精确的心电图(ECG)信号处理解决方案

心电图(ECG)用于捕获一段时间内心脏的反应。通过将外部电极连接到皮肤并将其转换为电信号来收集它。心脏外部形成的每个细胞膜都有一个相关的电荷,该电荷在每次心跳期间都会去极化。它以微小的电信号形式出现在皮肤上,可以通过心电图检测到并放大显示。

早在1900年,威廉·埃因托芬(Willem Einthoven)发明了第一套实用的心电图。该系统麻烦,并且需要很多人来操纵它。病人需要​​将他的手臂和腿放入含有电解质的大电极中。当今的ECG监测设备结构紧凑且易于携带,因此患者在行走时也可以随身携带。家用十二导联心电图可以放在口袋中携带。

基本心电图:

本文中ECG的术语“铅”是指两个电极之间的电压差。这是设备记录的差异。例如,“ Lead_I”是左臂和右臂电极之间的电压。 Lead_I和Lead_II均指肢体引线。 V1-V6是指胸前导联。 ECG跟踪V1是Vc1电压(胸电极的电压)与Lead_I,Lead_II和Lead_III的平均电压之间的差。一个标准的十二导联心电图系统包括八个实际值和四个派生值。表1概述了各种引线电压(实际和派生电压)。

姓氏计算注释

这是真实的线索,显示在ECG跟踪中。

表1:销售线索名称和ECG记录位置。

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典型的ECG波形如图1所示。X轴表示时间标度。在此,每个栅格(5毫米)对应20毫秒。 Y轴显示捕获信号的幅度。 Y轴上的每个栅格(5毫米)对应0. 5毫伏。 (10mm / mV和25mm / sec)

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图1:典型的ECG波形。

心电图的特征

设计心电图系统的第一步包括了解需要获取的信号类型。 ECG信号包括以高偏置和噪声存在的低振幅电压。图2显示了ECG信号的特性。由于电极产生的半电池电压,系统中存在高偏移。 Ag / AgCl(氯化银)是ECG系统中最常见的电极,其最大失调电压为+/- 300mV。实际的预期信号是+ /-0. 5mV叠加在电极偏移上。此外,系统还将关闭来自电源线的50 / 60Hz噪声快乐飞艇 ,以形成共模信号。电力线噪声的幅度可能非常大,需要对其进行过滤。

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图2:要获得的ECG信号的特征。

ECG收集

模拟前端处理是ECG系统的重要组成部分,因为它需要区分噪声和预期信号(小幅度)。模拟前端处理电路包括一个测量放大器,用于在正常模式下减小信号。测量放大器的工作电压为+/- 5V,通常用于增加输入电压范围。此测量放大器应具有高输入阻抗,因为皮肤的阻抗可能非常大。需要运算放大器作为心电图设备的信号处理。 ECG采集系统的信号链包括一个测量放大器,一个滤波器(可以由一个运算放大器实现)和一个ADC。

信号处理是一个巨大的挑战亚搏网页登陆 ,因为实际信号为0. 5mV,处于300mV偏移的环境中。其他因素ecg信号处理,例如交流电源干扰,来自手术设备的射频干扰,诸如起搏器之类的外科植入设备和生理监测系统也会影响准确性。心电图中的主要噪声来源是

基线漂移(低频噪声)

电源线干扰(电源线产生50 Hz或60 Hz噪声)

肌肉噪声(这种噪声很难消除,因为它是同一区域中的实际信号。通常在软件中对其进行纠正。)

其他干扰(例如,来自其他设备的射频噪声)

共模噪声消除

干扰通常表现为通过差分放大器两端的共模噪声。可以通过以下方法消除此噪声:

尽可能地隔离前端接地电路和数字系统。高效的系统级设计是全面抑制噪声的关键。

使用具有高共模抑制比(大于100dB)的测量放大器吗?

使用反向共模信号驱动患者的身体。 Lead_I,Lead_II和Lead_III平均值的反向信号驱动患者的右腿。适当减少共模噪声到系统中的耦合。

使用金属屏蔽设备防止高频射频(RF)耦合到系统中。

使用屏蔽电缆收集由共模电压驱动的ECG信号,可以减少噪声耦合。

除上述方法外,还有许多软件算法可以消除信号采集后的噪声。

前端设计的目的是减少噪声耦合到系统中。

删除基线漂移:

基线漂移是ECG系统中存在的一种低频噪声。这是由电极的偏置电压,呼吸和身体运动引起的。分析ECG波形时可能会引起问题。偏置还限制了可从测量放大器获得的最大增益。增益较高时,信号可能会饱和。可以通过以下方式消除这种噪声:

使用硬件来实现高通滤波。截止频率应确保清除基线漂移后,ECG不会失真。典型的截止频率值为0. 05Hz。由于截止频率非常低,因此该方法需要一个大电容器。在这种方法中,增益是分两个阶段实现的,因为自偏置可以使测量放大器的输出饱和。两级滤波器也使系统更加复杂。该系统需要一个低分辨率ADC,通常具有8至16位的分辨率。图3显示了高通滤波器的硬件实现的信号链流程。

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图3:使用硬件高通滤波器实现的ECG信号链。

高通滤波的软件实现:ECG的规范之一是输入噪声应小于30uV(整个系统的带宽为150Hz)。对于这种方法,我们使用高精度的模数转换电路和由测量放大器实现的一阶增益。这种方法更适用,因为低噪声放大器和高分辨率ADC现在非常便宜。在此应用中,不使用基于硬件的高通滤波,但是数字区域具有基线漂移。在数字区域中进行过滤更便宜且更容易实现。例如,赛普拉斯的PSoC3 / 5及其20位ADC和离散滤波器模块可以实现这种结构。

当微控制器也集成到系统中时,系统的总成本将降低。图4显示了系统中没有硬件高通滤波器的信号链流程。在这种情况下,数字滤波器模块可以有效地过滤ADC收集的信号。从图中可以看出,前端的复杂性大大降低了。

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图4:没有硬件高通滤波器的ECG信号链的实现。

消除高频噪声:

根据IEC规范,ECG的带宽要求为0. 5Hz至150Hz。但是,ECG设备具有检测起搏器的方法。有两种类型的起搏器检测,可以通过专门用于执行此任务的硬件或软件来进行。如果必须通过软件实现检测,则ADC的采样率必须为3-4KSps。基于软件的起搏器的优势在于,只需对固件进行少量改动即可使ECG设备适应不同类型的起搏器。大部分高频噪声可以在ADC采样之前被滤除。该设备可以屏蔽高频辐射噪声耦合。 ADC采样数据后,便会实现具有预期截止频率的数字FIR滤波器。这样可以消除ECG电路的高频噪声。

电源线噪声消除

电源线噪声的幅度非常大,无论在数字区域中如何谨慎处理共模噪声,都会将其耦合到系统中。通过在数字区域中添加50 / 60Hz的陷波滤波器来消除电源线噪声。

基于固件的噪声校正

许多现有的软件算法可以在数字化后帮助过滤心电图。这些算法通常在高端设备中使用,并且通常由制造商拥有。该微控制器需要具有足够的能力来实现这些复杂的算法。

滤波器的传递函数用于ECG采样,如图6所示。这可以在数字区域实现。注意过滤器顺序的选择。该阶数应足够高以具有陡峭的衰减,但又不能太高以防止产生振铃效应。借助灵活的数字滤波器模块,微控制器可以实现ECG系统所需的频率响应。高速模拟多路复用器可以从多个通道收集数据,并且需要一个高输入阻抗测量放大器来放大微控制器外部的信号。还集成了20位高精度ADC和通用功率放大器,可以进一步减少ECG设备的设计组件。

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图6:用于配置所需过滤器类型的用户界面。

可以使用芯片制造商提供的工具(例如PSoC Creator)简化滤波器的设计。如上图所示ecg信号处理,可以使用下拉菜单以图形方式配置过滤器以选择过滤器参数。图6显示了典型ECG系统的传递函数。采样率为每秒500次。使用两级滤波器来实现60 Hz的陷波。信号的带宽范围为0. 05Hz至150Hz。两个滤波器的一阶均为35。用于实现此目的的滤波器模块具有两个滤波器通道,每个通道都是最大的四阶滤波器。这可以实现复杂的滤波器,而无需手动计算滤波器系数。它还可以以图形方式显示各种参数,例如相位响应,脉冲响应,阶跃响应等。使用特殊的过滤器块模型可以快速设计过滤器以适应特殊的应用。

由于手持式ECG设备的工作电压下降,信号处理已成为一项重要的挑战。通过集成硬件和软件,可以在数模混合信号控制器中实现完整的模拟前端处理,从而可以提高系统精度并降低总体功耗。这样,开发人员可以将所有功能压缩到具有增强模拟功能的SoC平台上幸运快3 ,从而在很大程度上降低系统成本。

随着医疗保健已成为预防手段,心电图设备已成为诊断过程中的重要组成部分。先进的通信技术和低功耗电路设计使其变得更好,更安全。便携式ECG设备可以低功耗工作极速快车 ,并且精度更高,并且已经具有最新的诊断功能。

老王
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