心电图仪设计方案与细分领域应用综述

此处描述的是最常用的12导联系统，但不是唯一方案。另外，12导联ECG也可以作为5导联、3导联或1导联系统使用。关键是当需要不止1个导联时，需要开关阵列和均值电路。

模拟前端(AFE)

AFE的主要功能是将心电信号数字化，由于需要抑制RF信号源、起搏信号、导联脱落检测信号、工频共模信号等强干扰以及其他肌体信号和电子噪声的干扰，处理过程非常复杂。另外，毫伏级的心电信号可能叠加在数百毫伏的直流失调电压上，加上通道间的共模电压，可能超过1 V。连接到患者身体的电极一定不能产生电击危险或干扰到连接在病人身上的其他医疗仪器。ECG的有效频率范围某种程度上与应用有关，通常在0.05 Hz～100 Hz之间。

AFE的第二个功能是能够检测起搏信号、导联脱落、呼吸频率和患者阻抗，检测工作在几个通道上同时或几乎同时进行。另外，心脏除颤时，多数ECG设备需要快速恢复，但由于心脏除颤会导致前端电路和充电电容饱和，这些容性耦合电路会延长恢复时间。

AFE架构

AFE架构对系统性能影响很大，下面描述的增强型架构，由于采用了高精度、高速ADC(模/数转换器)，从而在较宽的频率范围内提供高保真。没有采用电容耦合，而是通过DAC(数/模转换器)作为RL驱动，使AFE可以从除颤或射频干扰中快速恢复。数字化起搏信号允许对起搏数据进行分析，从而减少错误的起搏指示，甚至可以检测起搏器或连接部分的缺陷。另一方面，还要考虑到增强系统需要昂贵的元器件，耗电也很大。相比之下，简化型AFE价格便宜，电池寿命也更长，其他特性差异则很小。

增强型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如图3所示)满足ECG测试要求，可以同时量化9个电极信号，在200 kS/s采样率下的无噪声精度可达20位。然后用数字信号处理器(DSP)计算每个导联信号，隔离起搏信号、导联脱落信号和呼吸信号，并滤除干扰频率信号。DSP还计算数/模转换器(DAC)驱动RL电极所需要的信号强度。这种AFE架构需要模/数转换(ADC)器的各个通道高度匹配。另外，还需要缓冲器隔离ADC采样电容和高阻电极。这种方案虽然满足了测量指标要求，却不能满足多数应用的成本和功耗要求。

简化型AFE：低端AEF系列的特性是单通道、消费类ECG。这些设备的AFE采用电容耦合电路，将输入信号耦合到一个低通差分放大器，再馈送给10位、 120 S/s采样率的ADC。电容耦合电路可以去掉输入的直流失调，低通滤波器滤除起搏信号。这些设备通常采用电池供电，且只有一个通道，因此没有共模电压。

典型的ECG设备AFE：大多数ECG设备采用的电路介于上述两者之间。仪表放大器(IA)常用来抑制共模电压，消除诸如工频干扰的共模噪声，并为 ADC的采样电容提供缓冲，后续滤波器可以滤除起搏信号和脱落检测信号，然后送到ADC进行采样、数字转换。某些情形下，心电信号和直流失调会通过一个高精度ADC直接进行数字转换。其他情形下，则会采用高通滤波器或DAC去除直流失调，从而可以使用典型的12位精度ADC，对放大后的心电信号进行采样、数字转换，如图4所示。每个通道可以配备一个ADC，也可以多个通道共用一个ADC进行数字转换。ADC复用则在通道间引起微小的时间偏差，其接受程度取决于具体应用。如果需要检测起搏信号，则可用高通滤波器提取，然后放大，再用比较器电路进行放大和检测。

ECG设备类型遥测型ECG

遥测型ECG系统用于临床环境下流动患者的连续监测，它包括一个置于患者端、带无线(RF)收发功能的ESG和一个中心站，通过无线接收采集并分析患者的监测数据。有些遥测系统还提供额外数据(例如血氧值)，这些数据用来验证治疗效果或调整治疗方案，并对即可能发生的问题告警。

许多遥测系统只有5个导联，如果用满12个导联的话，则难以应对病员的流动性。通常，患者会连续几天使用设备，因此此类设备多采用一次性电池。其他 ECG也能增加遥测功能，不过“遥测ECG”专指在医院内部可移动携带并能发送数据到本地接收站的移动单元。对于此系统的设计，关键要考虑低功耗、低噪声和小尺寸。

霍尔特(Holter)监护仪

纽曼·霍尔特博士发明了移动监护仪对数据进行采集并上传到其他系统进行分析。与遥测型设备不同，这些监护仪不需要中心接收站，可以用于家庭、户外乃至任何地点。对于Holter ECG监护仪，因为12导联监护仪不便移动，多数情况下导联数不会超过5个。一般用存储卡从监护仪转移数据，当然，也可以用USB盘或其他方法。多数患者只需要监测1～2天，当需要患者参与某些药理研究时，则使用特殊的长期监护仪，患者可能需要使用一年甚至更久。Holter ECG监测仪设计的主要要求也是低功耗、低噪声和小尺寸。

消费类ECG

这类低端ECG可以方便地固定在手臂上，人们在家里就可以进行ECG检查，这些仪器能够保存数据并显示在内置屏幕上。数据也可以传送到计算机或通过电话线传送到康复中心。有些仪器有挂接多个电极，有些则只是在机壳上安装了两个电极。内置电极可以压在胸部，或者把两手分别放在两个电极上。由此得到的心电图可能质量不是很好，却为人们在异常时监护自身状况、采集心电数据提供了一个有效途径。对消费类心电仪的设计主要着眼于廉价和小尺寸。

自动体外除颤器(AED)

为了在公众场合应对一些突发事件，大多在公共场所(如大型购物中心、健身房以及办公室等)都会安装AED设备。在心脏病发作时可以立即采用这些设备，对胸部释放一个高能量的电脉冲，起搏心脏并使之恢复到正常心率。如果使用时机不当，脉冲冲击会造成生命危险，因而，ECG在功能上必须能够防止这种意外发生。AED一般只有1个导联，其电极既用来释放高压脉冲，也用来采集心电信号。AED设备原理框图如图5所示。

AED可能数月或数年搁置不用，而使用这些设备的往往是没有经过专业培训的人员，设备即使存在问题，他们也无从知道。需要使用AED时，要先开机、进行一系列自检确认功能完好无损，然后再运行一小段时间。所有心电数据以及除颤信息，需要记录下来，用于随后分析。使用有问题的AED弊大于利，因而可靠性和自诊断能力是AED设计首先要考虑的。

诊断型ECG

诊断型ECG设备用于医院和医生办公室，提供高质量ECG检测，可以测试全部12导联的ECG，并创建硬拷贝输出。这些设备使用高性能AFE，通常可以通过调整增益、选择适当的滤波器来提高ECG检测质量。由于体积较大很少移动，这些设备有空间实现更多功能，例如内置打印机、各种通信接口、大尺寸显示屏等。它们一般使用交流电源，通常也带有可充电电池用作备份。设计诊断型ECG的关键在于低噪声、高抗干扰能力和灵活性。

病人监护仪

病人监护仪用于监测生命体征(脉搏、呼吸速率、血压及体温等)，另外也具备ECG功能，同时还可以监测血氧、二氧化碳水平。把这些功能整合成一台设备，可以使手术室更为简洁，使用也更为方便。病人监护仪的AFE类似于诊断型ECG，但要满足射频(RF)抑制要求，因为在手术期间，会受到电子刀和氩离子凝固术(APC)设备的高强度RF干扰。另外，能够从心脏除颤操作中迅速恢复也是这类AFE的基本要求。由于病员监护仪采用交流供电，也配有备用电池，所以功耗也是重要指标。外壳必须能防溅水并便于清洁，当然这会影响冷却通道，因此还要考虑散热问题。除了功耗和散热外，设计病人监护仪的关键在于RF抑制和低噪声指标。