精確心電圖(ECG)信號處理

心電圖(ECG)是用來捕捉心臟在一段時間內情況的反映，它通過外部電極連接到皮膚轉換成電信號來采集。心臟外面形成的每個細胞膜都有一個關聯電荷，它在每次心跳期間去極化。它以微小電信號的形式出現在皮膚上，可以通過心電圖探測到并放大顯示。

　　早在1900年Willem Einthoven就發明了第一臺實用的心電圖。該系統很笨重，需要很多人去操縱它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有電解液的大型電極中。今天的心電監護設備結構緊湊，攜帶方便，這樣病人走動時也可以帶著。家用十二導聯心電圖可以裝在口袋里。

　　心電圖基礎：

　　文中這個關于心電圖的術語“導聯(lead)”，指的是兩個電極間的電壓差，這就是設備記錄下來的差異。例如，“Lead_I”是左臂和右臂電極之間的電壓。Lead_I和Lead_II都指的是肢體導聯。V1-V6指的是胸部導聯。心電圖追蹤V1就是Vc1電壓(胸部電極的電壓)，和Lead_I，Lead_II ，Lead_ III的平均電壓之間的差別。一個標準的十二導聯心電圖系統包括八個真實數值和四個派生值。表1給出了各種導聯電壓(真實的和派生的)的簡介。

　　導聯名稱計算注釋

　　這是一個真實導聯，顯示在心電圖軌跡中。

　　表1：導聯名稱及心電圖記錄位置。

　　一個典型的心電圖波形如圖1所示。X軸表示時間刻度。在這里每格(5毫米)對應的是20毫秒。Y軸顯示的是捕獲信號的振幅。Y軸上每格(5毫米)對應的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

　　圖1：典型的心電圖波形。

　　心電圖特點：

　　心電圖系統設計的第一步包括，了解需要獲取的信號種類。心電圖信號包括存在于高偏置和噪聲的低振幅電壓。圖2顯示了心電圖信號的特點。系統里存在高偏移，由于電極產生的半個細胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統里最常見的電極，它的最大偏移電壓為+ / -300mV。實際期望的信號為+ / -0.5mV疊加在了電極偏移上。此外，系統還會合上來自電源線的50/60Hz噪聲，形成共同模式的信號。電力線噪聲的幅度有可能非常大，需要對其進行濾波。

　　圖2：要獲得的心電圖信號特點。

　　心電圖采集

　　模擬前端處理是心電圖系統的重要組成部分，因為它需要區分噪聲和期望信號(振幅很小)。模擬前端處理電路包括一個測量放大器，從而降低普通模式的信號。測量放大器工作在+ / -5V，通常是用來加大的輸入電壓范圍。這個測量放大器應具備高輸入阻抗，因為皮膚的阻抗可能是非常大的。需要運算放大器來作為心電圖設備的信號處理。心電圖采集系統的信號鏈包括測量放大器、濾波器(可通過運放實現)和ADC。