低噪声便携式的心电监护仪的设计

随着人民物质水平的提高，人们对健康的要求已不仅停留在治疗疾病的水平上，而是提出了预防疾病，健康保健的新课题。心血管病作为人类健康的第二大杀手，已经引起了医学界广泛关注。心电检测技术是目前心脏病诊断、心脏健康保健所必须的一项技术。在向小型化、家庭化、网络化发展的趋势下，势必需要更为简便、更加低成本的心电检测设备。监护仪是一种以测量和控制病人生理参数，并可与已知设定值进行比较，如果出现超标可发出警报的装置或系统。监护仪与监护诊断仪器不同，它必须24小时连续监护病人的生理参数，检出变化趋势，指出临危情况，供医生应急处理和进行治疗的依据，使并发症减到最少，达到缓解并消除病情的目的。监护仪的用途除测量和监护生理参数外，还包括监视和处理用药及手术前后的状况。

传统的导联系统采用通用的三电极方式，右胸上电极及左腹下电极为心电采样电极，右腹下电极为右腿驱动电极。这种联接方式有效实用，有利于便携使用。便携式监护仪分析处理系统可以分为两大部分，一是携带在被检查者身上的袖珍监护仪，二是由微机系统组成的心电图处理诊断系统。被检查者将某一时段的动态心电信号由监护仪记录下来，通过GPRS通信方式将数据传送到医院的心电图处理诊断系统中。心电信号是由人体心脏发出相当复杂的微弱信号，为了获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。

本设计的特点：

（1）目前对心电信号的降噪有多种方法，这里主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。滤波采用高通和低通两级滤波，滤波电路经Workbench仿真效果明显。

（2）与以往双T型50 Hz陷波器不同的是，该设计电路引入放大器形成正反馈，以减小阻带宽度。

（3）本文为人体日常生活方便，设计了导联电极脱落检测电路，防止运动输入电极脱落。

1 心电信号的特点及整体系统结构

心电图（ECG）信号自动分析与诊断是目前信号处理领域中的研究热点之一，其真正实现将有力地促进医疗事业的发展和人们健康水平的提高，也将是现代信号处理理论与技术和人工智能等在医疗领域中应用的重大突破。心电（图）信号自动分析与诊断系统的研究内容广泛，涉及的基础理论和关键技术繁多，是一个多学科交叉的庞大课题。到目前为止，现有的心电信号自动分析方法中还存在着诸多的缺陷和不足，在理论研究和实际应用方面仍有许多改进和创新的空间。针对这种现状，论文围绕"心电信号预处理"、"心电波形检测与定位"、"心电特征提取与选择"和"心电信号自动分类与识别"四个方面的关键技术展开研究。

心电信号由皮肤电极取自于人体表面，是一种低频率的微弱双极性信号。它淹没在许多较强的干扰和噪声之中。这些干扰主要包括肌电信号、呼吸波信号等体内干扰信号和以50 Hz工频干扰、电极与皮肤界面之间的噪声为主的体外电磁场干扰信号的影响。信号源阻抗大约100 kΩ，信号为10μV~5 mV,典型值为1 mV,加上周围的电磁干扰（特别是50 Hz的工频干扰）比较大，要求放大电路具有高增益、高输入阻抗和高共模抑制比；为保持信号的稳定，还要求输入失调电压和偏置电流小、温漂小；为了便于随身携带，还要求体积小、电源电压低、耗电少等。

对心电信号进行精确测量，必须设计出性能优良的放大器。放大器的核心和关键是前置级的设计。整个前置级电路由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。从体表获得的心电信号经导联输入后，ECG信号经运放构成的前置放大器放大，滤波器滤除其中的高频干扰后，再经一个50 Hz陷波器进一步抑制电源干扰，然后通过电平位移进入A/D转换，从而得到数字化的心电信号。

2 电路结构描述，心电信号的传感、放大及滤波

2.1 电路结构描述和仿真

整个监护仪是由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。医学传感器获得体表的心电信号滤除其他频段干扰后经过放大调理和A/D转换之后传给计算机以供数据分析。其中便携性方面设计了电极脱落检测电路，摆脱电缆羁绊，使使用者能随身携带。硬件电路用Workbench软件进行仿真能实现其功能，采用的滤波函数用Matlab和Filterlab软件仿真之后能达到设计要求。滤波方法采用50 Hz陷波之后，再经过高低通两级滤波，引入放大器形成正反馈，以减小阻带宽度。

2.2 心电输入电极