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基于ECG AFE简化病人监护仪系统设计

2019年11月07日 文章来源:网络整理 热度:136℃ 作者:刘英

在较高水平的系统以及病人监控设备的元件系统中不难发现,许多数据采集系统都存在典型的信号链,包括信号采集、信号调理与处理以及工作通信。如果再深入探究,就会发现有很多的设计问题需要理解,比如有关信号完整性和共模抑制对信号的影响等问题等等。保证使用电气连接设备的病人的安全同样至关重要,但这会增加设计的复杂度。病人有时可能需要进行除颤,在这时候,我们必须防止系统自身受到此类活动的影响。不仅如此,还有其他的许多行业规范以及实践中的实际问题也会影响系统的最终设计。

图1是12导联ECG(心电图)监控器件的典型信号链,架构非常复杂,存在各种细微差别和复杂性。

利用ECG AFE简化病人监护仪设计

ECG监控

ECG的测量,即心脏的电活动。测量ECG信号的设备包括便携式动态心电监护仪、临床心电图仪以及高通道心脏标测系统,这些设备在不断开发中。这些测量系统使用的环境十分广泛,图2中所示的是其中的一些典型场合。例如医院的使用环境包括手术室、重症监护室、电生理实验室等,每种环境都有需要解决的设计难题。这些环境所面临的设计难题的复杂性和测量目标都十分广泛,而且范围仍在不断扩大。随着医疗保健行业朝着远程病人监控方向发展,开发人员面临着一系列新的挑战,需要随时提出新的应对措施。

ECG信号

ECG信号是心脏在一段时间内电性活动的经胸反映,通过皮肤电极采集并于外部进行记录。它是由心电图设备产生的无创记录。ECG信号的幅度通常为0.25mV~5mV,由各种波所组成,如正常窦性心律图。正常窦性心律的偏差说明可能存在异常,医生可以借此评估病人的健康状况并作出相应处理。

ECG信号的采样图由P波、QRS波群和T波组成,代表一个心动周期中的心脏电性活动。一个心跳周期 P波:心房收缩;QRS波群:心室兴奋;T波:心室激动后的复原活动。如今,通过研究心脏不同层面的电气特性,心脏病专家能够确定很多与心脏功能相关的异常现象。如图3所示。

ECG测量

在ECG测量中,电极即电势传感器,放置在胸部和/或四肢各个部位。导联来自ECG电极的各种数学组合。虽然出于历史的原因,有些人认为这已经过时,但在临床环境中,12导联ECG依然是最常见的设置。12导联ECG包括三个标准肢体导联,即右臂、左臂和左腿,称为Einthoven导联。还有三个加压肢体导联VR、VL与VF,也就是通常所说的Goldberg加压导联,以及6个心前区导联,即V1~V6。心前区导联也称V导联,大多数心脏病专家认为其属于独立矢量,这也是威尔逊中心电端和目标V电极的差异所在。威尔逊中心电端本身由右臂、左臂和左腿导联组成,可进行3分频。我们可以发现,要想形成12导联ECG,只需连接9个电极即可。通常还会采用第10个电极来提供“右腿驱动”,随着映射的心脏层面增加,测量心脏生物电信号也变得更加复杂。

如图4所示,Einthoven导联和V导联一样可视为独立矢量,信号来自导联1、2、3,从两臂间或一条手臂与左腿之间测量得出。加压导联aVL、aVR和aVF与导联1、2、3源自同样的三个电极。以aVL为例,正极为左臂,负极为右腿和右臂的组合。因此,上述导联不属于独立导联。在胸导联连接V1~V6,6个正电极放置于胸部,之前提到的作为测量参考的威尔逊中心电端则相当于负电极。

利用ECG AFE简化病人监护仪设计

图2 医疗保健系统中需要ECG监控的环境

利用ECG AFE简化病人监护仪设计

图3 ECG信号

利用ECG AFE简化病人监护仪设计

图4 经过心脏的aVx导联测量

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