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发表于 前天 23:20 | 查看: 11| 回复: 0

心电信号是人体心脏的细胞膜产生的电势差。心房和心室肌在静息状态下,由于细胞内外离子(K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Cl⁻等)浓度差异而处于“极化状态”。当受到自律细胞传来的激动时,极化状态暂时瓦解,这一过程在心电图上称为“除极”(少数称“去极”),继而产生电活动。心房肌的除极表现为P波,心室肌的除极表现为QRS波群。除极之后,心肌恢复原来的极化状态,称为“复极”。复极过程远比除极缓慢,且振幅较低。心房的复极在P-R段上通常不明显(仅在右心房扩大时轻微压低),心室肌复极则表现为ST段和T波。细胞膜电位变化如下图所示。

神经细胞静息电位示意图

细胞膜激动时的电位变化如下图。

细胞膜动作电位各期离子流动与膜电位变化

在除极过程中,Na⁺内流,K⁺外流,形成反向电势差,电位突变产生脉冲信号,并沿传导系统传播形成电流。传导完成后,细胞膜复极,缓慢恢复至初始状态。

单细胞动作电位与心电QRS波对应关系

从体表采集到各心肌细胞的动作电位叠加后,形成如下所示的心电信号。

心脏传导系统各部位动作电位与ECG波形

叠加后的信号即为QRS波群,如下图所示。

正常心电图P-QRS-T-U波群

心电信号的主要特点:

  • 频率:0.1~200 Hz
  • 电压:0.1~2 mV
  • 阻抗:10~30 kΩ

每个心动周期由一系列规律波形组成,包括P波、QRS复合波和T波,这些波形的起点、终点、波峰、波谷及间期详细记录了心脏活动状态,为心脏疾病诊断提供依据。正常心动周期约0.80 s,即ECG信号周期约为0.80 s。

  • P波:由心房激动产生,后一半主要由左心房产生。正常历时0.08~0.11 s,波形小而圆。
  • QRS复合波:反映左右心室去极化过程的电位变化,是变化最激烈的波段。由向下的Q波、向上的高尖R波、向下的S波组成,历时0.06~0.10 s,幅度变化较大。
  • T波:代表心室复极的电位变化,为S波后振幅较低的波形,偏平状。在以R波为主的心电图上,T波不应太低。
  • U波:位于T波之后,代表心室后继电位,方向与T波一致,幅度更低,有时不明显。

同时,ECG信号还可分为若干典型间期和段,如P-R段、P-R间期、QRS间期、S-T段和Q-T间期。

测量原理

采集人体体表信号时,以心脏为中心,体表为2D肢体导联平面,额面为2D胸导联平面进行信号采集,如下图所示。

标准12导联心电图的电极位置与Heart视图

12导联包括6个肢体导联(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF)和6个胸导联(V1~V6)。肢体导联又分为标准双极导联和加压导联。

心电信号为矢量信号,由两点间电势差产生。标准双极导联的测量原理:

  • I: LA - RA
  • II: LL - RA
  • III: LL - LA

可得:II = I + III。

标准双极导联连接方式如下图。

标准双极肢体导联电极接线示意

加压导联连接位置如下图所示。

加压肢体导联电极位置与计算公式

加压导联可由标准双极导联推算:

  • aVR:RA - (LA+LL)/2 = (I+II)/2
  • aVL:LA - (LL+RA)/2 = I - II/2
  • aVF:LL - (LA+RA)/2 = II - I/2

加压导联采集到的电信号如下图。

加压肢体导联波形示意

正常肢体导联心电信号如下。

标准12导联心电图中肢体导联波形

胸导联测量方式见下图。

胸导联电极放置位置与对应心电图波形

胸导联将LA、RA、LL电压平均形成威尔逊中心点(WCT),再与胸部电极差分产生信号。正常胸导联信号如下。

胸前导联V1-V6典型心电波形

胸导联测量公式:

  • Vx:V[x] - (LA+RA+LL)/3

若已知I、II导联,可推出V导公式:Vx = (V[x]-RA) - (I+II)/3,因此可通过采集Vx' = V[x]-RA,并与I、II计算获得。

通常,右心房在aVF导联中展示最佳,右心室在II导联展示最佳。多数心电图系统不采用三路同步检测,左心室导联最难捕获,有时最好使用某个V导联进行检测。

ECG噪声来源

心电信号是一种非平稳、非线性、随机性较强的微弱生理信号,幅值约为毫伏级,频率在0.05~100 Hz之间。

主要干扰如下:

  • 基线漂移:一般由呼吸和电极滑动引起,频率低于1 Hz,表现为缓慢变化的类正弦曲线,对ST段识别影响较大。基线漂移频率极低(主要分量约0.1 Hz),而P波、T波及ST段频率也很低(0.5~10 Hz),两者频谱接近,消除噪声时难以避免心电成分损失。

基线漂移信号示意

  • 肌电干扰:由人体肌肉颤抖产生不规则高频电扰动,频率范围10~1000 Hz,严重时集中在10~300 Hz,类似瞬时高斯零均值白噪声。

肌电干扰波形示意

  • 工频干扰:主要源于工频电源及环境电磁场辐射,频率50 Hz或60 Hz,表现为周期性细小波纹,频率成分以基波和谐波为主。

工频干扰波形示意

各干扰的滤波说明:

  • 基线漂移:由于ST段频率很低,无法使用低通滤波器去除。
  • 工频干扰:可通过硬件滤波和软件滤波实现,使用50 Hz和60 Hz陷波器。

其他干扰还包括电极位移干扰、电极接触噪声、电刀干扰(高频干扰,频率约100 kHz~1 MHz,幅值约为心电峰峰值的200倍,持续1~10 s)等。

去噪声可采用模拟硬件滤波和数字滤波结合:

  • 基线漂移:模拟高通滤波器可初步抑制;软件上可采用滤波法、分段三次函数纠正法、分段抛物线纠正法、IIR线性相位滤波器和小波变换等。
  • 肌电干扰:通常采用四点平滑数字滤波算法。
  • 工频干扰
    • 右腿驱动电路可将工频干扰衰减至1%以下;
    • 带阻陷波器中心频率设为50 Hz;
    • 数字平滑滤波;
    • Levkov滤波、NOrcll滤波、多阻带陷波器、零相位滤波和自适应滤波等数字滤波器。
  • 电极接触噪声和移位干扰:检测前清洁皮肤并使用一次性电极即可消除,无需额外电路。
  • 高频仪器噪声:电刀干扰频率很高,可使用高通滤波器,导联线中埋入电感以滤除高频干扰。

此外,在电路设计时,为模拟前端(特别是前置放大器)增加屏蔽罩可显著减少干扰。

TI关于ECG的视频介绍可参考相关资料。

ECG信号提取——前置滤波电路

ECG信号微弱(mV级)且存在大量干扰,采集信号时需经滤波放大后送入ADC。滤波高频和工频噪声需使用低通滤波器和陷波器,有时还需高通滤波器抑制低频噪声。处理后有两种方案:

  • 放大后进行ADC处理:信号放大数百倍以匹配ADC输入范围,适用于低分辨率ADC(如16位),多采用分立器件搭建。
  • 使用高精度ADC直接采样:直接获取微弱信号,采用高分辨率ADC(通常为Σ-Δ型,如24位),精度可达μV级,多使用集成器件。

ADC之前的信号调理称为模拟前端。

根据ADI资料,ECG信号采集方式可分为交流耦合和直流耦合。

ECG测量的基本电路框图如下。

心电信号采集与处理简化流程

其原理可参考ECG信号相关内容。

一般技术指标类似:

  1. 输入阻抗:≥5 MΩ
  2. 输入偏置电流:<2 nA
  3. 等效输入噪声:<30 μVpp
  4. 共模抑制比:50 Hz正弦信号时≥90 dB
  5. 耐极化电压:±300 mV
  6. 漏电流:<30 μA
  7. 频带:0.05~100 Hz

采集心电信号时,电极片贴于人体并连接至板卡,经过滤波、放大进入ADC,最终转换为电压信号。由于人体信号微弱且存在体电阻,电极片与皮肤间会产生极化电压;导联线通常为屏蔽线缆,过长会引入线缆阻抗,产生共模和差模电压,导致信号含直流量,影响放大电路输入。因此,前端电路须首先处理干扰、共模和差模信号,然后进行放大。

前置滤波多采用RC电路。根据ECG频率,心电信号截止频率设为0.1~200 Hz,通常将通带设置在此范围内即可。但心电监护参数还包括pace检测和呼吸波(呼吸阻抗测量)。

Note:
人体呼吸运动时,胸壁肌肉运动导致胸廓交替变形,肌体组织的电阻抗也交替变化,
变化量约为0.1~3 Ω,称为呼吸阻抗。

pace信号由起搏器产生,形态为脉冲信号,宽度0.1~2 ms,频率约500 Hz~1 kHz。呼吸阻抗测量通常使用10 kHz以上的交流载波。因此,前置滤波电路的截止频率需根据是否测量pace和呼吸波而设定为200 Hz、1 kHz、10 kHz、30 kHz、50 kHz等。

使用TI TINA进行RC仿真,电路如下。

RC低通滤波电路仿真原理图

仿真结果如下。

RC低通滤波器频率响应曲线

三者的-3 dB截止频率分别为2.37 kHz、88 kHz、4.8 kHz。第一个采用二级RC滤波,用于需要测量pace信号的情形;第二个采用一级RC滤波,兼顾pace和呼吸波测量;第三个采用一级RC滤波,仅测pace信号。可见对100 kHz以上信号皆有抑制作用。

抗高频干扰

ECG信号经导联线引入多类干扰。由于有效信号为低频,常使用低通滤波器滤除高频成分。RC滤波电路常见,为了增强滚降(高频衰减)性能,有时使用多级RC电路。一级RC衰减为20 dB/decade,二级则为40 dB/decade。

pace信号检测

不同标准对起搏器信号的幅度和宽度要求不尽相同:

  • AAMI EC11:1991/(R)2001/(R)2007
  • EC13:2002/(R)2007, IEC60601-1 ed. 3.0b, 2005
  • IEC60601-2-25 ed. 1.0b
  • IEC60601-2-27 ed. 2.0, 2005
  • IEC60601-2-51 ed. 1.0, 2005

IEC60601-2-27规定:设备须显示幅度为±2 mV至±700 mV、持续0.5~2 ms的起搏脉冲,显示幅度折合到输入端(RTI)不得小于0.2 mV。AAMI EC11则规定:设备须显示幅度2~250 mV、持续0.1~2 ms、上升时间<100 µs、频率100 ppm的脉冲;对于0.5~2 ms的脉冲,显示幅度不得小于0.2 mV。

pace信号中心频率约5 kHz,因此若需捕获pace信号,带宽不能太低。若不需要,可降至200 Hz。由于pace信号会被低通滤波器衰减,但pace脉冲可达100 mV,即使衰减仍较易检测;不过小幅度pace信号仍需后级放大,同时需抑制原始ECG信号以免干扰检测。这决定了硬件检测时需使用带高通特性的微分电路。

使用微分电路的优点:

  • 滤除原始心电信号
  • 检测脉冲上升沿和下降沿,而非电平
  • 隔离直流信号

仅检测脉冲形态,阶跃信号不能识别为pace。

Note:
最小pace信号:100 μs / 2 mV
最大pace信号:2 ms / 700 mV 或 2 ms / 250 mV

工作原理

具有放大功能的微分电路如下所示[^5]。

用于pace检测的微分电路原理图

高通截止频率由C1和R1决定,C2用于相位补偿,R2调节比例。C1作为“隔直电容”,通交流而阻直流,脉冲信号交流成分通过,直流被抑制。

后级使用双路阈值比较电路,检测上升沿和下降沿,如下图。

窗口阈值比较电路

使用2 mV/100 μs方波仿真简单的微分电路(高通滤波器),见下图。

微分电路仿真原理图

高通滤波后的波形

微分电路幅频响应

方波上升沿和下降沿均有电容放电现象,输出为斜波,下降/上升时间与RC有关。

比较电路分析:V1 > V2。当Vout > V1时输出低电平;Vout < V2时输出低电平;V2 < Vout < V1时输出高电平。平时输出高电平,因此检测的是“尖峰”。若放大倍数过高,尖峰可能被削顶。需关注尖峰宽度能否被比较器捕捉,以及过宽导致比较器持续高电平是否影响判断。

经高通后波形变为负向,中心电平为0 V。为方便单电源供电,需将电平抬升至0 V以上,放大至负电压时会强制拉低。假设运放3.3 V供电,偏置电压选1.65 V可保证最大输入范围。若最小信号放大A倍,则放大后输出电压为 A×±2 mV + 1.65 V。当A=825时,最小信号可放大至0 V和3.3 V,低电平时宽度稍大,可将放大倍数提高,因比较器可能无法捕捉窄脉冲。

完整仿真电路如下。

pace检测完整电路仿真原理图

设定阈值2.7 V / 2.3 V。对2 mV/100 μs脉冲进行时域仿真,结果见下图。

pace检测时域仿真结果

低于2.3 V时输出低电平,高于2.3 V时输出高电平。

幅频特性如下图。

pace检测电路幅频特性

最大放大倍数为44.38 dB = 165,最小电压为2.5 - 165×2 mV = 2.17 V,与仿真一致。

仿真原始文件见^6。

器件选择

阻容

使用1%精度电阻,并需进行最坏情况分析(WCA),查看最差情况下的阈值范围。

运放

小pace幅度仅2 mV,大信号为700 mV,采用放大电路放大斜波输入时,压摆率(SR)= V/t。因此需选用高带宽、高压摆率的运放;同时pace为高速信号,宜采用高速比较器,且轨到轨(rail-to-rail)输入输出。

第二种电路

完整电路采用双电源供电,能保证负脉冲信号的检测,如下图。

双电源pace检测电路原理图

仿真结果如下。

双电源pace检测电路时域响应

幅频特性如下图。

双电源pace电路幅频特性

最大放大倍数为46 dB = 200,最小电压为2.5 - 200×2 mV = 2.1 V,与仿真吻合。

仿真原始文件见^7。

第三种电路

使用单电源,但信号来源于PGA输出。基本电路如下图。

单电源pace检测电路

U2运放用作比较器,当VM2为负电平时无法放大,输出0(低电平),因此该电路只能检测pace信号的上升沿。R5为平衡电阻,等于R4 || R6 ≈ 4.1 kΩ。

VM2处信号的幅频特性如下图。

第三种电路VM2处幅频特性

最大放大倍数为48.48 dB = 265,最小电压为265×2 mV = 0.53 V,与仿真相符。

仿真原始文件见^16。

抗工频干扰

工频干扰来自交流市电。由于所有使用市电的设备均会与人体产生同频干扰,干扰经导联线进入系统。示意图如下。

人体与市电之间的耦合电容及干扰路径

市电网络与人体、人体与大地之间存在等效电容,交流分压在人体上产生与电网同频的微弱电流,称为“位移电流”。

以单导测量为例分析其影响,如下图所示。

位移电流导致共模电压示意图

位移电流 idb 产生共模电压 Vc = idb×ZG,共模电压为Vc,输入阻抗为Zin。两电极位置阻抗分别为Z1和Z2,Vout计算公式见下图。

干扰推导公式

输出先后为差模电压放大Gd倍、屏蔽电缆共模差压放大Gd倍、差分信号放大Gd倍。可见Vc对输出有影响,与运放CMRR、电极阻抗差异和输入阻抗有关。为减小影响,可采取以下措施:

  • 提高CMRR
  • 提高输入阻抗
  • 降低电极位置的阻抗差异

对于浮地设备,电缆也会引入干扰,如下图所示。

电缆分布电容引入的干扰

假定引线1电流为 id1,引线2电流为 id2,接地回路电流 = id1 + id2。因Z1和Z2不一致转变为差模电位:V+ – V- = id1 Z2 – id2 Z1 = id (Z2 – Z1)。为降低电缆干扰,可:

  • 降低电极位置阻抗差异
  • 降低 id,将屏蔽线接地

电缆分布电容C1、C2一般约为100 pF/m。

直接使用市电供电必然引入工频干扰。针对性措施包括:

屏蔽驱动

电缆干扰源于市电与电缆、电缆与地之间的等效电容(屏蔽线接地)产生感应电流(或电容分压),如下图所示。

屏蔽电缆中的共模电压

加入共模电压Vc的情况如下图。

共模电压通过分布电容导致差分电压

由于Rs、C不对称,进入运放的Uic1和Uic2不同,产生差模电压Uid,其产生原因如下图所示。

屏蔽线上因阻抗不对称引起的电流

屏蔽线上电压因Rs、C不对称而产生电流ic(即id),导致输入电压差异。计算公式如下图。

电流差产生差模电压推导

其分母为共模电压。

通过屏蔽驱动,将中心电平反馈至屏蔽线,使分布为心电信号,如下图。

屏蔽驱动原理图

最终分母变为Uid(Uic + Uid/2 - Uic = Uid/2),即心电信号,极大地降低了因分布电容和电阻不同导致的差模电压,消除了共模产生的差模电压。屏蔽驱动是将差分输出的中心电压经缓冲输出至屏蔽线。

右腿驱动

右腿驱动电路用以消除人体“位移电流”的影响。原理图如下。

右腿驱动电路原理图

人体位移电流产生的共模电压Vc经放大电路反向放大后输出Vo,其相位与Vc相反,从而达到抵消作用。等效公式如下图。

右腿驱动等效公式

具体工作原理可参考^8

通常将屏蔽驱动的输出作为右腿驱动的输入,进行反向放大。使用时需注意,屏蔽驱动和右腿驱动构成二级反馈闭环,系统存在稳定性问题。右腿驱动电路为放大电路,需做好相位补偿和稳定性分析。

TI提供了屏蔽驱动和右腿驱动的仿真电路,见^10

电气隔离

使用隔离变压器、隔离放大器、光耦等方式将市电与板卡隔离,可有效降低工频干扰。

等效输入阻抗

输入阻抗指电路输入端的等效阻抗,即在输入端加电压源U,测量输入电流I,输入阻抗Rin = U/I。对前级滤波电容有一定要求,需根据标准合理设置。标准要求单端输入阻抗大于2.5 MΩ(0.67~40 Hz,交流阻抗)。由于后级电路阻抗极高(100 MΩ以上),故输入阻抗主要由RC决定,即 Rf + 1/(2πfCf) ≥ 2.5 MΩ,则 Cf ≤ 1/( (2.5 M - Rf) 2πf ) ≤ 1/(2.5 M×2πf)。代入40 Hz得 Cf ≤ 1/(2π×40×2.5 M) ≈ 1600 pF,即使预留一倍空间也需≤800 pF(不考虑Rf时可算得更小)。故RC电路的电容总值不能高于1600 pF。

输入阻抗要求也限制了运放的选择,心电信号微弱且人体阻抗高,必须用高阻抗仪表放大器才能获得足够的分压。

ESD保护

在导联线接口处加ESD保护管对地或电源进行静电保护,有时还需TVS管钳位以保护后端放大器。ESD保护和TVS管选择需满足标准对人体漏电流的要求:单个电极流入人体的电流不超过0.1 μA,总电流不超过1 μA。因此保护管的反向漏电流必须低于0.1 μA。对于双电源结构,需正向和反向都进行保护。

抗除颤

除颤信号功率极大,会通过导联线进入系统。保护后端电路有两种方式:

  • 导联线接口埋入抗除颤电路
  • 板卡导联接口加装氖管

原理上都是尽量吸收除颤电流,前者通过电阻发热消耗,后者通过电容储能。

EC13关于除颤测试的电路如下图。

除颤测试电路

C=32 μF,L=25 mH,R+RL ≤ 11 Ω,RL为电感直流电阻。测试步骤:将电容充电至5000 V,S1置于A、S2闭合。放电时S1拨至B持续200±100 ms,然后断开电容以移除残余电压。两次放电网间隔20 s。

除颤电阻的选择

使用抗除颤电阻时,通过仿真^15计算电阻功率。仿真电路如下。

除颤电阻功率仿真电路

时控开关控制电源,可见抗除颤电阻R4上产生脉冲波形,产生脉冲电流和电压。峰值功率30 W,峰值电压1.72 kV,脉冲时间约20 ms。电阻须耐受此类条件。

波形近似三角波,需等效为脉冲方波(Datasheet中常给出脉冲方波与峰值功率对应曲线)。等效原理如下图所示。

脉冲波形等效脉宽原理

其他波形等效如下图。

不同T值下的波形响应

除颤脉冲响应波形及等效时间常数

示例中时间常数t=7.15 ms,故等效脉冲宽度T = t/2 = 3.575 ms。

峰值功率 P = (1.72 kV)^2 / 100 kΩ ≈ 29.6 W,仿真结果为30 W。

因此100 kΩ电阻需满足:1.72 kV / 3.575 ms脉宽的脉冲峰值功率达到30 W。若考虑60%降额,则脉冲电压需达2.87 kV,脉冲功率50 W。

详细可参考^11。

陶瓷气体放电管的选择

除颤脉冲峰值电压为5 kV,可选择陶瓷气体放电管(GDT)将电压降至几十伏,再通过钳位二极管钳位到电源电压。

当击穿电压超过系统绝缘耐压时,放电管击穿放电,短时间内限制浪涌电压;弧光放电时电压低至几十伏,可防止浪涌进一步上升。GDT电容通常为pF级。将仿真文件中的100 kΩ电阻替换为1 pF电容,仿真得到电容两端脉冲信号最大值约700 V/19.6 ms,该值为需考虑的脉冲击穿电压。

GDT最终电压约10~35 V,需考虑该电压与系统电压的差值导致的电流,若弧光放电持续会使GDT处于“短路”状态。在快速脉冲冲击下,气体电离需一定时间(0.2~0.3 μs,最快约0.1 μs),会有一个较高的尖脉冲泄漏至后级。抑制该尖脉冲的方法有:a) 在放电管上并联电容或压敏电阻;b) 后级串联电感或一段传输线使尖脉冲衰减;c) 采用两级保护,以GDT为第一级,TVS或半导体过压保护器为第二级,两级间用电阻、电感或自恢复保险丝隔离^14。

除颤仿真电路相同,GDT的脉冲击穿电压约600~800 V,直流击穿电压应高于系统电源电压,以免直流击穿导通。TVS管选择直流击穿电压作为反向击穿值,钳位电压为系统电源电压,防止GDT在直流条件下导通。

抗电刀

电刀干扰为几百kHz的高频干扰。常用做法是在电缆中埋入电感,使用低通滤波器抑制高频;同时电刀有辐射干扰,需给模拟电路甚至整块板卡加装屏蔽罩。

Reference

[^5]: Hardware Pace using Slope Detection
[^8]: Improving Common-Mode Rejection Using the Right-Leg Drive Amplifier

根据ADI文档,心电信号采集电路从信号链架构上可分为交流耦合和直流耦合。

交流耦合

交流耦合采用分立器件,利用电容隔直功能提取心电信号。基本架构如下图所示。

交流耦合架构流程图

信号经抗除颤、抗静电保护,低通滤除高频干扰后进入全差分放大器进行低倍放大,再经高通滤除低频干扰,接着高倍放大,最终送入低精度ADC。

由于采用隔直电容,对低频肌电干扰、工频干扰和基线漂移抑制较弱。高通截止频率通常设置在0.1 Hz左右,对50/60 Hz和1 Hz干扰无能为力,电路本身特点导致信号质量不佳。为提高信号质量,通常还需加入屏蔽驱动、右腿驱动电路,甚至需要构建威尔逊中心点(WCT)。

使用TI TINA搭建的仿真电路如下。

交流耦合系统级仿真电路

仿真考虑了皮肤阻抗、线缆分布电容、电阻,采用屏蔽驱动和右腿驱动。差分放大11倍,后级高倍放大80倍,总增益约880倍。耦合电容将前级直流耦合信号转为交流。

使用真实信号仿真的结果如下。

交流耦合电路输入输出波形

VG1为共模工频干扰,经屏蔽驱动和右腿驱动后输出反相波VF2,正好与VG1抵消,工频干扰被有效滤除。心电信号经前级匹配略有衰减,经后级放大后幅度达到2~4 V,符合常见ADC输入范围。

分析CMRR:将差分输入端短路,以VG1作为共模输入,扫描右腿电路中RG的参数(100 kΩ~10 MΩ),观察VF1频率特性,如下图所示。

不同RG值下CMRR的频率特性

可见对1 kHz以下信号,CMRR低于-100 dB,抑制能力很强。

稳定性仿真(去掉屏蔽驱动)如下。

交流耦合电路在某些条件下出现震荡

使用初始条件(1 mV)进行仿真出现震荡,说明右腿不稳。

对右腿增加相位补偿后,波形恢复稳定,见下图。

相位补偿后稳定的输出波形

稳定性分析采用[^4]的方法,与TI教程不同,后续可详细说明。结果如下图。

交流耦合的稳定性分析曲线

Aol与1/β的幅频曲线滚降差值小于40 dB/decade,系统稳定。相位补偿值可参考相关文献设定。

对于消费类电子,上述优化可省略,右腿驱动直接接地,对各肢体导联取信号,再通过加减法计算通道值。

简化交流耦合架构

ADI文档中的示意图如下。

ADI交流耦合电路示例

此类消费类方案对干扰抑制较弱,仅适用于平静且空旷的环境或家居场景。

交流耦合需将心电信号放大至MCU内部ADC识别范围,通常需800~1000倍甚至更高。放大倍数越高,噪声放大越严重,共模抑制比相应降低,低精度ADC转换后的信号质量也会下降。

直流耦合

直流耦合电路相对简单,经保护电路后直接低通滤波,进入集成芯片。

直流耦合架构流程图

集成芯片内部架构与交流类似,包含内部差分放大、WCT和RLD,但直流耦合不使用高通滤波器提取心电信号,而是直接获取包含直流的完整信号,通过算法实现基线纠偏、高频滤波等功能。

直流耦合内部采用Σ-Δ ADC,可达到很高位数(高精度),能获取μV甚至nV级信号。心电信号本身仅mV级,高精度ADC采样可准确获取信号,其余工作交由算法处理,极大降低硬件成本,效果还可提升。

直流耦合与交流耦合的比较如下表。

交流耦合与直流耦合对比表

当前大多数心电电路采用直流耦合架构,配合专业算法处理数据。

以上仿真文件,见^3

[^2]: TI 高精度实验室

[^4]: Signal chain basics Analyzing RL drive in ECG front end with SPICE

范例

引用一款Holter的技术指标来解读标准^1。部分技术指标如下图所示。

Holter技术参数表格

频率响应0.05Hz~60Hz。对照标准P15页(51.5.9)章,要求如下:

标准对频率响应的具体要求

由于带通特性,高通截止频率为0.67 Hz或0.05 Hz,低通截止频率为40 Hz或55 Hz。对0.67 Hz和0.05 Hz进行仿真^2,电路如下。

频率响应指标仿真电路

使用3 mV/100 ms方波信号观察输出波形,结果如下图。

YY0885频率响应仿真结果

由于20 kΩ对地电容,放电较快,斜率较高;而300 kΩ对地电容放电慢,斜率低。300 kΩ电阻斜率几乎为0,计算20 kΩ电阻斜率为15.43 mV/s,300 kΩ电阻斜率为0.237 mV/s,后者满足标准要求。

局部斜率计算结果

这说明只有截止频率为0.05 Hz时才能满足a)测试条件。实际心电信号的最低频率就是0.05 Hz,高于此频率将导致心电信号畸变。

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