心電圖儀簡介

本應(yīng)用筆記介紹了心電圖儀（ECG或EKG），并討論了如何以電子方式測量和顯示心臟信號的基礎(chǔ)知識。對ECG設(shè)備的模擬前端（AFE）部分以及該信號路徑如何將心率數(shù)據(jù)數(shù)字化進(jìn)行了更廣泛的審查。討論了各種心電圖應(yīng)用，包括自動體外除顫器（AED）、患者監(jiān)護(hù)儀和高端診斷心電圖，以及它們可能提供的功能變化。

概述

心電圖（ECG或EKG）是與心肌相關(guān)的電信號相對于時間的測量和圖形表示。心電圖的應(yīng)用范圍從監(jiān)測心率到診斷特定的心臟病。ECG測量的基礎(chǔ)知識對于所有應(yīng)用都是相同的，但電氣元件的細(xì)節(jié)和要求差異很大。心電圖儀或ECG設(shè)備的范圍從成本低于200美元的便攜式手持設(shè)備到成本超過5，000美元的設(shè)備，其大小與傳真機相當(dāng)。心電圖甚至可以嵌入到單獨的設(shè)備中，例如患者監(jiān)護(hù)儀或自動體外除顫器 （AED）。

所有心電圖都通過外部連接到身體特定位置的電極接收心臟信號。心臟信號由身體產(chǎn)生，振幅為幾毫伏。電極的特定位置允許從不同角度觀察心臟的電活動，每個角度在ECG打印輸出上顯示為一個通道。每個通道表示兩個電極之間的差分電壓，或一個電極之間的差分電壓與多個電極的平均電壓。電極的不同組合允許顯示比電極更多的通道。這些通道通常被稱為“導(dǎo)聯(lián)”，因此 12 導(dǎo)聯(lián) ECG 設(shè)備具有 12 個以圖形方式顯示的獨立通道。引線數(shù)量從 1 到 12 不等，具體取決于應(yīng)用。不幸的是，通往電極的導(dǎo)線有時也被稱為引線。這可能會造成混淆，因為 12 導(dǎo)聯(lián)（12 通道）ECG 設(shè)備只需要 10 個電極（10 根線），因此請注意使用“導(dǎo)聯(lián)”的環(huán)境。

除了生物信號外，大多數(shù)心電圖還檢測到兩個人造信號。這些信號中最重要的來自植入式起搏器，簡稱為“起搏”。配速信號相對較短，幾十微秒到幾毫秒，幅度從幾毫伏到近一伏不等。通常，心電圖必須檢測起搏信號的存在，同時防止它扭曲來自心臟的信號。

第二個人造信號用于檢測“引線脫落”，即電極電接觸不良時。許多ECG設(shè)備必須在發(fā)生這種不良接觸時發(fā)出警報。因此，ECG設(shè)備產(chǎn)生信號來測量電極和身體之間的阻抗，以檢測導(dǎo)聯(lián)脫落的發(fā)生。測量可以是交流、直流或兩者兼而有之。在一些ECG設(shè)備中，呼吸速率也通過分析導(dǎo)聯(lián)脫落測量的阻抗來檢測。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測是連續(xù)的，不應(yīng)干擾心臟信號的準(zhǔn)確測量。

圖2.功能齊全的心電圖功能框圖。

特征

如果將ECG分為模擬前端（AFE）和“系統(tǒng)的其余部分”，前者將這些信號數(shù)字化，則更容易理解ECG所需的電子元件。AFE具有相同的基本要求，但在引線數(shù)量、信號保真度、必須抑制的干擾等方面有所不同。系統(tǒng)的其余部分根據(jù)特征是否存在而有所不同。典型功能包括內(nèi)置顯示屏、打印硬拷貝的能力、射頻 （RF） 鏈路和可充電電池。

引線數(shù)量

最明顯的特征之一是潛在客戶的數(shù)量。有些心電圖只有一個導(dǎo)聯(lián);潛在客戶的最大數(shù)量通常為 12。最常見的 12 導(dǎo)聯(lián)心電圖需要 10 個電極。其中九個電極拾取電信號，第十個電極位于右腿（RL）上，由ECG電路電驅(qū)動以降低共模電壓。九個輸入電極是：左臂（LA），右臂（RA），左腿（LL）和六個心前區(qū)（胸部）電極（V1至V6）。每個導(dǎo)聯(lián)或心臟視圖是一個電極與另一個電極或電極組之間的差分電壓。當(dāng)電極分組時，它們的電壓是平均的。RA、LA和LL對其中1個引線（視圖）求平均值，并成為差分對的一側(cè)，而V6至V<>分別用于差分對的另一側(cè)。其中三根導(dǎo)聯(lián)線根據(jù)其他兩個電極的平均值測量 RA、LA 和 LL。其余三個導(dǎo)聯(lián)來自 RA、LA 和 LL，作為單獨的對進(jìn)行測量?；?RA、LA 和 LL 的六個導(dǎo)聯(lián)包含重復(fù)的信息，但以不同的方式顯示。由于信息是冗余的，因此無需測量所有六個導(dǎo)聯(lián)。一些通道可以由DSP在分析來自測量通道的數(shù)據(jù)時計算。

雖然這里描述的 12 導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)是最常見的，但它并不是唯一的系統(tǒng)。此外，12 導(dǎo)聯(lián)心電圖能夠作為 5、3 或 1 導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)運行。這里的關(guān)鍵點是，當(dāng)需要多個引線時，需要開關(guān)矩陣和平均電路。

模擬前端 （AFE）

AFE的主要功能是將心臟信號數(shù)字化。由于需要抑制來自強RF源、起搏信號、導(dǎo)聯(lián)脫落信號、共模線路頻率、來自其他肌肉的信號和電噪聲的干擾，這個過程變得復(fù)雜。此外，毫伏級ECG信號可以位于數(shù)百毫伏的直流偏移之上，通道間共模電壓相差超過一伏。與患者的電氣連接不得造成電擊危險或干擾可能連接到患者的其他醫(yī)療設(shè)備。ECG的目標(biāo)頻率范圍因應(yīng)用而異，但通常在0.05Hz至100Hz左右。

AFE 的次要功能是檢測起搏信號、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測、呼吸頻率和患者阻抗。所有這些都是在多個通道上同時或幾乎同時完成的。此外，大多數(shù)ECG設(shè)備需要從除顫事件中快速恢復(fù)，這可能會使前端和充電電容器飽和。這為電容耦合電路帶來了較長的恢復(fù)時間。

各種心電圖應(yīng)用的AFE功能

AFE 架構(gòu)

AFE 體系結(jié)構(gòu)對功能有很大的影響。下面描述的蠻力架構(gòu)由于其高分辨率、高轉(zhuǎn)換速率的ADC，可在寬頻率范圍內(nèi)提供高保真度。由于沒有電容耦合，并且使用DAC進(jìn)行RL驅(qū)動，因此能夠非?？焖俚貜某澔騌F事件中恢復(fù)。將配速信號數(shù)字化可以進(jìn)行配速分析，從而減少錯誤配速指示的數(shù)量，甚至可以檢測起搏器或其連接中的故障。不利的一面是，蠻力系統(tǒng)需要昂貴的組件并使用大量功率。相比之下，最小的AFE具有低成本和長電池壽命的特點，但除此之外幾乎沒有其他特點。

蠻力和 DSP AFE。通過使用強大的ADC的蠻力同時將所有九個電極上的信號數(shù)字化，以20ksps的速率將大約200位的無噪聲分辨率，可以滿足ECG的測量要求。然后，可以使用數(shù)字信號處理器（DSP）計算每個導(dǎo)聯(lián)的信號，隔離起搏信號，隔離導(dǎo)聯(lián)脫落/呼吸信號，并濾除不需要的頻率。DSP還計算驅(qū)動RL電極的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的值。這種AFE方法要求模數(shù)（ADC）通道緊密匹配，并且可能需要緩沖以將ADC采樣電容與相對高阻抗的電極隔離開來。雖然這種方法可能滿足測量要求，但它無法滿足大多數(shù)應(yīng)用的成本或功耗要求。

最小 AFE。AFE 功能譜的另一端是 1 導(dǎo)聯(lián)消費級 ECG。該器件的AFE電路將輸入信號容性耦合到低通差分放大器，低通差分放大器后接10位、120sps ADC。電容耦合輸入消除了直流失調(diào)問題，低通濾波消除了起搏信號。沒有共模電壓，因為該器件由電池供電，只有一個通道。

典型的心電圖AFE。大多數(shù)ECG設(shè)備中的電路介于上述兩個極端之間。儀表放大器（IA）用于降低共模電壓，消除線路頻率等共模噪聲，并為ADC的采樣電容提供緩沖。在ADC對心臟信號進(jìn)行數(shù)字化之前，IA之后的濾波器會去除起搏和導(dǎo)聯(lián)信號。在某些情況下，心臟信號及其直流失調(diào)由高分辨率ADC直接數(shù)字化。在其他情況下，使用高通濾波或DAC來消除直流失調(diào)，以便心臟信號可以通過較低分辨率的ADC（通常為12位）進(jìn)行放大和數(shù)字化。每個引線可以使用單獨的ADC，也可以多路復(fù)用一個ADC以數(shù)字化多個引線。多路復(fù)用ADC會導(dǎo)致通道之間出現(xiàn)輕微的時間偏差。這種傾斜的反感程度取決于應(yīng)用程序。如果需要起搏檢測，起搏信號由高通濾波器拾取、放大并由比較器電路檢測。

圖3.直流耦合、高分辨率ADC。

圖4.交流耦合模數(shù)轉(zhuǎn)換器

心電圖設(shè)備的類型

遙測設(shè)備

ECG遙測系統(tǒng)用于在臨床環(huán)境中連續(xù)監(jiān)測非臥床患者。它們由患者佩戴的配備射頻的ECG測量單元和一個中央RF接收站組成，該接收站收集和分析來自許多患者的數(shù)據(jù)。某些遙測系統(tǒng)提供其他數(shù)據(jù)，例如血氧水平。這些數(shù)據(jù)用于驗證或改變治療的有效性，并警告即將發(fā)生的問題。

許多遙測系統(tǒng)限制為 5 導(dǎo)聯(lián)，因為完整的 12 導(dǎo)聯(lián)心電圖使患者難以走動。患者通常會連續(xù)使用該設(shè)備幾天。這些設(shè)備中經(jīng)常使用一次性電池。其他心電圖也能夠遙測，但術(shù)語“心電圖遙測”特指醫(yī)院中佩戴的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜亟邮照镜囊苿訂卧?。遙測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵考慮因素是低功耗、低噪聲和小尺寸。

動態(tài)心電圖監(jiān)測儀

Holter這個名字來自Norman Holter博士，他發(fā)明了用于收集數(shù)據(jù)的移動監(jiān)視器，然后上傳到另一個系統(tǒng)進(jìn)行分析。與遙測單元不同，這些監(jiān)視器不需要中央接收站，可以在家中、室外或幾乎任何地方使用。對于動態(tài)心電圖監(jiān)護(hù)儀來說，五導(dǎo)聯(lián)通常是最大值，因為使用完整的 12 導(dǎo)聯(lián)心電圖很難行走。最常通過取出存儲卡從顯示器中檢索數(shù)據(jù);但是，也使用USB和其他方法。大多數(shù)患者只需要監(jiān)測一兩天。特殊的長期監(jiān)護(hù)儀用于參與藥物研究的患者 - 它們由單個患者使用一年或更長時間。動態(tài)心電圖監(jiān)護(hù)儀設(shè)計的主要關(guān)注點是低功耗、低噪聲和小尺寸。

消費者心電圖

這些低端心電圖機很容易放在手上，人們在家里進(jìn)行自己的心電圖測試。該設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，并將其顯示在內(nèi)置屏幕上。這些數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接嬎銠C或通過電話線發(fā)送給醫(yī)療保健提供者。有些裝置在電線上有多個電極，而另一些裝置則在外殼中內(nèi)置了兩個電極。外殼中的電極可以壓在胸前，也可以將一只手放在每個電極上。由此產(chǎn)生的心電圖可能不是最好的質(zhì)量，但它是人們在經(jīng)歷異常事件時監(jiān)測自己并捕獲有關(guān)心臟數(shù)據(jù)的一種方式。消費類ECG設(shè)計的關(guān)鍵問題是低成本和小尺寸。

自動體外除顫器 （AED）

這些設(shè)備供未經(jīng)培訓(xùn)的公眾緊急使用，經(jīng)常出現(xiàn)在購物中心、健身房和辦公室等公共場所。

圖5.AED 設(shè)備的功能框圖。

它們在心臟病發(fā)作后或期間立即使用，通過向胸部傳遞高能量電脈沖來啟動心臟并恢復(fù)其自然節(jié)律。如果在錯誤的時間傳遞，這種脈沖也會殺死;需要心電圖功能來確保這種情況不會發(fā)生。AED 通常有一個導(dǎo)聯(lián)線，并通過同一對電極拾取心臟信號，這些電極將高能脈沖傳遞到胸部。

AED 可能會放置數(shù)月或數(shù)年而不使用，然后由未經(jīng)培訓(xùn)的人員使用，如果存在問題，他們不太可能識別問題。當(dāng)需要系統(tǒng)時，它必須打開，進(jìn)行徹底的自我檢查以驗證一切是否正常工作，然后運行相對較短的時間。必須記錄所有心電圖數(shù)據(jù)以及除顫信息，以供以后分析。使用有缺陷的 AED 弊大于利。因此，可靠性和自診斷是AED設(shè)計的基本考慮因素。

診斷心電圖

這些機器用于醫(yī)院和醫(yī)生辦公室進(jìn)行高質(zhì)量的心電圖測試。它們能夠執(zhí)行完整的 12 導(dǎo)聯(lián)心電圖測試并創(chuàng)建硬拷貝打印輸出。這些裝置使用高性能AFE，通常具有增益調(diào)整和各種濾波器選擇的選項，以提高ECG測量的質(zhì)量。這些機器更大，更不便攜，具有更多功能的空間，例如內(nèi)置打印機，多個通信端口和大顯示屏。這些設(shè)備由線路供電，但通常包括可充電備用電池。診斷ECG設(shè)計人員的關(guān)鍵考慮因素是低噪聲、干擾抑制和靈活性。

患者監(jiān)護(hù)儀

這些機器監(jiān)測生命體征（脈搏率、呼吸頻率、血壓和體溫）。此外，它們可能包括心電圖功能，以及監(jiān)測血氧和二氧化碳水平。將所有這些功能集成到一個單元中有助于整理手術(shù)室，并簡化在不斷開監(jiān)護(hù)設(shè)備的情況下將患者從一個房間移動到另一個房間的過程。

用于患者監(jiān)護(hù)儀的AFE類似于診斷ECG中使用的AFE，但必須滿足射頻抑制要求 - 這些機器在手術(shù)期間使用，可以接收來自電烙刀和氬等離子體凝固（APC）設(shè)備的強射頻信號。從除顫事件中快速恢復(fù)也很重要。

患者監(jiān)護(hù)儀由線路供電，但有備用電池，這使得功耗成為一個重要問題。外殼必須防濺且易于清潔。這排除了散熱孔，從而使功耗成為一個考慮因素。除了功耗和耗散外，患者監(jiān)護(hù)儀設(shè)計的關(guān)鍵考慮因素是射頻抗擾度和低噪聲。

各種心電圖應(yīng)用的共同特點

審核編輯：郭婷