1. 心电信号与采集系统总览

心电图（ECG）记录的是心脏电活动在体表产生的电位差随时间的变化。理解采集系统之前，先要建立“电生理事件—体表电位—工程信号”这条映射链：窦房结发放冲动，经心房肌、房室结、希氏束、左右束支、浦肯野纤维传导，引起心肌细胞去极化和复极化；这些跨膜离子流在体表形成毫伏级电位差，被电极拾取后送入前端电路，最终变成可显示、可分析的数字波形。工程上处理的从来不是“抽象的心跳”，而是这条链路上每一环都可能引入失真、噪声与误差的物理量。

心电生理基础与典型波形

心肌细胞静息时膜内约为 −90 mV，钠、钾、钙等离子在膜两侧分布不均。当兴奋到达，快钠通道开放，膜电位迅速上升形成去极化；随后钾外流、钙内流参与复极，恢复静息。单个细胞动作电位约数百毫秒，但整个心脏的同步电活动在体表叠加后，形成P、QRS、T等特征波群。

标准12导联体系中，各波段的临床意义如下：P波反映心房去极化，正常时限≤120 ms、振幅≤0.25 mV；PR间期代表房室传导时间，正常120～200 ms；QRS波群反映心室去极化，时限通常80～120 ms；ST段反映心室复极早期，抬高或压低提示缺血或损伤；T波反映心室复极，方向多与QRS主波一致。需要强调，这些数值是诊断参考，采集系统若带宽不足、共模抑制不够或电极接触不良，会把正常波形“改”成异常形态，因此工程指标直接决定临床判读的可信度。

采集处理工程链路

一条典型ECG采集链路可拆为：电极与导联网络 → 模拟前端（仪表放大器、右腿驱动、高通/低通滤波）→ 抗混叠滤波 → ADC采样 → 数字信号处理（工频陷波、基线漂移抑制、QRS检测、特征提取）→ 显示/存储/传输。每个环节都有明确的工程约束：前端决定共模抑制比与输入阻抗，抗混叠滤波器决定可保留的最高频率，ADC决定量化噪声与动态范围，数字处理决定实时性与算法鲁棒性。

以教学示例参数说明：若目标带宽为0.05～150 Hz，按奈奎斯特准则采样率至少300 Hz；工程上常取500 Hz或1000 Hz，为抗混叠滤波器和QRS检测留余量。假设ADC为24位、满量程±5 mV，则理论量化步长约0.6 nV，但实际有效分辨率受前端噪声限制，通常等效输入噪声在数微伏量级。若工频干扰为50 Hz、幅度1 mV，而QRS典型幅度约1 mV，则不加陷波时信噪比会严重恶化，这正是右腿驱动和数字陷波必须协同的原因。

课程任务与工具链

本课程围绕“能采、能滤、能算、能验”四条主线展开。采集侧关注电极配置、前端增益、右腿驱动与共模抑制；滤波侧关注0.05 Hz高通去基线漂移、150 Hz低通抗混叠、50 Hz陷波去工频；算法侧关注QRS检测、心率变异性分析与特征提取；验证侧关注信噪比、波形形态保真度与实时性。工具链上，建议使用Python + NumPy/SciPy进行算法原型验证，用MATLAB/Simulink做前端建模，用示波器与信号发生器完成模拟通道测试，用公开数据库（如MIT-BIH）做算法回归。