王思毅

本文研究设计了十二导联心电采集系统。系统由前端采集电路模块、滤波模块和控制模块组成。前端采集模块对信号进行放大并抑制共模干扰，滤波模块对信号进行噪声处理，控制模块对导联切换和模数转换进行控制。本系统具有体积小、高质量的特点，并使用了低功耗的处理芯片使得长时间的实时心电采集更加简单方便。其能够以更高效稳定的方式对人体心电信号进采集，在未来可以更好地预防心血管疾病的发生，为人们的健康生活提供保障。

1 引言

心血管疾病具有很强的隐蔽性和高危险性，一直是医学界研究的热点问题。心电监护仪器能够及时发现心血管的异常情况，成为临床诊断以及生命科学研究的重要工具。目前使用较多的心电监护仪器主要以工作站的形式应用于医院，因其价格昂贵且不便携带，阻碍了家庭应用的普及。随着人们生活水平的提高，肥胖、快节奏的生活压力促使心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。与此同时，心血管疾病的发病趋势也不断趋于年轻化，便携式的心电系统能够帮助心血管类疾病的预防以及治疗。随着电子设备的快速发展，专业的便携式心电监测设备也能够进入家庭中实现心电信号的日常监护，从而使医生能够更加全面及完整地评估病人的心脏状况。使用心电监护仪可提高护理工作效率，随时了解患者病情，提高治疗和护理质量，大幅度降低危重患者的病死率。因此，本文所研究的十二导联采集系统具有重要的医疗价值与社会价值。

本文设计的便携式十二导联心电采集系统通过电极片从人体的十个不同部位采集心电信号，信号经过放大、共模抑制、滤波并通过MSP430F149芯片控制模数转换，其通过控制导联切换芯片可以得到8路心电信号， 最终可以得到十二导联信号。

2 系统总体结构

前端采集电路模块从人体采集到微弱的生物电信号，并进行放大且抑制共模干扰，信号再经过滤波模块后得到高质量的心电信号。控制模块采用了MSP430F149，低功耗处理芯片是系统的中央处理芯片，不仅进行导联切换，还控制模数转换AD7691等芯片。

3 十二导联心电采集系统硬件设计

心电信号的频率主要集中在0.05～150Hz之间。心电信号极其微弱，前端采集模块需要识别到0.5-2mV的微弱信号。在心电采集过程中还有许多噪声会对心电信号造成一定的影响，例如肌电干扰、呼吸引起的基线漂移和幅度变化、电极接触噪声和电极移位干扰、工频干扰和其他各种高频噪声。系统前端采集模块包含了采集放大电路、威尔逊中心电路、差分放大电路、右腿驱动电路（DRL）以及滤波电路。

3.1 前端采集放大与差分放大电路

人体与电极的接触阻抗远大于人体自身阻抗，因此前端采集模块需要具有较高的输入阻抗，所以应选择具有低失调电压、低输入偏置电流、低噪声和高输入阻抗的运算放大器。本系统采用了具有高共模抑制比（CMRR=126dB）的OPA4177放大器。由于输入部分噪声远大于信号，因此并不适宜在前端过于放大。在信号经过前端采集后，使用了AD8221作为差分放大器对信号进行放大，并将增益设置约为6倍。AD8221作为高性能差分放大器，具有相同类别产品中最高的共模抑制比，同时它的适用于生物医学分析和航空航天仪器等。它可以通过单一电阻实现在1到1000范围内的增益设置。在信号经过滤波后再对信号进行了放大，放大倍数约为63倍，最终信号放大倍数近400倍。前端采集中加入了威尔逊参考电路和右腿驱动电路，威尔逊网络是由9个电阻组成星形电路，星形公共点是威尔逊网络的中心端，这点的电位与人体电偶中心点电位相等，均可视为零点，可与其他导联组成差分放大电路。右腿驱动电路的主要功能是抑制人体采集的50Hz工频干扰，心电信号采集系统中常用右腿驅动电路来降低50Hz工频干扰，能够降低共模干扰的影响，大幅度50Hz工频干扰，心电信号主要频率成分则不会受到影响。

3.2 滤波器电路

由于心电信号主要集中在0.05-150Hz之间，肌电信号的频率范围主要在20-500Hz，容易受到基线漂移和工频干扰。本系统巴特沃斯滤波器进行滤波处理，其特点是通频带内的频率响应曲线非常的平滑，而在阻频带则较快地平稳下降。本系统采用二阶巴特沃斯低通滤波电路进行低通滤波，截止频率设置为150Hz。四阶巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，并将其截止频率设置在0.05Hz。

4 结束语

十二导联心电采集系统具有便携、低功耗和高质量的特点，患者的心电信息能够更好地采集传输。本系统通过前端采集模块对信号进行放大及共模抑制，滤波模块针对心电信号的噪声特点进行了滤波处理，减少了干扰，最终采集到高质量的心电信号。endprint