一种高精度Holter ECG监测系统中的滤波电路设计

刘福彬张志强

一种高精度Holter ECG监测系统中的滤波电路设计

刘福彬①张志强②*

目的：介绍一种高精度动态心电图(Holter ECG)采集系统中的模拟滤波电路设计。方法：滤波电路设计采用AD8220作为前置放大器，OPA2604作为有源滤波器的基本单元，使用抗混叠滤波、双T陷波网络等技术。结果：该模拟滤波电路有效地解决了在ECG信号采集过程中所出现的信号混叠、噪声干扰等问题。结论：该模拟滤波电路实际应用到高精度Holter ECG采集系统中，可有效提高ECG信号进入AD转换之前的精度，最大化降低信号干扰对ECG采集系统所造成的影响，使得ECG数字化分析更加简便、准确，满足Holter ECG采集系统的稳定性、高精度的设计需求，具有一定的实用价值。

心电图；动态心电；滤波电路；抗混叠；信号干扰

目前，心脏病是威胁人类生命的主要疾病之一。其发病率随着社会的发展呈递增的趋势。越来越多的患者承受着因心脏和血液循环系统异常所带来的痛苦，而成功挽救这些患者的生命需要依赖于对病情快速、准确的诊断。体表心电信号作为无创疾病检测的一种方法，自1887年Waller等首次对人体心电进行研究以来被广泛的应用在临床医学上[1-2]。直到今天，心血管疾病的诊断基本是以常规心电图(electrocardiogram, ECG)或向量心电图(vectorcardiogram, VCG)为主要手段，即通过判断患者心电波形变化规律及不同时刻的波幅推断心脏内病灶的部位或严重程度[3]。

1 动态心电图(Holter ECG)监测系统

常规心电图诊断过程难以通过一次ECG采集捕捉到有效的诊断依据，因此需要一种持续记录ECG信号

的装置。Holter ECG监测系统是一种24 h连续记录患者心脏电活动的小型ECG采集设备，通过放置在患者胸口的便携式电极来记录患者心脏电活动。电极片一端粘贴在患者胸口，另一端通过线缆连接到Holter ECG监测设备。Holter ECG监测系统记录患者在平日正常生理活动下或者异常生理活动下的心脏电活动的变化。同时还可用于某些药物实验，以实时观察人体对药物的心脏电生理反应。

Holter ECG监测系统中的重要单元模拟滤波器的设计直接影响到获取ECG信号的准确性，而采集的ECG信号的准确性直接影响医生对患者诊断的准确程度，严重的甚至会导致误诊。

2 ECG产生机制及特性

心脏电活动系统(即：心脏传导系统)控制着心脏泵血时其内部发生的所有活动。ECG信号是心脏内部所有电活动经过传导在体表所表现出来的电压波形变化。心脏传导系统主要包括窦房结、房室结和希氏束-蒲氏纤维3个主要部分[4]。

2.1 窦房结(Sinoatrial Node, SA Node)

窦房结位于右心房外膜上。心脏开始泵血时窦房结首先发生去极化过程，随后去极化产生的电脉冲传播至整个心房并通过内部纤维传播到房室结，心房在电脉冲刺激下收缩。窦房结作为心脏的起搏点，其电活动在体表心电图上表现为P波，如图1所示[5]。

图1 心脏电活动传播图

2.2 房室结(Atrioventricular node, AV Node)

房室结位于右心房背壁冠状静脉窦开口附近。房室结增强窦房结产生的电脉冲并作短暂的延时，延时使得左右心房可充分将血液压出心房，这一过程在心动周期中产生的延时为0.1 s。从窦房结去极化开始，脉冲到达房室结需要0.03 s，同时从房室结到达希氏束需要0.13 s。

2.3 希氏束-蒲氏纤维(His-purkinje System)

希氏束-蒲氏纤维沿着心室壁布满整个心室。电脉冲从房室结通过希氏束和蒲氏纤维到达心室肌肉，使得心室发生去极化并收缩，将血液压出心室。其电活动从体表心电图中表现为QRS波群，随后心室从电刺激中恢复，并产生体表心电图的ST段和T波，如图1所示。

心脏在这些重要的生理结构下通过电脉冲的产生与传导控制整个心脏正常的泵血活动，使得心脏能够周期性吸入血液并将其压出，形成血液的循环。心脏电活动通过传导在体表形成非常微弱的ECG信号，其幅值在0.5～5.0 mV之间。同时，还伴随着因电极与皮肤接触所产生的幅值为300 mV的直流信号，再加上最大值为1.5 V的共模成分。ECG信号根据不同的应用，所需带宽各不相同，对于普通监测其ECG带宽为0.5～50 Hz即可，而对于晚电位分析或起搏检测则需要最高达1 kHz的ECG信号。常见的临床应用ECG信号带宽为0.05～100 Hz。

由于ECG信号极其微弱，并很容易受到各种干扰的影响。对于ECG的采集，主要有以下数种噪声影响：①工频干扰：市电所产生的电磁干扰信号，主要是50～60 Hz及其谐波的噪声；②电极接触噪声：电极片和皮肤之间接触环境的变化会造成ECG信号的基线漂移；③运动噪声：由于电极和皮肤之间的阻抗发生变化而造成的ECG基线漂移；④肌电干扰：人体肌肉的电活动造成干扰，表面肌电(Electromyography, EMG)和心电混杂在一起；⑤呼吸作用：造成ECG信号基线漂移；⑥设备电磁干扰：临近电子设备的电磁辐射和电极线缆引入的高频干扰[6-7]。

3 ECG采集系统

由于ECG信号十分微弱且伴有大量的干扰信号，若获得较为精准的ECG信号则必须根据ECG的特性进行良好的放大滤波，以排除各种干扰。常规的ECG采集系统框架如图2所示。

图2 ECG信号采集系统框图

图2中右腿驱动的单路ECG采集系统的框图，其系统经过放大、滤波、采集和发送4个步骤完成ECG信号从人体采集到荧幕显示的过程，所有的滤波工作都是在模拟阶段完成。目前，数字处理器的计算水平越来越高，许多滤波工作都可在数字部分完成，并具有参数易于调整的优势。但模拟滤波仍然有其不可替代的优点，如信号抗混叠的问题，数字处理的算法非常复杂，并且难以达到由简单的数个元件构成的模拟滤波器的效果。另一方面，用数字处理实现的滤波器由于算法复杂、代码量较大，对于处理单元提出的要求较高，导致显著增加系统成本。因此，在不同的ECG采集系统中可根据系统的空间大小、成本、电源功耗等因素选择折中的解决方案。

4 滤波电路设计

4.1 抗混叠滤波器

采样定理的证明过程显示，当用采样频率fs对信号采样时，信号中以上的频率成分未消失，而是对称的映像到了以下的频带中，并且和原有频率成分叠加起来，这个现象叫做“混叠”(Aliasing)，这是任何一个连续信号被离散化的必然结果[8]。消除混叠的途径有两种，一种是提高采样频率 fs，一种是采用抗混叠滤波器。在进行信号采样之前首先对信号通带以外的信号进行滤除，就可以有效地避免信号混叠。在理想滤波的情况下，滤掉高于Nyquist频率的信号成分即可不产生频率混叠。然而，实际的滤波器都不具备理想滤波器的特性，实际处理时一般满足下面的关系 fs=(2.5～4.0) fmax。

4.2 硬件设计

ECG信号采集电极主要有主动式和被动式两种，被动式电极包含与皮肤进行接触的良导体(如银电极)，良导体通过接触皮肤传导电流。主动式电极除良导体外还在电极内部包含一个高输入阻抗的放大器，这样的设计使得系统对电极和皮肤之间的接触阻抗变化不敏感[9]。为了降低Holter ECG采集系统的成本，本设计采用了标准的被动式电极和专用的电极线。

这种电极环境下的ECG噪声干扰主要有基线漂移、工频干扰和肌电干扰[10]。滤波器的设计是为了在信号进入AD采样之前尽可能降低干扰对信号的影响。系统所设计滤波电路如图3所示。

为了消除无线电频段的空间信号对系统的电磁干扰，在由AD8220构成的前置放大器中，C1x、C2x、C3x及相关电阻构成了截止频率为1500 Hz的低通滤波器，能有效滤除由空间无线电产生的干扰。AD8220是一款单电源、JFET输入的仪表放大器，针对高性能、便携式仪器的需要而设计，最小CMRR为80 dB，最大输入偏置电流为10 pA，非常适合轻便、长续航电力使用的应用场合。

为了最大化消除采集ECG信号的基线漂移，使用由C4x、R5x和OPA2604构成了截止频率为0.05 Hz的高通滤波器。OPA2604运放具有超低谐波失真、低噪声及高增益带宽等特点，适用于高保真AC系统和对动态表现要求较高的信号调理场合，本设计的滤波器子单元是基于OPA2604的有源滤波器。

对于50 Hz的工频干扰，由R2x、R6x、R7x、R8x、C5x、C6x、C7x、C8x、U2xA、U2xB构成了双T陷波电路，该双T网络引入U2xA形成正反馈，以减小阻带宽度，使得阻带中心频率附近两边的幅值增大。品质因数由R9x和R10x共同决定。

EMG信号主要集中在30 Hz及以上的频段，为了消除EMG对ECG信号的干扰，需对这部分信号进行滤除。但如果在Holter ECG系统里直接使用截止频率为30 Hz的滤波器，则会导致信号的畸变，主要表现在对P波和T波的影响。因此，低通的滤波器通常选择截止频率为100 Hz。由U2xC和U2xD构成了带通滤波器，将通带频率控制在0.05～100 Hz。

图3 滤波电路原理图

图4 滤波电路的幅频及相频响应

图3所示为3个通道中的一个通道的滤波电路(axis X)，另外两路(axis Y和axis Z)在信号调理电路中的滤波器相类似。由于系统中设计了共用通道—Body通道，使每个通道的信号是基于-V和+V两个电极而获得，这也是心向量图弗兰克(Frank)导联体系的用法。

4.3 设计分析

滤波电路的幅频响应和相频响应如图4所示。

由图4可见，该滤波电路幅频响应在通带0.05～100 Hz内很平滑，能有效地让ECG信号通过，在通带之外信号迅速衰减，在50 Hz处有效地滤除了工频干扰，并有较为狭窄的阻带宽度，达到了ECG信号的采集标准。该电路用在Holter ECG采集系统中，能够有效地过滤各种信号干扰，获得较为“干净”的ECG信号。

5 结语

本文介绍一种用于Holter ECG采集系统的高精度滤波器设计方案，使用仪表放大器AD8220作为前置放大器，有源滤波器单元使用具有较好动态表现的OPA2604运放。该滤波器在实际使用中表现出低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗、低漂移等特点，满足了Holter ECG采集系统的稳定性、高精度的设计需求，具有一定的实用价值。

[1]Waller AD. A demonstration on man of electromotive changes accompanying the heart's beat[J].Ann Noninvasive Electrocardiol,2004,9(2):189-191.

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Design of a filtering circuit in high definition Holter ECG system

LIU Fu-bin, ZHANG Zhi-qiang

Objective: To introduce an analog signal filtering circuit design for the high resolution Holter monitoring system. Methods: In this circuit design, AD8220 was used as the preamplifier, and OPA2604 used as the core of the active filter circuits. Anti-aliasing filtering and Double-T notch filtering technology were also used. Results: The problems of aliasing and noise interference in ECG acquisition were well solved. Conclusion: It effectively improves the accuracy of ECG signals before AD conversion, and significantly reduces the influence of noises on ECG signals while applied in the high resolution Holter monitoring system. It meets the needs of stability and high precision in the system, and has certain practical value.

Electrocardiogram; Holter; Filter circuit; Anti-aliasing; Noise interference

General Hospital of Jiangsu Provincial Armed Police Forces, Yangzhou 225003, China.

1672-8270(2012)08-0012-04

TH772.4

A

刘福彬,男,(1964- ),本科学历,工程师。武警江苏省总队医院设备科科长，从事医疗设备管理与维修工作,在心电便携式设备维护与开发上有所专长。

2012-03-27

①武警江苏省总队医院设备科 江苏 扬州 225003

②武警总医院器械材料科 北京 100039

*通讯作者：tonyzhan77@163.com

China Medical Equipment,2012,9(8):12-15.