精确心电图ECG信号处理的简单介绍

心电图(ECG)是用来捕捉心脏在一段时间内情况的反映，它通过外部电极连接到皮肤转换成电信号来采集。心脏外面形成的每个细胞膜都有一个关联电荷，它在每次心跳期间去极化。它以微小电信号的形式出现在皮肤上，可以通过心电图探测到并放大显示。

早在1900年Willem Einthoven就发明了第一台实用的心电图。该系统很笨重，需要很多人去操纵它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有电解液的大型电极中。今天的心电监护设备结构紧凑，携带方便，这样病人走动时也可以带着。家用十二导联心电图可以装在口袋里。

心电图基础：

文中这个关于心电图的术语“导联（lead）”，指的是两个电极间的电压差，这就是设备记录下来的差异。例如，“Lead_I”是左臂和右臂电极之间的电压。Lead_I和Lead_II都指的是肢体导联。V1-V6指的是胸部导联。心电图追踪V1就是Vc1电压(胸部电极的电压)，和Lead_I，Lead_II ，Lead_ III的平均电压之间的差别。一个标准的十二导联心电图系统包括八个真实数值和四个派生值。表1给出了各种导联电压（真实的和派生的）的简介。

这是一个真实导联，显示在心电图轨迹中。

表1：导联名称及心电图记录位置。

一个典型的心电图波形如图1所示。X轴表示时间刻度。在这里每格(5毫米)对应的是20毫秒。Y轴显示的是捕获信号的振幅。Y轴上每格(5毫米)对应的是0.5 毫伏。(10毫米/毫伏及25毫米/秒)

图1：典型的心电图波形。

心电图特点：

心电图系统设计的第一步包括，了解需要获取的信号种类。心电图信号包括存在于高偏置和噪声的低振幅电压。图2显示了心电图信号的特点。系统里存在高偏移，由于电极产生的半个细胞电压。Ag/AgCl (银-银氯化物)是心电图系统里最常见的电极，它的最大偏移电压为 / -300mV。实际期望的信号为 / -0.5mV叠加在了电极偏移上。此外，系统还会合上来自电源线的50/60Hz噪声，形成共同模式的信号。电力线噪声的幅度有可能非常大，需要对其进行滤波。

图2：要获得的心电图信号特点。

心电图采集

模拟前端处理是心电图系统的重要组成部分，因为它需要区分噪声和期望信号（振幅很小）。模拟前端处理电路包括一个测量放大器，从而降低普通模式的信号。测量放大器工作在 / -5V，通常是用来加大的输入电压范围。这个测量放大器应具备高输入阻抗，因为皮肤的阻抗可能是非常大的。需要运算放大器来作为心电图设备的信号处理。心电图采集系统的信号链包括测量放大器、滤波器（可通过运放实现）和ADC。

心电图滤波

信号处理是一项巨大的挑战，因为实际的信号为0.5mV，它处在一个300mV偏移量的环境里。其他因素如交流电源干扰，外科设备的射频干扰，手术植入的设备如起搏器和生理监测系统也会影响精度。心电图里噪声的主要来源是

基线漂移(低频噪声)
电力线干扰(来自电力线的50 Hz或60 Hz噪声)
肌肉噪声(这种噪声是很难被清除，因为它是在同一地区的实际信号。它通常是在软件里纠正。)
其他干扰(例如，来自其他设备的射频噪声)
共模噪声去除

干扰通常表现为经过差分放大器两端的共模噪声。这种噪声可以通过以下方法去除：

尽可能的把前端接地电路和数字系统隔离。高效的系统级设计是总体噪声抑制能力的关键。
使用具有很高共模抑制比（大于100dB）的测量放大器