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國立勤益科大 民生電子研討會 WCE2009 1ECG 電路之設計與量測及心率變異度分析ECG 電路之設計與量測及心率變異度分析 陳永欽陳永欽 洪龍成洪龍成 葉翼睿葉翼睿 致遠管理學院電機系致遠管理學院電機系 致遠管理學院電機系致遠管理學院電機系 致遠管理學院多媒體系致遠管理學院多媒體系 ycchenster@ hlc-zen@dwu.edu.tw smile0320@ 摘要摘要 本文使用MicroSim DesignLab-Pspice 來設計一ECG電路，且利用LabVIEW建置一ECG量測分析系統在模擬過程中利用Pspice的暫態電路分析模式預測電路功能，這樣的電路設計不但可節省了開發時間,還可避免電子材料的浪費將設計完成後的電路，以電子元件建構出來，實際量測出人體心電圖，生理訊號經過濾波與放大後，經由DAQ卡將類比訊號轉換成數位訊號，傳送到PC中使用LabVIEW建置一虛擬儀表分析擷取到的訊號，顯示人體的HRV狀況，作為診斷疾病上重要的參考依據，可進一步的以特徵值辨識病症。

關鍵詞關鍵詞: ECG、R-R Intervals、HRV、DAQ 1. 前言前言: 心電圖(Electrocardiograph，簡稱ECG或EKG)的量測與分析研究，在人體生理訊號發展過程中已有百年的歷史心臟的構造可分為心房與心室兩大部份，其中心房部份與上下腔靜脈連接，當右心房充滿由靜脈送回的血液時，右心房上的竇房結(Sinoatrial Node，簡稱SA Node)會自發性的產生去極化的動作電位，此電流訊號經由心房肌肉傳遞至左心房，此時去極化電流訊號傳遞至右心房底部的房室結(Atrioventricular Node，簡稱AV Node)，由於心房結傳遞訊號速度較慢(約0.1秒)，所以使得心房有時間完成去極化收縮的動作，去極化的電流訊號藉由浦金埃式纖維(Purkinje fibers)傳遞至整個左右心室，促使左右心室同時去極化收縮，而將血液擠壓入上下腔動脈，完成一個完整的心臟跳動週期[3][4]並將產生的波形命名，如圖(1)所示 圖圖(1)心電圖示意圖 心電圖示意圖 由心電圖訊號中進一步分析所獲得的心律變異參數(Heart Rate Variability，簡稱HRV)，是一種評估自主神經系統功能的重要方法。

交感神經系統可使心跳加快、瞳孔放大、腸胃蠕動變慢、排和增加和肌肉更有力，以應付緊急狀況；副交感神經系統則使心跳變慢、瞳孔縮小，腸胃蠕動加快、排和減少和肌肉放鬆，讓人體呈現放鬆狀態；兩者互相拮抗保持平衡一般人心跳並非以一個固定的速度再跳動，激烈運動時，心跳可增至三倍；若仔細量測便發現每次心跳與心跳的間隔均有幾十毫秒以內的微小差異，即使在休息的狀態下，也會有相當程度的差異，此種差異稱為心率變動性，可以作為判讀出許多心臟疾病的依據，所以分析心律變異參數成為目前診斷上重要的參考依據之ㄧ[7] 2. ECG 電路設計量測與心率變異度分析電路設計量測與心率變異度分析: 2.1 ECG 電路設計與模擬及硬體電路量測電路設計與模擬及硬體電路量測 由文獻[2,3]可知 ECG 電路方塊圖架構如下圖(2)所示，本研究為六種導程之心電圖電路，分別為Lead I、Lead II、 Lead III、aVR、aVL和 aVF取右腳為參考接地 正常心電圖的頻率範圍在0.1~100 Hz，最大振福約 1mV圖 2.1.1 為心電圖電路方塊國立勤益科大 民生電子研討會 WCE2009 2圖，以電極貼片置於四支上，透過導程選程電路選取所需導程，並在導程電路中加上隨耦器，以增加量測靈敏度。

前置放大器使用儀錶放大器以便萃取成單極訊號，並放大 100 倍採用隔離器以避免量測儀器的漏電造成受測者電極危險帶通濾波器的頻寬為 0.1~40 Hz ， 不但能獲得心電訊號及抑制基線漂移有還能減少 60Hz 市雜訊的干擾濾波後增益放大器將訊號放大 10 倍，訊號再經過帶拒通濾波器過濾 60Hz 雜訊，便可在 Pspice 模擬預期結果 圖圖(2)ECG 電路流程圖電路流程圖 以六個電阻設計出具有六種的導程電路 ， 並在前面各加上電壓追隨器以增加阻抗，如圖(3)所示 圖圖(3)導程選擇電路模擬圖導程選擇電路模擬圖 由於人體透過電極貼片量測出的訊號極微小，所以我們必須要把電壓放大以便觀察，但是放大極微小電壓時必須考慮到雜訊、放大精確度等問題這裡我們選用了差模增益大，共模增益小，使用廣泛的儀錶放大器作前置放大器，齊放大增益如公式(1)，電路模擬與結果可參考圖(4)及圖(5) 14 .49RG−Ω=Gk(1) 圖圖(4)儀錶放大器電路模擬圖儀錶放大器電路模擬圖 圖圖(5)儀錶放大器dB對頻率模擬圖 儀錶放大器dB對頻率模擬圖 帶通濾波器通常由一高通及低通濾波器所串接而成，本研究皆採用Sallen-Key型濾波器，其截止頻率如公式(2) ，電路模擬與結果可參考圖(6)及圖(7)。

212121 CCRRfcπ=(2) 在設計上方便通常令2121CCRR==，，公式可簡化成 RCfcπ21=濾波器在頻率響應時，常會出現上下震盪的情形，有鑑於此我們設計皆為Butterworth特性之濾波器，在通帶上具有非常平坦的頻率響應，其設計如公式(3) 56.1)(443=+ RRR(3) 下圖為二階低通及二階高通濾波器 ， 當級數越大濾波器越趨近理想，效果相對越佳，但所使用的放大器會越多 國立勤益科大 民生電子研討會 WCE2009 3圖圖(6)高通濾波器與低通濾波器電路模擬圖高通濾波器與低通濾波器電路模擬圖 圖圖(7)帶通濾波器帶通濾波器 dB 對頻率模擬圖對頻率模擬圖 使用非反相放大器作為增益放大器 ， 避免訊號輸出時相位的失真，並放大微弱訊號增益放大如公式(3)，電路模擬與結果可參考圖(8)及圖(9) 221)( RRRAV+=(3) 圖圖(8)正相放大器模擬電路圖正相放大器模擬電路圖 圖圖(9)正相放大器正相放大器 dB 對頻率模擬圖 對頻率模擬圖 採用光學式隔離器達到隔離訊號的目的 ， 如下圖(10)所示 圖圖(10)隔離器示意圖 隔離器示意圖 使用RC網路組成雙T帶拒通濾波器，過濾60Hz市雜訊，模擬電路如圖(11)所示。

拒止頻率如公式(4)，為設計方便2121CCRR==，，公式可簡化成 RCfcπ21= 212121 CCRRfcπ=(4) 圖圖(11)Twin-T 帶拒通濾波器模擬電路圖帶拒通濾波器模擬電路圖 圖圖(12) Twin-T 帶拒通濾波器帶拒通濾波器 dB 對頻率模擬圖對頻率模擬圖 2.2 硬體實際量測硬體實際量測 本文使用由NATIONAL INSTRUMENTS美商公司所研發的NI-ELVIS，如圖(11)為NI ELVIS它是一套以LabVIEW 為基礎的設計和驗證環境，12 種整合的虛擬儀表套件，包含示波器、數位電表、函數產生器…等這部儀器大大降低了實驗器材的成本圖(13)為NI PCI-6251 DAQ我們將模擬好的電路實現在ELVIS專用的電路板上，如圖(15)所示使用這個平台實作電路 ， 也方便於將來用 LabVIEW量測電路 國立勤益科大 民生電子研討會 WCE2009 4圖圖(13) NI ELVIS 平台 平台 圖圖(14) DAQ(資料擷取卡資料擷取卡) 圖圖(15)ECG電路電路 硬體儀器建構好後並使用LabVIEW介面軟體來將波形圖顯示出來在此使用LabVIEW介面軟體中NI ELVIS Oscilloscope的物件來連接平台，將輸出波形顯示出來，程式如下圖(16)所示。

圖圖(16) LabVIEW-ELVIS 程式程式 從下圖(17)所示，我們可以看到使用ELVIS平台實際量測到的Band-Pass filter頻寬，頻率約在2~45 Hz，符合心電訊號所需的頻寬 圖圖(17)實際量測之帶通濾波器頻寬實際量測之帶通濾波器頻寬 量測的結果可以看出帶拒通濾波器明顯在60Hz產生止帶，衰減度約-40dB，能夠有效濾除掉市雜訊，如圖(18)所示 圖圖(18) 實際量測之實際量測之 60Hz 帶拒通濾波器帶拒通濾波器 將人體四肢擦拭酒精並貼上電極貼片後 ， 連接設計好的 ECG 電路，如圖(19)所示 圖圖(19)實際量測實際量測 ECG 情形情形 國立勤益科大 民生電子研討會 WCE2009 5圖(20)到圖(25)分別為Lead I、Lead II、 Lead III、aVR、aVL和aVF從中可發現Lead I 的雜訊比過高，而且T波有時會高於R波，而其他導程皆可明顯辨識出R波 圖圖(20) Lead I 之量測結果 之量測結果 圖圖(21) Lead II 之量測結果 之量測結果 圖圖(22) Lead III 之量測結果之量測結果 圖圖(23) aVF之量測結果之量測結果 圖圖(24) aVL之量測結果之量測結果 圖圖(25) aVR之量測結果之量測結果 3. 心率變異度分析心率變異度分析 3.1 心電訊號擷取心電訊號擷取 由於量測結果發Lead II可明顯辨識QRST波，而所含的雜訊少，本研究採用Lead II做為分析，將設計好的ECG電路透過撰寫LabVIEW程式連接DAQ USB-6008資料擷取卡 ， 如圖(26)及圖(27)所示，將類比訊號轉換成數位資料，由於心電訊號採集的資料數量相當龐大，為了避免產生資料傳輸速率不足而導致Overflow error，以及RAM的Overwrite error所以我們將數位資料採FIFO方式將存入電腦中。

圖圖(26)訊號擷取示意圖訊號擷取示意圖 圖圖(27)DAQ USB-6008 根據奈奎斯特定理取樣速率須為量測訊號的兩倍以上以避免訊號失真，將取樣速率設定在500Hz 為量測訊號的5~7倍，能精準的顯示出心電訊號 如圖(28)所示為心電訊號取樣圖，擷取後的資料會儲存在電腦中，一份為ECG數位化後的資料；另一為訊號擷取時的取樣速率、資料數量、日期等 圖圖(28)心電訊號擷取平台心電訊號擷取平台 國立勤益科大 民生電子研討會 WCE2009 63.2 訊號分析的前置處理訊號分析的前置處理 輸出後的訊號有基線漂移的現象 ， 一般的作法會在硬體部分加上一0.5Hz的High-Pass Filter來濾除直流電，但本研究以節省硬體成本方式以撰寫LabVIEW方式來解決基線漂移問題如下圖(29)所示為改善基線漂移前後圖 圖圖(29)上為基線漂移；下為移除後上為基線漂移；下為移除後 即使在硬體電路以使用了濾波器來濾除不必要的雜訊，但因濾波器只能做到一定程度的濾波，如果要有效過濾雜訊，相對的必須提高濾波器的階度，使得硬體成本提高，有鑑於此，本研究採用數位濾波器有效解決雜訊，進而降低硬體成本 圖圖(30)濾波前與濾波後比較圖濾波前與濾波後比較圖 3.3 HRV 分析分析 心律變異常見的計算方式有兩大類，一是時域的統計分析，另一是頻域的頻譜分析。

在時域分析中主要計算有限長度的ECG訊號中，將所有的R-R Intervals的變化如圖(31)，一段時間擷取下來的訊號，設定一固定閥值的找出每一次心跳的R波，進而把ECG訊號轉變成R-R Intervals Graph 圖圖(31) R-R Intervals圖 獲得R-R Intervals 後，可以經由不同的統計方法分析出心率變異度關於本研究的R-R Intervals時域分析方法如下: A. MeanRR 即計算所有 R-R Intervals的平均值，可以看出受測者的平均心率是否穩定MeanRR的計算式為: nR MeanRRnii∑ ==1(5) B. SDNN(StdRR) 此參數為R-R Intervals的標準差(Standard Deviation)有些文獻會將R。