心電圖(ECG或EKG)用于測量隨時間變化的心肌電信號，并將測量結果用圖形顯示出來。ECG的應用范圍涵蓋了簡單的心率監測到特殊的心臟狀況診斷。任何應用中，ECG的測試原理是相同的，但設計細節以及對電子元件的要求差別很大，從價格低于200美元的便攜設備到超過5 000美元、大小與傳真機等同的臺式設備。有些應用中，甚至把ECG嵌入到其他儀器中，例如病人監護儀、自動體外除顫器(AED)等，如圖1所示。

　　圖1 病人監護儀所顯示的ECG和血氧讀數

　　所有ECG都通過連接在身體特殊部位的電極采集心電信號，身體產生的心電信號幅度只有幾個毫伏，通過連接在身體特定位置的電極，可以從不同的角度觀察心電活動，每個位置都可以作為ECG的一個輸出通道顯示并打印，每個通道代表兩個電極之間的差分電壓或某一電極與幾個電極平均電壓的差值，電極間的不同組合可以顯示出比電極數更多的通道。這些通道一般稱為“導聯”(或“通道”)，一個12導聯的ECG設備具有12個獨立的圖形顯示通道。基于不同應用，導聯數量可以在1～12之間選擇。問題是，連接電極的導線有時也被稱為導聯，這樣容易引起混淆，因為12導聯(12通道)的ECG只需要10個電極(10條線)，所以要仔細判斷所使用的“導聯”。

　　除了生物信號外，多數ECG還會檢測兩個人工信號，其中植入式心臟起搏器(簡稱為“起搏”信號)是最重要的信號。起搏信號時間相當短，從數十微秒到幾毫秒，幅度從幾毫伏到接近1 V。通常，ECG必須同時偵測是否存在起搏信號，以防干擾其他心電信號。第二種人工信號用于檢測“導聯脫落”，即電極的接觸不良。許多ECG需要在電極接觸不良時發出報警指示。為此，ECG設備產生一個信號用于測量電極與人體間的阻抗，從而檢測是否存在導聯脫落。測量信號可以是交流或直流，也可以兼用。某些ECG還可以在檢測導聯脫落的狀態時通過分析阻抗檢測呼吸頻率。應該連續檢測導聯脫落狀態，而且不能妨礙心電信號的準確測量。

　　圖2所示為ECG總體功能框圖。如果把ECG劃分成對信號進行數字轉換的模擬前端(AFE)和將要進行分析、顯示、存儲和傳輸數據的“其余部分”，就比較容易理解心電儀對電子元器件的要求。AFE通常具備相同的基本要求，差別在于導聯數、信號保真度、干擾抑制能力等。根據具體的功能需求，系統“其余部分”的差異很大，典型功能包括顯示器、打印硬件拷貝、無線(RF)連接以及電池充電等。

　　圖2 ECG總體功能框圖

　　導聯數(導數)

　　最顯著的特性之一是導聯數，有些ECG只有一個導聯，有些則多達12個導聯。最常用的12導聯ECG需要10個電極，其中9個用來采集電信號，第10個電極連接在右腿(RL)上，由ECG電路驅動，以降低共模電壓。9個輸入電極分別是左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)各一個電極，前心(胸)區域6個電極(V1-V6)。每個導聯或心電視圖都代表某一電極與另一電極或一組電極之間的電壓差，如果將電極編組，則取電壓平均值。對RA、LA和LL三個電極引出的6導聯取平均，作為差分對的一邊，V1～V6分別作為6個差分對的另一邊。有3個導聯源于RA、LA，LL各自與其他兩個電極的均值之差。其余3個導聯是把RA、LA和LL作為獨立的差分對進行測量的結果。基于RA、LA和LL的6個導聯包含類似信息，只是通過不同方法顯示。因為信息是冗余的，所以不需要測量所有6個導聯，有些通道數據可以利用DSP對其他通道數據分析計算得到。

　　此處描述的是最常用的12導聯系統，但不是唯一方案。另外，12導聯ECG也可以作為5導聯、3導聯或1導聯系統使用。關鍵是當需要不止1個導聯時，需要開關陣列和均值電路。

　　模擬前端(AFE)

　　AFE的主要功能是將心電信號數字化，由于需要抑制RF信號源、起搏信號、導聯脫落檢測信號、工頻共模信號等強干擾以及其他肌體信號和電子噪聲的干擾，處理過程非常復雜。另外，毫伏級的心電信號可能疊加在數百毫伏的直流失調電壓上，加上通道間的共模電壓，可能超過1 V。連接到患者身體的電極一定不能產生電擊危險或干擾到連接在病人身上的其他醫療儀器。ECG的有效頻率范圍某種程度上與應用有關，通常在0.05 Hz～100 Hz之間。

　　AFE的第二個功能是能夠檢測起搏信號、導聯脫落、呼吸頻率和患者阻抗，檢測工作在幾個通道上同時或幾乎同時進行。另外，心臟除顫時，多數ECG設備需要快速恢復，但由于心臟除顫會導致前端電路和充電電容飽和，這些容性耦合電路會延長恢復時間。

　　AFE架構

　　AFE架構對系統性能影響很大，下面描述的增強型架構，由于采用了高精度、高速ADC(模/數轉換器)，從而在較寬的頻率范圍內提供高保真。沒有采用電容耦合，而是通過DAC(數/模轉換器)作為RL驅動，使AFE可以從除顫或射頻干擾中快速恢復。數字化起搏信號允許對起搏數據進行分析，從而減少錯誤的起搏指示，甚至可以檢測起搏器或連接部分的缺陷。另一方面，還要考慮到增強系統需要昂貴的元器件，耗電也很大。相比之下，簡化型AFE價格便宜，電池壽命也更長，其他特性差異則很小。

　　增強型AFE和DSP AFE：需要高性能ADC(如圖3所示)滿足ECG測試要求，可以同時量化9個電極信號，在200 kS/s采樣率下的無噪聲精度可達20位。然后用數字信號處理器(DSP)計算每個導聯信號，隔離起搏信號、導聯脫落信號和呼吸信號，并濾除干擾頻率信號。DSP還計算數/模轉換器(DAC)驅動RL電極所需要的信號強度。這種AFE架構需要模/數轉換(ADC)器的各個通道高度匹配。另外，還需要緩沖器隔離ADC采樣電容和高阻電極。這種方案雖然滿足了測量指標要求，卻不能滿足多數應用的成本和功耗要求。

　　簡化型AFE：低端AEF系列的特性是單通道、消費類ECG。這些設備的AFE采用電容耦合電路，將輸入信號耦合到一個低通差分放大器，再饋送給10位、120 S/s采樣率的ADC。電容耦合電路可以去掉輸入的直流失調，低通濾波器濾除起搏信號。這些設備通常采用電池供電，且只有一個通道，因此沒有共模電壓。