基于AD8221的單電源心電信號采集方法

這個電阻應當選用高精度、低溫漂的金屬膜電阻，以保證AD8221的低噪聲性能。AD8221的REF管腳沒有接地，而是和一個低通濾波器構成 負反饋回路，以便能有效地濾除直流分量，從而使U1處的電壓始終箝位在1.25V。因為是單電源供電，而不同導聯的心電信號電壓有正有負，所以一定要提供一個合適的箝位電壓。ADuC7020的AD轉換模式下電壓輸入范圍是0-2.5V，這里就選擇中間值1.25V作為箝位電壓。

AD8221輸出的單端信號幅值非常小，其中還混有大量干擾，無法進行數據處理。后級濾波放大電路由一個增益較大的有源低通組成，增益可調。不同人的心電信號強弱不一樣，考慮到有衰減，一般將該增益設為150倍。系統的傳遞函數為：

這兩個低通濾波器都要求具有低電壓偏移、低溫漂和低噪聲特性，ADI公司的軌到軌輸入輸出雙運放AD8607能夠很好地滿足這些要求。由于第二級放大器是反相端輸入，所以最后得到的信號是反相的，這可以在軟件中再作處理。

從保護病人和提高系統的共模抑制比兩方面考慮，必須將共模信號反相并放大后，再反饋給人體，這樣系統和人體就共同構成了一個電壓并聯負反饋網 絡，即通常所說的右腿驅動電路。由ADuC7020對處理后的心電信號進行AD轉換，選擇定時器控制的ADC采樣模式。一次A/D轉換結束，觸發ADC中斷，在中斷服務程序中對數字信號進行處理。

處理心電數字信號的關鍵是對心電信號中QRS復波的精確識別。正常人的QRS波群的寬度為0.06至0.10秒，且不受心律變化的影響。針對R 波很尖銳的特點，我們通過一個滑動時間窗判斷信號峰、谷是否滿足要求，同時確認其是否在時間窗內。對信號幅值的閾值采用雙可變閾值法，即對波形設置波峰閾值和波谷閾值。如果峰閾值和谷閾值在一段適當時間內有較大變化，則重新設置峰閾值和谷閾值。下面我們將對QRS復波定位和心律計算進行討論。對起始一段時間的信號只進行反相和濾波處理，這是為了將倒置的心電信號恢復過來，并避免信號初期的波動影響閾值。然后在一定的時期內，根據采樣得到的數據設置峰閾值 Thpeak 和谷閾值THtrough，然后對QRS波進行定位。最后，按以下步驟(見圖3)進行數據處理。

圖3：數據處理的基本步驟

讀取新采樣點Ni：

1)判斷采樣的信號點幅值是否大于峰閾值Thpeak。如果不滿足，則回到第1)步。

2)如果滿足條件，則開始計數n＝1，并記錄n值為peaktime1。將時間窗的起始邊滑至此處。

3)繼續采樣Ni+1，每采樣一次則n＋1。

4)判斷新的采樣點Ni+1是否小于谷閾值。如果不滿足，則回到第4)步。

5)如果滿足采樣點小于谷閾值Thtrough，則記錄該點的n值為troughtime1。

6判斷這兩次滿足幅值要求的信號點時刻troughtime1和peaktime1之差是否在時間窗內，即是否小于窗寬度THtime。如果不小于THtime，則回到第1)步。

7)如果滿足，則這段信號被認為是一個QRS波群。Peaktime1就被定位為一個R波。

有了定位的R波，就可以在此基礎上按以下步驟統計心率：1)找到第一個R波，并記錄n值為peaktime1；2)找到第二個R波，并記錄n值為peaktime2；3)按照以下公式計算心律。

實踐證明，采用這種算法計算得到的心律準確率高、計算簡便、易于實現，并最終在PC機上觀察到心電信號波形和心律值。