心電圖電路與PicoScope示波器

             心電圖簡稱ECG(也叫EKG, 取自德語Electrode-Kardiographie)記錄的是心臟的電信號，是檢查心臟疾病的重要手段。本文使用英國比克科技Pico Technology的數據記錄儀DrDAQ，來讀取并記錄心電圖數據，以下所有的測量和記錄操作使用PicoScope示波器也能實現。

英國生理學家奧古斯都.D.沃勒是心電檢查的先驅人物，早在1887年他就發布了世界上第一張人體心電圖。然而在1911年，沃勒消極地預測：“我無法想象心電圖會在醫院深入使用，它最多在一些偶然情況下用來印證一些罕見的心臟病變”。戲劇性的是，僅僅13年后，諾貝爾獎就授予而了德國生理學家威廉厄姆.埃因霍芬，他把這個神奇生理現象變成了一種臨床上不可或缺的檢測儀器，它到今天仍然被廣泛使用。

什么是心電圖(ECG/EKG)

就是心臟組織產生的電活動反應在體表的電位。離子的形式電流表征了心肌纖維的收縮活動，即心臟的泵血功能。自從1913年埃因霍芬發明弦式電流計并將它應用在臨床診斷上，ECG就成了一種有價值的、無損的診斷工具。

最簡單的記錄方式也被稱為三導ECG（現在更多的有六導、十二導），也就是從身體的三個部位獲取電流（被稱為埃因霍芬三角，這是一個以心臟為中心的等邊三角形），L1和L2兩個點的電位差隨時間變化的曲線，就是ECG心電圖。而L3則是作為一個共地點，把人體和記錄設備共地。

把ECG曲線和心臟中的電信號事件對應起來是一個公認的逆向難題，其中的難點在于把心電信號和體表的其他雜波電信號區分開來。

關于ECG應用

本文所實踐的ECG設備基于肖恩.卡爾森于2000年6月發表在《科學美國人》的《科學家自畫像》一文。這篇文章描述了一種電路結構，基于儀器放大器來測量ECG信號。

下圖中的實際電路基于此略有修改，然后用Pico Technology 比克科技的一塊DrDAQ采集卡來讀出并記錄數據。

圖1： ECG連接原理圖

采樣結果

下圖展示了采樣曲線，就是按照埃因霍芬的三導ECG法連接并測得的。

圖2：L1和L2連接在胸部

圖3：L1和L2連接在腕部

ECG 電子電路介紹

特別提醒：強電傷人，實際操作前請閱讀相關安全說明。

之前提過，ECG應用的電路和肖恩.卡爾森在《科學美國人》上發表的文章里提及的類似。具體電路如下圖所示，核心是一枚AD624AD儀器放大器（美國Analog Devices公司出品）

圖4：ECG電路圖

輸入線纜和連線

放大器從一個貼在人體上的自粘式電極獲得電信號輸入，由于信號的幅度非常小，放大器很容易受不同噪聲源的影響，因此連接電極和電路之間的線纜必須盡可能的短，盡可能屏蔽良好。本文選取的是帶有Lemo接頭的RG-174 50歐姆同軸線，這些線纜很適合實驗測試，因為它們不但堅固耐用，而且又輕又薄。而且Lemo接口能很方便地在固定在封裝電路板的鋁鈑金外殼上，容易拔插。

考慮到安全因素，這個測試要把人體和一個帶有強電的電子設備相連接，所以在放大器的輸入端同時并入了保護二極管。本實驗中的ECG電路用的是兩節9V電池供電，本身還在安全電壓以下。但是一旦后面和示波器、記錄儀、計算機等通過市電供電的設備相連，就不得不考慮用電安全了。在極端情況下，如果由于某種原因，電源供電出現了浪涌，導致一些災難性的后果，可以想象市電的電壓也許會傳導到放大器的輸入端。雖然，這種情況不太可能發生，但是一旦出現了，放大器的輸入級最大電壓也可以被二極管限定在0.6V，大電流直接短路到地了。這對測試結果不會產生嚴重的影響，因為實測的心電信號遠小于0.6V。并且，必須用一對雙向二極管，來限制正負兩個方向的浪涌。此外，還有一種方法來提高安全性是重新設計電路，利用光隔離式器件，從根本上隔離高壓供電電源和電極（一般能承受幾千伏）。

輸出線纜與電路

對于輸出信號，金屬外殼上安裝的是一個帶保護套BNC連接器，這樣輸出信號就能經由50歐姆匹配的同軸線纜直接連到示波器上。

電路的輸出部分相比《科學美國人》文章里面的略有差別，為的是讓它能方便的連接DrDAQ，滿足它輸入0-5V的限制范圍。當然這樣還是不能很好地與ECG信號匹配，因為它是正負雙極性的脈沖。于是，我們在電路的輸出端再串聯一個1uF的隔直電容，來實現AC耦合，然后用一個上拉電阻把直流電平上拉到2V左右。供電電源是9V，而測得ADC的輸出電阻是180K歐姆，因此上拉電阻阻值選取了680K歐姆。

供電問題

供電電源是兩塊9V的電池，它們給放大器和上拉輸出供電。電池的兩極通過一個便于開關的裝置輸出到電路里面，并且在此處放置了去耦電容。

接地與降噪

電路的地，輸入和輸出端的線纜都連接到了屏蔽金屬殼上。這是出于如下考慮：電路的輸出能夠經由任何一個與其相連的設備接地，不論是示波器還是計算機。這些外圍設備都會通過市電連接到地。

不過，在后面的安全須知中還會提到，這種自制的電路一旦上電工作，務必萬分小心。從原理上說，用一臺電池供電的筆記本電腦來讀取數據會更加安全，然而這會讓電腦處于浮地狀態，在沒有良好接地的情況下，會有非常大的噪聲，很有可能會淹沒ECG信號本身。如果電路能有其他路徑良好接地，那么使用電池供電的筆記本電腦會是一個不錯的選擇。

即使是筆記本電腦插入市電電源，仍然會有很可觀的噪聲產生。實踐中最好的辦法就是把連接電路和被測物的線纜盡量縮短，從而減少感性噪聲耦合。

關于這類電路中的降噪手段，可以單獨作為一個專題來討論。

安全須知

任何想要實際進行本文所述操作的人，都必須認真的閱讀和理解安全準則。

在上一節曾經提到過，當人體和任何帶電設備連接，必須比平常更加小心在意。

因為一個不留神就可能引發嚴重的甚至致命的后果。

連接到身體的電極，形成了一個很好地電流通路，L1和L2兩極之間的阻值大約只有50K歐姆。

專業級的醫療設備，都會有嚴格的過壓保護措施，保證強電的波動不會對人體產生傷害。本文中的保護措施就是一對限壓二極管。為了更好地進行保護，就需要用到光隔離器件了，把弱電電路和強電電源完全隔離開。

在雷雨天氣，不建議使用ECG設備。

確保只有在你有足夠的知識，并能夠熟練操作電路時才進行以上實驗，否則請不要輕易嘗試，請不要輕易嘗試，請不要輕易嘗試。

參考文獻