CN104622461A - 一种多导联的ecg信号采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多导联的ECG信号采集装置，该装置包括第一参考信号采集单元；与N个输入端耦合的N个信号采集单元，N为大于等于1的自然数；具有用于输出反馈信号的信号输出端的负反馈放大电路，该负反馈放大电路包括第三运算放大器；第一参考信号采集单元包括第一运算放大器；每一信号采集单元包括一个输入端、一个第二运算放大器以及带通滤波和二级放大电路。根据本发明的ECG信号采集装置可有效抑制心电信号采集过程中噪声干扰和共模信号干扰的，提供采集心电信号的准确度和稳定度，利用本发明所述装置可在单电源供电时，采集到完整的心电信号。

Description

一种多导联的ECG信号采集装置
技术领域
本发明及一种信号采集装置及方法，特别是一种多导联的ECG信号采集装置。
背景技术
心电是人体重要生物电信息之一。心电信号属于一种周期性的电生理信号，经人体组织传到体表，并在体表产生电位差。心电图(ECG，Electrocardiograph)信号是由心脏肌肉收缩所产生的电生物信号，是一种微弱的模拟信号，电压幅值在1mV到4mV之间。心电信号采集实际是一个连续获取电位差的过程，即计算贴合在生物体心脏附近两个电极之间的微弱电位差，最后将这种随时间连续变化的电位差描绘到图纸上就形成了心电图。测量电极一旦离开生物体表面基本就测不到了，且心电信号内往往耦合有大量的噪声及干扰信号，比如最直接的由设备自身产生的直流噪声，来自于生物体表面的肌电干扰，呼吸干扰，来自于环境的50Hz/60Hz工频干扰，以及由于测电极或导联线阻抗发生变化而引起的基线漂移等等。这都增加了心电信号提取的困难程度。因此衡量一个心电监测设备的性能，最主要的指标之一就是设备提取心电信号的能力及输出心电信号的图形质量。
传统的心电图采集装置通常采用集成电路形成，但存在信号灵敏度不高或信号精度不可调的问题。对于采用电阻及电容等分立元件形成的心电图采集装置，又存在采集装置体积过大、功耗高和灵活性差等缺点。由于心电信号本身很微弱，外界干扰很直接影响采集信号的真实性，特别是采集装置内部的噪声会严重影响采集效果。
传统心电信号采集过程中存在以下一些问题：
1、心电信号具有近场监测特点，若电极贴与生物体表产生微小距离或受到体表汗液影响时，便基本检测不到心电信号了；
2、心电信号属微弱信号，幅度通常在1mV到4mV之间，现有采集设备很难对这个范围的信号进行采集；
3、心电信号属低频信号，能量集中在150Hz以下，常用心电信号采集装置难以满足心电监测设备设计带宽在0.05Hz到150Hz之间的要求；
4、心电信号易受外界环境噪声的干扰，特别是50Hz的工频干扰。
因此，需要一种抗干扰能力强，具有通用性且成本低的心电图采集装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供以解决信号采集过程中存在噪声干扰和共模信号干扰的问题，同时解决单电源时无法采集到完整信号的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种多导联的ECG信号采集装置，该装置包括
第一参考信号采集单元，具有用于输入第一电位信号的参考输入端；
与N个输入端耦合的N个信号采集单元，N为大于等于1的自然数；
负反馈放大电路，具有用于输出反馈信号的信号输出端，
第一参考信号采集单元，包括第一运算放大器，其同相输入端与参考输入端耦合，其反相输入端与其输出端耦合，
每一信号采集单元包括一个输入端、一个第二运算放大器以及带通滤波和二级放大电路，其输出与该信号采集装置的N个输出端中相应的一个输出端耦合，
所述N个输入端之一与相应的信号采集单元中第二运算放大器的同相输入端耦合，该第二运算放大器的反相输入端与其输出端耦合，并与所述第一运算放大器的输出耦合至同一节点，
负反馈放大电路包括第三运算放大器，来自所述节点的信号耦合至其反相输入端，其输出端耦合至该信号采集装置的反馈输出端。
优选的，该信号采集装置进一步包括：
分别与信号采集装置的每一输入端耦合的N+1个低通滤波电路；和
与反馈输出端耦合的低通滤波电路，
每一低通滤波电路依次包括气体放电管或瞬态电压抑制管、RC低通滤波单元和限压电路。
优选的，所述第一参考信号采集单元进一步包括：
耦合在第一运算放大器的反相输入和地电位之间的第一电阻器；
耦合在第一运算放大器的反相输入和输出之间的第二电阻器；且
每一信号采集单元进一步包括:
耦合在第二运算放大器的反相输入和所述同一节点之间的第三电阻器，以及
耦合在第二运算放大器的反相输入和输出之间的第四电阻器。
优选的，所述第一运算放大器和每一信号采集单元中的第二运算放大器的频率响应相同，
所述第一电阻器和各第四电阻器的阻值相同，并且
所述第二电阻器和各第三电阻器的阻值相同。
优选的，每一带通滤波和二级放大电路分别包括串联连接的RC高通滤波器和包括第四运算放大器的低通滤波器，所述RC高通滤波器的输出与所述第四运算放大器的同相输入连接。
优选的，每一信号采集单元进一步包括分别耦合在所述带通和二级放大电路的输出和相应的一个输出端之间的直流偏置及反相放大电路。
优选的，所述直流偏置及反相放大电路包括单电源供电的第五运算放大器，第五运算放大器的反相输入端接收来自带通和二级放大电路的输出，其同相输入端通过退耦电容器接地。
优选的，每一信号采集单元进一步包括与第二运算放大器的输出耦合的RC低通滤波器。
优选的，所述直流偏置及反相放大电路进一步包括耦合在其输出的RC低通滤波器。
优选的，所述第一至第四运算放大器为双电源供电运算放大器.
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案可有效抑制心电信号采集过程中噪声干扰和共模信号干扰的，提供采集心电信号的准确度和稳定度，利用本发明所述装置可在单电源供电时，采集到完整的心电信号。本发明采集装置的输出是一个模拟量，通过在该采集装置的后端使用A/D转换器或集成有A/D转换器的微处理器，可对采集装置输出的心电信号进行进一步数字化处理，最终在显示器或LCD屏幕等显示设备或打印设备中得到常规的心电图。根据本发明的ECG信号采集装置是一种基于电子线路的硬件装置，它可精确采集生物体内的微弱的心电信号，通过调理放大，输出稳定的心电信号，因而可适用于任何商用ECG心电监测设备或产品，可直接集成在医用或家用心电监护仪，心电图机，便携式心电监测盒，Holter(动态心电图)等设备或产品的内部，作为一个独立的心电采集模块使用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示为一种多导联的ECG信号采集装置的电路图；
图2示为扩展模块的电路图。
具体实施方式
下面将参照附图并结合优选实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种多导联的ECG信号采集装置，该装置包括第一参考信号采集单元、第一信号采集单元、第二信号采集单元和负反馈放大电路。
第一参考信号采集单元包括第一电位信号参考输入端LL、第一运算放大器U201；第一运算放大器U201的同相输入端与参考输入端LL耦合，其反相输入端与其输出端耦合，第一参考信号采集单元还包括耦合在第一运算放大器U201的反相输入和地电位之间的第一电阻器R204与耦合在第一运算放大器U201的反相输入和其输出之间的第二电阻器R203。
第一信号采集单元包括一个输入端RA、一个第二运算放大器U301以及带通滤波和二级放大电路，第二运算放大器U301的输出端与该信号采集装置的第一输出端ADC1耦合，该第二运算放大器U301的反相输入端与其输出端耦合，并与所述第一运算放大器U201的输出耦合至同一节点，该节点为电路的平衡点，第一信号采集单元还包括耦合在第二运算放大器的反相输入和所述同一节点之间的第三电阻器R303，以及耦合在第二运算放大器的反相输入和输出之间的第四电阻器R304，在第二运算放大器U301的输出端还串联有由电阻R401和电容C401构成的滤波电路。
第二信号采集单元包括一个输入端LA、一个第二运算放大器U1001以及一个带通滤波和二级放大电路，该第二运算放大器U1001的输出端与该信号采集装置的第二输出端ADC2耦合，该第二运算放大器U1001的反相输入端与其输出端耦合，并与所述第一运算放大器U201的输出耦合至同一节点，该节点为电路的平衡点，第一信号采集单元还包括耦合在第二运算放大器的反相输入和所述同一节点之间的第三电阻器R1003，以及耦合在第二运算放大器的反相输入和输出之间的第四电阻器R1004，在第二运算放大器U1001的输出端还串联有由电阻R1005和电容C1005构成的滤波电路。
本实施例中负反馈放大电路包括一个第三运算放大器U101，来自所述节点的信号耦合至该第三运算放大器U101反相输入端，其输出端耦合至该信号采集装置的反馈输出端RL，由电路的平衡节点将信号接至运算放大器U101的反相输入端，其同相输入端接至装置参考地，为达到提高和平衡输入阻抗的目的，在运算放大器U101的两个输入端均串有电阻器，这里也可通过在U101反向输入端与M点之间增加电压跟随器来提高运算放大器U101的输入阻抗，为确保负反馈电路的闭环稳定性，还优选在电容C104前串联电阻R104，具体地，运算放大器U101的反相输入通过电阻器R106与负反馈放大电路的信号输入端点M连接，运算放大器U101的输出端通过电阻器R103与负反馈放大电路的信号输出端即信号采集装置的反馈输出端RL连接，运算放大器U101的正相输入通过电阻器R107与地电位连接，运算放大器U101的正极输入端与正极供电电源连接，其负极输入端与负极供电电源连接，电容器C104和电阻器R104依次连接在运算放大器U101的输出端和反相输入之间。
本实施例中带通滤波电路和二级放大电路由带通滤波器与二级放大器构
成，两者可分开独立使用也可混合使用，即可在带通滤波器后使用信号放大器，也可在高通滤波器后使用带有低通滤波功能的信号放大器，其中，带通滤波器由有源或无源滤波器构成，本发明ECG信号采集装置的带通滤波电路和二级放大电路处于差分放大电路后，其作用是产生0.05Hz至150Hz的通频带，并对通频带内的信号进行二次放大；本实施例中带通滤波和二级放大电路由一个RC高通滤波器和一个有源低通滤波器构成，其中，本实施例中第一信号采集单元中的高通滤波器由电容器C402与电阻器R402构成，低通滤波器由运算放大器U401与电容器C403和电阻器R403构成，所述RC高通滤波器的输出与所述第四运算放大器U401的同相输入连接；电阻器R403与R404的比值决定了通频带信号的放大倍数。本实施例中第二信号采集单元中的高通滤波器由C1006和电阻器R1006构成，低通滤波器由第四运算放大器U1002与电容器C1007和电阻器R1007构成。高通滤波器的作用就是抑制心电信号的基线漂移，同时隔断信号内的直流分量，及设置通频带的下限截止频率。正常情况下，心电信号会被叠加在一个固定的偏置电压上输出，这个偏置电压称为基线，而心电信号会沿着这条基线定向移动，当这条基线不再处于稳定状态并以一定频率上下波动时，就会导致整个心电信号沿基线上下波动，即产生了所谓的基线漂移。这种基线漂移严重时，几乎无法对心电信号进行幅值测量及形态分型，甚至完全无法识别出心电信号。漂移中的基线所呈现出的频率很低，能量集中在0.05Hz以下，这主要缘于信号输入阻抗的缓慢变化，而这种变化会改变输入信号的形态及幅度。比如生物体在运动和呼吸时产生的肌电干扰，电极与生物体表的粘合处出现的汗液，以及导联线不经意的晃动等等都会引起输入阻抗的变化，从而影响基线的稳定性。因此抑制基线漂移是获取清晰心电波形的前提。本发明所述技术方案中低通滤波与第二级放大是同步进行的，即通过有源滤波器设置上限截止频率并大幅提升通频带内信号的电压摆幅。
为避免心电图测试系统由于静电放电或其它过压过流事件的发生而受损，需在采集装置的前端增加必要的保护电路，特别是ECG采集设备，需要具备抵抗短时高压的能力，因为紧急情况时，医生可能会对患者进行电除颤，这时短时高压电会通过导联线直接引入到ECG采集设备内，因此本发明所述装置在每个信号输入端和与反馈输出端RL耦合的低通滤波电路，该低通滤波电路具有气体放电管或TVS(瞬态电压抑制)管用以实现房颤保护及抑制瞬态过电压。本实施例中与参考信号输入端耦合的低通滤波电路包括气体放电管或瞬态电压抑制管T201、分别由电阻R201和电容C201与电阻R202和电容C202组成的低通滤波模块、由二极管D201和二极管D202组成的限压电路，与第一信号采集端RA耦合的低通滤波电路包括气体放电管或瞬态电压抑制管T301、分别由电阻R301和电容C301与电阻R302和电容C302组成的低通滤波模块、由二极管D301和二极管D302组成的限压电路，与第二信号采集端LA耦合的低通滤波电路包括气体放电管或瞬态电压抑制管T1001、分别由电阻R1001和电容C1001与电阻R1002和电容C1002组成的低通滤波模块、由二极管D1001和二极管D1002组成限压电路，本实施例中与反馈输出端RL耦合的低通滤波电路由T101、R101、C101、R102、C102、D101和D102组成。
该装置进一步包括分别耦合在所述带通滤波和二级放大电路的输出端与相应的一个该信号采集装置的输出端之间的直流偏置及反相放大电路，该直流偏置及反向放大电路包括一个第五运算放大器U501，第五运算放大器U501的反相输入通过电阻器R501与直流偏置及反向放大电路的信号输入端连接，第五运算放大器U501的输出端与直流偏置及反向放大电路的信号输出端连接，第五运算放大器U501的同相输入通过电容器C504与地电位连接，第五运算放大器U501的正极输入端与正极供电电源连接，其负极输入端与0V电位连接。电阻器R502连接在第五运算放大器U501的反相输入和其输出端之间，电阻器R503的一端与正极供电电源连接，另一端连接在第五运算放大器U501的正相输入和电容器C504之间；电阻器R504的一端与地电位连接，另一端连接在第五运算放大器U501的正向输入和电容器C504之间。优选地，二极管D501的正极端连接在运算放大器U501的输出端和直流偏执及反向放大电路2004的信号输出端之间，其负极端与地电位连接。
该装置采用的第一至第四运算放大器均均采用双电源供电，即运算放大器的正电压管脚接正向直流电压+Vs，而负电压管脚接负向直流电压-Vs，且+Vs与-Vs大小相等，极性相反。若装置内运算放大器采用单电源供电，即运算放大器的正电压管脚接直流正电压+Vs，负电压管脚接0V电位，那么运算放大器U101的反相输入端接入的电位大小应是直流正电压的一半，即+Vs/2；以上所述直流电压均是以装置内0V电位为参考的。
根据本发明的优选实施方式，可以简单的方式对现有2导联装置进行扩展，为满足不同心电导联的模式。本发明在图2所示2导联装置的基础上，仅增加1个扩展模块也称为信号采集单元903便可使装置支持3导联采集模式，如图1所示。当增加2个扩展模块903时可支持5导联，增加3个扩展模块903时可支持7导联，直至增加到7个扩展模块903时可支持12导联，例如输入为LA，V1-V6，从而使ECG信号采集装置可支持所有心电导联模式。
本发明图1所示实施例就是从图2中的P点接入图1中的M点接入一个独立的扩展模块903。扩展模块903包括低通滤波单元、放大单元、带通滤波和二级放大单元，和任选的直流偏置及反向放大单元。本实施例中以上扩展模块903中所选用的功能单元均可选用图1所示一种多导联的ECG信号采集装置中的低通滤波电路、放大电路、带通滤波和二级放大单元与直流偏置及方向放大单元。经低通滤波的输入信号输入至运算放大器U1001的正相输入，运算放大器U1001的反相输入通过电阻器R1003与扩展模块903扩展节点P连接，运算放大器U1001的输出端耦合至带通滤波和二级放大单元。将电路903以扩展节点P连接至在图1中所示的平衡中点M，可实现对ECG信号采集装置导联数的扩充。当增加了7个扩展模块903，可支持12导联，从而使装置可支持所有心电导联模式。
综上所述，本发明可精确采集生物体内的心电信号并输出稳定的心电波形。在本发明所述装置的后端连接A/D(模/数)转换器或集成有A/D转换器的MCU(微处理器)对装置输出的心电信号做数字化处理。本发明所述技术方案可作为一个独立的硬件模块直接集成在ECG心电监测设备内。同时这个模块又具备了极为简单的扩展方法，仅需复制相同的扩展模块便可支持多种导联方式，从标准3导联到标准12导联都可以支持，从而满足多种场合的需要。比如医院使用的监护级设备就需要进行12导联的心电信号采集，而家用便携式设备可能只需要3导联就够了，这样生产心电监护设备的厂家可直接将本发明提供的装置集成在他们的产品里，这样就可以在短时间内推出多种心电监护产品，且输出的心电信号具备较高品质及医用参考价值。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种多导联的ECG信号采集装置，其特征在于：该装置包括
第一参考信号采集单元，具有用于输入第一电位信号的参考输入端；
与N个输入端耦合的N个信号采集单元，N为大于等于1的自然数；
负反馈放大电路，具有用于输出反馈信号的信号输出端，
第一参考信号采集单元，包括第一运算放大器，其同相输入端与参考输入端耦合，其反相输入端与其输出端耦合，
每一信号采集单元包括一个输入端、一个第二运算放大器以及带通滤波和二级放大电路，其输出与该信号采集装置的N个输出端中相应的一个输出端耦合，
所述N个输入端之一与相应的信号采集单元中第二运算放大器的同相输入端耦合，该第二运算放大器的反相输入端与其输出端耦合，并与所述第一运算放大器的输出耦合至同一节点，
负反馈放大电路包括第三运算放大器，来自所述节点的信号耦合至其反相输入端，其输出端耦合至该信号采集装置的反馈输出端。
2.如权利要求1所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，该信号采集装置进一步包括：
分别与信号采集装置的每一输入端耦合的N+1个低通滤波电路；和
与反馈输出端耦合的低通滤波电路，
每一低通滤波电路依次包括气体放电管或瞬态电压抑制管、RC低通滤波单元和限压电路。
3.如权利要求1所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，所述第一参考信号采集单元进一步包括：
耦合在第一运算放大器的反相输入和地电位之间的第一电阻器；
耦合在第一运算放大器的反相输入和输出之间的第二电阻器；且
每一信号采集单元进一步包括:
耦合在第二运算放大器的反相输入和所述同一节点之间的第三电阻器，以及
耦合在第二运算放大器的反相输入和输出之间的第四电阻器。
4.如权利要求1所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，
所述第一运算放大器和每一信号采集单元中的第二运算放大器的频率响应相同，
所述第一电阻器和各第四电阻器的阻值相同，并且
所述第二电阻器和各第三电阻器的阻值相同。
5.如权利要求1所述的到导联ECG信号采集装置，其特征在于，
每一带通滤波和二级放大电路分别包括串联连接的RC高通滤波器和包括第四运算放大器的低通滤波器，所述RC高通滤波器的输出与所述第四运算放大器的同相输入连接。
6.如权利要求1所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，
每一信号采集单元进一步包括分别耦合在所述带通和二级放大电路的输出和相应的一个输出端之间的直流偏置及反相放大电路。
7.如权利要求6所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，所述直流偏置及反相放大电路包括单电源供电的第五运算放大器，第五运算放大器的反相输入端接收来自带通和二级放大电路的输出，其同相输入端通过退耦电容器接地。
8.如权利要求1所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，每一信号采集单元进一步包括与第二运算放大器的输出耦合的RC低通滤波器。
9.如权利要求7所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，所述直流偏置及反相放大电路进一步包括耦合在其输出的RC低通滤波器。
10.如权利要求5所述的多导联ECG信号采集装置，其特征在于，所述第一至第四运算放大器为双电源供电运算放大器。
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