CN102068247A - 一种实现ecg导联脱落检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现ECG导联脱落检测的方法，首先设定导联脱落的阈值范围；逐一采集各ECG导联通道中的任意一点信号，并对采集的信号间隔50mS-200mS进行切换输出；对输出的信号进行峰值检波，若为直流信号，则峰值检波后直接输出该信号；若为含有直流成分的工频干扰信号，则检测其峰值；若峰值超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。本发明采用了峰值检波的方法实现ECG导联脱落检测，克服了设备工作环境较差时，传统导联脱落的检测方法中的软件滤波导致的导联脱落误判问题。总之，本发明具有成本低，可靠性好，对器件参数要求低等优点；给使用带来更多方便。

Description

一种实现ECG导联脱落检测的方法和装置

技术领域

本发明涉及ECG信号采集、处理领域，尤其涉及的是ECG导联脱落检测提示领域，更具体的是涉及能够正确地实现ECG导联脱落检测的方法以及实现该方法的装置。

背景技术

现有ECG导联脱落检测技术主要基于直流偏压法，见图1，监护设备通过电极将人体ECG信号引入到板卡，板卡的硬件前端设置有低通滤波器，用以滤除高频干扰。在低通滤波器后设置缓冲器将前端ECG信号缓冲输出。在ECG前端缓冲输入级A点或B点，通过较大阻值的电阻，加入直流偏置电压，该偏置电压可为正电压也可为负电压，当ECG电极未脱落时，由于ECG前级硬件电路构成的闭环负反馈系统，ECG前级缓冲输出电压C点或D点约为0V(使用正、负电源供电的系统)。当ECG前级电极脱落时，ECG前端缓冲输出电压约等于偏置电压。后级硬件电路将该电压送入到AD进行采样，MCU对采样值进行软件滤波，用以判断ECG电极是否脱落。当滤波后的电压值超过阈值范围时，判断为电极脱落，否则，判断电极未脱落。现有技术方案为了实现多电极导联脱落判断，通常会采用多个通道同时缓冲前级信号，并将导联脱落信号送入到多通道AD，由多通道AD完成采样，这样就会导致硬件比较复杂，且要求MCU有多通道AD。

现有导联脱落判断的主要缺点：1、传统ECG导联脱落检测技术的缺点是当系统工作环境较差时，整个系统容易受到工频干扰的影响，由于ECG前级输入阻抗较大，工频干扰很容易导致ECG前端缓冲输出较强的工频干扰信号甚至饱和，过强的工频干扰信号通过软件低通滤波器后，输出异常电压值，导致ECG导联脱落电路误判，从而系统异常。2、使用MCU采样导联脱落的输出，使用软件判断导联是否脱落，由于MCU要处理导联脱落信号中的工频干扰，因此要求的MCU采样率较高，要正确的采样工频干扰信号并处理，要求MCU采样率至少在250Hz以上，MCU需要在短时间内采样大量数据并进行处理，过多地消耗了MCU资源。特别是多路导联脱落信号同时采样处理时，对MCU的资源消耗更大。3、现有技术方案通常要求多个通道同时缓冲，每个缓冲通道都需要运算放大器及外围的电阻、电容构成的滤波电路，硬件电路较为复杂。

发明内容

针对传统ECG导联脱落检测方法存在的问题，本发明提供一种基于峰值检波实现导联脱落检测的方法和装置，以达到可靠性高，成本低，抗干扰能力强，对器件参数要求低的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种实现ECG导联脱落检测的方法，首先设定导联脱落的阈值范围；逐一采集各ECG导联通道中的任意一点信号，并对采集的信号间隔50mS-200mS进行切换输出；

对输出的信号进行峰值检波，若为直流信号，则峰值检波后直接输出该信号；

若为含有直流成分的工频干扰信号，则检测其峰值；

若峰值超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。

采集ECG导联连续信号的次数与导联通道数相同，且每个ECG导联通道只采集一次信号。

一种ECG导联脱落检测的装置，主要由MCU、AD转换器、数据选择器、低通滤波电路和峰值检波电路组成。所述峰值检波电路由运算放大器U2和运算放大器U1、电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R3、组成；其中在运算放大器U1的输出端与运算放大器U2的输入端之间顺序连接电阻R2和二极管D1，电阻R3和电容C2串联后并联在二极管D1与运算放大器U2的输入端之间；同时运算放大器U2的输出反馈到运算放大器U1的反相输入端。

当中运算放大器U2的输出反馈到运算放大器U1的反相输入端构成闭环负反馈，数据选择器将ECG导联信号逐一选择送入到低通滤波电路；滤波后的信号经所述峰值检波电路判断其峰值，超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。

当运算放大器U1的输入端为正电平且电位不断升高时，则运算放大器U1跟随输出正电平，二极管D1导通，运算放大器U2输出为正电平，运算放大器U2跟随输出正电平；若运算放大器U1的输入端为正电平且不断降低，二极管D1截至，此时电容C2的电荷通过电阻R3缓慢泄放。

所述MCU控制数据选择器约100mS切换一次，将ECG导联信号逐一切换输出至低通滤波电路滤波处理。

若工频干扰较小，则ECG前级缓冲输出为直流信号，峰值检波电路的输出基本等于该直流信号；若工频干扰较大，ECG前级缓冲输出为带有直流成分的工频干扰，峰值检波电路检出该干扰信号的峰值并与设定的阈值比较。

低通滤波电路包括电阻R1、电容C1；数据选择切换器与运算放大器U1的输入端之间设置电阻R1，同时在电阻R1与运算放大器U1输入端之间并联电容C1；其用于对数据选择器切换过程中的噪声进行滤波，滤波后的信号送入到峰值检波电路。

本发明中AD转换器完成对导联脱落电路输出的采样，该AD转换器可以是独立的AD转换器或MCU内部集成AD转换器，采用了峰值检波电路，该电路稳定时间较长，MCU采样每100mS采样一次导联脱落数据，就可以稳定判断导联是否脱落。AD转换器间隔100mS采样一次，也降低了对AD采样的速率要求，降低了MCU的运算负荷。

本发明采用了峰值检波的方法实现ECG导联脱落的检测，克服了设备工作环境较差时，传统导联脱落检测方法中的软件滤波导致的导联脱落误判问题。在峰值检波电路中，本发明采用双运算放大器构成的大环路负反馈，消除了检波二极管的压差离散性，降低了系统对器件参数的要求。

总之，本发明具有成本低，可靠性好，对器件参数要求低等优点。

附图说明

图1是现有技术的电路原理图；

图2是ECG导联脱落检测的原理框图；

图3是正向峰值检波电路；

图4是反向峰值检波电路。

具体实施方式

下面结合附图以九通道的ECG导联为例，对本发明做进一步的详细说明：

如图2所示的ECG导联脱落检测的方法，首先设定ECG导联脱落的阈值，每100mS切换到不同的电极缓冲输出级，完成对LA，RA，LL，V1～V6电极的扫描采样。利用MCU控制数据选择器进行切换，并对数据选择器输出的信号进行峰值检波；若为直流信号，则峰值检波电路的输出约等于输入的直流信号。若为含有直流成分的工频干扰信号，则峰值检波电路检测其峰值。以ECG前级加正向偏压为例，ECG前级正常连接时，ECG前端缓冲输出约为0V(正负电源供电系统)，该电压小于导联脱落判断阈值，软件判断电极连接正常。

当ECG电极脱落时，ECG前端缓冲输出为正向偏置电压置，该电压高于导联脱落检测阈值，软件判断ECG电极脱落。在ECG电极脱落且没有受到工频干扰时，ECG前端缓冲输出电压为固定的正向偏置电压值。此时，峰值检波电路的输出约等于输入电压，可以正确判断ECG导联是否脱落。当ECG前级受到较强工频干扰时，ECG前级缓冲输出含有直流分量的工频干扰信号，在使用正负电源供电的系统中，若该信号经过峰值检波后的峰值大于阈值，则可以判断ECG导联脱落。

如图3所示的一种ECG导联脱落检测的装置，主要包括数据选择器、低通滤波电路、峰值检波电路、AD转换器，其中数据选择器选用9选1数据选择器，该选择器由两个8选1数据选择器串联构成，9选1数据选择器分时将ECG电极信号缓冲输出LA，RA，LL，V1～V6分时选择到输出端；该数据选择器由MCU的I/O口进行控制，约100mS切换一次，实现对LA，RA，LL，V1～V6电极的轮流扫描采样。

峰值检波电路由运算放大器U2和运算放大器U1、电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R3、组成；其中在运算放大器U1的输出端与运算放大器U2的输入端之间顺序连接电阻R2和二极管D1，电阻R3和电容C2串联后并联在二极管D1与运算放大器U2的输入端之间；同时运算放大器U2的输出反馈到运算放大器U1的反相输入端。运算放大器U2的输出反馈到运算放大器U1的反相输入端构成闭环负反馈。

首先由数据选择器对ECG前端缓冲信号进行选择，在MCU控制下约100mS对数据选择器进行一次切换，选择不同的ECG缓冲通道，经低通滤波去除干扰后，送入峰值检波电路，该电路输出的信号再次滤波后，送入到AD转换器进行采样，将采样值与MCU设定阈值进行比较，从而进行导联脱落判断。

峰值检波电路工作时，若运算放大器U1的输入端为正电平且电位不断升高，则运算放大器U1跟随输出正电平，二极管D1导通，运算放大器U2输出为正电平，运算放大器U2跟随输出正电平；若运算放大器U1的输入端为正电平且不断降低，由于电容C2上存有残余电压，则二极管D1截至，电容C2上面的电荷通过电阻R3缓慢泄放，最终电容C2上电荷泄放到约等于输入时，输出电压稳定下来约等于输入。若输入端为负电平，则二极管D1截至，电容C2上面的电荷通过电阻R 3缓慢泄放，当泄放到0V时，运算放大器U2跟随输出0V。正常情况下，若系统未受到干扰，则ECG前端缓冲为直流电平，则峰值检波电路输出约等于输入。若系统受到工频干扰，则峰值检波电路可以检测出干扰信号峰值，利用该峰值和阈值进行比较，则可以判断出ECG导联是否脱落。

通常情况下，二极管两端压降具有一定范围，普通二极管的压降约在0.1～0.9V范围内该压差受温度、流过二极管电流、器件离散性等因素的影响。虽然大部分肖特基二极管压降范围在0.05～0.5V范围内，但是其压差变化范围依然很大，且漏电流通常比非肖特基二极管反向漏电流大得多，过大的反向漏电流导致电容C2放电速度过快，降低了峰值检波的效果。另外，考虑到导联脱落电路还要抗极化电压的影响，因此导联脱落检测电路参数离散性不能过大，否则容易受温度等环境因素影响。

本发明中的负反馈电路，可以有效克服了二极管压差离散性带来的不利影响。

具体计算公式如下：

$\frac{(A*(X-Y)-D1)*R3}{R3+R2}=Y$

上式中，A为运算放大器U1的开环增益，D1为二极管压降，X为输入电压，Y为输出电压，设：

$K=\frac{R3}{R3+R2}$

则化简之后得到：

$Y=\frac{K*A}{1+K*A}*X-\frac{K}{1+K*A}*D1$

由于A＞＞1，且K*A＞＞1，因此上式可以简化为：

Y≈X

从以上计算可以看出，在运算放大器开环增加较高时，输出电压约等于输入电压。上式中，D1为二极管压降，约为0.1～0.9V，普通运算放大器的开环增益通常会达到1000倍(60dB)以上，由二极管的压降构成的影响折合到输出端最大约为0.9mV，可以忽略不计。二极管D1需要选择反向漏电流较小的二极管，否则易导致电容C2放电速度过快，影响峰值检波电路的峰值检波效果。

值得注意的是，图3的具体实现装置还可以变换成其他实现的方式，如可以将图中二极管D1的方向反过来，构成反向的峰值检波电路(如图4)，在ECG前级加入负偏压时，图4也可以实现同样的导联脱落检测功能；工作原理是，若运算放大器U1的输入端为负电平且电位不断降低，则运算放大器U1跟随输出负电平，二极管D1导通，运算放大器U2输出为负电平，运算放大器U2输出连接到运算放大器U1的反相端，构成负反馈，运算放大器U2跟随输出负电平。若运算放大器U1的输入端为负电平且不断升高，由于电容C2上存有残余电压，则二极管D1截至，电容C2上面的电荷通过电阻R3缓慢泄放，最终电容C2上电荷泄放到约等于输入时，输出电压稳定下来约等于输入。若输入端为正电平，则二极管D1截至，电容C2上面的电荷通过电阻R3缓慢泄放，当泄放到0V时，运算放大器U2跟随输出0V。正常情况下，若系统未受到干扰，则ECG前端缓冲为直流电平，则峰值检波电路输出约等于输入。若系统受到工频干扰，则峰值检波电路可以检测出干扰信号峰值，利用该峰值和阈值进行比较，则可以判断出ECG导联是否脱落。

Claims (8)

1.一种实现ECG导联脱落检测的方法，其特征是：首先设定导联脱落的阈值范围；逐一采集各ECG导联通道中的任意一点信号，并对采集的信号间隔50mS-200mS进行切换输出；

对输出的信号进行峰值检波，若为直流信号，则峰值检波后直接输出该信号；

若为含有直流成分的工频干扰信号，则检测其峰值；

若峰值超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。

2.根据权利要求1所述的一种实现ECG导联脱落检测的方法，其特征是：采集ECG导联连续信号的次数与导联通道数相同，且每个ECG导联通道只采集一次信号。

3.一种ECG导联脱落检测的装置，主要由MCU、AD转换器、数据选择器、低通滤波电路和峰值检波电路组成，其特征是：所述峰值检波电路由运算放大器U2和运算放大器U1、电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R3、组成；其中在运算放大器U1的输出端与运算放大器U2的输入端之间顺序连接电阻R2和二极管D1，电阻R3和电容C2串联后并联在二极管D1与运算放大器U2的输入端之间；同时运算放大器U2的输出反馈到运算放大器U1的反相输入端。

4.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是：运算放大器U2的输出反馈到运算放大器U1的反相输入端构成闭环负反馈，数据选择器将ECG导联信号逐一选择送入到低通滤波电路；滤波后的信号经所述峰值检波电路判断其峰值，超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。

5.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是：运算放大器U1的输入端为正电平且电位不断升高时，则运算放大器U1跟随输出正电平，二极管D1导通，运算放大器U2输出为正电平，运算放大器U2跟随输出正电平；若运算放大器U1的输入端为正电平且不断降低，二极管D1截至，此时电容C2的电荷通过电阻R3缓慢泄放。

6.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是：MCU控制数据选择器约100mS切换一次，将ECG导联信号逐一切换输出至低通滤波电路滤波处理。

7.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是：若工频干扰较小，则ECG前级缓冲输出为直流信号，峰值检波电路的输出基本等于该直流信号；若工频干扰较大，ECG前级缓冲输出为带有直流成分的工频干扰，峰值检波电路检出该干扰信号的峰值并与设定的阈值比较。

8.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是：低通滤波电路包括电阻R1、电容C1；数据选择切换器与运算放大器U1的输入端之间设置电阻R1，同时在电阻R1与运算放大器U1输入端之间并联电容C1；其用于对数据选择器切换过程中的噪声进行滤波，滤波后的信号送入到峰值检波电路。

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