专利名称：一种实现ecg导联脱落检测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ECG信号采集、处理领域，尤其涉及的是ECG导联脱落检测提示领域， 更具体的是涉及能够正确地实现ECG导联脱落检测的方法以及实现该方法的装置。
背景技术：
现有ECG导联脱落检测技术主要基于直流偏压法，见图1，监护设备通过电极将人 体ECG信号引入到板卡，板卡的硬件前端设置有低通滤波器，用以滤除高频干扰。在低通滤 波器后设置缓冲器将前端ECG信号缓冲输出。在ECG前端缓冲输入级A点或B点，通过较 大阻值的电阻，加入直流偏置电压，该偏置电压可为正电压也可为负电压，当ECG电极未脱 落时，由于ECG前级硬件电路构成的闭环负反馈系统，ECG前级缓冲输出电压C点或D点约 为0V(使用正、负电源供电的系统)。当ECG前级电极脱落时，ECG前端缓冲输出电压约等 于偏置电压。后级硬件电路将该电压送入到AD进行采样，MCU对采样值进行软件滤波，用 以判断ECG电极是否脱落。当滤波后的电压值超过阈值范围时，判断为电极脱落，否则，判 断电极未脱落。现有技术方案为了实现多电极导联脱落判断，通常会采用多个通道同时缓 冲前级信号，并将导联脱落信号送入到多通道AD，由多通道AD完成采样，这样就会导致硬 件比较复杂，且要求MCU有多通道AD。现有导联脱落判断的主要缺点1、传统ECG导联脱落检测技术的缺点是当系统工 作环境较差时，整个系统容易受到工频干扰的影响，由于ECG前级输入阻抗较大，工频干扰 很容易导致ECG前端缓冲输出较强的工频干扰信号甚至饱和，过强的工频干扰信号通过软 件低通滤波器后，输出异常电压值，导致ECG导联脱落电路误判，从而系统异常。2、使用MCU 采样导联脱落的输出，使用软件判断导联是否脱落，由于MCU要处理导联脱落信号中的工 频干扰，因此要求的MCU采样率较高，要正确的采样工频干扰信号并处理，要求MCU采样率 至少在250Hz以上，MCU需要在短时间内采样大量数据并进行处理，过多地消耗了 MCU资源。 特别是多路导联脱落信号同时采样处理时，对MCU的资源消耗更大。3、现有技术方案通常 要求多个通道同时缓冲，每个缓冲通道都需要运算放大器及外围的电阻、电容构成的滤波 电路，硬件电路较为复杂。
发明内容
针对传统ECG导联脱落检测方法存在的问题，本发明提供一种基于峰值检波实现 导联脱落检测的方法和装置，以达到可靠性高，成本低，抗干扰能力强，对器件参数要求低 的目的。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种实现ECG导联脱落检测的方法，首先设定导联脱落的阈值范围；逐一采集各 ECG导联通道中的任意一点信号，并对采集的信号间隔50mS-200mS进行切换输出；对输出的信号进行峰值检波，若为直流信号，则峰值检波后直接输出该信号；若为含有直流成分的工频干扰信号，则检测其峰值；
若峰值超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。采集ECG导联连续信号的次数与导联通道数相同，且每个ECG导联通道只采集一 次信号。一种ECG导联脱落检测的装置，主要由MCU、AD转换器、数据选择器、低通滤波电路 和峰值检波电路组成。所述峰值检波电路由运算放大器U2和运算放大器Ul、电阻R2、二极 管D1、电容C2、电阻R3、组成；其中在运算放大器Ul的输出端与运算放大器U2的输入端之 间顺序连接电阻R2和二极管D1，电阻R3和电容C2串联后并联在二极管Dl与运算放大器 U2的输入端之间；同时运算放大器U2的输出反馈到运算放大器Ul的反相输入端。当中运算放大器U2的输出反馈到运算放大器Ul的反相输入端构成闭环负反馈， 数据选择器将ECG导联信号逐一选择送入到低通滤波电路；滤波后的信号经所述峰值检波 电路判断其峰值，超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱 落。当运算放大器Ul的输入端为正电平且电位不断升高时，则运算放大器Ul跟随输 出正电平，二极管Dl导通，运算放大器U2输出为正电平，运算放大器U2跟随输出正电平； 若运算放大器Ul的输入端为正电平且不断降低，二极管Dl截至，此时电容C2的电荷通过 电阻R3缓慢泄放。所述MCU控制数据选择器约IOOmS切换一次，将ECG导联信号逐一切换输出至低 通滤波电路滤波处理。若工频干扰较小，则ECG前级缓冲输出为直流信号，峰值检波电路的输出基本等 于该直流信号；若工频干扰较大，ECG前级缓冲输出为带有直流成分的工频干扰，峰值检波 电路检出该干扰信号的峰值并与设定的阈值比较。低通滤波电路包括电阻R1、电容Cl ；数据选择切换器与运算放大器Ul的输入端之 间设置电阻R1，同时在电阻Rl与运算放大器Ul输入端之间并联电容Cl ；其用于对数据选 择器切换过程中的噪声进行滤波，滤波后的信号送入到峰值检波电路。本发明中AD转换器完成对导联脱落电路输出的采样，该AD转换器可以是独立的 AD转换器或MCU内部集成AD转换器，采用了峰值检波电路，该电路稳定时间较长，MCU采样 每IOOmS采样一次导联脱落数据，就可以稳定判断导联是否脱落。AD转换器间隔IOOmS采 样一次，也降低了对AD采样的速率要求，降低了 MCU的运算负荷。本发明采用了峰值检波的方法实现ECG导联脱落的检测，克服了设备工作环境较 差时，传统导联脱落检测方法中的软件滤波导致的导联脱落误判问题。在峰值检波电路中， 本发明采用双运算放大器构成的大环路负反馈，消除了检波二极管的压差离散性，降低了 系统对器件参数的要求。总之，本发明具有成本低，可靠性好，对器件参数要求低等优点。
图1是现有技术的电路原理图；图2是ECG导联脱落检测的原理框图；图3是正向峰值检波电路；图4是反向峰值检波电路。
具体实施例方式下面结合附图以九通道的ECG导联为例，对本发明做进一步的详细说明如图2所示的ECG导联脱落检测的方法，首先设定ECG导联脱落的阈值，每IOOmS 切换到不同的电极缓冲输出级，完成对LA，RA, LL, Vl V6电极的扫描采样。利用MCU控 制数据选择器进行切换，并对数据选择器输出的信号进行峰值检波；若为直流信号，则峰值 检波电路的输出约等于输入的直流信号。若为含有直流成分的工频干扰信号，则峰值检波 电路检测其峰值。以ECG前级加正向偏压为例，ECG前级正常连接时，ECG前端缓冲输出约 为OV(正负电源供电系统)，该电压小于导联脱落判断阈值，软件判断电极连接正常。当ECG电极脱落时，ECG前端缓冲输出为正向偏置电压置，该电压高于导联脱落检 测阈值，软件判断ECG电极脱落。在ECG电极脱落且没有受到工频干扰时，ECG前端缓冲输 出电压为固定的正向偏置电压值。此时，峰值检波电路的输出约等于输入电压，可以正确判 断ECG导联是否脱落。当ECG前级受到较强工频干扰时，ECG前级缓冲输出含有直流分量的 工频干扰信号，在使用正负电源供电的系统中，若该信号经过峰值检波后的峰值大于阈值， 则可以判断ECG导联脱落。如图3所示的一种ECG导联脱落检测的装置，主要包括数据选择器、低通滤波电 路、峰值检波电路、AD转换器，其中数据选择器选用9选1数据选择器，该选择器由两个8选 1数据选择器串联构成，9选1数据选择器分时将ECG电极信号缓冲输出LA，RA, LL, Vl V6分时选择到输出端；该数据选择器由MCU的I/O 口进行控制，约IOOmS切换一次，实现对 LA, RA, LL, Vl V6电极的轮流扫描采样。峰值检波电路由运算放大器U2和运算放大器U1、电阻R2、二极管D1、电容C2、电 阻R3、组成；其中在运算放大器Ul的输出端与运算放大器U2的输入端之间顺序连接电阻 R2和二极管D1，电阻R3和电容C2串联后并联在二极管Dl与运算放大器U2的输入端之间； 同时运算放大器U2的输出反馈到运算放大器Ul的反相输入端。运算放大器U2的输出反 馈到运算放大器Ul的反相输入端构成闭环负反馈。首先由数据选择器对ECG前端缓冲信号进行选择，在MCU控制下约IOOmS对数据 选择器进行一次切换，选择不同的ECG缓冲通道，经低通滤波去除干扰后，送入峰值检波电 路，该电路输出的信号再次滤波后，送入到AD转换器进行采样，将采样值与MCU设定阈值进 行比较，从而进行导联脱落判断。峰值检波电路工作时，若运算放大器Ul的输入端为正电平且电位不断升高，则运 算放大器Ul跟随输出正电平，二极管Dl导通，运算放大器U2输出为正电平，运算放大器U2 跟随输出正电平；若运算放大器Ul的输入端为正电平且不断降低，由于电容C2上存有残余 电压，则二极管Dl截至，电容C2上面的电荷通过电阻R3缓慢泄放，最终电容C2上电荷泄 放到约等于输入时，输出电压稳定下来约等于输入。若输入端为负电平，则二极管Dl截至， 电容C2上面的电荷通过电阻R 3缓慢泄放，当泄放到OV时，运算放大器U2跟随输出0V。 正常情况下，若系统未受到干扰，则ECG前端缓冲为直流电平，则峰值检波电路输出约等于 输入。若系统受到工频干扰，则峰值检波电路可以检测出干扰信号峰值，利用该峰值和阈值 进行比较，则可以判断出ECG导联是否脱落。通常情况下，二极管两端压降具有一定范围，普通二极管的压降约在0. 1 0.9V范围内该压差受温度、流过二极管电流、器件离散性等因素的影响。虽然大部分肖特基二极 管压降范围在0. 05 0. 5V范围内，但是其压差变化范围依然很大，且漏电流通常比非肖特 基二极管反向漏电流大得多，过大的反向漏电流导致电容C2放电速度过快，降低了峰值检 波的效果。另外，考虑到导联脱落电路还要抗极化电压的影响，因此导联脱落检测电路参数 离散性不能过大，否则容易受温度等环境因素影响。本发明中的负反馈电路，可以有效克服了二极管压差离散性带来的不利影响。具体计算公式如下
「 {Α*{χ-Y)-Diym v-~~^-----= Y
R3+R2上式中，A为运算放大器Ul的开环增益，Dl为二极管压降，X为输入电压，Y为输 出电压，设
Γ π v ^3K =-
R3 +尺2则化简之后得到
K ^ AKY=八 Λ ——-~*Dl
l + K*A l + K*A由于A >> 1，且K*A >> 1，因此上式可以简化为Y X从以上计算可以看出，在运算放大器开环增加较高时，输出电压约等于输入电压。 上式中，Dl为二极管压降，约为0. 1 0. 9V，普通运算放大器的开环增益通常会达到1000 倍(60dB)以上，由二极管的压降构成的影响折合到输出端最大约为0.9mV，可以忽略不计。 二极管Dl需要选择反向漏电流较小的二极管，否则易导致电容C2放电速度过快，影响峰值 检波电路的峰值检波效果。值得注意的是，图3的具体实现装置还可以变换成其他实现的方式，如可以将图 中二极管Dl的方向反过来，构成反向的峰值检波电路(如图4)，在ECG前级加入负偏压时， 图4也可以实现同样的导联脱落检测功能；工作原理是，若运算放大器Ul的输入端为负电 平且电位不断降低，则运算放大器Ul跟随输出负电平，二极管Dl导通，运算放大器U2输出 为负电平，运算放大器U2输出连接到运算放大器Ul的反相端，构成负反馈，运算放大器U2 跟随输出负电平。若运算放大器Ul的输入端为负电平且不断升高，由于电容C2上存有残 余电压，则二极管Dl截至，电容C2上面的电荷通过电阻R3缓慢泄放，最终电容C2上电荷 泄放到约等于输入时，输出电压稳定下来约等于输入。若输入端为正电平，则二极管Dl截 至，电容C2上面的电荷通过电阻R3缓慢泄放，当泄放到OV时，运算放大器U2跟随输出0V。 正常情况下，若系统未受到干扰，则ECG前端缓冲为直流电平，则峰值检波电路输出约等于 输入。若系统受到工频干扰，则峰值检波电路可以检测出干扰信号峰值，利用该峰值和阈值 进行比较，则可以判断出ECG导联是否脱落。
权利要求
1.一种实现ECG导联脱落检测的方法，其特征是首先设定导联脱落的阈值范围；逐一 采集各ECG导联通道中的任意一点信号，并对采集的信号间隔50mS-200mS进行切换输出；对输出的信号进行峰值检波，若为直流信号，则峰值检波后直接输出该信号；若为含有直流成分的工频干扰信号，则检测其峰值；若峰值超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。
2.根据权利要求1所述的一种实现ECG导联脱落检测的方法，其特征是采集ECG导 联连续信号的次数与导联通道数相同，且每个ECG导联通道只采集一次信号。
3.—种ECG导联脱落检测的装置，主要由MCU、AD转换器、数据选择器、低通滤波电路 和峰值检波电路组成，其特征是所述峰值检波电路由运算放大器U2和运算放大器U1、电 阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R3、组成；其中在运算放大器Ul的输出端与运算放大器U2 的输入端之间顺序连接电阻R2和二极管D1，电阻R3和电容C2串联后并联在二极管Dl与 运算放大器U2的输入端之间；同时运算放大器U2的输出反馈到运算放大器Ul的反相输入 端。
4.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是运算放大器U2的 输出反馈到运算放大器Ul的反相输入端构成闭环负反馈，数据选择器将ECG导联信号逐一 选择送入到低通滤波电路；滤波后的信号经所述峰值检波电路判断其峰值，超过导联脱落 阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。
5.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是运算放大器Ul的 输入端为正电平且电位不断升高时，则运算放大器Ul跟随输出正电平，二极管Dl导通，运 算放大器U2输出为正电平，运算放大器U2跟随输出正电平；若运算放大器Ul的输入端为 正电平且不断降低，二极管Dl截至，此时电容C2的电荷通过电阻R3缓慢泄放。
6.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是:MCU控制数据选择 器约IOOmS切换一次，将ECG导联信号逐一切换输出至低通滤波电路滤波处理。
7.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是若工频干扰较小， 则ECG前级缓冲输出为直流信号，峰值检波电路的输出基本等于该直流信号；若工频干扰 较大，ECG前级缓冲输出为带有直流成分的工频干扰，峰值检波电路检出该干扰信号的峰值 并与设定的阈值比较。
8.根据权利要求3所述的一种ECG导联脱落检测的装置，其特征是低通滤波电路包 括电阻R1、电容Cl ；数据选择切换器与运算放大器Ul的输入端之间设置电阻R1，同时在电 阻Rl与运算放大器Ul输入端之间并联电容Cl ；其用于对数据选择器切换过程中的噪声进 行滤波，滤波后的信号送入到峰值检波电路。
全文摘要
本发明公开了一种实现ECG导联脱落检测的方法，首先设定导联脱落的阈值范围；逐一采集各ECG导联通道中的任意一点信号，并对采集的信号间隔50mS-200mS进行切换输出；对输出的信号进行峰值检波，若为直流信号，则峰值检波后直接输出该信号；若为含有直流成分的工频干扰信号，则检测其峰值；若峰值超过导联脱落阈值范围，则判断ECG导联脱落，否则，判断ECG导联未脱落。本发明采用了峰值检波的方法实现ECG导联脱落检测，克服了设备工作环境较差时，传统导联脱落的检测方法中的软件滤波导致的导联脱落误判问题。总之，本发明具有成本低，可靠性好，对器件参数要求低等优点；给使用带来更多方便。
文档编号A61B5/0468GK102068247SQ201110029669
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者吴祖军, 胡士峰 申请人:深圳市理邦精密仪器股份有限公司