劉福彬張志強

一種高精度Holter ECG監(jiān)測系統(tǒng)中的濾波電路設(shè)計

劉福彬①張志強②*

目的：介紹一種高精度動態(tài)心電圖(Holter ECG)采集系統(tǒng)中的模擬濾波電路設(shè)計。方法：濾波電路設(shè)計采用AD8220作為前置放大器，OPA2604作為有源濾波器的基本單元，使用抗混疊濾波、雙T陷波網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。結(jié)果：該模擬濾波電路有效地解決了在ECG信號采集過程中所出現(xiàn)的信號混疊、噪聲干擾等問題。結(jié)論：該模擬濾波電路實際應(yīng)用到高精度Holter ECG采集系統(tǒng)中，可有效提高ECG信號進入AD轉(zhuǎn)換之前的精度，最大化降低信號干擾對ECG采集系統(tǒng)所造成的影響，使得ECG數(shù)字化分析更加簡便、準(zhǔn)確，滿足Holter ECG采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高精度的設(shè)計需求，具有一定的實用價值。

心電圖；動態(tài)心電；濾波電路；抗混疊；信號干擾

目前，心臟病是威脅人類生命的主要疾病之一。其發(fā)病率隨著社會的發(fā)展呈遞增的趨勢。越來越多的患者承受著因心臟和血液循環(huán)系統(tǒng)異常所帶來的痛苦，而成功挽救這些患者的生命需要依賴于對病情快速、準(zhǔn)確的診斷。體表心電信號作為無創(chuàng)疾病檢測的一種方法，自1887年Waller等首次對人體心電進行研究以來被廣泛的應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)上[1-2]。直到今天，心血管疾病的診斷基本是以常規(guī)心電圖(electrocardiogram, ECG)或向量心電圖(vectorcardiogram, VCG)為主要手段，即通過判斷患者心電波形變化規(guī)律及不同時刻的波幅推斷心臟內(nèi)病灶的部位或嚴(yán)重程度[3]。

1 動態(tài)心電圖(Holter ECG)監(jiān)測系統(tǒng)

常規(guī)心電圖診斷過程難以通過一次ECG采集捕捉到有效的診斷依據(jù)，因此需要一種持續(xù)記錄ECG信號

的裝置。Holter ECG監(jiān)測系統(tǒng)是一種24 h連續(xù)記錄患者心臟電活動的小型ECG采集設(shè)備，通過放置在患者胸口的便攜式電極來記錄患者心臟電活動。電極片一端粘貼在患者胸口，另一端通過線纜連接到Holter ECG監(jiān)測設(shè)備。Holter ECG監(jiān)測系統(tǒng)記錄患者在平日正常生理活動下或者異常生理活動下的心臟電活動的變化。同時還可用于某些藥物實驗，以實時觀察人體對藥物的心臟電生理反應(yīng)。

Holter ECG監(jiān)測系統(tǒng)中的重要單元模擬濾波器的設(shè)計直接影響到獲取ECG信號的準(zhǔn)確性，而采集的ECG信號的準(zhǔn)確性直接影響醫(yī)生對患者診斷的準(zhǔn)確程度，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致誤診。

2 ECG產(chǎn)生機制及特性

心臟電活動系統(tǒng)(即：心臟傳導(dǎo)系統(tǒng))控制著心臟泵血時其內(nèi)部發(fā)生的所有活動。ECG信號是心臟內(nèi)部所有電活動經(jīng)過傳導(dǎo)在體表所表現(xiàn)出來的電壓波形變化。心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)主要包括竇房結(jié)、房室結(jié)和希氏束-蒲氏纖維3個主要部分[4]。

2.1 竇房結(jié)(Sinoatrial Node, SA Node)

竇房結(jié)位于右心房外膜上。心臟開始泵血時竇房結(jié)首先發(fā)生去極化過程，隨后去極化產(chǎn)生的電脈沖傳播至整個心房并通過內(nèi)部纖維傳播到房室結(jié)，心房在電脈沖刺激下收縮。竇房結(jié)作為心臟的起搏點，其電活動在體表心電圖上表現(xiàn)為P波，如圖1所示[5]。

圖1 心臟電活動傳播圖

2.2 房室結(jié)(Atrioventricular node, AV Node)

房室結(jié)位于右心房背壁冠狀靜脈竇開口附近。房室結(jié)增強竇房結(jié)產(chǎn)生的電脈沖并作短暫的延時，延時使得左右心房可充分將血液壓出心房，這一過程在心動周期中產(chǎn)生的延時為0.1 s。從竇房結(jié)去極化開始，脈沖到達房室結(jié)需要0.03 s，同時從房室結(jié)到達希氏束需要0.13 s。

2.3 希氏束-蒲氏纖維(His-purkinje System)

希氏束-蒲氏纖維沿著心室壁布滿整個心室。電脈沖從房室結(jié)通過希氏束和蒲氏纖維到達心室肌肉，使得心室發(fā)生去極化并收縮，將血液壓出心室。其電活動從體表心電圖中表現(xiàn)為QRS波群，隨后心室從電刺激中恢復(fù)，并產(chǎn)生體表心電圖的ST段和T波，如圖1所示。

心臟在這些重要的生理結(jié)構(gòu)下通過電脈沖的產(chǎn)生與傳導(dǎo)控制整個心臟正常的泵血活動，使得心臟能夠周期性吸入血液并將其壓出，形成血液的循環(huán)。心臟電活動通過傳導(dǎo)在體表形成非常微弱的ECG信號，其幅值在0.5～5.0 mV之間。同時，還伴隨著因電極與皮膚接觸所產(chǎn)生的幅值為300 mV的直流信號，再加上最大值為1.5 V的共模成分。ECG信號根據(jù)不同的應(yīng)用，所需帶寬各不相同，對于普通監(jiān)測其ECG帶寬為0.5～50 Hz即可，而對于晚電位分析或起搏檢測則需要最高達1 kHz的ECG信號。常見的臨床應(yīng)用ECG信號帶寬為0.05～100 Hz。

由于ECG信號極其微弱，并很容易受到各種干擾的影響。對于ECG的采集，主要有以下數(shù)種噪聲影響：①工頻干擾：市電所產(chǎn)生的電磁干擾信號，主要是50～60 Hz及其諧波的噪聲；②電極接觸噪聲：電極片和皮膚之間接觸環(huán)境的變化會造成ECG信號的基線漂移；③運動噪聲：由于電極和皮膚之間的阻抗發(fā)生變化而造成的ECG基線漂移；④肌電干擾：人體肌肉的電活動造成干擾，表面肌電(Electromyography, EMG)和心電混雜在一起；⑤呼吸作用：造成ECG信號基線漂移；⑥設(shè)備電磁干擾：臨近電子設(shè)備的電磁輻射和電極線纜引入的高頻干擾[6-7]。

3 ECG采集系統(tǒng)

由于ECG信號十分微弱且伴有大量的干擾信號，若獲得較為精準(zhǔn)的ECG信號則必須根據(jù)ECG的特性進行良好的放大濾波，以排除各種干擾。常規(guī)的ECG采集系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 ECG信號采集系統(tǒng)框圖

圖2中右腿驅(qū)動的單路ECG采集系統(tǒng)的框圖，其系統(tǒng)經(jīng)過放大、濾波、采集和發(fā)送4個步驟完成ECG信號從人體采集到熒幕顯示的過程，所有的濾波工作都是在模擬階段完成。目前，數(shù)字處理器的計算水平越來越高，許多濾波工作都可在數(shù)字部分完成，并具有參數(shù)易于調(diào)整的優(yōu)勢。但模擬濾波仍然有其不可替代的優(yōu)點，如信號抗混疊的問題，數(shù)字處理的算法非常復(fù)雜，并且難以達到由簡單的數(shù)個元件構(gòu)成的模擬濾波器的效果。另一方面，用數(shù)字處理實現(xiàn)的濾波器由于算法復(fù)雜、代碼量較大，對于處理單元提出的要求較高，導(dǎo)致顯著增加系統(tǒng)成本。因此，在不同的ECG采集系統(tǒng)中可根據(jù)系統(tǒng)的空間大小、成本、電源功耗等因素選擇折中的解決方案。

4 濾波電路設(shè)計

4.1 抗混疊濾波器

采樣定理的證明過程顯示，當(dāng)用采樣頻率fs對信號采樣時，信號中以上的頻率成分未消失，而是對稱的映像到了以下的頻帶中，并且和原有頻率成分疊加起來，這個現(xiàn)象叫做“混疊”(Aliasing)，這是任何一個連續(xù)信號被離散化的必然結(jié)果[8]。消除混疊的途徑有兩種，一種是提高采樣頻率 fs，一種是采用抗混疊濾波器。在進行信號采樣之前首先對信號通帶以外的信號進行濾除，就可以有效地避免信號混疊。在理想濾波的情況下，濾掉高于Nyquist頻率的信號成分即可不產(chǎn)生頻率混疊。然而，實際的濾波器都不具備理想濾波器的特性，實際處理時一般滿足下面的關(guān)系 fs=(2.5～4.0) fmax。

4.2 硬件設(shè)計

ECG信號采集電極主要有主動式和被動式兩種，被動式電極包含與皮膚進行接觸的良導(dǎo)體(如銀電極)，良導(dǎo)體通過接觸皮膚傳導(dǎo)電流。主動式電極除良導(dǎo)體外還在電極內(nèi)部包含一個高輸入阻抗的放大器，這樣的設(shè)計使得系統(tǒng)對電極和皮膚之間的接觸阻抗變化不敏感[9]。為了降低Holter ECG采集系統(tǒng)的成本，本設(shè)計采用了標(biāo)準(zhǔn)的被動式電極和專用的電極線。

這種電極環(huán)境下的ECG噪聲干擾主要有基線漂移、工頻干擾和肌電干擾[10]。濾波器的設(shè)計是為了在信號進入AD采樣之前盡可能降低干擾對信號的影響。系統(tǒng)所設(shè)計濾波電路如圖3所示。

為了消除無線電頻段的空間信號對系統(tǒng)的電磁干擾，在由AD8220構(gòu)成的前置放大器中，C1x、C2x、C3x及相關(guān)電阻構(gòu)成了截止頻率為1500 Hz的低通濾波器，能有效濾除由空間無線電產(chǎn)生的干擾。AD8220是一款單電源、JFET輸入的儀表放大器，針對高性能、便攜式儀器的需要而設(shè)計，最小CMRR為80 dB，最大輸入偏置電流為10 pA，非常適合輕便、長續(xù)航電力使用的應(yīng)用場合。

為了最大化消除采集ECG信號的基線漂移，使用由C4x、R5x和OPA2604構(gòu)成了截止頻率為0.05 Hz的高通濾波器。OPA2604運放具有超低諧波失真、低噪聲及高增益帶寬等特點，適用于高保真AC系統(tǒng)和對動態(tài)表現(xiàn)要求較高的信號調(diào)理場合，本設(shè)計的濾波器子單元是基于OPA2604的有源濾波器。

對于50 Hz的工頻干擾，由R2x、R6x、R7x、R8x、C5x、C6x、C7x、C8x、U2xA、U2xB構(gòu)成了雙T陷波電路，該雙T網(wǎng)絡(luò)引入U2xA形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大。品質(zhì)因數(shù)由R9x和R10x共同決定。

EMG信號主要集中在30 Hz及以上的頻段，為了消除EMG對ECG信號的干擾，需對這部分信號進行濾除。但如果在Holter ECG系統(tǒng)里直接使用截止頻率為30 Hz的濾波器，則會導(dǎo)致信號的畸變，主要表現(xiàn)在對P波和T波的影響。因此，低通的濾波器通常選擇截止頻率為100 Hz。由U2xC和U2xD構(gòu)成了帶通濾波器，將通帶頻率控制在0.05～100 Hz。

圖3 濾波電路原理圖

圖4 濾波電路的幅頻及相頻響應(yīng)

圖3所示為3個通道中的一個通道的濾波電路(axis X)，另外兩路(axis Y和axis Z)在信號調(diào)理電路中的濾波器相類似。由于系統(tǒng)中設(shè)計了共用通道—Body通道，使每個通道的信號是基于-V和+V兩個電極而獲得，這也是心向量圖弗蘭克(Frank)導(dǎo)聯(lián)體系的用法。

4.3 設(shè)計分析

濾波電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖4所示。

由圖4可見，該濾波電路幅頻響應(yīng)在通帶0.05～100 Hz內(nèi)很平滑，能有效地讓ECG信號通過，在通帶之外信號迅速衰減，在50 Hz處有效地濾除了工頻干擾，并有較為狹窄的阻帶寬度，達到了ECG信號的采集標(biāo)準(zhǔn)。該電路用在Holter ECG采集系統(tǒng)中，能夠有效地過濾各種信號干擾，獲得較為“干凈”的ECG信號。

5 結(jié)語

本文介紹一種用于Holter ECG采集系統(tǒng)的高精度濾波器設(shè)計方案，使用儀表放大器AD8220作為前置放大器，有源濾波器單元使用具有較好動態(tài)表現(xiàn)的OPA2604運放。該濾波器在實際使用中表現(xiàn)出低噪聲、高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點，滿足了Holter ECG采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高精度的設(shè)計需求，具有一定的實用價值。

[1]Waller AD. A demonstration on man of electromotive changes accompanying the heart's beat[J].Ann Noninvasive Electrocardiol,2004,9(2):189-191.

[2]Van Mieghem C, Sabbe M, Knockaert D. The clinical value of the ECG in noncardiac conditions[J].Chest,2004,125(4):1561-1576.

[3]李仁立,王琳.心律失常臨床診治[M].北京:科學(xué)出版社,2001:21-25.

[4]Braunwald E. Heart disease: A textbook of cardiovascular medicine[M].5th ed. Philadelphia:W.B.Saunders Co,1997.

[5]Kansas City University of Medicine Biosciences.ECG Primer: The Normal ECG[OL].2012,[2012-05-12]. http://courses.kcumb.edu/physio/ecg%20primer/ ecgnormal.htm#P-wave.

[6]De Luca G. Fundamental concepts in EMG signal acquisition[M].2th ed.Delsys Inc,2003.

[7]James S Cohen, James Cohen.Electrocardiogram (ECG)[M].2005.

[8]應(yīng)懷樵,董書偉.信號處理中“奇妙”的混疊現(xiàn)象[D].杭州：第二十屆全國振動與噪聲高技術(shù)及應(yīng)用會議,2007.

[9]Company-Bosch E, Hartman E. ECG front end design is simplified with MicroConverter[J]. Analog Dialogue,2003,37(11):75-79.

[10]Toral SL,Quero JM,Perez EM,et al.A microprocessor based system for ECG telemedicine and telecare[J].Materials Research Society Symposium-Proceedings,2001,626(4):526-529.

Design of a filtering circuit in high definition Holter ECG system

LIU Fu-bin, ZHANG Zhi-qiang

Objective: To introduce an analog signal filtering circuit design for the high resolution Holter monitoring system. Methods: In this circuit design, AD8220 was used as the preamplifier, and OPA2604 used as the core of the active filter circuits. Anti-aliasing filtering and Double-T notch filtering technology were also used. Results: The problems of aliasing and noise interference in ECG acquisition were well solved. Conclusion: It effectively improves the accuracy of ECG signals before AD conversion, and significantly reduces the influence of noises on ECG signals while applied in the high resolution Holter monitoring system. It meets the needs of stability and high precision in the system, and has certain practical value.

Electrocardiogram; Holter; Filter circuit; Anti-aliasing; Noise interference

General Hospital of Jiangsu Provincial Armed Police Forces, Yangzhou 225003, China.

1672-8270(2012)08-0012-04

TH772.4

A

劉福彬,男,(1964- ),本科學(xué)歷,工程師。武警江蘇省總隊醫(yī)院設(shè)備科科長，從事醫(yī)療設(shè)備管理與維修工作,在心電便攜式設(shè)備維護與開發(fā)上有所專長。

2012-03-27

①武警江蘇省總隊醫(yī)院設(shè)備科 江蘇 揚州 225003

②武警總醫(yī)院器械材料科 北京 100039

*通訊作者：tonyzhan77@163.com

China Medical Equipment,2012,9(8):12-15.