便攜式心電監護儀是臨床診斷心血管疾病的重要設備,以其攜帶方便、實時心電監護的特點在我國有著廣闊的應用和發展前景。針對便攜式心電監護儀的設計現狀,對前人的心電監護研究結果進行了梳理、分析與總結,介紹了便攜式心電監護儀的人機工程學設計以及軟硬件組成,從心電信號自身特征及系統功能實現的角度解析了硬件組成電路和其他模塊,最后指出便攜式心電監護儀存在的問題與發展趨勢,為便攜式監護儀的繼續研究及產品設計提供借鑒。
引用本文： 丁慎平, 王應海, 吳衛榮, 鄧玲黎, 呂繼東. 便攜式心電監護儀設計進展. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(3): 708-713. doi: 10.7507/1001-5515.20140132 復制
引言
隨著人們生活水平的提高，肥胖、快節奏的生活壓力促使心血管疾病的發病率迅速上升，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一。便攜式心電監護儀在有效地預防、監護心臟疾病中發揮著越來越重要的作用。
常規心電監護儀是心臟病患者在靜臥情況下記錄心電活動的設備，須在有限時間內、固定的醫療場所進行長時間地靜臥監護，記錄心臟活動所產生的心電信號，并對心電信號進行分析。但心臟病患者病發時具有突發性、間歇性、短暫性和對生命危害性較大的特點，發病時間通常只有幾秒至一分鐘，時間很短，因此必須通過相應的監護裝置對心臟病患者進行長期的實時監護，并實時記錄患者的心電數據。常規監護儀只能獲取少量有關心臟狀態的信息，所以在有限時間內發現心率失常的概率很低，并且價格昂貴、體型笨重、不易移動，無法滿足患者長期實時監控病發時心電參數，記錄并分析的需要。隨著醫療改革的深入，便攜式心電監護儀能對患者的ECG等生理參數進行可移動式的長時間實時檢測、存儲、分析處理以及信號遠程傳輸，為患者疾病預報和及時搶救提供重要診斷依據[1-3]。
便攜式監護儀的設計目標是結合常規心電圖和動態心電圖兩種系統的新型智能化、便攜式、操作方便、價格低廉的心電監護設備，患者可以帶著它自由行動，ECG參數能夠實時準確地記錄、分析、處理與發送，實現真正的便攜與低成本診斷[4-6]。
根據當前我國國情，配備能夠實現ECG遠程診斷、社區護理、家庭易用的心電監護儀是緩解當前醫療資源緊張的有效手段，有著廣泛的研究價值和應用前景。
本文從人機工程學設計及系統軟硬件方面對便攜式心電監護儀的設計方向進行梳理與解析，最后提出便攜式心電監護儀的發展方向，為便攜式心電監護儀設計者提供借鑒。
1 便攜式心電監護儀的人機工程學設計
便攜式心電監護儀是一種心臟疾病醫療診斷的重要設備，針對其使用對象，它必須具有低功耗、小體積、輕質量、易攜帶、功能完善等特點，同時能夠實時地對ECG信號進行采集、存儲、分析、處理、顯示和傳輸。因此，在其產品的系統設計過程中必須兼顧各應用的特點和功能，采用模塊化設計理念，協調好患者、醫生以及人機交互的關系[7-8]。
便攜式心電監護儀的使用環境、內部原理及其特點，決定了便攜式心電監護儀需聯系醫生和患者兩個使用者，醫生和患者作為便攜式心電監護儀“人的因素”在設計中起著十分重要的作用[9-10]。
1.1 患者的使用
1.1.1 安全性
系統設計和使用要注重安全第一。
1.1.2 實用性
由于電池的容量有限，設計過程中必須要求元器件低功耗，并有足夠的連續監測時所需的數據存儲空間，并能實時處理檢測數據，同時要求具有較小的體積、較輕的質量、設備使用方便，檢測數據精準有效，保證其真正的實用性。
1.1.3 可靠性
在不同的環境下，系統設計需保證ECG信號不失真，檢測結果的準確、可靠，使監護儀能長時間穩定工作。
1.1.4 簡易性
便攜式心電監測儀是針對患者個人而設計與推廣，由于每個人接受它的方式各異，為求其通用性，要求患者在使用過程中操作簡便、易學易用、價格低廉。
1.2 醫生的使用
便攜式心電監護儀是聯系患者和醫生的紐帶。為了實現醫生更進一步地分析心電記錄數據，要求監測儀的監護數據具有較強的移植性，可以與PC機之間實現直接或間接通信。醫生使用過程中要求便攜式監護儀操作簡單方便、數據準確、快速、無間斷，同時讓患者體驗到安全、方便和信任。
1.3 人機交互
人機交互主要包括監護儀ECG信號檢測處理結果顯示、按鍵設置、報警以及其它種類，如：時鐘、萬年歷、ECG信號回調數據等顯示。使用者通過按鍵對監護儀發出指令和參數輸入，如設置系統參數、實現數據的管理、預置心率報警上下限閾值等。當出現心律失常時，監測儀報警提醒用戶[11]。時鐘、萬年歷給患者提供時間日期等鐘表信息和ECG參數記錄時間，這對于醫護人員進一步分析病癥有重要的參考價值。此外，便攜式心電監護儀應當具有良好的人機界面和情感功能，包括：① 實用功能：即心電監護與便于攜帶；② 美學功能：通過視、聽、觸等，滿足人機工程學的要求，著重面對人的心理感受；③ 象征功能：在觀察、使用產品時涉及到的有關精神、心理、社會等各方面的感受、體驗。
便攜式監護儀通過結合社會、心理、功能、技術、成本等復雜的元素，進行科學的統籌規劃，探索各種可能性，經過多種實驗和驗證，讓設計既富有創意又較為和諧。所設計的便攜式監護儀要求既能記錄存儲ECG數據，又能對數據實進行分析處理與傳輸，同時留有日后系統升級與改造的接口。
2 便攜式心電監護儀的硬件結構
便攜式心電監護儀的硬件功能是采集人體ECG信號，對采集的ECG信號進行實時地存儲、處理與分析，并將ECG波形與處理結果等信息顯示給用戶或通過無線形式傳輸給醫療機構，實現ECG信號實時監護。根據便攜式心電監護儀的基本功能，其系統硬件結構主要有三部分組成[12-15]，如圖 1所示。從圖中可以看出系統可以分為ECG信號拾取、放大及濾波電路，ECG信號分析處理電路，系統通訊接口電路。
圖1
便攜式監護儀的硬件組成
Figure1.
Hardware components of the portable monitor
2.1 ECG信號拾取、放大及濾波電路
在便攜式心電監護儀中，ECG信號的拾取一般采用普通醫用電極，也有的采用帶有較高成本的藍牙芯片作微型傳感器[16-18]。
由于人體體表中的ECG信號屬于強噪聲混雜下0.05~100 Hz超低頻的0.05~5 mV微弱信號，具有低頻特性、微弱性、不穩定性和隨機性等特點。微弱的ECG信號同時受到人體內外的高頻電磁場、工頻、電極極化、測量設備本身等多種干擾源的影響，其微弱的特征被掩蓋在復雜的諸多強干擾信號之中，故要求ECG信號的放大濾波電路必須滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪聲、低漂移、合適的帶寬和高安全性[19-21]。因此，提取ECG信號的放大濾波電路一般由前置放大電路、右腿驅動電路、低通濾波電路、高通濾波電路、50 Hz陷波電路和后置放大電路組成。
ECG信號由醫用電極從人體體表進行采集，采集的信號用前置放大電路對信號進行放大，高性能的前置放大電路必須很好地抑制干擾信號，通常用于心電前置放大電路的放大器有AD524、INA111、AD620、AMP01等幾種。
需要注意的是ECG信號中夾雜著直流信號，其幅值要比ECG信號大得多。而前置級放大器的太大增益會影響放大電路的直流穩定性。因此，為了避免前置放大器的工作區域在截止區或飽和區，前置放大器的增益不能太大[22]。
為了進一步提高整個ECG測量系統電路抗共模干擾的能力，提高信號的采集質量，保證患者的安全性，可引入右腿驅動電路。除了右腿驅動之外，還可采取屏蔽驅動等措施，其目的是為了通過提高共模輸入阻抗的方式來增強整個電路的抗共模干擾能力。而右腿驅動的共模干擾抵消則是采用共模電壓并聯負反饋來抵抗整個電路的共模信號干擾。ECG信號濾波電路由0.05 Hz低通、100 Hz的高通截止頻率的帶通濾波電路和頻率為50 Hz陷波電路組成[23]。
帶通濾波電路的電路功能主要有兩個方面：一是阻斷前置放大器可能輸出的直流電平，防止后續電路中出現飽和現象，二是消除混在信號中的各種雜波干擾信號。而陷波電路的作用則是進一步濾除采集過程中混雜進入的強大工頻干擾信號。
工頻干擾通常是由周圍的電子儀器、傳輸電線及設備內分布電容等產生的電場引起的。由于前級放大電路輸出的ECG信號中還存有較強的工頻信號干擾，須通過陷波電路將其濾除。ECG信號經前置放大電路進行信號放大和濾波后，轉化為頻帶為0.05~100 Hz的有用信號，但前置級放大電路對采集到的ECG信號只是初步放大，放大倍數較小，放大信號幅值仍比較低。
為了提高ECG信號采集精度，必須對信號逐級放大，因此硬件電路中還需要有后置放大電路(或稱主放大電路)。又由于ECG信號的幅值大小因人而異，從而要求后置放大電路能對ECG信號的強度即對后置放大器的放大倍數進行調節。基于此，一種方法是通過將后置放大電路中的反饋電阻換成可調電阻來實現放大倍數的調節，另一種方法則是利用電子開關和不同阻值的電阻通過程序選通控制來實現放大倍數調節[24-25]。
2.2 ECG信號分析處理電路
該部分電路主要由處理器及外圍電路組成。處理器的選擇多種多樣，主要依據實現功能的強弱和成本來選定，如8/16位的單片機、DSP、ARM。此外還可以選用功能更強的雙處理器，譬如使用單片機設計ECG采集處理模塊，而用DSP或ARM、PDA設計整個系統的控制分析模塊。外圍電路包括很多，一般有電源電路、鍵盤控制電路、LCD顯示電路、聲光報警電路[26-27]。
如果處理器內部沒有自帶的A/D轉換器，那么還需要設計A/D轉換電路；若處理器內部存儲能力有限,為了保存大量的采樣數據和中間運算結果，提高系統的運行速度，則其外部還要擴展存儲器。
電源電路隨著各個系統所需供電電壓的不同而有不同的設計，而電源也有很多不同的選擇，可以采用5/7號普通電池或充電電池(可以把充電電路做到系統中)，還可以使用紐扣電池。
便攜式心電監護儀的按鍵一般比較少,通常設計為獨立式鍵盤，各個按鍵根據系統的要求來設計它們的功能。LCD顯示電路所采用的顯示模塊一般要求能夠顯示字符和圖形，以便顯示實時或回放的ECG波形和波形分析結果、心律及電池電量，同時還能夠顯示諸如危險病情、內存存滿、導聯脫落、電池電量過低等報警信號[28]。
聲光報警電路的設計比較簡單，主要通過LED和蜂鳴器來實現。另外，為了區別不同的情況可以設計出不同的頻率來驅動蜂鳴器以產生相應的報警信號。
2.3 系統通訊接口電路
便攜式心電監護儀的通訊接口有多種，一般分為有線傳輸接口和無線傳輸接口[29]。
有線傳輸以前通常采用RS232接口近距離向醫院中心站的接收設備傳輸儲存的ECG數據，如果要遠距離傳送則需要通過Modem撥號方式傳輸。ECG數據另一種遠距離有線傳送方法，是先把ECG數字信號經D/A和V/F轉換成頻率信號，然后將此頻率信號轉換成模擬信號，最后通過電話網絡將模擬心電信號傳輸給醫療機構，醫療機構的接收設備再將此信號還原為ECG信號，現在已很少用了。
隨著技術的發展，目前的系統開始采用USB接口來近距離傳送ECG數據，遠距離傳送則通過以太網或者其他的網絡模塊連接到Internet來進行ECG數據的傳輸。無線傳輸與有線傳輸相比，能夠增強設備的靈活性，減輕患者攜帶完整裝置給生活造成的不便。
同樣，無線傳輸也分為兩類[30]：短距離無線傳輸和長距離無線傳輸。短距離無線傳輸以往是通過設計調頻發射電路，以類似廣播的形式來實現的，如今的心電監護儀則采用藍牙芯片或其他無線收發芯片，如nRF401，再或者是基于這些芯片做成的無線收發模塊，如PTR2000來實現，而且通常這些短距離無線傳輸的接收端又與網絡模塊相連以通過Internet把儲存的ECG數據上傳給醫院中心站。
遠距離無線傳輸則可以直接把ECG數據傳輸給醫院中心站，實現的方法有兩種，一是通過基于GPRS的無線通信模塊，如Siemens公司的MC35，另一個則是基于3G技術的無線通信模塊進行信號傳輸。
2.4 其他電路
上述所講三種電路是便攜式心電監護儀必須具有的基本電路，而下面講述的則是目前一些便攜式心電監護儀的特色功能電路，這些電路都是基于不同的功能要求而設計的，頗為實用[31-32]。現列舉如下：
(1)導聯脫落檢測電路：該部分電路在檢出導聯松動或脫落時能夠通過報警電路提醒患者重新將導聯貼好，提高了儀器的實用性。
(2)QRS復合波檢出電路：這部分電路的功能就是為了檢出QRS復合波，它可以用軟件來實現。
(3)實時時鐘電路：該部分電路很重要，通過它可以準確記下采集的各段ECG信號對應的時間，使提供給醫生的患者ECG資料更加詳細、豐富、有價值，便于對其進行統計分析，從而有利于對患者的長期觀察。
(4)低壓檢測電路：這部分電路也比較實用。當電池使用一定時間后，電壓如果過低，該電路就會通過報警電路提醒攜帶者更換電池或對電池充電。
(5)語音提示電路：為了方便在黑暗條件下操作設計了這部分電路，該電路是把ECG信號分析結果和不同類別報警的語音信息預先分段存儲到語音芯片中，在ECG信號自動分析后或者要產生報警信號時，處理器根據診斷結果或要報警的類別進行相應語音段的播放。
(6)短信息模塊和語音模塊電路：該部分是由兩部分獨立的電路組成，放在一起介紹，是因為它們都是為了配合更好的遠程監護而設計的。短信息模塊主要用于實現醫院中心站與患者用戶之間的文字信息傳輸，而語音模塊則主要用來實現中心與用戶之間語音通信，它和上述所說的語音提示電路不一樣，所用的芯片也不同。
(7)輔助診療電路：這是為了在患者出現緊急情況時，能夠緊急診斷和采取相應對策來緩解患者病情而設計的功能電路。比如有的便攜式心電監護儀帶有心肌梗塞貼藥急救電路，該電路能夠在患者出現上述癥狀時自動完成貼藥動作并持續到藥力產生作用解除患者危險為止；還有的便攜式心電監護儀結合臨床實際，設計心內和心外固頻起搏功能電路，在臨床患者出現不同的緊急情況時，它們在醫生的操作下能夠對患者起到一定治療作用。
(8)多用戶切換電路：使用同一臺監護儀可以分別記錄多個用戶間的數據，并以數字傳輸方式向中心站進行數據傳輸。
3 便攜式心電監護儀的軟件設計
便攜式心電監護儀的軟件部分通常采用模塊化結構，一般包括中斷采樣、數字濾波、QRS復合波檢測及特征提取、心律失常分析、波形顯示、異常情況報警、數據通訊等幾部分。這些模塊在便攜式心電監護儀中都是由相應的子程序來完成的。
(1)中斷采樣：心電信號的采集都是通過系統中的A/D轉換器，并利用處理器中的定時器產生時鐘節拍中斷來實現的。
(2)數字濾波：在便攜式心電監護儀的硬件電路設計中，為了節約硬件開銷，如果沒有設計相關的模擬濾波電路來濾除各種ECG干擾，可以通過軟件濾波來實現硬件濾波功能。
數字濾波器通常有兩種方法來實現。一是根據所希望的頻率特性進行濾波(利用算法對輸入信號進行傅里葉變換運算)即頻域法。二是通過對離散抽樣數據作差分運算來濾波，即時域法。時域法簡單易用，應用廣泛。
(3)QRS復合波檢測及特征提取：QRS復合波檢測及特征提取是心律失常分析的基礎。QRS復合波的檢測已有很多的方法，這些方法通常都是基于心電信號的幅值和斜率為檢測基礎的。
通過這些方法可以將QRS復合波從心電信號中突出出來，以確定該波的極性和波寬，同時能夠進一步檢出復合波中的主波即R波的位置，由相鄰兩個R波峰值之間的時間間隔求出R-R間期。
(4)心律失常分析：待心電信號的特征參數提取并計算出來，就可以通過醫學心電判斷標準進行心律失常分析了，譬如當R-R間期大于2.4 s、瞬時心率大于120次/分鐘時，就可以判斷為停搏。
(5)數據通訊：該部分程序隨著各個系統通訊接口的不同而有不同的編制方法，特別是對于無線接口，要基于它們的通信協議編程，實現起來相對比較復雜。
4 結語
便攜式心電監護儀以其便攜、實時監護、使用靈活等特點，使得醫院外長期或急救狀態下的ECG監護成為現實，使患者能夠及時得到病癥診斷而不延誤搶救時機，從而得以挽救其寶貴的生命，因此必將得到更廣泛的應用。就目前來看，便攜式心電監護儀未來發展趨勢主要表現在以下幾個方面：
(1)進一步提高便攜靈活性。大致可以通過四個方面來提高。大量采用貼片式元件，降低監護儀的體積；硬件功能能由軟件來實現的盡量用軟件來實現；將部分電路編程到可編程邏輯器件中去；采用無線通訊。
(2)提高運算速度。可通過使用高性能的微處理器來實現。
(3)增強交互能力。增加語音或視頻交互功能，以便更好地實現遠程監護，隨時得到醫生的指導和幫助。
(4)增加存儲容量。存儲更多的ECG數據，實現更長時間的監護。
(5)降低功耗。硬件方面在實現系統功能的同時，盡可能采用功耗低的芯片；軟件方面設計合理的系統工作方式及監護程序運行方式來進一步降低系統的功耗。
(6)網絡化與智能化。利用互聯網絡、3G技術及ZigBee網絡優勢實現遠程監護。比如增加空間定位功能，當院外監護患者出現緊急情況時，院方醫生能夠迅速定位找到患者的家庭住所從而實施救助。
引言
隨著人們生活水平的提高，肥胖、快節奏的生活壓力促使心血管疾病的發病率迅速上升，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一。便攜式心電監護儀在有效地預防、監護心臟疾病中發揮著越來越重要的作用。
常規心電監護儀是心臟病患者在靜臥情況下記錄心電活動的設備，須在有限時間內、固定的醫療場所進行長時間地靜臥監護，記錄心臟活動所產生的心電信號，并對心電信號進行分析。但心臟病患者病發時具有突發性、間歇性、短暫性和對生命危害性較大的特點，發病時間通常只有幾秒至一分鐘，時間很短，因此必須通過相應的監護裝置對心臟病患者進行長期的實時監護，并實時記錄患者的心電數據。常規監護儀只能獲取少量有關心臟狀態的信息，所以在有限時間內發現心率失常的概率很低，并且價格昂貴、體型笨重、不易移動，無法滿足患者長期實時監控病發時心電參數，記錄并分析的需要。隨著醫療改革的深入，便攜式心電監護儀能對患者的ECG等生理參數進行可移動式的長時間實時檢測、存儲、分析處理以及信號遠程傳輸，為患者疾病預報和及時搶救提供重要診斷依據[1-3]。
便攜式監護儀的設計目標是結合常規心電圖和動態心電圖兩種系統的新型智能化、便攜式、操作方便、價格低廉的心電監護設備，患者可以帶著它自由行動，ECG參數能夠實時準確地記錄、分析、處理與發送，實現真正的便攜與低成本診斷[4-6]。
根據當前我國國情，配備能夠實現ECG遠程診斷、社區護理、家庭易用的心電監護儀是緩解當前醫療資源緊張的有效手段，有著廣泛的研究價值和應用前景。
本文從人機工程學設計及系統軟硬件方面對便攜式心電監護儀的設計方向進行梳理與解析，最后提出便攜式心電監護儀的發展方向，為便攜式心電監護儀設計者提供借鑒。
1 便攜式心電監護儀的人機工程學設計
便攜式心電監護儀是一種心臟疾病醫療診斷的重要設備，針對其使用對象，它必須具有低功耗、小體積、輕質量、易攜帶、功能完善等特點，同時能夠實時地對ECG信號進行采集、存儲、分析、處理、顯示和傳輸。因此，在其產品的系統設計過程中必須兼顧各應用的特點和功能，采用模塊化設計理念，協調好患者、醫生以及人機交互的關系[7-8]。
便攜式心電監護儀的使用環境、內部原理及其特點，決定了便攜式心電監護儀需聯系醫生和患者兩個使用者，醫生和患者作為便攜式心電監護儀“人的因素”在設計中起著十分重要的作用[9-10]。
1.1 患者的使用
1.1.1 安全性
系統設計和使用要注重安全第一。
1.1.2 實用性
由于電池的容量有限，設計過程中必須要求元器件低功耗，并有足夠的連續監測時所需的數據存儲空間，并能實時處理檢測數據，同時要求具有較小的體積、較輕的質量、設備使用方便，檢測數據精準有效，保證其真正的實用性。
1.1.3 可靠性
在不同的環境下，系統設計需保證ECG信號不失真，檢測結果的準確、可靠，使監護儀能長時間穩定工作。
1.1.4 簡易性
便攜式心電監測儀是針對患者個人而設計與推廣，由于每個人接受它的方式各異，為求其通用性，要求患者在使用過程中操作簡便、易學易用、價格低廉。
1.2 醫生的使用
便攜式心電監護儀是聯系患者和醫生的紐帶。為了實現醫生更進一步地分析心電記錄數據，要求監測儀的監護數據具有較強的移植性，可以與PC機之間實現直接或間接通信。醫生使用過程中要求便攜式監護儀操作簡單方便、數據準確、快速、無間斷，同時讓患者體驗到安全、方便和信任。
1.3 人機交互
人機交互主要包括監護儀ECG信號檢測處理結果顯示、按鍵設置、報警以及其它種類，如：時鐘、萬年歷、ECG信號回調數據等顯示。使用者通過按鍵對監護儀發出指令和參數輸入，如設置系統參數、實現數據的管理、預置心率報警上下限閾值等。當出現心律失常時，監測儀報警提醒用戶[11]。時鐘、萬年歷給患者提供時間日期等鐘表信息和ECG參數記錄時間，這對于醫護人員進一步分析病癥有重要的參考價值。此外，便攜式心電監護儀應當具有良好的人機界面和情感功能，包括：① 實用功能：即心電監護與便于攜帶；② 美學功能：通過視、聽、觸等，滿足人機工程學的要求，著重面對人的心理感受；③ 象征功能：在觀察、使用產品時涉及到的有關精神、心理、社會等各方面的感受、體驗。
便攜式監護儀通過結合社會、心理、功能、技術、成本等復雜的元素，進行科學的統籌規劃，探索各種可能性，經過多種實驗和驗證，讓設計既富有創意又較為和諧。所設計的便攜式監護儀要求既能記錄存儲ECG數據，又能對數據實進行分析處理與傳輸，同時留有日后系統升級與改造的接口。
2 便攜式心電監護儀的硬件結構
便攜式心電監護儀的硬件功能是采集人體ECG信號，對采集的ECG信號進行實時地存儲、處理與分析，并將ECG波形與處理結果等信息顯示給用戶或通過無線形式傳輸給醫療機構，實現ECG信號實時監護。根據便攜式心電監護儀的基本功能，其系統硬件結構主要有三部分組成[12-15]，如圖 1所示。從圖中可以看出系統可以分為ECG信號拾取、放大及濾波電路，ECG信號分析處理電路，系統通訊接口電路。
圖1
便攜式監護儀的硬件組成
Figure1.
Hardware components of the portable monitor
2.1 ECG信號拾取、放大及濾波電路
在便攜式心電監護儀中，ECG信號的拾取一般采用普通醫用電極，也有的采用帶有較高成本的藍牙芯片作微型傳感器[16-18]。
由于人體體表中的ECG信號屬于強噪聲混雜下0.05~100 Hz超低頻的0.05~5 mV微弱信號，具有低頻特性、微弱性、不穩定性和隨機性等特點。微弱的ECG信號同時受到人體內外的高頻電磁場、工頻、電極極化、測量設備本身等多種干擾源的影響，其微弱的特征被掩蓋在復雜的諸多強干擾信號之中，故要求ECG信號的放大濾波電路必須滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪聲、低漂移、合適的帶寬和高安全性[19-21]。因此，提取ECG信號的放大濾波電路一般由前置放大電路、右腿驅動電路、低通濾波電路、高通濾波電路、50 Hz陷波電路和后置放大電路組成。
ECG信號由醫用電極從人體體表進行采集，采集的信號用前置放大電路對信號進行放大，高性能的前置放大電路必須很好地抑制干擾信號，通常用于心電前置放大電路的放大器有AD524、INA111、AD620、AMP01等幾種。
需要注意的是ECG信號中夾雜著直流信號，其幅值要比ECG信號大得多。而前置級放大器的太大增益會影響放大電路的直流穩定性。因此，為了避免前置放大器的工作區域在截止區或飽和區，前置放大器的增益不能太大[22]。
為了進一步提高整個ECG測量系統電路抗共模干擾的能力，提高信號的采集質量，保證患者的安全性，可引入右腿驅動電路。除了右腿驅動之外，還可采取屏蔽驅動等措施，其目的是為了通過提高共模輸入阻抗的方式來增強整個電路的抗共模干擾能力。而右腿驅動的共模干擾抵消則是采用共模電壓并聯負反饋來抵抗整個電路的共模信號干擾。ECG信號濾波電路由0.05 Hz低通、100 Hz的高通截止頻率的帶通濾波電路和頻率為50 Hz陷波電路組成[23]。
帶通濾波電路的電路功能主要有兩個方面：一是阻斷前置放大器可能輸出的直流電平，防止后續電路中出現飽和現象，二是消除混在信號中的各種雜波干擾信號。而陷波電路的作用則是進一步濾除采集過程中混雜進入的強大工頻干擾信號。
工頻干擾通常是由周圍的電子儀器、傳輸電線及設備內分布電容等產生的電場引起的。由于前級放大電路輸出的ECG信號中還存有較強的工頻信號干擾，須通過陷波電路將其濾除。ECG信號經前置放大電路進行信號放大和濾波后，轉化為頻帶為0.05~100 Hz的有用信號，但前置級放大電路對采集到的ECG信號只是初步放大，放大倍數較小，放大信號幅值仍比較低。
為了提高ECG信號采集精度，必須對信號逐級放大，因此硬件電路中還需要有后置放大電路(或稱主放大電路)。又由于ECG信號的幅值大小因人而異，從而要求后置放大電路能對ECG信號的強度即對后置放大器的放大倍數進行調節。基于此，一種方法是通過將后置放大電路中的反饋電阻換成可調電阻來實現放大倍數的調節，另一種方法則是利用電子開關和不同阻值的電阻通過程序選通控制來實現放大倍數調節[24-25]。
2.2 ECG信號分析處理電路
該部分電路主要由處理器及外圍電路組成。處理器的選擇多種多樣，主要依據實現功能的強弱和成本來選定，如8/16位的單片機、DSP、ARM。此外還可以選用功能更強的雙處理器，譬如使用單片機設計ECG采集處理模塊，而用DSP或ARM、PDA設計整個系統的控制分析模塊。外圍電路包括很多，一般有電源電路、鍵盤控制電路、LCD顯示電路、聲光報警電路[26-27]。
如果處理器內部沒有自帶的A/D轉換器，那么還需要設計A/D轉換電路；若處理器內部存儲能力有限,為了保存大量的采樣數據和中間運算結果，提高系統的運行速度，則其外部還要擴展存儲器。
電源電路隨著各個系統所需供電電壓的不同而有不同的設計，而電源也有很多不同的選擇，可以采用5/7號普通電池或充電電池(可以把充電電路做到系統中)，還可以使用紐扣電池。
便攜式心電監護儀的按鍵一般比較少,通常設計為獨立式鍵盤，各個按鍵根據系統的要求來設計它們的功能。LCD顯示電路所采用的顯示模塊一般要求能夠顯示字符和圖形，以便顯示實時或回放的ECG波形和波形分析結果、心律及電池電量，同時還能夠顯示諸如危險病情、內存存滿、導聯脫落、電池電量過低等報警信號[28]。
聲光報警電路的設計比較簡單，主要通過LED和蜂鳴器來實現。另外，為了區別不同的情況可以設計出不同的頻率來驅動蜂鳴器以產生相應的報警信號。
2.3 系統通訊接口電路
便攜式心電監護儀的通訊接口有多種，一般分為有線傳輸接口和無線傳輸接口[29]。
有線傳輸以前通常采用RS232接口近距離向醫院中心站的接收設備傳輸儲存的ECG數據，如果要遠距離傳送則需要通過Modem撥號方式傳輸。ECG數據另一種遠距離有線傳送方法，是先把ECG數字信號經D/A和V/F轉換成頻率信號，然后將此頻率信號轉換成模擬信號，最后通過電話網絡將模擬心電信號傳輸給醫療機構，醫療機構的接收設備再將此信號還原為ECG信號，現在已很少用了。
隨著技術的發展，目前的系統開始采用USB接口來近距離傳送ECG數據，遠距離傳送則通過以太網或者其他的網絡模塊連接到Internet來進行ECG數據的傳輸。無線傳輸與有線傳輸相比，能夠增強設備的靈活性，減輕患者攜帶完整裝置給生活造成的不便。
同樣，無線傳輸也分為兩類[30]：短距離無線傳輸和長距離無線傳輸。短距離無線傳輸以往是通過設計調頻發射電路，以類似廣播的形式來實現的，如今的心電監護儀則采用藍牙芯片或其他無線收發芯片，如nRF401，再或者是基于這些芯片做成的無線收發模塊，如PTR2000來實現，而且通常這些短距離無線傳輸的接收端又與網絡模塊相連以通過Internet把儲存的ECG數據上傳給醫院中心站。
遠距離無線傳輸則可以直接把ECG數據傳輸給醫院中心站，實現的方法有兩種，一是通過基于GPRS的無線通信模塊，如Siemens公司的MC35，另一個則是基于3G技術的無線通信模塊進行信號傳輸。
2.4 其他電路
上述所講三種電路是便攜式心電監護儀必須具有的基本電路，而下面講述的則是目前一些便攜式心電監護儀的特色功能電路，這些電路都是基于不同的功能要求而設計的，頗為實用[31-32]。現列舉如下：
(1)導聯脫落檢測電路：該部分電路在檢出導聯松動或脫落時能夠通過報警電路提醒患者重新將導聯貼好，提高了儀器的實用性。
(2)QRS復合波檢出電路：這部分電路的功能就是為了檢出QRS復合波，它可以用軟件來實現。
(3)實時時鐘電路：該部分電路很重要，通過它可以準確記下采集的各段ECG信號對應的時間，使提供給醫生的患者ECG資料更加詳細、豐富、有價值，便于對其進行統計分析，從而有利于對患者的長期觀察。
(4)低壓檢測電路：這部分電路也比較實用。當電池使用一定時間后，電壓如果過低，該電路就會通過報警電路提醒攜帶者更換電池或對電池充電。
(5)語音提示電路：為了方便在黑暗條件下操作設計了這部分電路，該電路是把ECG信號分析結果和不同類別報警的語音信息預先分段存儲到語音芯片中，在ECG信號自動分析后或者要產生報警信號時，處理器根據診斷結果或要報警的類別進行相應語音段的播放。
(6)短信息模塊和語音模塊電路：該部分是由兩部分獨立的電路組成，放在一起介紹，是因為它們都是為了配合更好的遠程監護而設計的。短信息模塊主要用于實現醫院中心站與患者用戶之間的文字信息傳輸，而語音模塊則主要用來實現中心與用戶之間語音通信，它和上述所說的語音提示電路不一樣，所用的芯片也不同。
(7)輔助診療電路：這是為了在患者出現緊急情況時，能夠緊急診斷和采取相應對策來緩解患者病情而設計的功能電路。比如有的便攜式心電監護儀帶有心肌梗塞貼藥急救電路，該電路能夠在患者出現上述癥狀時自動完成貼藥動作并持續到藥力產生作用解除患者危險為止；還有的便攜式心電監護儀結合臨床實際，設計心內和心外固頻起搏功能電路，在臨床患者出現不同的緊急情況時，它們在醫生的操作下能夠對患者起到一定治療作用。
(8)多用戶切換電路：使用同一臺監護儀可以分別記錄多個用戶間的數據，并以數字傳輸方式向中心站進行數據傳輸。
3 便攜式心電監護儀的軟件設計
便攜式心電監護儀的軟件部分通常采用模塊化結構，一般包括中斷采樣、數字濾波、QRS復合波檢測及特征提取、心律失常分析、波形顯示、異常情況報警、數據通訊等幾部分。這些模塊在便攜式心電監護儀中都是由相應的子程序來完成的。
(1)中斷采樣：心電信號的采集都是通過系統中的A/D轉換器，并利用處理器中的定時器產生時鐘節拍中斷來實現的。
(2)數字濾波：在便攜式心電監護儀的硬件電路設計中，為了節約硬件開銷，如果沒有設計相關的模擬濾波電路來濾除各種ECG干擾，可以通過軟件濾波來實現硬件濾波功能。
數字濾波器通常有兩種方法來實現。一是根據所希望的頻率特性進行濾波(利用算法對輸入信號進行傅里葉變換運算)即頻域法。二是通過對離散抽樣數據作差分運算來濾波，即時域法。時域法簡單易用，應用廣泛。
(3)QRS復合波檢測及特征提取：QRS復合波檢測及特征提取是心律失常分析的基礎。QRS復合波的檢測已有很多的方法，這些方法通常都是基于心電信號的幅值和斜率為檢測基礎的。
通過這些方法可以將QRS復合波從心電信號中突出出來，以確定該波的極性和波寬，同時能夠進一步檢出復合波中的主波即R波的位置，由相鄰兩個R波峰值之間的時間間隔求出R-R間期。
(4)心律失常分析：待心電信號的特征參數提取并計算出來，就可以通過醫學心電判斷標準進行心律失常分析了，譬如當R-R間期大于2.4 s、瞬時心率大于120次/分鐘時，就可以判斷為停搏。
(5)數據通訊：該部分程序隨著各個系統通訊接口的不同而有不同的編制方法，特別是對于無線接口，要基于它們的通信協議編程，實現起來相對比較復雜。
4 結語
便攜式心電監護儀以其便攜、實時監護、使用靈活等特點，使得醫院外長期或急救狀態下的ECG監護成為現實，使患者能夠及時得到病癥診斷而不延誤搶救時機，從而得以挽救其寶貴的生命，因此必將得到更廣泛的應用。就目前來看，便攜式心電監護儀未來發展趨勢主要表現在以下幾個方面：
(1)進一步提高便攜靈活性。大致可以通過四個方面來提高。大量采用貼片式元件，降低監護儀的體積；硬件功能能由軟件來實現的盡量用軟件來實現；將部分電路編程到可編程邏輯器件中去；采用無線通訊。
(2)提高運算速度。可通過使用高性能的微處理器來實現。
(3)增強交互能力。增加語音或視頻交互功能，以便更好地實現遠程監護，隨時得到醫生的指導和幫助。
(4)增加存儲容量。存儲更多的ECG數據，實現更長時間的監護。
(5)降低功耗。硬件方面在實現系統功能的同時，盡可能采用功耗低的芯片；軟件方面設計合理的系統工作方式及監護程序運行方式來進一步降低系統的功耗。
(6)網絡化與智能化。利用互聯網絡、3G技術及ZigBee網絡優勢實現遠程監護。比如增加空間定位功能，當院外監護患者出現緊急情況時，院方醫生能夠迅速定位找到患者的家庭住所從而實施救助。
