(shù)的測(cè)量。軟件界面對(duì)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的超限報(bào)警以及大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。