［陈沉　陆奕帆　简超峰］



个人健康系统心电数据采集设计

［陈沉陆奕帆简超峰］

摘要随着我国人口结构和疾病模式的改变，传统疾病治疗模式已经不能满足人们的医疗需求，提出建立以预防保健治疗为核心的个人健康系统。为满足个人健康系统对心电生理数据的有效监测，提出以前置放大电路、右腿驱动电路、带通滤波电路、主放大电路、电平抬升电路和A/D模数转换相结合的心电数据采集方案，滤除心电信号中的共模电压、50Hz工频干扰和噪声信号等的干扰，获取较为纯净、真实、有效地心电数据。

关键词：医疗 个人健康系统 心血管 心电采集

陈沉

重庆邮电大学，信号与信息处理重庆市重点实验室。

陆奕帆

重庆邮电大学，信号与信息处理重庆市重点实验室。

简超峰

重庆邮电大学，信号与信息处理重庆市重点实验室。

引言

医疗服务作为国家公共服务的重要组成部分，是社会经济文化可持续发展的重要基础，个人健康问题已经成为社会关注的焦点。伴随社会经济文化的不断提高，大众的生活方式发生巨大转变，对我国人口结构、疾病模式也产生了深远影响。自20世纪90年代以来，我国老年化进程不断加快，65岁及以上老人从1990年的6299万上升到2000年的8811万，占人口比例的6.96%，预计到2040年，老年人口占总人口的比例将会超过20%；［1］主要的疾病模式已从传染病和缺乏营养转变为慢性非传染病为主，慢性病的高发人群已经不局限在老年人群中，也渐渐出现低龄化的趋势，越来越多的年轻人也被慢性病所困扰，给个人、家庭和社会带来了巨大的经济负担。［2］

由国家心血管病中心、中国心血管报告编写组于2015年8月发布的《中国心血管报告2014》显示，中国心血管患病率和死亡率持续上升，已经成为我国居民首位死因，构成居民疾病死亡的40%以上，因此心血管疾病便成为我国最为危险的慢性疾病。［3］我国针对心血管或心脏病多采用传统的病发治疗模式，往往一旦病发便会有致命的危险，所以要建立预防保健为主的个人健康系统治疗模式，在早期阶段发现疾病，降低群众患病率，为大众减轻不必要的医疗负担。

1　个人健康系统概念

个人健康系统是以患者数据为中心，融合无线通信、传感器、云计算与大数据处理等技术，围绕“感、知、行”的医疗模式，旨在打造一个远程智能的疾病预防与护理系统。“感”就是以现代信息技术为基础，利用多种传感器实时监测各种生理体征数据，通过无线智能终端传送到医疗数据服务中心，实现长期、精确、便捷、及时、无创的人体常规生理数据的采集。“知”即是运用远程医疗和大数据存储处理服务平台，应用数据挖掘和病理发现理论对个人的医疗历史建模分析，同时结合专业医护人员专业护理诊断，达到可靠、尽早、快速、高效的发现疾病隐患和预测健康风险。

2　心电数据采集实现

个人健康系统由传感器感知层、智能终端控制层和云计算服务层组成，传感器感知层负责采集人体生理信息，并对采集数据进行处理。随着个人健康系统建设的不断推进和完善，鉴于我国心血管疾病的严重性，对心电生理数据的采集和监测已经成为个人健康系统重点研究方向。

2.1心电数据采集方案

由于人体生理活动处于一个不断变化的过程中，人体产生的生理电信号相对比较复杂，具有信号幅值小、干扰噪声大、频率较低、随机性大的特点。［4］而心脏作为人体最为重要的器官，为了获取精准的人体心电数据信息，不仅需要克服人体一般生理信号提取的困难，还需要解决在记录ECG过程中受到的工频干扰、电极接触噪声、呼吸引起的基线漂移、肌电干扰和电子设备干扰等的影响，因此提出心电数据采集方案，具体如图1心电采集结构框图所示。

根据图1所示，心电采集方案分为心电信号采集前端和心电信号处理后端两部分构成。心电信号采集前端由心电导联电极、右腿驱动电路、前置放大电路、带通滤波电路、主放大电路和电平抬升电路组成，负责体表心电信号的采集和信号预处理；心电信号处理后端由A/D转换器、ARM Cortex-M3处理器和数字信号处理电路组成，经过预处理的心电信号输入到ARM Cortex-M3中进行A/D转换，进行数字信号处理，得到纯净的数字化心电信号。

图1　心电采集结构框图

2.2前置放大电路设计

人体心电信号经由导联电极检测到后，进入前置放大电路，前置放大电路对采集的心电信号进行放大，获取心电信号的差模电压。［5］而在采集人体体表生理电压时，体表的共模电压会伴随差模电压一起被采集，并对有效地差模电压产生干扰，因此前置放大电路应该具有良好的共模抑制比。如图2前置放大电路设计所示。

图2　前置放大电路

如图2中RA、LA代表采集的人体右左两臂电位，RA、LA电信号分别通过电信号射极跟随器U1A和U1B后输入INA118放大器U3，使心电信号放大10倍。为了提高前置放大电路的共模抑制比，降低输入信号的共模电压，将U1A、U1B设计成电压跟随器，使RA、LA端的输入电压与跟随器输出电压保持相对稳定，加大前置放大电路输入阻抗，进而提高电路的共模抑制比，实现具有高共模抑制比的前置放大电路。

2.3右腿驱动电路设计

在心电信号采集过程中，导联电极贴片容易与环境中的电力线、电容等产生共模位移电流，共模位移电流会跟随心电信号进入前置放大电路。为抵消共模位移电流带来的影响，右腿驱动电路用于提取前置放大电路中的共模位移电流，将共模位移电流反馈至人体体表，从而抵消采集过程中产生的共模位移电流带来的影响。［6］如图2.3所示右腿驱动电路。

图3所示，共模位移电流经电压跟随器U2B的5号引脚接入右腿驱动电路，U2B电压跟随器用于稳定输入的共模位移电流，同时U2A与C2、 R4组成浮地驱动电路，将采集到的人体共模信号放大后反馈于人体右腿，使得人体相对于地面为零电位，进而提高电路总体的共模抑制比，降低共模电压，较好地抑制50Hz工频干扰。为了预防人体与地面出现高电压的偶然情况，需要使用大阻值电阻R4，起限流保护的作用，确保整个电路的稳定、有效地运行。

图3　右腿驱动电路

2.4带通滤波电路设计

人体体表的初始心电信号频率主要集中分布在0.03到100Hz之间，最大的心电信号幅值仅为1mV左右，［7］而在0.03～100Hz之外频率的信号皆为噪声信号，极其容易淹没掉有效地心电信号，设计带通滤波电路能够较好的滤除噪声信号，使得0.03～100Hz之外的信号大幅衰减，提高输出信号的信噪比。具体带通滤波电路设计如图4所示。

如图4所示，输入信号从左端接入带通滤波电路，带通滤波电路由一阶有源高通滤波电路和一阶有源低通滤波电路构成。一阶有源高通滤波电路由放大器U4A、R8 和C12组成，用于滤除频率低于0.03Hz的信号，保留并输出频率高于0.03Hz的采集信号；U4B、C21、R9构成一阶有源低通滤波器，该低通滤波器使高于100Hz频率的信号大大衰减，达到基本滤除高于100Hz频率的信号，保留并输出频率低于100Hz的信号。因此带通滤波电路运用高通滤波电路和低通滤波电路，滤除0.03～100Hz频率区间之外的噪声信号，获得较为纯净的心电模拟信号，确保心电信号的准确、可靠。

图4　带通滤波电路

2.5主放大和电平提升电路设计

导联电极采集的初始心电信号最高幅值只有1mV，前置放大器对信号的放大增益只有10倍左右，无法达到A/D转换器的输入电平0～3.3V的要求，即需要将前置放大器的输出信号再放大100左右才能正常驱动A/D模数转换器进行工作。［8］具体电路设计如图5主放大电路和图6电平提升电路所示。

图5　主放大电路

图6　电平提升电路

主放大电路的运放芯片采用OPA2604，当输入信号从左端进入，采用R13和R17可调电阻来调节放大的增益，使主放大电路输出信号电压在-0.5～1.5V之间，但仍未达到模数转换的电压要求，需将主放大电路输出信号通过电平提升电路，进行电平提升，正常进行心电信号的模数转换。

3　心电采集功能测试

目前临床采用的心电采集导联方式有12种，整体分为三大类：标准肢体导联、单极肢体导联和胸前导联。本次功能测试采用标准肢体导联类别的标准Ⅰ导联，即导联电极贴片正极贴左、右上肢，负极接右下肢。导联电极贴片采集的心电信号经过心电信号采集前端放大、滤波预处理后，将输出信号传入心电信号处理后端，ARM Cortex-M3处理器对输入信号进行模数转换的信号处理，并在LCD显示屏上绘制实时心电图。实时心电图显示效果如图7心电图所示。

图7　实时心电图

4　结论

本文基于我国传统病发治疗模式向预防保健治疗模式转变的背景下，个人健康系统建设的不断深入，对人体生理数据采集要求和标准不断提高，本文针对人体重要生理指标之一，心电数据采集过程中存在的信号干扰进行研究分析，提出采用心电信号采集前端和心电信号处理后端相集合的心电数据采集方案，引入前置放大电路和右腿驱动电路解决初始心电信号共模电压干扰，运用带通滤波电路滤除0.03-100Hz频率区间之外的噪声信号，获取有效地心电信号数据，再通过主放大电路、电平提升电路提高心电信号电压增益，使心电信号电压符合模数转换电平要求，最后ARM Cortex-M3处理器对接收到的数字化心电数据绘制心电图波形，成功在LCD显示屏上显示。

参考文献

1于磊.浅谈老年化社会形势下的预防保健措施［J］.中国实用医药，2014，35：240-241

2唐金华.中国居民慢性非传染性疾病现状及危险因素［J］.中国医药指南，2013，17：486-487

3中国心血管报告2014

4董云鹏.体域网智能终端数据传输与处理关键技术研究［D］.山东师范大学，2014

5张石锐，郑文刚，黄丹枫，赵春江.微弱信号检测的前置放大电路设计［J］.微计算机信息，2009，23：223-224+188

6蒋鑫，刘红星，刘铁兵，何爱军.生物电采集中右腿驱动电路参数的确定［J］. 北京生物医学工程，2011，05：506-511

7徐涵.基于蓝牙的心电采集和传输系统设计与实现［D］.东华大学，2013

8王余涛.基于嵌入式系统的便携式心电监护系统的研制［D］.哈尔滨工业大学，2010

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.016

收稿日期：（2016-01-08）