ECG与PPG多通道信号采集系统滤波延迟补偿研究

吴官胜 韦海成 李群 肖明霞

关键词： 心电信号采集; 脉搏信号采集; 滤波延迟; 多通道信号; 延迟补偿; 信号同步

中图分类号： TN911.23?34; TP394.1; TH691.9      文献标识码： A            文章编号： 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

脉搏（PPG）和心电（ECG）信号包含人体基本和重要的生理参数[1?2]。特别是在心血管健康评估算法研究中，PPG和ECG信号的严格同步是后续多信息融合计算的基础和必要条件[3]，对于中老年慢性疾病患者和心血管疾病的治疗具有非常重要的临床意义[4]。因此，研究PPG和ECG信号在采集电路中的延迟问题及其解决方案显得尤为重要，是医学工程领域的一个重要的研究内容[5?6]。

已有文献中对ECG和PPG信号的同步采集进行了深入研究：韩国成等人提出一种心电信号与脉搏信号的特征提取方法，文献中采用低功耗芯片MSP430设计心电与脉搏电路对信号进行采集与显示[7];钱建秋等提出一种心电信号与脉搏信号同步采集系统的实现方法，该系统采用芯片S3C2440对心电信号与脉搏信号进行同步采集与显示[8];张爱华等人提出一种脉搏图像与心电信号的多信息同步采集与再现的方法，该方法通过CCD相机和压电传感器分别对脉搏信号和心电信号进行采集，最后使用数据采集卡将采集到的信号传输到上位机进行显示[9]。然而，上述文献均围绕了心电与脉搏信号的采集方法进行研究，并没有对数据采集过程中的延时问题展开具体讨论。

对多路生理信号序列进行协同分析时，信号之间的影响和延迟就显得尤为重要[10]。例如，在进行心血管生理信号的分析过程中，为了描述心跳信号在身体四肢末端血管微循环的变化，需要确保采集到的信号是同步的，这就需要考虑采集系统同步性问题。

为了分析和研究ECG和PPG信号在同一时刻的变化以及从心跳传导到手指末端细微的时间变化，就需要对采集到的ECG和PPG信号进行延迟分析，明确两种信号之间的延迟，避免采集电路延迟对两路信号间生理分析产生影响。为此，本文拟通过分析采集电路延时仿真和实测变化来研究两种信号采集电路中的延迟差异，并对该差异进行补偿，确保ECG信号和PPG信号采集和处理的绝对同步，为两种信号生理变化分析提供保证。

1  ECG和PPG信号采集平台设计

每个ECG信号的R?R间隔都对应一个PPG信号的峰值。从医学的角度解释：每一个心电周期，由于心脏的周期性收缩与舒张导致主动脉内血液变化，而变化的血液容积对血管壁产生的压力时高时低，导致动脉管壁也随之产生变化，生成一个脉搏信号。因此，PPG和ECG信号应当同步。

ECG和PPG信号均属于微弱生物电信号，微弱生物电信号本身幅值较低，在获取、转换、传输过程中容易受到环境及电路噪声影响，从而影响信号采集。因此，需要一套完整的信号放大和降噪处理电路[11]。一般来说，微弱生物电信号的放大过程通常包括仪表放大、滤波、直流放大等电路单元[12]。在设计过程中需要选择合适的传感器和电源模块，同时调整仪表放大、后置放大和滤波电路的参数，实现ECG和PPG信号的高增益、高输出阻抗、高共模抑制比、低噪声的放大输出过程。ECG和PPG多通道采集电路框图见图1。

从图1可以看到，ECG和PPG信号放大、滤波等电路的参数设计不同，会导致心电信号与脉搏信号采集过程存在不同延迟，这种延迟使得同步的两路信号不再同步，影响了后续分析过程的准确性。为了使采集到的信号仍然保持同步变化，就需要在某一路电路中加入延时补偿。

1.1 传感器选用

ECG采集使用的压电传感器主要将心肌生物电信号转换成后续电路能够处理的电压信号[4]。对于心电信号来说，它的频率范围主要集中在0.05～100 Hz，电压范围在1 mV左右;而主要能量范围在0.05～45 Hz，其中QRS波段集中在10～20 Hz，系统采集的心电信号幅值[5]为0.98～19.8 Hz。

PPG采集使用的是紅外传感器，主要通过940 nm的红外光投射将血液脉动信号转换成后续电路能处理的电压信号。对脉搏信号来说，它的频率集中在0～20 Hz，电压范围在1～10 mV，并且大部分能量集中在0～10 Hz，系统中脉搏信号的幅值为0.48～10 Hz。

1.2  前置放大电路的设计

无论传感器端采集到的是ECG信号还是PPG信号，都需要通过两级放大，并且前置放大倍数不宜太大。前置放大电路采用仪表放大器INA128进行放大。利用INA128的差动输入，可以将外在环境的信号进行小部分滤除。仪表放大器的放大倍数G为：

[G=1+50 000Rg]              （1）

式中：G表示增益;[Rg]表示调节电阻，通过改变它的大小可以对放大倍数进行调节。

在心电采集过程中，通过将压电传感器采集到的心电信号输入仪表放大器，经过测量得到系统在此处放大10倍左右（放大倍数太大会引入不必要的噪声）。[Rg]在此处取值为5.6 [kΩ]。在脉搏采集过程中，光电传感器将采集到的脉搏信号使用仪表放大器INA128进行放大，利用差动输入，可将外界环境的杂波信号进行小部分滤除，脉搏信号在此处不做太多放大，避免将不必要的信号放大。系统中脉搏信号放大倍数为1.5倍，[Rg]在此处取值为100 [kΩ]。

1.3  低通滤波模块

低通滤波电路采用芯片TL074CN，从成本与滤波性能考虑，本文拟采用二阶滤波器进行滤波。低通滤波的截止频率为：

[fL=12πRLCL]               （2）

式中：[fL]表示低通滤波截止频率;[RL]表示滤波电路中的电阻;[CL]表示滤波电路中的电容。

心电信号的低通滤波范围在0～19.8 Hz，它既可以很好地保存心电信号的RRI序列，又可以降低采集过程工频的干扰[6]。由式（2）计算可得滤波电路中的电阻RL为80 [kΩ]，滤波电路中的电容CL为0.1 [μF]。

脉搏信号的滤波范围在0～10 Hz，低通滤波器将高于设定的特定频率滤除，以降低杂波信号造成的影响。PPG硬件电路低通滤波器设定的截止频率为10 Hz，由式（2）可以得到滤波电路中的电阻RL为160 [kΩ]，滤波电路中的电容CL为0.1 [μF]。

1.4  高通滤波模块

通过低通滤波电路后可以将高于截止频率的波形滤除，然后使用高通滤波将低于截止频率的信号滤除[8]。高通滤波器同样采用运放芯片TL074CN，为了降低杂波信号造成的影响本文拟采用二阶高通滤波器。高通滤波器参数选取为：

[fH=12πRHCH]            （3）

式中：[fH]表示高通滤波截止频率;[RH]表示滤波电路中的电阻;[CH]表示滤波电路中的电容。

为保证QRS波段不失真，心电信号滤波的截止频率范围设定为0.98 Hz。由式（3）可以得到滤波电路中的电阻RH为8.2 [kΩ]，滤波电路中的电容CH为1 [μF]。

脉搏信号的高通滤波由心电信号的频率范围可知，要保证信号不失真，脉搏信号的高通滤波的截止频率为0.48 Hz，由式（3）可以得到滤波电路中的电阻RH为162 [kΩ]，滤波电路中的电容CH为1 [μF]。

1.5 后置放大模块

对经过一系列滤波电路滤除干扰信号后的心电信号和脈搏信号进行放大处理，在后置放大电路中脉搏信号放大15倍左右，心电信号放大100倍左右。

2  ECG和PPG采集延时分析

在系统设计过程中，心电信号与脉搏信号的频率范围不同，会使系统中的各模块设计存在一定的差异。这种差异会使信号采集系统产生延时。

2.1  ECG和PPG采集延时原因分析

心电与脉搏信号同步采集系统可以分为仪表放大、滤波电路、后置放大3个部分。在心电与脉搏同步采集电路中的放大倍数不同，会造成同步系统产生一定的延时。

心电信号的频率范围与脉搏信号的频率范围不同导致电路设计过程中的频率截止范围的不同，从而导致同步系统产生延时。同时，心电信号与脉搏信号的采集电路后置放大倍数不同，也对同步系统产生延时[8]。

2.2  ECG和PPG采集电路实际延时分析

通过Multisum对系统电路进行仿真，可以得到采集系统理论上的时间差，同时采用函数发生器产生方波，逐级输入到各级电路中分别测量它们之间的延时。如表1所示，心电信号和脉搏信号在软件仿真结果和实测结果都存在一定的时间延时。

从表1可以看出，当传感器采集到的脉搏与心电信号在经过前置放大、滤波电路、后置放大电路后都会产生延时，并且延时主要产生在滤波电路中。为了使心电信号与脉搏信号采集系统同步，在心电采集过程中加入2.012 ms的时间补偿。

3  实验结果及讨论

为了进一步分析ECG和PPG多通道信号采集系统实际的延迟情况，拟搭建ECG和PPG采集电路系统平台，平台采用多通路数字信号源作为多路信号的输入，采用示波器作为信号延迟测试的接收。

图2为测量延时电路仪器。实验时，通过多通路数字信号源产生幅度为 1 mV，频率为30 Hz的同频同相的同步方波信号代替传感器采集到的数据，通过示波器分析经过实际电路后的信号的延时情况。

将得出的心电信号与脉搏信号的时间差引入采集系统中，可以对两者之间的时间差进行补偿，使得信号在一定误差范围内可以同步采集。

图3为同一方波下的波形示意图。在验证同步性问题时，本文通过将同步的方波信号输入到电路系统中，判断采集系统经过时间补偿后的同步性。

图4为经过时间补偿后的系统采集波形，经过系统采集后，实现了心电信号与脉搏信号的同步精度。通过延时补偿后，能够消除电路引起的延迟，确保两种信号采集的真实性。图5为经过同步验证后，实际采集到的数据。

4  结  论

由于心电信号与脉搏信号频率范围不同，同步采集的滤波过程会产生一定的延时，从而影响所测信号的同步性。因此，本文对心电信号与脉搏信号采集过程的滤波延时进行逐级测量，通过实际延时与理论值进行对比，得出实际测量过程两种信号的时间差，并对测量信号的时间差进行一定的补偿，使测量信号可以实际意义上同步。

为了验证两种信号的时间差，本文拟采用多通路数字信号源产生的方波信号输入采集系统，逐级测量各个模块的延时，并与Multisim测量的结果进行对比。最后，对补偿后的电路进行分析，得到通过补偿后的电路的延时降低为0.001 ms，降低到99.95%。

注：本文通讯作者为韦海成。

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