心電圖儀設計方案與細分領域應用綜述

此處描述的是最常用的12導聯系統，但不是唯一方案。另外，12導聯ECG也可以作為5導聯、3導聯或1導聯系統使用。關鍵是當需要不止1個導聯時，需要開關陣列和均值電路。

模擬前端(AFE)

AFE的主要功能是將心電信號數字化，由于需要抑制RF信號源、起搏信號、導聯脫落檢測信號、工頻共模信號等強干擾以及其他肌體信號和電子噪聲的干擾，處理過程非常復雜。另外，毫伏級的心電信號可能疊加在數百毫伏的直流失調電壓上，加上通道間的共模電壓，可能超過1 V。連接到患者身體的電極一定不能產生電擊危險或干擾到連接在病人身上的其他醫療儀器。ECG的有效頻率范圍某種程度上與應用有關，通常在0.05 Hz～100 Hz之間。

AFE的第二個功能是能夠檢測起搏信號、導聯脫落、呼吸頻率和患者阻抗，檢測工作在幾個通道上同時或幾乎同時進行。另外，心臟除顫時，多數ECG設備需要快速恢復，但由于心臟除顫會導致前端電路和充電電容飽和，這些容性耦合電路會延長恢復時間。

AFE架構

AFE架構對系統性能影響很大，下面描述的增強型架構，由于采用了高精度、高速ADC(模/數轉換器)，從而在較寬的頻率范圍內提供高保真。沒有采用電容耦合，而是通過DAC(數/模轉換器)作為RL驅動，使AFE可以從除顫或射頻干擾中快速恢復。數字化起搏信號允許對起搏數據進行分析，從而減少錯誤的起搏指示，甚至可以檢測起搏器或連接部分的缺陷。另一方面，還要考慮到增強系統需要昂貴的元器件，耗電也很大。相比之下，簡化型AFE價格便宜，電池壽命也更長，其他特性差異則很小。

增強型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如圖3所示)滿足ECG測試要求，可以同時量化9個電極信號，在200 kS/s采樣率下的無噪聲精度可達20位。然后用數字信號處理器(DSP)計算每個導聯信號，隔離起搏信號、導聯脫落信號和呼吸信號，并濾除干擾頻率信號。DSP還計算數/模轉換器(DAC)驅動RL電極所需要的信號強度。這種AFE架構需要模/數轉換(ADC)器的各個通道高度匹配。另外，還需要緩沖器隔離ADC采樣電容和高阻電極。這種方案雖然滿足了測量指標要求，卻不能滿足多數應用的成本和功耗要求。

簡化型AFE：低端AEF系列的特性是單通道、消費類ECG。這些設備的AFE采用電容耦合電路，將輸入信號耦合到一個低通差分放大器，再饋送給10位、 120 S/s采樣率的ADC。電容耦合電路可以去掉輸入的直流失調，低通濾波器濾除起搏信號。這些設備通常采用電池供電，且只有一個通道，因此沒有共模電壓。

典型的ECG設備AFE：大多數ECG設備采用的電路介于上述兩者之間。儀表放大器(IA)常用來抑制共模電壓，消除諸如工頻干擾的共模噪聲，并為 ADC的采樣電容提供緩沖，后續濾波器可以濾除起搏信號和脫落檢測信號，然后送到ADC進行采樣、數字轉換。某些情形下，心電信號和直流失調會通過一個高精度ADC直接進行數字轉換。其他情形下，則會采用高通濾波器或DAC去除直流失調，從而可以使用典型的12位精度ADC，對放大后的心電信號進行采樣、數字轉換，如圖4所示。每個通道可以配備一個ADC，也可以多個通道共用一個ADC進行數字轉換。ADC復用則在通道間引起微小的時間偏差，其接受程度取決于具體應用。如果需要檢測起搏信號，則可用高通濾波器提取，然后放大，再用比較器電路進行放大和檢測。

ECG設備類型遙測型ECG

遙測型ECG系統用于臨床環境下流動患者的連續監測，它包括一個置于患者端、帶無線(RF)收發功能的ESG和一個中心站，通過無線接收采集并分析患者的監測數據。有些遙測系統還提供額外數據(例如血氧值)，這些數據用來驗證治療效果或調整治療方案，并對即可能發生的問題告警。

許多遙測系統只有5個導聯，如果用滿12個導聯的話，則難以應對病員的流動性。通常，患者會連續幾天使用設備，因此此類設備多采用一次性電池。其他 ECG也能增加遙測功能，不過“遙測ECG”專指在醫院內部可移動攜帶并能發送數據到本地接收站的移動單元。對于此系統的設計，關鍵要考慮低功耗、低噪聲和小尺寸。

霍爾特(Holter)監護儀

紐曼·霍爾特博士發明了移動監護儀對數據進行采集并上傳到其他系統進行分析。與遙測型設備不同，這些監護儀不需要中心接收站，可以用于家庭、戶外乃至任何地點。對于Holter ECG監護儀，因為12導聯監護儀不便移動，多數情況下導聯數不會超過5個。一般用存儲卡從監護儀轉移數據，當然，也可以用USB盤或其他方法。多數患者只需要監測1～2天，當需要患者參與某些藥理研究時，則使用特殊的長期監護儀，患者可能需要使用一年甚至更久。Holter ECG監測儀設計的主要要求也是低功耗、低噪聲和小尺寸。

消費類ECG

這類低端ECG可以方便地固定在手臂上，人們在家里就可以進行ECG檢查，這些儀器能夠保存數據并顯示在內置屏幕上。數據也可以傳送到計算機或通過電話線傳送到康復中心。有些儀器有掛接多個電極，有些則只是在機殼上安裝了兩個電極。內置電極可以壓在胸部，或者把兩手分別放在兩個電極上。由此得到的心電圖可能質量不是很好，卻為人們在異常時監護自身狀況、采集心電數據提供了一個有效途徑。對消費類心電儀的設計主要著眼于廉價和小尺寸。

自動體外除顫器(AED)

為了在公眾場合應對一些突發事件，大多在公共場所(如大型購物中心、健身房以及辦公室等)都會安裝AED設備。在心臟病發作時可以立即采用這些設備，對胸部釋放一個高能量的電脈沖，起搏心臟并使之恢復到正常心率。如果使用時機不當，脈沖沖擊會造成生命危險，因而，ECG在功能上必須能夠防止這種意外發生。AED一般只有1個導聯，其電極既用來釋放高壓脈沖，也用來采集心電信號。AED設備原理框圖如圖5所示。

AED可能數月或數年擱置不用，而使用這些設備的往往是沒有經過專業培訓的人員，設備即使存在問題，他們也無從知道。需要使用AED時，要先開機、進行一系列自檢確認功能完好無損，然后再運行一小段時間。所有心電數據以及除顫信息，需要記錄下來，用于隨后分析。使用有問題的AED弊大于利，因而可靠性和自診斷能力是AED設計首先要考慮的。

診斷型ECG

診斷型ECG設備用于醫院和醫生辦公室，提供高質量ECG檢測，可以測試全部12導聯的ECG，并創建硬拷貝輸出。這些設備使用高性能AFE，通常可以通過調整增益、選擇適當的濾波器來提高ECG檢測質量。由于體積較大很少移動，這些設備有空間實現更多功能，例如內置打印機、各種通信接口、大尺寸顯示屏等。它們一般使用交流電源，通常也帶有可充電電池用作備份。設計診斷型ECG的關鍵在于低噪聲、高抗干擾能力和靈活性。

病人監護儀

病人監護儀用于監測生命體征(脈搏、呼吸速率、血壓及體溫等)，另外也具備ECG功能，同時還可以監測血氧、二氧化碳水平。把這些功能整合成一臺設備，可以使手術室更為簡潔，使用也更為方便。病人監護儀的AFE類似于診斷型ECG，但要滿足射頻(RF)抑制要求，因為在手術期間，會受到電子刀和氬離子凝固術(APC)設備的高強度RF干擾。另外，能夠從心臟除顫操作中迅速恢復也是這類AFE的基本要求。由于病員監護儀采用交流供電，也配有備用電池，所以功耗也是重要指標。外殼必須能防濺水并便于清潔，當然這會影響冷卻通道，因此還要考慮散熱問題。除了功耗和散熱外，設計病人監護儀的關鍵在于RF抑制和低噪聲指標。