吳官勝 韋海成 李群 肖明霞

關鍵詞： 心電信號采集; 脈搏信號采集; 濾波延遲; 多通道信號; 延遲補償; 信號同步

中圖分類號： TN911.23?34; TP394.1; TH691.9 ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0041?05

Research on filtering delay compensation of ECG and PPG

multi?channel signal acquisition system

WU Guansheng1， WEI Haicheng1， LI Qun2， XIAO Mingxia1

（1. School of Electrical and Information Engineering， North Minzu University， Yinchuan 750021， China;

2. Laboratory Construction and Management Department， North Minzu University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Multi?channel synchronous acquisition of ECG and PPG signals is the basis of nondestructive cardiovascular health risk assessment studies. In order to solve the problem of filtering delay in ECG and PPG signal acquisition， a scheme for ECG and PPG signal acquisition and compensation is proposed， which makes the acquisition system realize the true synchronization. In this scheme， the delay of each circuit unit in ECG and PPG signal acquisition process is estimated by simulation， the delay of the two signal acquisition processes is measured by means of the signal generated by the function generator， and then the measured results are compared with the simulation results. On this basis， the phases of the ECG and PPG signals are adjusted to compensate the delays of the signals. Finally the absolute synchronization of the signals is achieved. The experimental results show that the hardware delay of ECG and PPG multi?channel acquisition system is mainly concentrated in the filtering process. According to the test， the actual delay value between the two groups of signal channels in the existing design scheme is 2.012 ms， and the delay can be reduced to 0.01 ms and 99.95% by delay compensation， which lays a hardware foundation for the follow?up research on cardiovascular health monitoring algorithm and has high practical value.

Keywords： ECG signal acquisition; PPG signal acquisition; filtering delay; multi?channel signal; delay compensation; signal synchronization

脈搏（PPG）和心電（ECG）信號包含人體基本和重要的生理參數[1?2]。特別是在心血管健康評估算法研究中，PPG和ECG信號的嚴格同步是后續(xù)多信息融合計算的基礎和必要條件[3]，對于中老年慢性疾病患者和心血管疾病的治療具有非常重要的臨床意義[4]。因此，研究PPG和ECG信號在采集電路中的延遲問題及其解決方案顯得尤為重要，是醫(yī)學工程領域的一個重要的研究內容[5?6]。

已有文獻中對ECG和PPG信號的同步采集進行了深入研究：韓國成等人提出一種心電信號與脈搏信號的特征提取方法，文獻中采用低功耗芯片MSP430設計心電與脈搏電路對信號進行采集與顯示[7];錢建秋等提出一種心電信號與脈搏信號同步采集系統的實現方法，該系統采用芯片S3C2440對心電信號與脈搏信號進行同步采集與顯示[8];張愛華等人提出一種脈搏圖像與心電信號的多信息同步采集與再現的方法，該方法通過CCD相機和壓電傳感器分別對脈搏信號和心電信號進行采集，最后使用數據采集卡將采集到的信號傳輸到上位機進行顯示[9]。然而，上述文獻均圍繞了心電與脈搏信號的采集方法進行研究，并沒有對數據采集過程中的延時問題展開具體討論。

對多路生理信號序列進行協同分析時，信號之間的影響和延遲就顯得尤為重要[10]。例如，在進行心血管生理信號的分析過程中，為了描述心跳信號在身體四肢末端血管微循環(huán)的變化，需要確保采集到的信號是同步的，這就需要考慮采集系統同步性問題。

為了分析和研究ECG和PPG信號在同一時刻的變化以及從心跳傳導到手指末端細微的時間變化，就需要對采集到的ECG和PPG信號進行延遲分析，明確兩種信號之間的延遲，避免采集電路延遲對兩路信號間生理分析產生影響。為此，本文擬通過分析采集電路延時仿真和實測變化來研究兩種信號采集電路中的延遲差異，并對該差異進行補償，確保ECG信號和PPG信號采集和處理的絕對同步，為兩種信號生理變化分析提供保證。

1 ?ECG和PPG信號采集平臺設計

每個ECG信號的R?R間隔都對應一個PPG信號的峰值。從醫(yī)學的角度解釋：每一個心電周期，由于心臟的周期性收縮與舒張導致主動脈內血液變化，而變化的血液容積對血管壁產生的壓力時高時低，導致動脈管壁也隨之產生變化，生成一個脈搏信號。因此，PPG和ECG信號應當同步。

ECG和PPG信號均屬于微弱生物電信號，微弱生物電信號本身幅值較低，在獲取、轉換、傳輸過程中容易受到環(huán)境及電路噪聲影響，從而影響信號采集。因此，需要一套完整的信號放大和降噪處理電路[11]。一般來說，微弱生物電信號的放大過程通常包括儀表放大、濾波、直流放大等電路單元[12]。在設計過程中需要選擇合適的傳感器和電源模塊，同時調整儀表放大、后置放大和濾波電路的參數，實現ECG和PPG信號的高增益、高輸出阻抗、高共模抑制比、低噪聲的放大輸出過程。ECG和PPG多通道采集電路框圖見圖1。

從圖1可以看到，ECG和PPG信號放大、濾波等電路的參數設計不同，會導致心電信號與脈搏信號采集過程存在不同延遲，這種延遲使得同步的兩路信號不再同步，影響了后續(xù)分析過程的準確性。為了使采集到的信號仍然保持同步變化，就需要在某一路電路中加入延時補償。

1.1 傳感器選用

ECG采集使用的壓電傳感器主要將心肌生物電信號轉換成后續(xù)電路能夠處理的電壓信號[4]。對于心電信號來說，它的頻率范圍主要集中在0.05～100 Hz，電壓范圍在1 mV左右;而主要能量范圍在0.05～45 Hz，其中QRS波段集中在10～20 Hz，系統采集的心電信號幅值[5]為0.98～19.8 Hz。

PPG采集使用的是紅外傳感器，主要通過940 nm的紅外光投射將血液脈動信號轉換成后續(xù)電路能處理的電壓信號。對脈搏信號來說，它的頻率集中在0～20 Hz，電壓范圍在1～10 mV，并且大部分能量集中在0～10 Hz，系統中脈搏信號的幅值為0.48～10 Hz。

1.2 ?前置放大電路的設計

無論傳感器端采集到的是ECG信號還是PPG信號，都需要通過兩級放大，并且前置放大倍數不宜太大。前置放大電路采用儀表放大器INA128進行放大。利用INA128的差動輸入，可以將外在環(huán)境的信號進行小部分濾除。儀表放大器的放大倍數G為：

[G=1+50 000Rg] ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：G表示增益;[Rg]表示調節(jié)電阻，通過改變它的大小可以對放大倍數進行調節(jié)。

在心電采集過程中，通過將壓電傳感器采集到的心電信號輸入儀表放大器，經過測量得到系統在此處放大10倍左右（放大倍數太大會引入不必要的噪聲）。[Rg]在此處取值為5.6 [kΩ]。在脈搏采集過程中，光電傳感器將采集到的脈搏信號使用儀表放大器INA128進行放大，利用差動輸入，可將外界環(huán)境的雜波信號進行小部分濾除，脈搏信號在此處不做太多放大，避免將不必要的信號放大。系統中脈搏信號放大倍數為1.5倍，[Rg]在此處取值為100 [kΩ]。

1.3 ?低通濾波模塊

低通濾波電路采用芯片TL074CN，從成本與濾波性能考慮，本文擬采用二階濾波器進行濾波。低通濾波的截止頻率為：

[fL=12πRLCL] ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[fL]表示低通濾波截止頻率;[RL]表示濾波電路中的電阻;[CL]表示濾波電路中的電容。

心電信號的低通濾波范圍在0～19.8 Hz，它既可以很好地保存心電信號的RRI序列，又可以降低采集過程工頻的干擾[6]。由式（2）計算可得濾波電路中的電阻RL為80 [kΩ]，濾波電路中的電容CL為0.1 [μF]。

脈搏信號的濾波范圍在0～10 Hz，低通濾波器將高于設定的特定頻率濾除，以降低雜波信號造成的影響。PPG硬件電路低通濾波器設定的截止頻率為10 Hz，由式（2）可以得到濾波電路中的電阻RL為160 [kΩ]，濾波電路中的電容CL為0.1 [μF]。

1.4 ?高通濾波模塊

通過低通濾波電路后可以將高于截止頻率的波形濾除，然后使用高通濾波將低于截止頻率的信號濾除[8]。高通濾波器同樣采用運放芯片TL074CN，為了降低雜波信號造成的影響本文擬采用二階高通濾波器。高通濾波器參數選取為：

[fH=12πRHCH] ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[fH]表示高通濾波截止頻率;[RH]表示濾波電路中的電阻;[CH]表示濾波電路中的電容。

為保證QRS波段不失真，心電信號濾波的截止頻率范圍設定為0.98 Hz。由式（3）可以得到濾波電路中的電阻RH為8.2 [kΩ]，濾波電路中的電容CH為1 [μF]。

脈搏信號的高通濾波由心電信號的頻率范圍可知，要保證信號不失真，脈搏信號的高通濾波的截止頻率為0.48 Hz，由式（3）可以得到濾波電路中的電阻RH為162 [kΩ]，濾波電路中的電容CH為1 [μF]。

1.5 后置放大模塊

對經過一系列濾波電路濾除干擾信號后的心電信號和脈搏信號進行放大處理，在后置放大電路中脈搏信號放大15倍左右，心電信號放大100倍左右。

2 ?ECG和PPG采集延時分析

在系統設計過程中，心電信號與脈搏信號的頻率范圍不同，會使系統中的各模塊設計存在一定的差異。這種差異會使信號采集系統產生延時。

2.1 ?ECG和PPG采集延時原因分析

心電與脈搏信號同步采集系統可以分為儀表放大、濾波電路、后置放大3個部分。在心電與脈搏同步采集電路中的放大倍數不同，會造成同步系統產生一定的延時。

心電信號的頻率范圍與脈搏信號的頻率范圍不同導致電路設計過程中的頻率截止范圍的不同，從而導致同步系統產生延時。同時，心電信號與脈搏信號的采集電路后置放大倍數不同，也對同步系統產生延時[8]。

2.2 ?ECG和PPG采集電路實際延時分析

通過Multisum對系統電路進行仿真，可以得到采集系統理論上的時間差，同時采用函數發(fā)生器產生方波，逐級輸入到各級電路中分別測量它們之間的延時。如表1所示，心電信號和脈搏信號在軟件仿真結果和實測結果都存在一定的時間延時。

從表1可以看出，當傳感器采集到的脈搏與心電信號在經過前置放大、濾波電路、后置放大電路后都會產生延時，并且延時主要產生在濾波電路中。為了使心電信號與脈搏信號采集系統同步，在心電采集過程中加入2.012 ms的時間補償。

3 ?實驗結果及討論

為了進一步分析ECG和PPG多通道信號采集系統實際的延遲情況，擬搭建ECG和PPG采集電路系統平臺，平臺采用多通路數字信號源作為多路信號的輸入，采用示波器作為信號延遲測試的接收。

圖2為測量延時電路儀器。實驗時，通過多通路數字信號源產生幅度為 1 mV，頻率為30 Hz的同頻同相的同步方波信號代替?zhèn)鞲衅鞑杉降臄祿ㄟ^示波器分析經過實際電路后的信號的延時情況。

將得出的心電信號與脈搏信號的時間差引入采集系統中，可以對兩者之間的時間差進行補償，使得信號在一定誤差范圍內可以同步采集。

圖3為同一方波下的波形示意圖。在驗證同步性問題時，本文通過將同步的方波信號輸入到電路系統中，判斷采集系統經過時間補償后的同步性。

圖4為經過時間補償后的系統采集波形，經過系統采集后，實現了心電信號與脈搏信號的同步精度。通過延時補償后，能夠消除電路引起的延遲，確保兩種信號采集的真實性。圖5為經過同步驗證后，實際采集到的數據。

4 ?結 ?論

由于心電信號與脈搏信號頻率范圍不同，同步采集的濾波過程會產生一定的延時，從而影響所測信號的同步性。因此，本文對心電信號與脈搏信號采集過程的濾波延時進行逐級測量，通過實際延時與理論值進行對比，得出實際測量過程兩種信號的時間差，并對測量信號的時間差進行一定的補償，使測量信號可以實際意義上同步。

為了驗證兩種信號的時間差，本文擬采用多通路數字信號源產生的方波信號輸入采集系統，逐級測量各個模塊的延時，并與Multisim測量的結果進行對比。最后，對補償后的電路進行分析，得到通過補償后的電路的延時降低為0.001 ms，降低到99.95%。

注：本文通訊作者為韋海成。

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