ecg 幅度_心电图(ECG或EKG)设计原理及实例应用

心电图（ECG或EKG）用于显示随时间演变的心肌电信号，并将测量结果以图形形式呈现。其应用领域从简单的心率监测扩展至复杂的心脏病诊断。在各种应用中，ECG的工作原理相同；然而，在设计细节及对电子元件的要求上存在显著差异——价格从低于200美元的手持设备发展至超过5,000美元的台式设备（大小与传真机相当）。在某些应用场景中，则直接将ECG集成到其他医疗设备中——例如病人监护仪、自动体外除颤器（AED）等装置（见图1）。

图1 病人监护仪所显示的ECG和血氧读数

所有ECG都通过安装在身体特定部位的导出 electrode（导出电极）来采集心脏电信号。人体产生的心电信号幅度通常在几毫伏左右。通过安装在身体特定位置的不同导出 electrode（导出电极），我们可以从多个角度观察和记录心脏电信号的变化情况。每个测量点都可作为一个独立的输出通道显示和记录心脏电信号的变化情况。每个输出通道代表两个相邻 electric lead（相邻导线）之间的差分电压或者某个 electric lead 与多个 adjacent electric lead 的平均电压差值差异。由于不同组合的数量可能超过单个 electric lead 的数量（数量通常为12），因此我们将其称为 'lead' 或 'channel'（通路/信道）。一个12-lead ECG系统具有12个独立的 output channels. 根据具体应用需求，在1到12之间可以选择所需的 number of leads (通路数量)进行配置设置。需要注意的是，在电路设计中将连接到心脏或其他组织上的 wire 也被称为 'lead' 或 'channel'（通路/信道）。因此，在实际应用中必须谨慎选择所使用的 'lead' 数量以避免混淆问题

除了采集到的生物信号外,大多数ECG装置还会检测到两个模拟的人工信号,其中植入式心脏起搏器(并以'起搏'信号作为重要参考)是其中最为关键的一类。这种'起搏'信号持续时间非常短暂,通常在数十微秒至几毫秒之间波动,其幅值则从几毫伏增长至接近1伏特。为了防止干扰其他心电信号,'ECG系统必须实时监测是否存在显著的起搏信号'。另一种辅助人工信号主要用于判断电极接触是否正常('导联脱落')。在多数情况下,当电极接触不良时,ECG装置会自动触发警报指示来提醒操作者采取相应措施。为此,设备内设置了阻抗测量电路用于评估电极与受试者之间的接触状况,从而确保心电信号不受影响地被准确采集。此外,某些高端设备还可以基于阻抗值的变化来分析呼吸频率参数,这一功能有助于及时发现潜在的异常情况并采取干预措施。在整个测试过程中,系统应持续监测导联状态的变化情况,并避免在采样过程中出现任何干扰因素的影响

图2呈现为ECG系统的整体功能框图。

图2 ECG总体功能框图

导联数(导数)

最显著的特性之一是导联数，有些ECG只有一个导联，有些则多达12个导联。最常用的12导联ECG需要10个电极，其中9个用来采集电信号，第10个电极连接在右腿(RL)上，由ECG电路驱动，以降低共模电压。9个输入电极分别是左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)各一个电极，前心(胸)区域6个电极(V1-V6)。每个导联或心电视图都代表某一电极与另一电极或一组电极之间的电压差，如果将电极编组，则取电压平均值。对RA、LA和LL三个电极引出的6导联取平均，作为差分对的一边，V1～V6分别作为6个差分对的另一边。有3个导联源于RA、LA，LL各自与其他两个电极的均值之差。其余3个导联是把RA、LA和LL作为独立的差分对进行测量的结果。基于RA、LA和LL的6个导联包含类似信息，只是通过不同方法显示。因为信息是冗余的，所以不需要测量所有6个导联，有些通道数据可以利用DSP对其他通道数据分析计算得到。

此处介绍了最常见的12导电联系统，并说明其并非唯一方案；此外, 12导电联ECG还可以被用作5/3/1等其他系统的组成部分；特别地, 在需要多个导联的情况下, 必须配备开关阵列与平均电路

模拟前端(AFE)

AFE的核心功能在于将心电信号转换为数字形式。为了有效抑制RF信号源、起搏信号、导联脱落检测信号、工频共模信号等强干扰以及人体产生的其他肌体信号和电子噪声的干扰，在整个处理过程中会面临巨大的挑战。此外，在直流失调电压数百毫伏的基础上叠加了毫伏级的心电信号，并伴有通道间的共模电压。ECG的有效工作频率范围在一定程度上取决于具体应用场景，并通常在0.05 Hz至100 Hz之间运行。

AFE的第二个功能具备检测起搏信号、导联脱落、呼吸频率及患者阻抗的能力，并能在多个通道上进行的同时或几乎同时完成检测工作。然而，在发生心脏除颤时，在多数ECG设备中需要快速恢复；不过，在这种情况下（由于心脏除颤会导致前端电路和充电电容饱和），这些容性耦合电路将导致恢复时间有所延长。

AFE架构

AFE架构对系统性能具有显著影响，在介绍增强型架构时指出其特点：采用高精度模数转换器（ADC）能在较宽广频范围内保证信号质量，并通过数字电路实现RL驱动功能以避免电容耦合干扰；此外还强调了数字化信号可辅助分析起搏数据以减少误触事件发生概率，并能检测潜在问题；相比之下这种高级架构虽具备强大功能但也面临高昂元器件成本及耗电量大的挑战而简化型AFE则在价格电池寿命等方面更具优势

增强型AFE和DSP AFE系统必须具备高性能ADC（如图3所示）以满足ECG测试的要求，并且能够同时采集并量化9个电极信号，在200 kS/s的采样率下实现无噪声精度达到20位的理想性能。随后通过数字信号处理器(DSP)对每个导联的电信号进行处理：首先分离起搏信号、导联脱落信号以及呼吸相关信号；其次去除干扰频率下的信号成分；最后评估数字到模拟转换器(DAC)驱动RL电极所需的驱动物性强度水平。该系统架构要求各通道ADC模块之间高度一致，并且采用缓冲电路保护ADC采样电容端口与高阻抗电极之间的连接以避免干扰。虽然该方案达到了测量指标的要求但其成本效益仍需进一步优化以适应大多数应用场景的需求

简化型AFE：低端AEF系列的特性是单通道、消费类ECG。这些设备的AFE采用电容耦合电路，将输入信号耦合到一个低通差分放大器，再馈送给10位、120 S/s采样率的ADC。电容耦合电路可以去掉输入的直流失调，低通滤波器滤除起搏信号。这些设备通常采用电池供电，且只有一个通道，因此没有共模电压。典型的ECG设备AFE：大多数ECG设备采用的电路介于上述两者之间。仪表放大器(IA)常用来抑制共模电压，消除诸如工频干扰的共模噪声，并为ADC的采样电容提供缓冲，后续滤波器可以滤除起搏信号和脱落检测信号，然后送到ADC进行采样、数字转换。某些情形下，心电信号和直流失调会通过一个高精度ADC直接进行数字转换。其他情形下，则会采用高通滤波器或DAC去除直流失调，从而可以使用典型的12位精度ADC，对放大后的心电信号进行采样、数字转换，如图4所示。每个通道可以配备一个ADC，也可以多个通道共用一个ADC进行数字转换。ADC复用则在通道间引起微小的时间偏差，其接受程度取决于具体应用。如果需要检测起搏信号，则可用高通滤波器提取，然后放大，再用比较器电路进行放大和检测。

ECG设备类型遥测型ECG

在流动患者临床环境下的连续监测应用中，遥测型ECG系统主要由安装于患者端并配备无线(RF)收发器的电子心电图（ECG）装置以及位于中心站的采集与分析平台组成；通过无线通信接收、采集和分析患者的监测数据。其中一些遥测系统不仅提供常规的数据采集功能还会额外收集如血氧值等参数；这些参数不仅用于评估治疗效果或优化治疗方案还能及时预警可能发生的不良情况。

许多遥测装置配置仅包含5个导联，在配备12个导联时则无法有效应对病员的流动性和多变性

霍尔特(Holter)监护仪

纽曼·霍尔特博士开发了一款便携式电子监测设备——移动监护仪——用于对生理信号进行采集并实时传输至远程服务器进行数据分析。相较于传统的遥测装置，在此方案中无需集中监控平台即可灵活部署于家庭环境、户外活动以及任何其它应用场景中。针对Holtzer ECG监测系统而言，在实际应用中由于多端导联配置导致携带不便，并非必须配备全部12个可选导联点；通常配备不超过5个可选导联点即可满足日常需求。常用U盘或存储卡完成数据备份过程；当涉及药物疗效评估的研究中，则采用特殊的长期运行模式下的一体化设计；这种设计不仅能够持续提供稳定的信号采集能力（约1-2天），更能支撑在特定研究项目中的长期运行时间可达数月之久）。该类ECG监测设备的设计重点主要集中在低功耗、高灵敏度以及紧凑的小型化结构上

消费类ECG

这类经济型心电图仪便于安装在手臂上,普通家庭均可方便地自行完成心电图测试。这些装置不仅存储数据供参考使用,还可在内置显示屏上直观呈现结果。相关数据可实时传输至计算机终端或康复机构。部分设备可连接多个导联电极以获取更全面的心电信息;也有一些仅配置了双通道设计以减少体积和成本。通过将双手中指放置于导联片上或直接压迫胸腔部位可实现有效的信号采集。即使所得心电图图像质量稍逊一筹,在此情况下仍能辅助判断病情发展及及时采取治疗措施。从设计角度来看,这类消费级产品主要兼顾性价比与便携性需求。

自动体外除颤器(AED)

为应对公共场所发生的突发事件，在如大型购物中心、健身房及办公室等地方通常会安装配备有AED的设备。当出现心脏病发作时，则可以通过这些设备立即采取措施。AED通过施加一个高能量的电脉冲来刺激心脏，并且能够使心脏起复，并使其恢复正常速率。若操作不当，则可能导致严重的后果。因此要求ECG具备足够的防护能力。此外,AED仅配置有一个导联, 在既作为刺激源又作为信号采集器发挥作用, 见图5所示

当需要用AED时，请先开机并执行一系列自我检测程序以确认其功能正常；然后短暂运行一段时间观察其工作状态；在此期间请收集所有心电数据及除颤信息以便后续分析；值得注意的是尽管存在一定的风险但系统的可靠性与自诊断能力仍是设计首要考虑的因素；

诊断型ECG

医疗场景中的ECG装置在医院及医生办公室部署使用

病人监护仪

患者监护仪主要用于监测生命体征如脉搏、呼吸频率等以及血压和体温等数值，并提供心电图(ECG)功能的同时还可以检测血氧饱和度及二氧化碳浓度等参数。将这些功能集成到一台设备中不仅能让手术室更加整洁而且使用起来也会更加便捷患者监护仪的辅助 electrode（AFE）具有类似诊断型心电图(ECG)的功能但在手术过程中必须满足射频(RF)抑制的要求因为此时会受到手术器械如电刀以及氩离子凝固术(APC)装置所产生的高强度射频干扰此外从心脏除颤操作中快速恢复也是这类辅助 electrode 的基本需求由于患者监护仪采用交流供电并在工作中配备备用电池因此功耗也是一个关键考量外壳部分需具备防溅水功能且便于清洁这对散热性能提出了更高要求除了上述两点以外设计这类医疗设备的核心技术还在于其射频抑制性能与低噪声水平

患者监护仪主要用于监测生命体征如脉搏、呼吸频率等以及血压和体温等数值，并提供心电图(ECG)功能的同时还可以检测血氧饱和度及二氧化碳浓度等参数