准确心电图（ECG）信号处理

心电图(ECG)是用来捕捉心脏在一段时刻内状况的反映，它经过外部电极连接到皮肤转化成电信号来收集。心脏外面构成的每个细胞膜都有一个相关电荷，它在每次心跳期间去极化。它以细小电信号的办法呈现在皮肤上，能够经过心电图勘探到并扩大显现。

早在1900年Willem Einthoven就发明晰第一台有用的心电图。该体系很粗笨，需求许多人去操作它。患者需求把他的臂膀和腿放到含有电解液的大型电极中。今日的心电监护设备结构紧凑，携带方便，这样患者走动时也能够带着。家用十二导联心电图能够装在口袋里。

文中这个关于心电图的术语“导联（lead）”，指的是两个电极间的电压差，这便是设备记载下来的差异。例如，“Lead_I”是左臂和右臂电极之间的电压。Lead_I和Lead_II都指的是肢体导联。V1-V6指的是胸部导联。心电图追寻V1便是Vc1电压(胸部电极的电压)，和Lead_I，Lead_II ，Lead_ III的均匀电压之间的不同。一个规范的十二导联心电图体系包含八个实在数值和四个派生值。表1给出了各种导联电压（实在的和派生的）的简介。

表1：导联称号及心电图记载方位。

一个典型的心电图波形如图1所示。X轴表明时刻刻度。在这里每格(5毫米)对应的是20毫秒。Y轴显现的是捕获信号的振幅。Y轴上每格(5毫米)对应的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

图1：典型的心电图波形。

心电图体系规划的第一步包含，了解需求获取的信号品种。心电图信号包含存在于高偏置和噪声的低振幅电压。图2显现了心电图信号的特色。体系里存在高偏移，由于电极发生的半个细胞电压。Ag/AgCl (银-银氯化物)是心电图体系里最常见的电极，它的最大偏移电压为+ / -300mV。实践希望的信号为+ / -0.5mV叠加在了电极偏移上。此外，体系还会合上来自电源线的50/60Hz噪声，构成一起形式的信号。电力线噪声的起伏有或许非常大，需求对其进行滤波。

图2：要取得的心电图信号特色。

模仿前端处理是心电图体系的重要组成部分，由于它需求区别噪声和希望信号（振幅很小）。模仿前端处理电路包含一个丈量扩大器，然后下降一般形式的信号。丈量扩大器作业在+ / -5V，一般是用来加大的输入电压规模。这个丈量扩大器应具有高输入阻抗，由于皮肤的阻抗或许是非常大的。需求运算扩大器来作为心电图设备的信号处理。心电图收集体系的信号链包含丈量扩大器、滤波器（可经过运放完成）和ADC。

信号处理是一项巨大的应战，由于实践的信号为0.5mV，它处在一个300mV偏移量的环境里。其他要素如交流电源搅扰，外科设备的射频搅扰，手术植入的设备如起搏器和生理监测体系也会影响精度。心电图里噪声的首要来历是

搅扰一般表现为经过差分扩大器两头的共模噪声。这种噪声能够经过以下办法去除：

前端规划的意图是减小噪声耦合到体系中。

基线漂移是一种存在于心电图体系的低频噪声。这是由于电极、呼吸和身体运动的偏置电压形成的。这或许会在剖析心电图波形时形成问题。偏置也约束了可从丈量扩大器取得的最大增益。在较高增益下，信号或许饱满。这种噪声能够经过以下办法去除：

运用硬件完成高通滤波。截止频率应该是这样的，当基线漂移铲除后心电图是未失真的。典型的截止频率值是0.05Hz。已然截止频率很低，这种办法需求大%&&&&&%。在该办法中，增益要用两个阶段完成，由于自偏置能够在丈量扩大器输出饱满。两级滤波器也使得体系更为杂乱。该体系需求一个低分辨率的ADC，一般有8到16位的分辨率。图3显现了硬件完成高通滤波器的信号链流程。

图3： 运用硬件高通滤波器完成的心电图信号链。

软件完成高通滤波：心电图的标准之一是输入噪声应小于30uV（整个体系为150Hz带宽）。关于这种办法，咱们运用一个高精度模数转化电路和一个丈量扩大器完成的一阶增益。这种办法更适用，由于低噪声扩大器和高分辨率ADC现在价格很低。这种运用中，没有用到依据硬件的高通滤波，仅仅数字区域有基线漂移。在数字区域滤波更廉价，并易于完成。例如，赛普拉斯的PSoC3/5和它的20位 ADC和离散滤波器模块能够完成这样的结构。

当微控制器也集成到体系中时，体系的总本钱会下降。图4显现了体系内无硬件高通滤波器的信号链流程。在这种状况下，数字滤波模块能够完成有用过滤ADC收集到的信号。从图中能够看出，前端的杂乱性显着下降。

图4：无硬件高通滤波器的心电图信号链完成。

依据IEC标准，心电图的带宽要求从0.5Hz到150Hz。但是心电图设备有办法来检测起搏器。起搏器勘探能够有两种，既能够经过硬件又能够用软件专门来做这项使命。假如检测必须在软件中完成， ADC的采样率必须在3-4KSps。依据软件的起搏器优势是，只需求固件做很小的改变就能够使心电图设备习惯不同类型的起搏器。大部分的高频噪声能够在ADC采样之前过滤。这种设备能够屏蔽高频辐射噪声耦合。一旦数据被ADC采样，一个有预期截止频率的数字FIR滤波器就完成了。这将消除心电图线路的高频噪声。

电力线路噪声的振幅是非常大的，而且不论在数字区域对共模噪声处理得多么当心，它都会耦合进体系里。电力线路噪声经过在数字区域的50/60Hz加陷波滤波器去除。

许多现有软件算法都能够协助心电图数字化后滤波。这些算法常用在高端设备中，一般由厂商一切。微控制器需求有满足的容量来完成这些杂乱的算法。

滤波器的传递函数用于心电图取样，如图6所示。这能够在数字区域完成。要注意过滤器阶数的挑选。阶数应该满足高，能有很陡的衰减，而又不能太高，避免呈现响铃作用。具有一个灵敏的数字滤波模块，微控制器就能够能够完成心电图体系所需求的频率呼应。高速模仿多路复用器能够收集多个通道数据，需求在微控制器外部运用一个高输入阻抗的丈量扩大器来扩大信号。20位高精度ADC及通用功放也集成了进来，能够进一步下降心电图设备规划组件。

图6：装备所需过滤器类型的用户界面。

滤波器的规划能够经过运用芯片制造商所供给的东西进行简化，例如PSoC Creator。如上图所示，滤波器能够运用下拉菜单进行图形装备，然后选定滤波器参数。图6显现了一个典型心电图体系的传递函数。采样率为500 /每秒。运用两级滤波器，在60 Hz完成陷波。信号的带宽从0.05Hz 到150Hz。这两个过滤器都有35的一阶。用于完成这个的滤波模块有两个滤波通道，每一个都为最大四阶滤波。这能够完成杂乱的滤波器而无需手艺核算滤波系数。它也能够图形化显现各种参数，如相位呼应、脉冲呼应、阶跃呼应等等。运用专用滤块模能够快速规划滤波器习惯专门的运用。

自从手持心电图设备作业电压下降后，信号处理就成为一个重要的应战。经过集成硬件和软件在一颗数模混合信号控制器里就能够完成一个完好的模仿前端处理，能够进步体系精度并削减全体功率耗费。经过这种办法，开发人员经过把一切功用都压缩到一个增强模仿功用的SoC平台上，能够很大程度的削减体系本钱。

跟着卫生保健现已变为预防性的，心电图设备正成为确诊进程的一个重要部分。先进的通讯技能和低功率电路规划使得其开展得更好、更安全，便携性心电图设备能够低功耗作业，愈加准确，而且现已具有了最新确诊才能。