目的： 為便于日常心電監(jiān)護(hù)， 開發(fā)了一種便攜式心電檢測系統(tǒng)， 介紹這種便攜式心電檢測系統(tǒng)中放大電路的設(shè)計(jì)。方法： 該心電放大電路以 AD620、OPA4277 和 TLC2254 作為放大電路核心元件， 針對心電信號(hào)的特殊信號(hào)和干擾頻率范圍， 進(jìn)行了分析， 對由電極采集到的心電信號(hào)， 通過前置放大部分， 將微弱的心電信號(hào)高保真放大， 并通過低通濾波、高通濾波及 50 Hz 陷波濾除干擾。結(jié)果： 差模電壓增益為 1 000， 共模抑制比為 90 dB， 輸入阻抗大于 10 GΩ，通頻帶為 0.035~110 Hz。結(jié)論： 系統(tǒng)具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂和高信噪比等優(yōu)點(diǎn)， 而且成本低、體積小、耗電少、攜帶方便。

　　1 引言

　　隨著生活水平的提高， 健康監(jiān)護(hù)越來越被人們所重視。為便于日常心電監(jiān)護(hù)， 我們開發(fā)了一種便攜式心電檢測儀。在心電檢測系統(tǒng)中， 最重要的部分就是心電信號(hào)的放大電路。通常采用對地對稱的雙電極差分放大器， 被測心電信號(hào)采用差分輸入方式， 形成差模信號(hào)。由于心電信號(hào)很微弱， 幅值只有 0~4 mV， 頻帶為 0.05~100 Hz。且在采集的過程中， 存在著諸如 50 Hz 的工頻、極化電壓、熱噪聲以及儀器本身產(chǎn)生的噪聲等多種干擾信號(hào)。特別是工頻干擾， 對后續(xù)特征波形的檢出和分析影響很大， 有時(shí)甚至?xí)蜎]心電信號(hào)， 致使無法檢出。因此， 要求信號(hào)放大電路前置放大部分有足夠高的共模抑制比(CMRR) 。通常使用的“三運(yùn)放”放大器可提供很高的輸入阻抗以及足夠的 CMRR。但由于在輸入端存在比有用心電信號(hào)大幾十倍的直流信號(hào)， 因此， “三運(yùn)放”的第一級增益不能設(shè)計(jì)得很大， 從而限制了CMRR。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　信號(hào)放大電路的框圖如圖 1 所示。對由電極采集到的心電信號(hào)， 先通過前置放大部分， 將微弱的心電信號(hào)高保真放大， 并通過低通濾波、高通濾波及 50 Hz 陷波濾除干擾， 才可以進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。

　　2.1 前置放大

　　前置放大電路的組成和電路圖分別如圖 2 和圖3所示。從圖中可以看出， 前置放大電路由輸入跟隨、儀用放大器、右腿浮地驅(qū)動(dòng)和屏蔽層驅(qū)動(dòng)等 4 部分組成。

　　(1)輸入跟隨器。提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號(hào)， 采用高精度運(yùn)算放大器OPA4277， 具有超低失調(diào)電壓 10μV， 超低失調(diào)偏移 ±0.1 μV， 偏置電流最大為 1 nA。

　　(2) 儀用放大器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器 AD620， 輸入失調(diào)電壓最大為50 μV， 輸入失調(diào)漂移為0.6 μV/℃， 共模抑制比為 120 dB(G=10)。該儀用放大器的增益范圍為 1~10 000， 由其放大增益關(guān)系式：

　　可推算出各種增益所需要的電阻Rg， 取 G=10， 則算出Rg為 5.489 kΩ， 取近似值 5.6 kΩ。

　　(3) 右腿浮地驅(qū)動(dòng)。把混雜于原始心電信號(hào)中的共模噪聲提取出來， 經(jīng)過一級倒相放大后，再返回到人體， 使它們相互疊加， 從而減小人體共模干擾的絕對值， 提高信噪比。本電路采用高精度運(yùn)算放大器 OPA4277。

　　(4) 屏蔽層驅(qū)動(dòng)。盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體， 但由于元器件不可能完全對稱，電路板又存在一些分布參數(shù)， 結(jié)果使少部分以共模形式存在的干擾噪聲以差模信號(hào)的方式進(jìn)入放大器， 而放大器對差模信號(hào)的放大能力很強(qiáng)，最終導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變。因此， 采用了屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路， 用共模電壓本身驅(qū)動(dòng)屏蔽層給予中和， 以便將跨接在其上的共模波動(dòng)減小到零。放大器采用高精度運(yùn)算放大器 OPA4277。

　　2.2 低通和高通濾波電路

　　由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)， 為了去掉高頻的干擾， 還須通過低通濾波。低通濾波器 (LPF) 采用歸一化設(shè)計(jì)的BUTTERWORTH 四階低通濾波， 截止頻率fH為100 Hz， 在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度， 避免高頻信號(hào)的干擾?？紤]到元件的誤差， 設(shè)定截至頻率 fH=110 Hz。

　　放大器的溫漂、皮膚電阻的變化、呼吸和人體運(yùn)動(dòng)， 都會(huì)造成心電信號(hào)出現(xiàn)所謂的“基線漂移”現(xiàn)象， 也即輸出端的心電信號(hào)會(huì)在某條水平線上緩慢地上下移動(dòng)。從頻譜上說， 這些影響都可以歸結(jié)為一個(gè)低頻噪聲干擾。這也就是使用高通濾波器(HPF) 的原因。

　　文獻(xiàn)[3]指出， 這些噪聲主要集中于 0.03～2 Hz。但是， 心電信號(hào)中的ST段和Q波頻率分量集中于0.05～2 Hz， 與上述低頻噪聲分量很接近。因此，不可簡單地把高通截止頻率定為 2 Hz， 否則將使心電信號(hào)的波形出現(xiàn)較大失真。

　　根據(jù)美國心臟協(xié)會(huì)(AHA) 的建議， 去除心電信號(hào)中的直流成分的帶通濾波器 (BPF) 截止頻率不得超過 0.05 Hz。所以， 把高通濾波器(HPF) 的截至頻率 fL定在 0.035 Hz， 留有一定余量是為防止元器件因精度不夠而造成較大誤差。

　　低通和高通濾波電路如圖 4 所示。放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器 TLC2254， 每通道供電電流為 35 μA， 噪聲為 19 μV/Hz( 在 1kHz 時(shí))， 它最大的優(yōu)點(diǎn)是具有“軌到軌(rail-to- rail)”的特性， 非常適合便攜式設(shè)備。

　　在 EWB(Electronics Workbench) 軟件中仿真分析低通和高通濾波器的幅頻特性， 圖 5 是低通和高通濾波器幅頻特性。從圖中可以看出，帶外衰減較為迅速(-80 dB/10 倍頻程) 。

　　2.3 主放大器

　　主放電路圖通過調(diào)整電位器的阻值 RP1來設(shè)置整個(gè)心電放大電路的總增益， 主放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器 TLC2254， 如圖 6 所示。

　　2.4 50 Hz 工頻陷波

　　雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用， 但部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的， 且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)， 加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素， 經(jīng)過前面的前置放大， 低、高通濾波和主放后， 輸出仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾， 所以必須專門濾除。我們采用 “雙 T帶阻濾波”電路來濾除工頻干擾， 在設(shè)計(jì)中采用等容值的雙電容并聯(lián)來代替普通的單電容， 使其在容值上更加匹配。50Hz 工頻陷波電路如圖 6 所示， 放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器 TLC2254。

　　圖 7 是 50 Hz 陷波器的幅頻特性仿真結(jié)果。從幅頻特性仿真圖中可以清晰看出， 阻滯范圍內(nèi)的衰減為 20 dB， 而在中心頻率處(50 Hz) 達(dá)到 90 dB 以上。

　　2.5 電平提升

　　經(jīng)過陷波器后的心電信號(hào)是雙極性， 系統(tǒng)中的 A/D 芯片只能量化單極性信號(hào)， 所以， 必須設(shè)法把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)。電平提升電路如圖 6 所示。

　　3 結(jié)果分析

　　將上述設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)板上構(gòu)造出來， 用于心電信號(hào)檢測系統(tǒng)， 并進(jìn)行測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

　　差模電壓增益為 1 000， 共模抑制比為 90 dB， 輸入阻抗大于 10 GΩ， 通頻帶為 0.035~110 Hz。圖 8 是從一名用戶身上采集到并在 PC 上顯示的一段心電圖， 可見心電信號(hào)清晰穩(wěn)定， 完全能夠滿足 ECG 監(jiān)護(hù)要求。

　　4 結(jié)束語

　　本研究根據(jù)人體心電信號(hào)的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)出了放大電路，并對其進(jìn)行分析和仿真， 該放大電路在性能指標(biāo)方面滿足美國心臟協(xié)會(huì)(AHA) 對心電監(jiān)護(hù)儀的放大器的要求， 對輸入信號(hào)的波形可以實(shí)現(xiàn)低失真的輸出， 具有較好的放大性能。硬件測試結(jié)果表明， 該放大電路滿足實(shí)際要求 ， 可應(yīng) 用 于 ECG 監(jiān) 護(hù) 儀當(dāng)中。

　　本研究創(chuàng)新點(diǎn) ：設(shè)計(jì)了一種便攜式心電檢測系統(tǒng)中的信號(hào)放大電路。系統(tǒng)具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂和高信噪比等優(yōu)點(diǎn)， 而且成本低、體積小、耗電少、攜帶方便。