基于虚拟仪器技术的心电信号采集系统设计

赵梦凡

(西安交通工程学院机械与电气工程学院, 陕西 西安 710300)

1 研究与意义

心电(ECG)信号是人类研究的最古老的生物学信号[1],因其具有容易捕捉、便于分析的特性,对医学的进步有着重要促进作用,因此被广泛应用于临床医学。心电监测的技术在临床上应用得越来越广泛,目前在临床中使用的比较多的就是远程动态心电的实时监测,它主要的作用可以总结为预警、监测、诊断[1]。心电图是进行预警以及快速临床处理的依据,它具有诊断可靠,而且方便简单,对患者没有任何损伤等优点。常规的心电图有一定的缺陷,因为它记录的时间仅仅只有几十秒、短时间内获得的信息量有一定的限制,因此在工作的有效时间里,即使病人出现一些异常现象,例如心律异常等情况被发现的概率是极低的。这才有了心电监测技术,它利用的是长时间且动态的记录病患的心电数据,这对发现心律失常有重大作用,在临床上主要是用来诊断各种心律失常以及进行晕厥查因等相关检查。

2 心电信号的特征分析

2.1 心电信号产生原理

心脏的活动与电刺激这一特性是息息相关的,因此,电刺激也就成为了心电图的构造原理。心肌中的兴奋流可以从心脏穿过身体的组织流到身体的表面,从窦房结形成起搏后,心脏的各个部位相继接收到脉冲信号,继而做出对应的反应。正常的心电图活动是有规律的特定模式,当心脏的特定部位受损时,脉冲电流会在受损部位周围传输,从而对正常的ECG波形产生干扰。执行心电图检查时,可以将对心脏的电脉冲敏感的几个金属电极板放在手腕、脚踝和上胸部的皮肤上,以测量心脏电流的强度和性质。

2.2 心电信号的特征

心电信号是反映人心脏状况的小信号。其特点是:1) 弱信号:离开人体表微小的距离,就基本上检测不到信号;2) 低频特性:能量主要在几百赫兹以下;3) 可变性:生物信息会受到个体差异的影响,包括性别、年龄、生活地域等因素都会影响到人体的平衡系统,而为了适应这种系统,生物信息会随着各种影响因素的波动而产生变化;4) 强干扰:一般而言,除外部环境外,人体内部存在一定噪声,会对心电信号造成不同程度的影响。

2.3 心电波形的分析

正常的人体表面积心电图由一系列波形组成,通过将引导电极放置在人体的不同部位以测量ECG或通过更改记录电极(即引线系统)的连接方式,可以记录不同的心电波形,心电图波形的每个部分都反映了心脏不同部位的去极化或重新极化过程。这一系列的电刺激扩散,引起一系列的电势变化,形成心电图的相应变化,如图1所示,临床心电图为这些心电图的各个频段提供了统一的名称,不同的波形具有不同的临床含义,它们的名称和临床意义主要包括以下几个方面:

图1 心电波形图示

1) P波:最早出现,波幅很小,反映了心房的去极化过程。将P波分为3份,分别代表右心房的去极化、右心房和左心房的去极化和左心房除极。P波被导线AVR反转,并在导线I,II,AVF,V4至V6上直立。导线AVL的P波的方向不固定,导线V1的P波是可以双向的。

2) T频段:这代表了在后期快速心室复极过程中的电位变化,正常的T波为圆形钝角,波形为非对称波形。

3) U频段:U波的幅度与心率的速度有关,随着心率增加,U波幅度与心率呈负相关,慢慢减小,反之则缓上涨。由此可见,低血钾症中病人普遍存在心跳缓慢的问题,因此由U波是呈现较高的状态,而在冠心病等患者的心电图中则更容易看见其在零线之下。

4) P-R段:主要是显示P波与QRS波之间的时间统计,用来表示心房兴奋信号的触发响应时间。在心率正常情况下,PR值一般处于0.12 s～0.20 s之间波动,对于小孩或者幼儿相较于标准PR较小,如果是老人的话,PR则相较于标准PR较大,PR间隔可以稍长一些,但通常少于0.22 s。

5) QRS段:这是一组高振幅波,代表由左右心室的复极化引起的潜在变化。 QTS复合体的形状和幅度取决于前QRS环的最大矢量投影的角度。当发生肢体导联的QRS绝对值低于0.5 mV或者胸导联绝对值低于0.8 mV时会出现低电压情况,常出现于甲状腺功能衰退或者肺气肿的患者身上。

6) 正常人的典型心电图值: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间隔:0.12～0.2 s; QRS间隔:0.06～0.1 s; ST段:0.12～0.16 s; PR段:0.04～0.08 s。

3 心电信号采集电路总体电路构成

ECG数据采集系统的采集对象是人体表面的ECG信号,报备采集后,首先进入到信号收集器当中,也在这一过程正式实现了,由外部环境到计算机内部的转移。但是由于各种环境噪声和人体的内部干扰都会对信号采集的精确度造成一定程度上的影响,因此怎样保证信号采集的完整性和高效性成为现在ECG信号研究的起点和难点。因此本研究在设计电路时充分考虑到这一问题,并将电路分为以下几个部分共同组成:

首先是保护电路,如其字面含义所示,可以保护其下属的所有电路。

第二个是前置放大器电路。主要用于加强信号,一般可以将信号放大为原来的十倍。

第三个是抑制共模信号电路。专门用于抗干扰,是确保信号质量的重要环节。

第四个是带通滤波器电路。

第五个是后置放大器电路。要观察ECG信号,需要将其放大数千倍。前置放大器的增益约为10倍,在此水平下需要放大约100倍。

第六个是50 Hz带阻滤波器电路。这允许滤波器滤除特定频带中的信号。对于由电源频率产生的50 Hz噪声,可用于有效选择和过滤噪声。本文所选择的类型为双T频带抑制滤波器电路。

4 心电信号采集系统设计方案

本文设计的心电信号检测器主要包括心电信号传感器AD8232和myDAQ数据采集卡,用于采集信号,并对采集到的心电信号进行滤波,然后将采集卡连接到计算机和传感器,并将其传输到上位机电脑LabVIEW。经过滤波处理后,将获得信号所需的波形[2]。

5 确定心电信号的检测方式

目前,通过检测获得的心电图信号是通过电极片接触人的皮肤[3],从而可以连接心电图采集装置的正负导入端,然后改变电位差记录两点之间的距离,最后通过技术绘制心电图。当前的国际通用引线方法包括以下3种类型:双极身体引线,单极受压肢体引线和胸部引线。本文主要介绍双极体导线。

将左臂的电极连接到检测设备的正极,将右臂的电极连接到负极,从而取得两臂之间的电位差值,根据图形可以观察得到,如果左臂电位较高,则波形处于向上趋势,反之,波形向下。

分别将患者的左右臂连接到电极的正负极,随后用仪器来测量两极之间的电位差,假如存在右臂电位差低于左臂的现象,则波形处于向上趋势,反之,波形向下。

将左脚连接到测试设备的正极,将左臂的电极连接到负极,以反映左脚和左臂之间的电位差[4]。如果左腿的电位高于左臂的电位,则波形将向上,否则将升高。否则,波形是向下的。放在右腿上的电极称为“无关电极”,有助于稳定走线。图5所示为实物连接图。

图5 采集信号

6 结论

通过以上实验,验证了该系统能够完成心电信号的实时监测,能够通过数据分析实现被测者心率及血压参数的测量。软件界面对实时显示数据波形,可以进行数据的超限报警以及大量数据的存储。