基于虛擬儀器技術的心電信號采集系統設計

趙夢凡

(西安交通工程學院機械與電氣工程學院, 陜西 西安 710300)

1 研究與意義

心電(ECG)信號是人類研究的最古老的生物學信號[1],因其具有容易捕捉、便于分析的特性,對醫學的進步有著重要促進作用,因此被廣泛應用于臨床醫學。心電監測的技術在臨床上應用得越來越廣泛,目前在臨床中使用的比較多的就是遠程動態心電的實時監測,它主要的作用可以總結為預警、監測、診斷[1]。心電圖是進行預警以及快速臨床處理的依據,它具有診斷可靠,而且方便簡單,對患者沒有任何損傷等優點。常規的心電圖有一定的缺陷,因為它記錄的時間僅僅只有幾十秒、短時間內獲得的信息量有一定的限制,因此在工作的有效時間里,即使病人出現一些異?，F象,例如心律異常等情況被發現的概率是極低的。這才有了心電監測技術,它利用的是長時間且動態的記錄病患的心電數據,這對發現心律失常有重大作用,在臨床上主要是用來診斷各種心律失常以及進行暈厥查因等相關檢查。

2 心電信號的特征分析

2.1 心電信號產生原理

心臟的活動與電刺激這一特性是息息相關的,因此,電刺激也就成為了心電圖的構造原理。心肌中的興奮流可以從心臟穿過身體的組織流到身體的表面,從竇房結形成起搏后,心臟的各個部位相繼接收到脈沖信號,繼而做出對應的反應。正常的心電圖活動是有規律的特定模式,當心臟的特定部位受損時,脈沖電流會在受損部位周圍傳輸,從而對正常的ECG波形產生干擾。執行心電圖檢查時,可以將對心臟的電脈沖敏感的幾個金屬電極板放在手腕、腳踝和上胸部的皮膚上,以測量心臟電流的強度和性質。

2.2 心電信號的特征

心電信號是反映人心臟狀況的小信號。其特點是:1) 弱信號:離開人體表微小的距離,就基本上檢測不到信號;2) 低頻特性:能量主要在幾百赫茲以下;3) 可變性:生物信息會受到個體差異的影響,包括性別、年齡、生活地域等因素都會影響到人體的平衡系統,而為了適應這種系統,生物信息會隨著各種影響因素的波動而產生變化;4) 強干擾:一般而言,除外部環境外,人體內部存在一定噪聲,會對心電信號造成不同程度的影響。

2.3 心電波形的分析

正常的人體表面積心電圖由一系列波形組成,通過將引導電極放置在人體的不同部位以測量ECG或通過更改記錄電極(即引線系統)的連接方式,可以記錄不同的心電波形,心電圖波形的每個部分都反映了心臟不同部位的去極化或重新極化過程。這一系列的電刺激擴散,引起一系列的電勢變化,形成心電圖的相應變化,如圖1所示,臨床心電圖為這些心電圖的各個頻段提供了統一的名稱,不同的波形具有不同的臨床含義,它們的名稱和臨床意義主要包括以下幾個方面:

圖1 心電波形圖示

1) P波:最早出現,波幅很小,反映了心房的去極化過程。將P波分為3份,分別代表右心房的去極化、右心房和左心房的去極化和左心房除極。P波被導線AVR反轉,并在導線I,II,AVF,V4至V6上直立。導線AVL的P波的方向不固定,導線V1的P波是可以雙向的。

2) T頻段:這代表了在后期快速心室復極過程中的電位變化,正常的T波為圓形鈍角,波形為非對稱波形。

3) U頻段:U波的幅度與心率的速度有關,隨著心率增加,U波幅度與心率呈負相關,慢慢減小,反之則緩上漲。由此可見,低血鉀癥中病人普遍存在心跳緩慢的問題,因此由U波是呈現較高的狀態,而在冠心病等患者的心電圖中則更容易看見其在零線之下。

4) P-R段:主要是顯示P波與QRS波之間的時間統計,用來表示心房興奮信號的觸發響應時間。在心率正常情況下,PR值一般處于0.12 s～0.20 s之間波動,對于小孩或者幼兒相較于標準PR較小,如果是老人的話,PR則相較于標準PR較大,PR間隔可以稍長一些,但通常少于0.22 s。

5) QRS段:這是一組高振幅波,代表由左右心室的復極化引起的潛在變化。 QTS復合體的形狀和幅度取決于前QRS環的最大矢量投影的角度。當發生肢體導聯的QRS絕對值低于0.5 mV或者胸導聯絕對值低于0.8 mV時會出現低電壓情況,常出現于甲狀腺功能衰退或者肺氣腫的患者身上。

6) 正常人的典型心電圖值:P波:0.2 mV; Q波:0.1 mV; R波:0.5～1.5 mV; S波:0.2 mV; T波:0.1～0.5 mV; PR間隔:0.12～0.2 s; QRS間隔:0.06～0.1 s; ST段:0.12～0.16 s; PR段:0.04～0.08 s。

3 心電信號采集電路總體電路構成

ECG數據采集系統的采集對象是人體表面的ECG信號,報備采集后,首先進入到信號收集器當中,也在這一過程正式實現了,由外部環境到計算機內部的轉移。但是由于各種環境噪聲和人體的內部干擾都會對信號采集的精確度造成一定程度上的影響,因此怎樣保證信號采集的完整性和高效性成為現在ECG信號研究的起點和難點。因此本研究在設計電路時充分考慮到這一問題,并將電路分為以下幾個部分共同組成:

首先是保護電路,如其字面含義所示,可以保護其下屬的所有電路。

第二個是前置放大器電路。主要用于加強信號,一般可以將信號放大為原來的十倍。

第三個是抑制共模信號電路。專門用于抗干擾,是確保信號質量的重要環節。

第四個是帶通濾波器電路。

第五個是后置放大器電路。要觀察ECG信號,需要將其放大數千倍。前置放大器的增益約為10倍,在此水平下需要放大約100倍。

第六個是50 Hz帶阻濾波器電路。這允許濾波器濾除特定頻帶中的信號。對于由電源頻率產生的50 Hz噪聲,可用于有效選擇和過濾噪聲。本文所選擇的類型為雙T頻帶抑制濾波器電路。

4 心電信號采集系統設計方案

本文設計的心電信號檢測器主要包括心電信號傳感器AD8232和myDAQ數據采集卡,用于采集信號,并對采集到的心電信號進行濾波,然后將采集卡連接到計算機和傳感器,并將其傳輸到上位機電腦LabVIEW。經過濾波處理后,將獲得信號所需的波形[2]。

5 確定心電信號的檢測方式

目前,通過檢測獲得的心電圖信號是通過電極片接觸人的皮膚[3],從而可以連接心電圖采集裝置的正負導入端,然后改變電位差記錄兩點之間的距離,最后通過技術繪制心電圖。當前的國際通用引線方法包括以下3種類型:雙極身體引線,單極受壓肢體引線和胸部引線。本文主要介紹雙極體導線。

將左臂的電極連接到檢測設備的正極,將右臂的電極連接到負極,從而取得兩臂之間的電位差值,根據圖形可以觀察得到,如果左臂電位較高,則波形處于向上趨勢,反之,波形向下。

分別將患者的左右臂連接到電極的正負極,隨后用儀器來測量兩極之間的電位差,假如存在右臂電位差低于左臂的現象,則波形處于向上趨勢,反之,波形向下。

將左腳連接到測試設備的正極,將左臂的電極連接到負極,以反映左腳和左臂之間的電位差[4]。如果左腿的電位高于左臂的電位,則波形將向上,否則將升高。否則,波形是向下的。放在右腿上的電極稱為“無關電極”,有助于穩定走線。圖5所示為實物連接圖。

圖5 采集信號

6 結論

通過以上實驗,驗證了該系統能夠完成心電信號的實時監測,能夠通過數據分析實現被測者心率及血壓參數的測量。軟件界面對實時顯示數據波形,可以進行數據的超限報警以及大量數據的存儲。