ECG监护仪设计回顾与发展

何伶俐，王宇峰，祝元仲，何汶静

(川北医学院影像系，四川南充637000)

ECG监护仪设计回顾与发展

何伶俐，王宇峰，祝元仲，何汶静

(川北医学院影像系，四川南充637000)

随着电子技术的发展，心电监护仪系统的设计、性能、尺寸、使用的便捷性等已经发生了很大的变化。本文介绍了ECG监护仪的各组成部分，即助电极、模拟前端、控制处理单元以及显示和分析方法的最新技术进展，并指出今后的发展方向。

ECG监护仪;ECG电极;模拟前端;ECG分析方法

当前，心血管疾病仍是威胁人类健康和生命安全的主要疾病之一，在各种医疗或保健方式之中，心电图(electrocardiogram，简称ECG)是诊断心脏异常的最好方式。现代心电图机的研制和生产是在1903年荷兰的爱因霍文(Willem Einthoven)制造的第一台弦线式电流计的基础上发展而来的;20世纪50年代之前，心电图机的发展主要解决了小型化和提高灵敏度的问题;1960年第一个专用心电图波形自动识别系统建立起来，1978年美国Marquett公司首次推出数字化12导联同步心电图机，开创了心电图记录、分析与诊断、保存与管理的新纪元，从此心电图机进入数字化发展新时代。常规的心电图机有单道和多道，虽使用方便，但体积庞大、价格高，对许多偶发、短暂心律失常无法进行监测，主要用于医院;动态心电图机(HOLTER)虽然可进行24小时甚至更长时间的心电图记录，但是价格昂贵，使用不方便，不能对心电信号进行实时处理［1］。随着低功耗嵌入式系统和先进的信号处理平台的发展，设计出性能更好、使用更方便、价格更经济的ECG监护仪成为一种必然趋势。

与ECG监护仪设计相关的部分主要有电极、模拟前端单元、微处理器和控制单元、显示和分析单元等，各个部分的特征和结构取决于监护仪的具体应用。下面，将对以上各部分进行逐一讨论。

1 ECG电极/导联

ECG电极的作用是将人体心脏的电活动转化为能被后续电路识别的电信号。在人体体表记录心电图时，对电极的放置位置以及电极与放大器的连接方式都进行了严格的规定。在心电图的专业术语中，将电极的放置位置以及电极与放大器的连接方式称为心电图的导联［2］。

ECG导联系统可分为12导联、6导联、5导联和3导联，采用何种导联方式，主要由临床适用性以及所需实时获取的心电图的复杂程度决定。对便携式ECG系统，通常采用3导联。3导联是将电极放置成爱因托文三角形，用矢量代数与适当的数学运算，可以从常规3导联心电图中提取出12导联心电图信息。介于3导联和12导联之间的5导联和6导联也常用到。为了获得12导联的优势并保持监测系统的实用性，研制出了采用5导联或6导联线的“减少导联设置技术”。飞利浦医疗研制出了用5电缆系统来估算12导联的EASI导联系统，通用电气医疗研制出了用6电缆系统实现的内插12导联系统。目前，已经研制出了能同时查看多个导联的心脏监视器，可获取更全面的心脏电活动图［3］。

传统的电极往往需要皮肤事先做好准备，为了和皮肤有良好的电接触，需用黏性的垫片、膏或凝胶将电极粘在皮肤上。用胶可能会引起皮肤过敏，并且这些电极一旦粘上，人不能移动，若长期使用可能会引起病人的不适，因此有必要研制不需要凝胶并能适用于便携式应用的电极。文献4中提出了用ASIC芯片和微刺阵列构成的智能电极，这些微刺有100μm长，采用MEMS技术制造，通过扎进皮肤表层来获得更精确的生物电信号，ASIC芯片用于执行所需的信号调理操作，如图1所示［4］。文献5提出了基于电容耦合技术的无接触电极，这些电极被集成在PCB板上，用棉带连接到病人的胸部，实验结果表明能获得清晰的ECG信号［5］。还有一种电极可以用无线身体区域网络(WBAN)技术来传输心电，它能识别人体的健康和背景变化并与周围环境进行通信，以帮助改变生活条件并激活设备，这种电极非常适合家庭护理或个性化应用［6］。最新的电极形式有胸带型，手表型和衬衫型等，能实现无创和长时间监控，如图2所示。

图1 智能ECG电极

图2 几种可穿戴的ECG电极

2 模拟前端单元

ECG模拟前端的作用是将电极所获取的0．5～5mV的微弱心电信号经过放大滤波后，变成后续处理器能够接收的信号，模拟前端有分立式模拟前端和集成模拟前端两大类。

分立式模拟前端主要由仪用放大器、右腿驱动电路、滤波电路及增益放大器等分立式元件组成，如图3所示，文献7～10都提出了各自的设计方案。文献11用低噪声前端放大器、可调带宽的异步ADC和DSP设计了一个异步ECG采集系统，该设计的优点是信号精度由采样率决定，这对紧凑型ECG系统非常有吸引力［11］。

集成模拟前端主要是用模拟前端芯片加一些简单的外围电路构成的。德州仪器公司(TI)有一款低功耗模拟前端芯片ADS1293，它具有同步起搏输出的3个高分辨率数字ECG通道，24位集成模拟前端，内部集成有右腿驱动电路、威尔逊终端、电极脱落检测等ECG应用所需要的模块。与分立式模拟前端相比，可将组件数量降低90%以上，单个通道功耗仅为0．3mW，并且具有灵活的断电和待机模式，非常适合于便携式ECG监护仪使用［12］。ADI公司的全集成模拟前端系列芯片ADAS1000，不但能够测量ECG信号，还集成了起搏检测、导联脱落检测以及呼吸和胸阻抗测量功能，并能将这些信息以数据帧的形式输出。除此之外，它还具有功耗低(一个导联的最低功耗仅1lmW)、低噪声性能、支持终端设备监管标准、提供不同的数据帧速率、能最大程度地简化数据采集任务、简化整体设计并缩减系统整体尺寸、缩短开发时间等优点［13］。

图3 分立式模拟前端主要构成

3 微处理器和控制单元

微处理器是ECG系统的核心部分，主要作用是将前端输出的模拟信号经A/D转换为数字信号后，完成信号的运算、分析、诊断、存储等功能，微处理器的性能决定整个ECG监护仪的性能和精度。

文献14、15和16将ARM7处理器用于便携式心电监护仪中，ARM7是一种通用32位高速处理器，具有成本低、体积小、可靠性高等优点，专为移动设备和低功耗电子设备所设计［14，15，16］。另一种微控器dsPIC性能可与ARM7媲美，它将高性能16位单片机的控制特点和DSP高速运算的优点相结合，为嵌入式系统设计提供了适合的单芯片、单指令流的解决方案，消除了目前类似设计中所需求的额外组成部分，从而减小了印制板空间，也降低了系统成本，文献17中就用该处理器设计了一个病人监护系统［17］。

TI公司的MSP430系列超低功耗单片机也常作为便携式医疗设备的控制器。MSP430系列的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率;并且采用数字控制振荡器(DCO)，从待机模式到唤醒的响应时间小于6us。具有比较丰富的片内外设，各个模块运行是完全独立的，包括定时器、输入/输出端口、看门狗、UART等都可以在主CPU休眠的状态下独立运行［18］。

现场可编程逻辑(FPGA)器件也广泛应用在医疗仪器中。文献19用FPGA取代目前心电监护产品中广泛采用的DSP和MCU多CPU结构，在电路的设计过程中，利用灵活的Avalon总线，把要实现的各个功能模块和外部各个设备接口加到Avalon总线上来，构成一个基于32位嵌入式Nios II软核CPU的嵌入式系统，实现了信号的采集、处理、回放、存储、通信和显示等集于一体的多功能监护产品。这些功能模块、全部的外设接口和NiosII软核CPU都在同一片FPGA上实现，降低了产品成本、缩短研发周期、缩小系统体积和降低系统损耗［19］。文献20中采用FPGA作为心电监护系统的核心信号处理芯片，并利用FPGA自有的FIR滤波器进行去噪设计［20］。

4 显示和分析方法

显示系统的作用是将处理后的心电信号变为可供人们直接观察的形式。最初，ECG系统主要用光板或CRO来显示心脏电活动，后来又用绘图纸将波形打印出来。目前，ECG能在PC机、LCD模型、PDA以及移动设备上显示，最新的设备还能对信号进行自动分析，减少了用户的工作量。在每一种平台下，都有特定的波形显示和分析软件，下面对PC机显示和处理的一些方法和平台进行讨论。

心电信号通过无线方式(蓝牙)或有线方式(串口或USB)传输到PC机，串口通信可用Visual Basic6．0的通信控件来实现。德州仪器的一款DSP入门套件TMS320C67x带有两电极ECG前置放大器，该套件提供了一个称为代码调试器(CCS)的集成开发环境(IDE)。CCS包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具，内置有FFT (快速傅立叶)变换、小波变换以及其它信号处理功能，用内置的16位编解码器采集ECG信号，一次处理和显示的样本数分别可达到5000个和2048个［21］。

ECG信号采集和获取的另一个有效平台是MATLAB，MATLAB是一种广泛使用的数据处理平台。由于能与多种高级语言(C，Java，VB)结合，且有功能丰富的信号处理工具箱，因此在ECG系统中被广泛使用。

虚拟仪器的出现，彻底改变了电路设计和处理方法。NI公司的LABVIEW软件就是使用PC机来进行测量、计算、分析和测试的一种虚拟仪器平台，它采用的是一种图形化编程语言，内置有很多工具包如数字滤波器设计、前置信号处理，频谱测量等，配合相应的硬件采集卡，可实现对ECG信号的数字滤波处理和分析［22］，给我们的程序开发和应用带来极大的方便。

5 产品调查

飞思卡尔、德州仪器仪表、ADI公司、GE医疗集团等许多公司对ECG系统组件都提出了各自的解决方案，这些组件包括集成电路放大器、滤波器、电池管理、保护电路、单片机、液晶显示器、报警系统等，一些公司已经设计出了自己的ECG监护仪。Nurosynaptic已研制出一种带有USB接口的心电图机，采用12通道同步采集系统，提供了世界一流的心电图诊断功能并具有包括胎儿心电图在内的可选升级，而且体积小便于携带;其它的监护仪有Medchoice公司的手持式ECG监护仪、欧姆龙公司的HCG-801便携式ECG监护仪、Daray医疗的Biolog3000iECG监护/记录仪、通用电气医疗的MAC800休眠式ECG分析系统等。

世界上最小的可穿戴式心电监护仪叫硅盒子，是由IIT教授与TCS合作研制的。它是一个实时心脏监测仪，可实现心脏跳动的分类和诊断心脏状况的严重程度。既可作为床头显示器、皮套监视器，也可作为便携式心电监护仪，当检测到心脏出现问题时，能自动与监控中心联系。

6 发展趋势

如今，便携式心电监护仪正向着多通道、新型记录方式、数字智能型、网络共享型等方向发展，新型产品也将运用数字化技术不断提高工作效率并加快描记时效性，这样能明显提高临床诊断的准确性。

随着集成电路技术、计算机和网络技术在生物医学工程领域应用的进一步深入，心电检测与分析系统的研究和发展趋势主要包括以下几个方面: (1)仪器小巧化，采集同步化。目前，便携式心电监护仪、HOLTER系统和心脏BP机等都代表了此发展趋势。另一方面，多导同步心电检测系统尤其是十二导同步心电检测系统将逐步取代目前应用比较广泛的单导心电检测系统。(2)ECG分析自动化。目前ECG自动诊断技术应用范围并不十分广泛，主要是还缺乏一套完全令人满意的算法。因此在ECG自动分析领域还需要作大量的研究工作。(3)信息综合化。建立计算机心电工作站和完善的心电检测数据库，完善心电分析内容，结合临床提供的其他信息资料进行综合化信息分析判断。(4)标准统一化。建立国际上统一的心电信息资料传输标准，使不同类型心电检测设备采集的心电图信息能够相互传输和交流。

［1］Charles Kitchin，Lew Counts．仪表放大器应用工程师指南［M］ADESIGNER’SGUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS第2版．

［2］余学飞．医学电子仪器原理与设计［M］．广州:华南理工大学出版社，2007．

［3］K Krishna bai，S．C．Prasanna Kumar．Design of a Low Cost ECG system:Review［J］．Canadian Journal on Biomedical Engineering＆Technology 2012，3(2):44 -48．

［4］http://dx．doi．org/10．4108/CST．PERVASIVEHEALTH 2009．6005．

［5］ZHOU Ping，LI Zhou-cheng，WANG Feng．Non-contact ECG Monitoring Based on Capacitive Electrodes［J］CHINESE J．B10MED．ENG，2012，21(3):98-102:

［6］Adan Saeed，Miad faezipour，Mehrad Nourani and Lakshman Tamil，“Plug and Play Sensor Node for Body Area Networks”，IEEE/NIH Life Science Systems and Apllications workshop(LiSSA)，Richardson，pp 104-107，2009．

［7］朱大缓，郭育华，汪公社．便携式心电检测放大电路设计［J］．医疗卫生装备，2008，29(5):21-23．

［8］何伶俐，王宇峰，何汶静．ECG监护仪检测放大电路的设计［J］．生物医学工程研究，2013，32(1):31-34．

［9］张帷，张石，鲍喜荣．便携式心电监护仪前置放大电路和抗干扰的设计［J］．医疗设备信息，2005，20 (10):7-9．

［10］黄敏松，行鸿彦，刘建成．ECG监护仪前置放大电路的设计［J］．现代电子技术，2007，(16):187 -189．

［11］Sungkil Hwang，Michel Trakimas and Sameer Sonkusale，“A low power Asynchronous ECG acquisition system in CMOS technology”，32ndAnnual International Conference of the IEEE EMBS，Argentina，sep 2010:5262-5265．

［12］Texas Instruments．ADS1293 datasheet［EB/OL］．(2012-11)［2013-12］．http://www．ti．com．

［13］ADI公司，利用AFE简化病人监护仪设计［J］．世界电子元器件，2012，(2):59-63．

［14］陈红万，施继红，王威廉．基于ARM7的单电源心电信号采集系统设计与实现［J］．电子测量技术，2009，34(3):139-142．

［15］王运鑫，和卫星，薛海涛．基于ARM7的新型嵌入式心电监护仪的研制［J］．微计算机信息，2006，22 (12):97-99．

［16］庆堃，白净．基于ARM的便携式心电监护仪［J］．北京生物医学工程，2008，27(1):72-74．

［17］Noureddine Belgacem，Fethi，Bereksi-Reguig．Bluetoot h portable device for ECG and patientmotion monitoring［J］．Biomedical engineering laboratory，2010，(4): 19-23．

［18］Texas Instruments．MSP430 datasheet［EB/OL］．(20 13-05)［2013-12］．http://www．ti．com．

［19］杨秀增．基于FPGA的心电信号处理研究与实现［D］．南宁:广西师范大学硕士论文，2007．

［20］王正生．基于SOPC心电信号的采集与处理［D］．济南:济南大学硕士论文，2009．

［21］D．Balasubramaniam，D．Nedumaran，“Implementation of ECG signal processing and analysis techniques in digital signal processor based system”Memea-International workshop onmedicalmeasurements and applications，Italy，May 2009:60-63．

［22］胡晓，杜亮，蔡燕玲．基于NI6009的ECG采集系统设计［J］．广州大学学报(自然科学版)，2012，11 (2):55-57．

Review and development to the design of ECGmonitor system

HE Ling-li，WANG Yu-feng，ZHU Yuan-zhong，HEWen-jing
(Department of Imaging，North Sichuan Medical College，Nanchong Sichuan 637000)

ECG has been a valuable diagnostic tool in assessing cardiac condition．The electrocardiograph system design，performance，size，ease of use has undergone a great transition along the timeline．The article introduces the new trends and the future direction of concern in the design ofan ECG system which includes analog frontend unit，microcontroller and processing unit，the display and analysis unit．

ECG monitor;electrodes;analog front end;analysismethods

TH772+．2

A

1002-2376(2015)01-0001-04

2014-08-17