【導(dǎo)讀】人體心肌產(chǎn)生的電信號傳導(dǎo)到體表之后,由于在體表分布的不同而產(chǎn)生電位差,將這種電壓只有mV級別的電位差放大并繪制成圖,就得到了心電圖(ECG)。心電圖在心血管疾病的臨床診斷中有非常重要的作用。通常采用的心電圖按照導(dǎo)聯(lián)數(shù)分有單導(dǎo)聯(lián),三導(dǎo)聯(lián),五導(dǎo)聯(lián)以及十二導(dǎo)聯(lián)等等;按照精度分常用的有8位和12 位精度等等。
人體心肌產(chǎn)生的電信號傳導(dǎo)到體表之后,由于在體表分布的不同而產(chǎn)生電位差,將這種電壓只有mV級別的電位差放大并繪制成圖,就得到了心電圖(ECG)。心電圖在心血管疾病的臨床診斷中有非常重要的作用。通常采用的心電圖按照導(dǎo)聯(lián)數(shù)分有單導(dǎo)聯(lián),三導(dǎo)聯(lián),五導(dǎo)聯(lián)以及十二導(dǎo)聯(lián)等等;按照精度分常用的有8位和12 位精度等等。單導(dǎo)聯(lián),精度低的心電圖常用于進(jìn)行心電監(jiān)控以及心率測量。12位高精度的心電圖由于可以反映出心電的細(xì)微變化,被更加廣泛地應(yīng)用于臨床診斷、心電分析等地方。
由于心電幅度只有mV量級,需要放大上千倍才能被觀察到,并且人體的內(nèi)阻比較大,因此一個高阻抗、高增益的放大器是準(zhǔn)確獲取心電信號的關(guān)鍵。而周圍環(huán)境中充滿了各種各樣的電磁干擾,會嚴(yán)重影響微弱的ECG信號,而其中最為嚴(yán)重的是市電電源的50Hz(部分國家為60Hz)的干擾。如何避免這些干擾也是心電放大器設(shè)計(jì)所必須考慮的問題。此外,進(jìn)行高精度的AD轉(zhuǎn)換也是關(guān)鍵的步驟,特別是對于12bit的ECG放大器。在一些便攜式應(yīng)用中,功耗也是需要考慮的因素。
TI公司生產(chǎn)的MSP430F13X、MSP430F14X系列微功耗混和信號單片機(jī),由于具有速度快(8MIPS/16bit),集成度高(Flash,RAM,16bit Timer,8通道12bit ADC以及UART等)、極低功耗等特點(diǎn),因此非常適合于ECG放大器一類的應(yīng)用。MSP430F14X系列單片機(jī)由于具有硬件乘法器,因此具備一定的 DSP功能,可以ECG信號進(jìn)行濾波等預(yù)處理。
下圖是三導(dǎo)聯(lián)ECG放大器的框圖:
ECG放大器通常由緩沖級、匹配電阻網(wǎng)絡(luò)、放大、濾波、電平位移以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾級構(gòu)成。
電極采集到的心電信號首先進(jìn)入緩沖級。緩沖級可以提高整個放大電路的輸入阻抗,降低輸出阻抗,這樣就可以在后面的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)中得到幅值較高的信號。匹配電阻網(wǎng)絡(luò)通常采用威爾遜電中心端網(wǎng)絡(luò),它通過特定的電阻網(wǎng)絡(luò)獲得威爾遜電中心端作為整個ECG系統(tǒng)的參考點(diǎn)。
放大級通常包括一級用AD620等儀表放大器構(gòu)成的初級差分放大和TL084等通用運(yùn)放構(gòu)成的主放大級。由于體表液體與電極之間可能形成原電池,致使電極之間存在固定的電位差,因此第一級差分放大的增益不能太高,否則容易飽和。通常這一級增益選10左右。在第一級和第二級之間必須進(jìn)行直流隔離。第二級采用同相放大電路,增益可以高達(dá)100倍,這樣整個電路放大倍數(shù)可以達(dá)到1000倍。
由于信號中混有各種干擾噪聲會影響ECG的有用信號,因此需要對這些噪聲進(jìn)行濾波。噪聲來源主要有兩類,一類是各種電子設(shè)備輻射出的高頻噪聲,一種是市電的50Hz噪聲,通常情況下后者影響尤為明顯。對這些噪聲的濾波需要用到低通濾波器和50Hz帶阻濾波器。ECG的低通濾波器通常情況下截至頻率選擇在 100Hz以下,少數(shù)情況下會用到更高的頻率。低通濾波和放大可在同一級運(yùn)放中實(shí)現(xiàn)。帶阻濾波器對最終信號的質(zhì)量尤為重要,由于帶阻濾波器的特性參數(shù)對元器件的精度很敏感,因此在這一級的設(shè)計(jì)中需要用到精密的阻容原件,還常常需要多級級聯(lián)來獲得較好的效果。
上訴幾級電路都是在零偏置條件下工作,因此輸出信號幅值有正有負(fù)。而進(jìn)入ADC的信號必須是單端的,因此需要用加法器將雙端的信號位移使之成為單端信號。
經(jīng)過放大、濾波、位移之后的信號輸入MSP430F133的A0-A2端進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換采用MSP430的順序轉(zhuǎn)換模式,采樣頻率可以用時鐘中斷來進(jìn)行控制。若需要100Hz的有用信號,則應(yīng)選擇采樣率為200Hz。
下圖是實(shí)際測量得到的心電圖信號:
從上圖可以看出,心電信號清晰穩(wěn)定,完全可以滿足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。
在上述電路中,想要獲得清晰穩(wěn)定的心電信號,濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,特別是50Hz的帶阻濾波器尤其重要。帶阻濾波器的電路比較復(fù)雜,特性受外圍組容元件影響較大,因此采用模擬設(shè)計(jì)往往不太容易獲得很好的特性。并且由于使用環(huán)境的差異,例如我國市電是50Hz而許多國家是60Hz,因此導(dǎo)致產(chǎn)品的通用性差。如果能夠采用數(shù)字濾波器,不僅穩(wěn)定性的問題可以迎刃而解,并且對于不同的使用環(huán)境只需要對軟件進(jìn)行修改就可以了,這可以降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和成本,還能夠提高產(chǎn)品的通用性。
MSP430F14X系列單片機(jī),內(nèi)置了16bit乘法器,因此具備了一定的DSP功能,可以用來進(jìn)行數(shù)字濾波等運(yùn)算密集型的應(yīng)用。我們利用MSP430F147設(shè)計(jì)了一種單導(dǎo)聯(lián)的心電放大器,取得了很好的效果。
這種ECG放大器的前極放大電路跟前面所述的三導(dǎo)聯(lián)放大器電路類似,都由緩沖器,電阻網(wǎng)絡(luò),差分放大以及主放大級等。兩級放大均采用低通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了低通濾波,截止頻率選擇在80Hz。不同的是,這個電路中省去了50Hz帶阻濾波器,這使得電路中組容元件的數(shù)量減少了40%,并且獲得了模擬濾波器所無法比擬的優(yōu)良特性。
該電路中ADC采樣頻率為200Hz。采用四階切比雪夫?yàn)V波器,通帶選擇在45-55Hz之間,可以得到傳遞函數(shù)為:
對應(yīng)差分方程為:
上述傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性如下圖所示:
由于MSP430F147只能進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算,所以在處理上述查分方程時,必須將其變換為整數(shù)運(yùn)算。將各部分系數(shù)均乘以4096,取整數(shù)部分,運(yùn)算得到的結(jié)果再采用右位移12位的方法得到最終結(jié)果,運(yùn)算代碼如下:
y[k] = (3318*x[k] + 6636*x[k-2] + 3318*x[k-4]
6913*y[k-2] – 3049*y[k-4])>>12
其中的乘法運(yùn)算要采用MSP430的硬件乘法器來實(shí)現(xiàn)才能保證運(yùn)算速度。
在系統(tǒng)時鐘為8MHz,采樣頻率為200Hz條件下,該數(shù)字濾波器所得到的結(jié)果如下:
圖四 數(shù)字濾波器的性能
圖四中下半部分是人為加入強(qiáng)烈的50Hz干擾后的心電圖。上半部分是經(jīng)過MSP430F147進(jìn)行數(shù)字濾波后的心電圖,可以看出,濾波的效果非常理想,完全可以達(dá)到臨床實(shí)用的要求。圖5是處理前和處理后的頻譜,可以看出,信號在50Hz的地方被很好地抑止了。
唯一讓人覺得美中不足的是,MSP430F147的處理能力只能夠?qū)崟r處理單導(dǎo)聯(lián)的ECG信號,對于多導(dǎo)聯(lián)的運(yùn)算能力則顯得不足。對于多導(dǎo)聯(lián)應(yīng)用,需要考慮采用DSP進(jìn)行處理。
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