ECG系統(tǒng)原理和典型架構(gòu)

心電圖(ECG)系統(tǒng)通過測(cè)量活組織表面電位來記錄心臟在一段時(shí)間內(nèi)的電性活動(dòng)。它使用生物電位電極來拾取身體特定部位的心臟信號(hào)，兩個(gè)電極間的差分電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差分電壓可在測(cè)量后顯示為ECG輸出上的一個(gè)通道。

模擬前端(AFE)的主要功能是將心臟信號(hào)數(shù)字化。由于需要抑制來自強(qiáng)射頻源、起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落信號(hào)、共模頻率、其他肌肉信號(hào)及電噪聲的干擾，該過程十分復(fù)雜。通常，AFE包括儀表放大器(INA)、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ECG架構(gòu)設(shè)計(jì)方法有兩種：交流耦合和直流耦合。

ECG系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和主要挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)ECG系統(tǒng)時(shí)，需要克服各種挑戰(zhàn)，例如安全、共模抑制、直流偏置、RFI(射頻干擾)/EMC(電磁兼容性)、輸入保護(hù)和等效輸入噪底。

• 優(yōu)先考慮與患者和操作員安全相關(guān)的交流主電源隔離，以及與患者電極粘附相關(guān)的源電流或吸電流。確保不存在能產(chǎn)生流經(jīng)患者的電流超過10 μA rms的常態(tài)或單一故障條件路徑。確?；颊唠娐返闹绷骷暗皖l隔離達(dá)到交流主電源的10次諧波及以上。確保患者與接地之間至少5000 V的隔離。

• 標(biāo)準(zhǔn)要求指定測(cè)試的共模抑制比(CMRR)稍低于100 dB，某些臨床用途要求120 dB。“右腿驅(qū)動(dòng)”等技術(shù)有助于降低INA的CMRR要求，但仍需要仔細(xì)整體考慮元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 粘附于皮膚的電極產(chǎn)生的直流偏置電壓可高達(dá)±300 mV。測(cè)量幅度僅有幾mV的目標(biāo)信號(hào)時(shí)，該直流偏置電壓會(huì)有很大影響。

• 系統(tǒng)不能受到附近其他符合AAMI、ISO和IEC標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備的影響。系統(tǒng)也不能經(jīng)交流主電源或其他“外部電纜”發(fā)出或“傳導(dǎo)”超過IEC60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)的輻射。

• 有必要保護(hù)ECG前端系統(tǒng)受到因環(huán)境和人為瞬變?cè)斐傻膿p害，例如除顫器保護(hù)和靜電放電(ESD)。

• 在20秒或更長周期內(nèi)，于0.05 Hz至150 Hz帶寬上測(cè)量的μV(峰峰值)輸入噪底限制常常是一大挑戰(zhàn)。需要采用各種硬件和軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)所需噪底。

ECG功能框圖

ADI公司為ECG設(shè)計(jì)提供種類齊全的高性能線性、混合信號(hào)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、放大器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、MEMS慣性傳感器、隔離器和電源管理產(chǎn)品擁有領(lǐng)先的設(shè)計(jì)工具、應(yīng)用支持和系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)作為后盾。

直流耦合式動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)儀

交流耦合式動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)儀

消費(fèi)級(jí)

交流耦合與直流耦合的比較

ADI設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)級(jí)12導(dǎo)聯(lián)ECG演示系統(tǒng)

分立元件(信號(hào)鏈)

分立元件(電源鏈)

安全考慮

如果電路板和PC采用交流供電，請(qǐng)勿將電路連接到人體。如果需要進(jìn)行實(shí)際的人體ECG測(cè)試，電路和PC應(yīng)采用電池供電，且確定無交流電接入。50 Hz或60 Hz交流電造成的漏電流如果流經(jīng)人體，可能會(huì)致人死亡。即使電流可能非常小，但仍然具有致命危險(xiǎn)。安全標(biāo)準(zhǔn)允許的60 Hz漏電流為10 μA。此外，如果電路采用電池供電，但同時(shí)也有示波器連接到電路，將此電路與人體相連，那么仍然會(huì)有交流漏電流流入人體。

推薦的方法是使用心臟仿真器代替。向客戶提供醫(yī)療電路的危險(xiǎn)在于，即使采用電池供電，客戶仍有可能將一個(gè)示波器連接到電路，導(dǎo)致電路接地，產(chǎn)生不安全狀況。