在医疗应用中采集微弱的 ECG 信号

您的任务

在医疗应用中，心电图 (ECG) 广泛用于监控患者身体肌肤上因心脏活动引起的微弱电机能变化。这种简单、无创的测量可轻松表征各种心脏疾病。医疗行业构建了专门的辅助诊断设备。因设计和验证需要，此类设备需要精密的示波器。

测试与测量解决方案

ECG 设备通常含有 12 根引线，这些引线可以连接到人体胸部、手臂和腿部。不同连接点之间的电压会进行测量。本文以信号引线 1 为例，描述了左右臂之间的电压。

左图显示该信号（引线 1）。该信号随心跳节奏重复， 首先是 P 波（开始循环），然后是 QRS 间隔，最后是 T 波。对测试工程师来说，噪声环境、单端引线连接和低幅度信号都会带来不小的挑战。通常电平小于 1 mV，且心跳信号的重复率介于 40 跳动/分和 220 跳动/分 (bpm)。

在典型装置中，需要使用放大器放大信号，但弊端在于会产生额外的噪声、特定于通道的延时和偏移误差。但是，波形平均化不是降噪的好选择，原因是信号不重复且重要信息可能丢失。图表例举了带非周期性干扰的脉冲序列，给医疗人员提供了有价值的特定疾病迹象。

根据测量点，ECG 信号幅度通常为 1 mV 或更低，且带宽 < 10 kHz。由于信号幅度小，所以很难直接使用示波器捕捉和分析这些信号。

但是，R&S^®RTE 数字示波器具备多种重要功能，可以直接深度分析信号。

应用

屏幕截图显示了在标准设置中使用 R&S^®RTE 捕捉的 ECG 信号。该信号具有很高的噪声电平，几乎看不见 P 波和 T 波。

为改善所采集的信号，我们可将垂直刻度设为 500 μV/div，无缩放或带宽限制。这是此类示波器的特有特征。HD 模式在 10 kHz 带宽限制下使用。

这可以增加分辨率和触发灵敏度，对于实现无噪声且稳定的信号采集以作进一步分析十分必要。

通过模板测试轻松检测医学指征

该稳定信号可用于实施进一步的测试。比如，模板测试有助于轻松检测失真信号中显示的若干医学指征。不同的模板可用于测试特定的指征。屏幕截图显示了使用相关模板测试的 ECG 信号（来源于健康人体）。信号迹线周围的白色区域为允许的区域；顶部和底部的颜色区域分别为上、下模板。

注意，在性能图标中性能以 1 frame/s 和 1 acquisition/s表示，相当于心跳率为 60 bpm。在此设置中，R&S^®RTE 触发、采集并处理每个单脉冲，不过采集时间占到 1 秒周期的 80%，仅剩余 200 毫秒的处理时间。此示例表明 R&S^®RTE 具有卓越的性能。

与同类高级高分辨率示波器比较

在相同的测量设置中，我们使用 10 位高分辨率同类示波器取代 R&S^®RTE。以下屏幕截图显示了高分辨率模式开启且最低垂直分辨率为 1 mV/div 时的测量结果。

结果表明，信号幅度低于触发灵敏度，因此示波器无法触发信号。为了在屏幕截图中展示出这一点，我们将显示持续时间延到数秒，触发电平以淡蓝色虚线表示。之前的迹线显示为阴影 (1)。

在数字信号后处理中实施的应用滤波器显示带宽不够，因此未能滤除测量装置的尖峰 (2)。数字 3 表明噪声和有限垂直刻度为 1 mV/div。因此，信号的 P 波浸没在噪声中，几乎不可见。

总结

R&S^®RTE 非常适合分析微弱信号，例如具有高信号保真度的 ECG 信号。该示波器非常适用于医学应用。示波器前端的噪声非常低，并且在 500 μV 下提供低于同类仪器的垂直刻度。此类分析不需要任何额外的电路，且 HD 模式有助于增加垂直分辨率、改善触发灵敏度并降低频段内噪声功率。通过此类分析，用户可以捕捉对分析至关重要的信号细节。在此方面，R&S^®RTE 优于其他同类高分辨率示波器。