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人體心肌產生的電信號傳導到體表之后，由于在體表分布的不同而產生電位差，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聯數分有單導聯，三導聯，五導聯以及十二導聯等等；按照精度分常用的有8位和12 位精度等等。單導聯，精度低的心電圖常用于進行心電監控以及心率測量。12位高精度的心電圖由于可以反映出心電的細微變化，被更加廣泛地應用于臨床診斷、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，并且人體的內阻比較大，因此一個高阻抗、高增益的放大器是準確獲取心電信號的關鍵。而周圍環境中充滿了各種各樣的電磁干擾，會嚴重影響微弱的ECG信號，而其中最為嚴重的是市電電源的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計所必須考慮的問題。此外，進行高精度的AD轉換也是關鍵的步驟，特別是對于12bit的ECG放大器。在一些便攜式應用中，功耗也是需要考慮的因素。

 

TI公司生產的MSP430F13X、MSP430F14X系列微功耗混和信號單片機，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，因此非常適合于ECG放大器一類的應用。MSP430F14X系列單片機由于具有硬件乘法器，因此具備一定的 DSP功能，可以ECG信號進行濾波等預處理。

 

下圖是三導聯ECG放大器的框圖：

ECG放大器通常由緩沖級、匹配電阻網絡、放大、濾波、電平位移以及模數轉換等幾級構成。

 

電極采集到的心電信號首先進入緩沖級。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絡中得到幅值較高的信號。匹配電阻網絡通常采用威爾遜電中心端網絡，它通過特定的電阻網絡獲得威爾遜電中心端作為整個ECG系統的參考點。

 

放大級通常包括一級用AD620等儀表放大器構成的初級差分放大和TL084等通用運放構成的主放大級。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行直流隔離。第二級采用同相放大電路，增益可以高達100倍，這樣整個電路放大倍數可以達到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行濾波。噪聲來源主要有兩類，一類是各種電子設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，少數情況下會用到更高的頻率。低通濾波和放大可在同一級運放中實現。帶阻濾波器對最終信號的質量尤為重要，由于帶阻濾波器的特性參數對元器件的精度很敏感，因此在這一級的設計中需要用到精密的阻容原件，還常常需要多級級聯來獲得較好的效果。

 

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。而進入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。

 

經過放大、濾波、位移之后的信號輸入MSP430F133的A0-A2端進行數模轉換。轉換采用MSP430的順序轉換模式，采樣頻率可以用時鐘中斷來進行控制。若需要100Hz的有用信號，則應選擇采樣率為200Hz。

 

下圖是實際測量得到的心電圖信號：

 

 

從上圖可以看出，心電信號清晰穩定，完全可以滿足臨床監護以及病理分析的要求。

 

在上述電路中，想要獲得清晰穩定的心電信號，濾波器的設計很關鍵，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雜，特性受外圍組容元件影響較大，因此采用模擬設計往往不太容易獲得很好的特性。并且由于使用環境的差異，例如我國市電是50Hz而許多國家是60Hz，因此導致產品的通用性差。如果能夠采用數字濾波器，不僅穩定性的問題可以迎刃而解，并且對于不同的使用環境只需要對軟件進行修改就可以了，這可以降低硬件設計復雜程度和成本，還能夠提高產品的通用性。

 

MSP430F14X系列單片機，內置了16bit乘法器，因此具備了一定的DSP功能，可以用來進行數字濾波等運算密集型的應用。我們利用MSP430F147設計了一種單導聯的心電放大器，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聯放大器電路類似，都由緩沖器，電阻網絡，差分放大以及主放大級等。兩級放大均采用低通網絡進行了低通濾波，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量減少了40％，并且獲得了模擬濾波器所無法比擬的優良特性。

該電路中ADC采樣頻率為200Hz。采用四階切比雪夫濾波器，通帶選擇在45-55Hz之間，可以得到傳遞函數為：

 

對應差分方程為：

 

上述傳遞函數的幅頻和相頻特性如下圖所示：

 

 

由于MSP430F147只能進行定點運算，所以在處理上述查分方程時，必須將其變換為整數運算。將各部分系數均乘以4096，取整數部分，運算得到的結果再采用右位移12位的方法得到最終結果，運算代碼如下：

 

y[k] = (3318*x[k] + 6636*x[k-2] + 3318*x[k-4]

 

6913*y[k-2] – 3049*y[k-4])>>12

 

其中的乘法運算要采用MSP430的硬件乘法器來實現才能保證運算速度。

 

在系統時鐘為8MHz，采樣頻率為200Hz條件下，該數字濾波器所得到的結果如下：

 

圖四 數字濾波器的性能

 

 

圖四中下半部分是人為加入強烈的50Hz干擾后的心電圖。上半部分是經過MSP430F147進行數字濾波后的心電圖，可以看出，濾波的效果非常理想，完全可以達到臨床實用的要求。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的處理能力只能夠實時處理單導聯的ECG信號，對于多導聯的運算能力則顯得不足。對于多導聯應用，需要考慮采用DSP進行處理。