以ELVIS 系統平台設計ECG電路

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亞東技術學院 *_{作者為亞東技術學院電子工程系副教授。} **_{作者為亞東技術學院電子工程系學生。}

以 ELVIS 系統平台設計 ECG 電路

王清松

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趙文嘉

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林嗣鈞

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黃元星

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摘要

心電圖是心臟跳動相關的電位變化圖，在診斷心臟疾病和心血管防治上扮演很重要的角色，讓醫師可以藉著心電圖的變化診斷出心臟之異常變化，並同時監控病人安危和危險評估等。本研究將人體之心電微弱訊號使之放大，並能正確無誤的顯示；硬體方式將量測到的人體心電生理訊經由放大 1100 倍濾波，硬體電路放置在 ELVIS 上之後再擷取訊號，電源則使用 ELVIS 電源供應器提供 5V 以及軟體方式使用圖控語言 LabVIEW 以提供 2.5V 電源，最後的訊號波形則以 NI ELVIS 的虛擬示波儀器呈現在 PC 面板上。透過 NI ELVIS 內建多合一之儀器系統平台，利用其內建 ADC 功能，硬體電路設計空間可大為減小，並一併減少儀器空間，達到多合一、方便使用、快速上手之學習目的。關鍵詞：ECG、LabVIEW、ELVIS

前言

心血管疾病一直是國人的十大死因之一[1]，而且心血管疾病在 97 年及 98 年內位居十大死因前三名，每天約有 30 人死於心臟等相關疾病，其中 98 年十大主要死因中，仍以惡性腫瘤占 28.1%最多；其次分別為心臟疾病 10.6%、腦血管疾病 7.3%。過去的十幾年來，隨著醫學的突飛猛進，民眾對於個人的健康水準要求也日漸提升，心臟疾病的檢查、診斷與治療方法，也隨著科技的進步迅速發展。對於疾病的發生，不但需要有效的治療，更期望能防範於未然[1]；同時現代人生活水準提高，對於自我健康的觀念也逐漸提升，心電圖量測為最直接有效發現疾病的方法之一，即時量測與長時間有效的紀錄心電訊號更是重要的目標，方便醫生診斷上的幫助，對於個人身體照護更是一大福音[2]。一般人心跳並非以一個固定的速度跳動，激烈運動時，心跳數可增至三倍；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，此種差異稱為心律變異性，可以作為判讀心臟疾病的依據，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一[3]。本實驗使用 NI ELVIS (以下簡稱 ELVIS)系統平台做為這次的教學研究系統，此平台的最大特色為多合一的儀器，並且易於操作，使不會使用或第一次接觸儀器操作之初學者能有一些基本的認識。一開始接觸 ELVIS 最先需要瞭解此研究平台中裡面有哪些儀器供使用，如示波器、電源供應器、三用電表、波德圖等，再來就必須了解其操作方式以及量測方法，下一步便是練習設計、實作電路，並藉由相對應之儀器呈現，便是學習電子電路中的最快捷徑。

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壹、系統架構

圖 1 系統架構如圖 1 所示，為本實驗系統架構圖，將電極貼片黏貼好雙手後便能開始測量 ECG 心電訊號，而使用電極貼片也能應用在腦波的點進行量測，而且電路中不需要接 AD 轉換電路，大為節省了電路空間，只需要靠 ELVIS 研究平台即可處理 A/D 轉換的問題，這是利用 ELVIS 研究平台設計各種電路之方便之處。量測的部分我們將擷取之訊號經過電路設計其濾波器之-3dB 點截止頻率系統電路設計流程如下：訊號由 AD620 內建之儀表放大器將兩端訊號將以放大，接著進入 1Hz 高通濾波器將低頻訊號先行濾除，再經過交流耦合電路消除直流準位訊號，同時因擷取訊號太小因此再將訊號放大約 1100 倍，此時再利用六階 45Hz 低通濾波器擷取出心電波形，將設計好之箝位器加入，此時設計之輸出訊號，使用 NI ELVIS 內建的虛擬示波儀器以展示其訊號波形，也可以使用 LabVIEW 的程式來撰寫，都一樣可以達到顯示心電波形之作用。使用 ELVIS 的最大好處能減少大量的量測時間及空間，並能結合其他各類儀器供應其電源、訊號等，最後只要再透過電腦顯示即可呈現一完整之心電訊號。

貳、軟硬體工作原理

硬體工作原理 圖 2 硬體架構如圖 2，本實驗硬體架構，吾人參考利用心電圖單導程量測準則[3]，利用兩隻手即可進行量測之心電訊號，同時，心電訊號為人體體表之微小電氣訊號，一般心電訊號振幅於 0.02mV 至 5mV，頻率在 0.05Hz 至 100Hz，單導程量測心電圖頻率於 0.05Hz 至 40Hz[4]，經由放大與濾波電路設計，清楚呈現吾人設計之心電訊號。單導程 ECG 電路測量點為左手到右手之間，然而生理訊號量測非常的困難，因為原始訊號相當微小之下並且帶有其共模雜訊，時常造成系統電路量測觀看不易，同時也會受到環境、電路之影響，雜訊也會同時增加，因此電路設計中，需要具有高 CMRR 之放大電路值，以減少共模雜訊的影響 [5]，因此我們前置放大器主要使用 AD620 做為前級放大器，具有儀表放大器功能且高 CMRR 之特性，將訊號放大約 1100 倍，同時利用高、低通濾波器，擷取所需的頻率範圍。吾人所設計之高通濾波器為 1HZ，濾除低頻訊號，低通濾波器則設計 45HZ，濾除高頻訊號，經過了低通與高通濾波器輸出的頻帶寬會在 0.1HZ~45HZ 之間，達到吾人所需的頻率範圍。

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圖 3 硬體電路圖如圖 3，由 OrCAD 設計之電路圖，其中交流耦合電路，能有消除直流訊號之功用。圖 4 實體硬體電路如圖 4，把實體電路插在 ELVIS 上呈現，一開始先插在普通麵包板上進行測試，等到測試完畢之後把電路轉移到 ELVIS，這樣一來能較方便的進行訊號量測。 軟體工作原理 以下為本實驗使用 LabVIEW 的程式設計：圖 5 LabVIEW 示波器介面如圖 5，這是 LabVIEW 裡面所內建的儀器，基本功用和普通的示波器一樣，其中刻度標示都可以依自己的需求調整，能比較清楚展示。圖 6 LabVIEW 程式圖如圖 6，中間藍色那塊功用就是用來呼叫 ELVIS 的示波器，算是內建的儀器，右上方是用來顯示的波形介面如圖 5 所示。如圖 6，左側上方 DAQ，功用是用來當 2.5V 的電源供應器，在電路板上的作用是拿來當箝位器使用，輸入的電壓值也能依自己的需求更改，相當方便。

參、實際測量

圖 7 一般示波器測試圖如圖 7，為 Tek 儀器公司之示波器，圖中顯示 P 波比較不明顯，之後經由 ELVIS 示波器處理會產生訊號比較好的波形。

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圖 8 電極貼片圖如圖 8，為量測電極片，為心電訊號主要傳輸的介面[6]，傳輸介面好壞直接影響心電訊號品質，比較可惜的是使用完就要丟棄還蠻浪費的。圖 9 電極貼片測量點圖如圖 9，為測量貼點的位子，位於左右手的內側，貼點也能貼在腦波的測量點上使用，這也是我們設計的電路跟其他心電圖電路不太一樣的地方，如果貼點弄反波形也會相反，所以要特別注意。圖 10 使用 LabVIEW 展示心電圖如圖 10，這心電訊號是由 LabVIEW 圖控程式所提供的內建示波器展示出來的圖形，用此示波器所產生的雜訊含蠻大的。圖 11 實際在 ELVIS 示波器展示圖如圖 11，硬體儀器建構好後使用 LabVIEW 設計完程式之後，最後用 NI ELVIS 虛擬示波儀器來將波形圖顯示出來，展示出來的心電圖 60HZ 雜訊比用 LabVIEW 的小，效果就好很多。

肆、結論

本系統平台做的硬體電路不僅能測心電圖還可以把貼點拿來測腦波點，在量測上也能有較多種變化，是此電路的好處。將這電路導向居家照護之方向，在家就能量測心電圖，就不用去醫院檢查，將心電圖量測成為一個如血壓、血氧計等居家常備生理監測系統，使用者更能瞭解本身身體狀況。 ELVIS 研究平台有許多虛擬儀器，多達 12 種整合的虛擬儀表套件，包括示波器、電源供應器、數位電表、函數產生器等，此儀器大為降低了實驗器材的成本，而且可方便使用圖控語言 LabVIEW 量測電路，比起其他設計的心電圖電路，我們能更快上手的製作心電圖電路，因為我們不用經過 A/D 轉換電路，節省大幅的電路空間，都交給 ELVIS 去做處理，而且也方便量測。希望能藉由此篇文章，透過介紹以及教學後，能進一步去了解 ELVIS，以及基本操作，實際結合 LabVIEW 藉以發展更多的可能性。

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參考文獻

[1] 許鴻義，“心電圖訊號量測系統之製作與分析＂，國立雲林科技大學碩士論文 2003 年 6 月。 [2] 陳永欽、洪龍成、葉翼睿，“ECG 電路之設計與量測及心率變異度分析＂，國立勤益科技大學。 [3] 王清松、王政傑、吳建璋，“手持式單導程心電圖儀系統＂，亞東技術學院資訊與通訊工程研究所。 [4] 王清松、王政傑、吳建璋，“無線式攜帶型 ECG 系統雛型製作＂，亞東技術學院資訊與通訊工程研究所。 [5] 林羣晨，“以心電圖為基礎之心血管疾病專家防治系統＂，慈濟大學碩士論文 2007 年 8 月。 [6] 羅振斌，“運用鎖相迴路技術實現無限心電圖之研究＂，國立成功大學碩士論文 2004 年 6 月。 [7] 曾勇進，“以藍芽為基礎的無線可攜式心電圖量測系統＂，逢甲大學碩士論文 2005 年 6 月。 [8] 惠汝生，“LabVIEW 8.X 圖控程式應用＂，全華圖書股份有限公司 2008 年 12 月。 [9] 中華民國心臟協會，http://www.tsoc.org.tw/。 [10] 行政院衛生署， http://www.doh.gov.tw/CHT2006/DM/DM2_p 01.aspx?class_no=117&now_fod_list_no=4146 &level_no=1&doc_no=38031。

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*_{Department of Electronic Engineering, Oriental Institute of Technology}

Use ELVIS System Platform for Electrocardiogram Design

Ching-Sung Wang

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Wen-Chia Chao

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Si-Jun Lin

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Yuan-Xing Huang

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Abstract

ECG changes in heart beat-related potential maps in the diagnosis of heart disease and cardiovascular prevention play an important role, so that physicians can diagnose by ECG changes of cardiac anomalies, and also monitor the patient safety and risk assessment. This experiment to study how the body of the ECG signal to the amplified weak, and can correct the display; hardware approach is to measure the hearing of human cardiac electrophysiology 1100 times magnification through the filter, the hardware circuit placed in the NI ELVIS BOARD capture the signal after the power is to use NI ELVIS provides 5V power supply and software use graphical language LabVIEW to provide 2.5V power supply, the final signal waveform to NI ELVIS oscilloscope virtual instrument panel presented in PC .

Analysis of physicians to more accurate interpretation.