CN100337583C - 在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法和电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法和电路。为了实现能自动将心电波形基线调节到位，本发明根据心电直流偏移电压大小，采用微处理器精确控制模数和数模转换器自适应的调节输出电压抵消心电直流偏移电压，再经一级放大提高心电信号幅度后钳位，能够有效地抑制起搏脉冲。与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：能够自动进行心电偏移电压调节，非常有效地消除直流偏移电压的影响并抑制起搏脉冲，提高了对不同极化电压的适应能力，调节过程简单，实现速度快；电路结构比较简单，使用器件少，面积小，特别适合多通道多导联的心电测量系统。
Description
技术领域 本发明涉及用于诊断目的的探测、测量或记录，特别是涉及用于在对装有起搏器的病人的心电波形测量过程中，纠正起搏脉冲影响的方法和电路。
背景技术 心电测量是利用与皮肤接触的两个以上的心电电极实现心电信号的拾取，然后通过带屏蔽的心电电缆传输到心电电路，经过导联选择、放大、滤波等途径得到心电波形。体表的心电信号比较微弱，仅为mV级的低频交流信号，一般在±5mV以内，主要频率成份在0.1～40Hz之间，主波中以QRS(心室除极波)复合波的变化最快，可以达到400mV/s。心电电极与皮肤接触会产生极化电压，也就是两电极间的直流偏移，幅度一般在±300mV之间且变化缓慢，最后在心电信号上体现为一定的直流偏移电压。
带有起搏器病人的心电波形上除了叠加有极化电压以外，还有起搏脉冲。起搏脉冲相对心电信号的幅值范围要大得多，其幅度可达±700mV，脉冲宽度：0.1～2.0ms，上升时间：10μs～100μs(小于脉冲宽度的10％)。在心电采集过程中如果不对起搏脉冲进行有效抑制，经过心电通道各级放大器和低通滤波器之后，起搏脉冲的幅值被放大，持续时间展宽，可能带来两方面的危害：一方面在特征识别与心率计算中可能将起搏脉冲当作正常QRS波计入心率。如果此时病人心脏停搏或者心率不齐，会导致心率计算错误，造成误诊；另一方面，起搏脉冲幅度较大时，特别是经过几级放大后，很容易使高通滤波器饱和，高通滤波器的时间常数一般很大(截止频率一般为0.05Hz)，其结果是起搏脉冲过去以后，高通滤波器输出仍不能及时恢复，直接影响心电波的形态，影响医生获取诊断信息。在某些极端情况下，起搏脉冲可能和心电QRS波重合，极大的干扰心电波形的识别。
现有技术的心电测量电路一般采取两种方式抑制起搏脉冲。其一是交流钳位，即采用一对二极管反向并联经电容接地的方式。此电路结构最为简单，但是效果差，不能很好处理心电直流偏移电压，可能引起心电波形基线漂移。较强的起搏脉冲容易使交流钳位电容饱和，引起心电波形失真。其二是摆率限制，一般由积分环节和反馈控制环节构成，借助二极管钳位以限制电路的最大积分电压，从而达到抑制起搏脉冲的目的。此方法效果好，但是电路结构复杂，使用元器件多，电路面积大，不适合多导联多通道的场合。
发明内容 本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种能自动将心电波形基线调节到位并能抑制起搏脉冲的心电波形测量方法。
本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：
提出一种在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，在借助各心电电极拾取心电信号，并经导联选择电路选择输出经前置放大器作低噪声放大，成为经放大的心电信号Uec之后；在所述心电信号Uec又借助钳位二极管电路抑制起搏脉冲、再经高通滤波和低通滤波放大电路处理得到所需要的心电波形信号之前；包括步骤：
量化前置放大器输出的心电信号Uec，将其输入微处理器单元，实时算出心电直流偏移电压Uec_，自适应地调节二极管电路之前的心电信号，抵消其中的直流偏移电压。
本发明解决所述技术问题还可以通过采用以下技术方案来进一步实现：
设计、使用一种抑制起搏脉冲的心电波形测量电路，包括导联选择电路、前置放大器、二极管钳位电路以及高通滤波和低通滤波放大电路，由心电电极拾取的心电信号经导联选择电路输出给所述前置放大器、微处理器单元、模数转换电路、数模转换电路以及加法电路；所述模数转换电路接收所述前置放大器输出的心电直流偏移电压模拟信号，并将所述心电直流偏移电压模拟信号转换为心电直流偏移电压数字信号，所述微处理器单元根据所述模数转换电路输出的心电直流偏移电压数字信号，经由所述数模转换电路输出一个与该心电直流偏移电压大小相同、方向相反的直流电压模拟信号至所述加法电路，该加法电路接受所述前置放大器输出的心电信号和直流电压模拟信号，输出一个消除了心电直流偏移电压的心电信号至所述二极管钳位电路，该二极管钳位电路将经过抑制了起搏脉冲的心电信号输出至所述高通滤波和低通滤波放大电路，该高通滤波和低通滤波放大电路将心电信号输出至所述模数转换器。
一般情况下，起搏脉冲比心电信号的幅度大得多，如果能够直接将起搏脉冲钳位，就可以简单有效的抑制起搏脉冲。交流钳位就是应用这一原理，但是交流钳位方式不能完全消除心电直流偏移电压，影响了起搏脉冲抑制效果。另外，心电信号上叠加的直流偏移电压与个体有关，因此也难以找到一个固定钳位电平用以抑制起搏脉冲。而本发明正是根据心电直流偏移电压大小，采用微处理器精确控制模数和数模转换器自适应的调节输出电压抵消心电直流偏移电压，再经一级放大提高心电信号幅度后钳位，能够有效地抑制起搏脉冲。与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：能够自动进行心电偏移电压调节，非常有效地消除直流偏移电压的影响并抑制起搏脉冲，提高了对不同极化电压的适应能力，调节过程简单，实现速度快；电路结构比较简单，使用器件少，面积小，特别适合多通道多导联得心电测量系统。
附图说明
图1是本发明在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法和电路的方框示意图；
图2是本发明抑制起搏脉冲的心电波形测量电路的原理示意图；
图3是本发明的微处理器内含控制软件的流程框图。
具体实施方式以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。
本发明方法如图1所示，在借助各心电电极拾取心电信号，并经导联选择电路9选择输出经前置放大器1作低噪声放大，成为经放大的心电信号Uec之后；在所述心电信号Uec又借助钳位二极管电路7抑制起搏脉冲得到心电信号Uec′、再经高通滤波和低通滤波放大电路处理得到所需要的心电波形信号之前；包括步骤：
量化前置放大器1输出的心电信号Uec，将其输入微处理器单元3，实时算出心电直流偏移电压Uec_，自适应地调节二极管电路7之前的心电信号，抵消其中的直流偏移电压。
本发明方法具体包括以下各子步骤：
A借助模数转换电路2将来自前置放大器1的采样心电信号Uec不断变换为微处理器单元可以识别和处理的二进制数字信号；
B从模数转换电路2输出的数字心电信号，不断被输入至微处理器单元3，经其计算得到平均的心电信号电压，即心电直流偏移电压Uec_；
C微处理器单元3根据上述计算结果控制数模转换电路4输出与所述计算结果，即心电直流偏移电压Uec_幅值相等但极性相反的另一直流电压-Uec_；
D由数模转换电路4输出的模拟直流电压-Uec_，与前置放大器1输出的模拟心电信号电压Uec一起，并列输入加法电路6，从而在加法电路6输出的心电信号电压中抵消心电直流偏移电压。
本发明电路如图1、图2所示，包括前置放大器1，模数转换电路2，微处理器单元3，数模转换电路4，(数模转换器)输出缓冲器5，加法电路6，二极管钳位电路7，后级高通与低通滤波和放大电路8以及导联选择电路9。
由心电电极拾取的心电信号经导联选择电路9输出给所述前置放大器1，还包括微处理器3、模数转换电路2、数模转换电路4以及加法电路6；所述模数转换电路2接收所述前置放大器1输出的心电直流偏移电压模拟信号，并将所述心电直流偏移电压模拟信号转换为心电直流偏移电压数字信号，所述微处理器3根据所述模数转换电路2输出的心电直流偏移电压数字信号，经由所述数模转换电路4输出一个与该心电直流偏移电压大小相同、方向相反的直流电压模拟信号至所述数模转换电路4，该数模转换电路4输出的直流电压模拟信号经由所述缓冲器5输出至所述加法电路6。该加法电路6接受所述前置放大器1输出的心电信号和直流电压模拟信号，输出一个消除了心电直流偏移电压的心电信号至所述二极管钳位电路7，该二极管钳位电路7将经过抑制了起搏脉冲的心电信号输出至所述滤波和放大电路8，该滤波和放大电路8将心电信号输出至所述模数转换器2。
下面对本发明电路的各组成部分分别进行说明：
1.前置放大电路
心电信号是一种频率较低的微弱信号，并且源阻抗较高，具有较强的背景噪声和干扰。因此前置放大是获取高质量心电波形的关键，要求具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和低漂移。为了满足以上要求，集成仪表放大器U1构成了前置放大电路，其增益由电阻Rg确定，设为10倍。前置放大器输出分别连接到模数转换电路输入端和加法电路输入电阻R4。U1可采用ADI公司的AD620等仪表放大器。
2.模数转换电路
这是一个12位模数转换器，输入范围0-2.5V。在微处理器的控制下，模数转换器采样前置放大器输出电压和本电路最后输出的心电波形。前置放大器的输出经过了U2C构成的电压变换电路。电位平移电路将±5V电压线性变换到0-2.5V范围。该电路输出为：
模数转换器可以选用MAXIM公司的MAX1290等多路12位模数转换器。
3.微处理器
微处理器是本电路的核心，调度整个处理过程：读取模数转换器对模拟信号的采样结果，经过平均得到心电信号直流偏移电压大小，再控制数模转换器输出与之大小相同，方向相反的电压。
微处理器可以选用51系列单片机或其它具有8位/16位外部总线的单片机。
4.数模转换电路
数模转换器电路在微处理器的控制下输出与心电信号直流偏移电压大小相同，方向相反的电压，用来抵消心电信号的直流偏移电压。数模转换器电路需要有±5V的输出范围(覆盖仪表放大器的输出范围)。数模转换器电路的输出连接到输出缓冲器。
模数转换器可以选用TI公司的TLV5628等多路8位数模转换器。
5.数模转换器输出缓冲器
数模转换器电路的输出连接到输出缓冲器。输出缓冲器是由运放U2D和R16，C6构成的增益为1的低通滤波器。该缓冲器用于平滑数模转换器的输出信号，起到消除数模转换器噪声的作用。输出缓冲器的输出连接到加法电路输入电阻R3。
U2可以选用通用运放TI公司的TL064等。
6.加法电路
加法电路由运放U2A构成。在这一级电路，心电信号与缓冲器输出电压相加，其结果是心电信号的直流偏移电压被抵消后趋近于0。为了加强起搏脉冲抑制效果，该电路对心电信号进行一定的放大。理论上来讲，放大倍数越大，抑制效果就越好。但实际上，必须保证放大后心电信号幅度不超过二极管的钳位电压(±700mV)，否则经过二极管钳位后，将造成心电信号削顶。加法电路增益设为5，能够确保加法电路输出的心电信号幅度不超过钳位电压。该电路输出为：
U2可以选用通用运放TL064等
7.二极管钳位电路
加法电路的输出连接到二极管钳位电路，实现对起搏脉冲的钳位，限制起搏脉冲的幅度。心电信号的幅度达不到钳位电压，因此这部分电路不会对正常心电信号产生影响。该电路由一对反向并联接地的二极管构成，电阻R7起到限流、保护运放的作用。经过这一级电路，起搏脉冲超出钳位电压部分将被截去，起到抑制起搏脉冲的效果。二极管钳位电路的输出连接到后级滤波和放大电路。
钳位二极管可以选用PHILIPS公司的BAV99WT1。
8.后级滤波放大电路
二极管钳位后的信号连接到后级滤波放大电路做进一步处理。这一级电路包括：R8和C3构成的高通滤波器；U2B构成的同相放大电路，增益设为4，且R10和C4构成低通滤波器；R11和C5也构成RC低通滤波器。本级电路的输出直接送模数转换器采样。本级电路的高通滤波器和低通滤波器的参考电位为1.25V，所以本级电路的输出心电信号基线为1.25V。整个电路的增益为10×5×4＝200，因此±5mV心电信号放大输出在范围在0-2.5V以内，满足模数转换器输入电压要求。
9.导联选择电路
导联选择电路实现导联的选择，导联选择输出连接到前置放大器。
本发明的微处理器内含控制软件，该控制软件和上述硬件一起，主要完成前置放大器输出心电信号的采集与处理、通过数模转换器输出适当的直流电压抵消心电直流偏移电压。并且保证心电信号经过加法电路放大后，在钳位电压(±700mV)范围内。
所述控制软件流程如图3所示，该控制软件的数据采集部分是一个定时中断子程序，设置采样间隔时间为2ms，即以500Hz的采样率完成对前置放大器输出信号的采集，采样40个点(或者10的倍数个点)计算其平均值，作为心电直流偏移电压大小；直流偏移电压调节子程序根据采样结果获得的心电直流偏移电压大小，随后通过数模转换器输出与其大小相同，方向相反的直流电压，经缓冲器和加法电路抵消心电直流偏移电压，心电信号经过加法放大器后的二极管钳位，起到抑制起搏脉冲的目的。采样时间间隔2ms，采样40个点(或者10的倍数个点)，可以起到抑制50Hz工频干扰的作用，使心电直流偏移电压采样更加准确。
心电直流偏移电压的调节主要由心电基线调节子程序完成。鉴于心电直流偏移电压变化缓慢，偏移电压的判断和调节频率不需要太高，每秒一次就足以满足要求。需要调节时，微处理器控制数模转换器输出一个与心电直流偏移电压大小相同，方向相反的电压，通过加法器电路可以直接将心电直流偏移电压调节到接近零电平，调节快速。另外，由于后级有高通滤波器，因此应当允许心电直流偏移电压在小范围内波动，以避免频繁调节造成心电基线波动。微处理器判断调节与否的依据是加法器电路输出的心电幅度不超过±700mV钳位电压即可。
本发明的控制软件方面具有以下特点：
1.调节程序结果不复杂，占用资源少
2.能够自动进行心电偏移电压调节的功能。需要调节时，通过数模转换器和缓冲器输出一个与心电直流偏移电压大小相同，方向相反的电压，直接可以将心电基线调节到位，调节快速。自动识别心电直流偏移电压在小范围内波动不进行调节，避免偏移电压频繁调节造成的心电基线波动。
所用元器件列表
| 名称 | 代号 | 生产厂家 | 型号 |
| 前置放大电路 | U1、1 | ADI | AD620 |
| 模数转换电路 | 2 | MAXIM | MAX1290 |
| 微处理器 | 3 | PHILIPS、ATMEL | 51系列 |
| 数模转换电路 | 4 | T1 | TLV5628 |
| 缓冲器 | U2、5 | T1 | TL064 |
| 加法电路 | U2A、6 | T1 | TL064 |
| 二极管钳位电路 | 7 | PHILIPS | BAV99WT1 |
Claims (10)
1.一种在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，在借助各心电电极拾取心电信号，并经导联选择电路(9)选择输出经前置放大器(1)作低噪声放大，成为经放大的心电信号Uec之后；在所述心电信号Uec又借助钳位二极管电路(7)抑制起搏脉冲、再经高通滤波和低通滤波放大电路(8)处理得到所需要的心电波形信号之前；
其特征在于，包括步骤：
量化前置放大器(1)输出的心电信号Uec，将其输入微处理器单元(3)，实时算出心电直流偏移电压Uec_，自适应地调节二极管电路(7)之前的心电信号，抵消其中的直流偏移电压。
2.如权利要求1所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：具体包括以下各子步骤：
A借助模数转换电路(2)将来自前置放大器(1)的采样心电信号Uec不断变换为微处理器单元可以识别和处理的二进制数字信号；
B从模数转换电路(2)输出的数字心电信号，不断被输入至微处理器单元(3)，经其计算得到平均的心电信号电压，即心电直流偏移电压Uec_；
C微处理器单元(3)根据上述计算结果控制数模转换电路(4)输出与所述计算结果，即心电直流偏移电压Uec_幅值相等但极性相反的另一直流电压-Uec_；
D由数模转换电路(4)输出的模拟直流电压-Uec_，与前置放大器(1)输出的模拟心电信号电压Uec一起，并列输入加法电路(6)，从而在加法电路(6)输出的心电信号电压中抵消心电直流偏移电压。
3.如权利要求2所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：在所述子步骤D中，由数模转换电路(4)输出的模拟直流电压-Uec_先经输出缓冲器(5)平滑信号后，才与模拟心电信号电压Uec一起并列输入加法电路(6)。
4.如权利要求2所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：在所述子步骤D的过程中，设定加法电路(6)的电路增益为5，以确保从加法电路(6)输出的心电信号幅值不超过钳位电压。
5.如权利要求1所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：在得到心电波形信号之后，将该心电波形信号经模数转换电路(2)再输入微处理器单元(3)，借以判断所得到的心电波形信号中的直流偏移电压Uec_是否超过设定值，以致要启动自适应调节。
6.如权利要求5所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：所述直流偏移电压Uec_超过设定值，是指超过钳位电压±700mV；所述启动自适应调节是指微处理器单元(3)控制数模转换电路(4)输出一个与心电直流偏移电压Uec_幅值相等但极性相反的另一直流电压-Uec_至加法电路(6)。
7.如权利要求2至5之任一项所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：
所述微处理器单元(3)执行的程序包括①数据采集部分、②直流偏移电压调节子程序；其中数据采集部分是一个定时中断子程序。
8.如权利要求7所述的在心电波形测量过程中纠正起搏脉冲影响的方法，其特征在于：所述数据采集部分设置采样间隔时间为2ms，采样10的倍数个点计算平均的心电信号电压，即心电直流偏移电压Uec_。
9.一种抑制起搏脉冲的心电波形测量电路，包括导联选择电路(9)、前置放大器(1)、二极管钳位电路(7)以及高通滤波和低通滤波放大电路(8)，由心电电极拾取的心电信号经导联选择电路(9)输出给所述前置放大器(1)，其特征在于：
还包括微处理器单元(3)、模数转换电路(2)、数模转换电路(4)以及加法电路(6)；
所述模数转换电路(2)接收所述前置放大器(1)输出的心电直流偏移电压模拟信号，并将所述心电直流偏移电压模拟信号转换为心电直流偏移电压数字信号，所述微处理器单元(3)根据所述模数转换电路(2)输出的心电直流偏移电压数字信号，经由所述数模转换电路(4)输出一个与该心电直流偏移电压大小相同、方向相反的直流电压模拟信号至所述加法电路(6)，该加法电路(6)接受所述前置放大器(1)输出的心电信号和直流电压模拟信号，输出一个消除了心电直流偏移电压的心电信号至所述二极管钳位电路(7)，该二极管钳位电路(7)将经过抑制了起搏脉冲的心电信号输出至所述高通滤波和低通滤波放大电路(8)，该高通滤波和低通滤波放大电路(8)将心电信号输出至所述模数转换器(2)。
10.如权利要求9所述的抑制起搏脉冲的心电波形测量电路，其特征在于：还包括缓冲器(5)，该缓冲器(5)分别与所述数模转换电路(4)和加法电路(6)电连接，所述数模转换电路(4)输出的直流电压模拟信号由所述缓冲器(5)输出至所述加法电路(6)。
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