【正文】 終使整個心臟全部興奮。心臟興奮沿傳導系統(tǒng)的傳導過程需有一定的時間，竇房結與房室結之間動作電位傳遞的時間約為40ms，房室交界處的延遲時間為11ms，希氏束很短，希氏束及其束支傳導速度很快從興奮進入希氏束只需30ms就可到達最遠的浦氏纖維，心室肌外層的1/3～1/2由普通心室肌傳導，右心室約需10ms左心室約需30ms ,因此自竇房結到心室外表面的總傳導時間約為220ms。 各心電波形的含義P波，代表心房肌的電激動過程。心臟的激動起源于竇房結，最先傳到心房，使之激動。所以 P 波是心電圖中最先出現(xiàn)的波動。正常的 P 波有不同的形態(tài)，波幅從 0mv～，時程0ms～100ms。在不同導聯(lián)上可呈直立、低平、切跡、正負雙向、負正雙向或倒置等。根據(jù) P 波的形狀、P 波的幅度、P 波持續(xù)時間以及 P～R 間期的比值等，可用于判斷心房擴大，心肌梗塞等癥。QRS復合波，典型的QRS復合波包括三個緊密相連出現(xiàn)的波形，第一個向下的負波名為Q波，其后緊接著出現(xiàn)一個快速向上的正波叫R波，R波后又是一個向下的負波名為S波。這三個波都反映心室的激動過程，所以合稱為QRS復合波或QRS波群。QRS波時間在60ms～100ms。QRS波的形態(tài)、振幅、時間所包含的心臟信息極為豐富，迄今仍有大量的有用信息尚未被認識，有待進一步探討。T波，代表心室肌激動后恢復過程產(chǎn)生的電位變化。T波在 ST段之后發(fā)生，波形比較低而且所占的時間較長，在50ms～250ms。T波異常通常有倒置、增高、過低、增寬等癥狀可用于診斷心肌梗塞、心包炎等癥。 心電導聯(lián)將兩個電極安放在人體表面的任何兩點，分別同心電圖機的正負極端相連，可用來描記這兩點電位差的變化，這種放置電極的方法及其與心電圖機的連接方式稱為導聯(lián)（lead）。根據(jù)電極放置部位的不同，可組成各種導聯(lián)，各種導聯(lián)的心電圖波形各有特點。在實用上為了統(tǒng)一標準以便進行對比分析，一般均采用國際上通用的導聯(lián)，即I，II，III標準導聯(lián)、加壓單極肢體導聯(lián)( avR、avL、avF )及單極胸導聯(lián)（v1～v6）。 便攜式心電儀導聯(lián)由于該系統(tǒng)是基于單片機的便攜式設計不可能采用常規(guī)的12導聯(lián)系統(tǒng)，那樣既笨重又繁瑣，所以便攜式心電儀應該有自己的特點，但又同時能實現(xiàn)自己的測量精度。為了充分體現(xiàn)便攜式，所以選擇采用很簡單的方式，其中右腿驅動電路主要用來消除人體的共模干擾信號，由于采用直流電池供電所以，系統(tǒng)本身就沒有50Hz工頻干擾。由RA、LA接入電路提取心電信號，并附以右腿驅動部分。主要接法參考前置放大部分 心電圖機電極由于人體的活組織是一個含有多種金屬元素的電介質，生物電測量電極提取生物電位變化時，要經(jīng)過復雜的非線性過程。在實踐中，通常將電極測量生物電位變化時，看成是在電極—電介質界面上發(fā)生了從離子導電向電子導電的能量轉換過程，有助于對電極的電參數(shù)的認識，可指導怎樣設計與正確使用電極。電極作為心電圖記錄和監(jiān)測中的傳感器，一般使用Ag/Agcl心電電極。電極對動態(tài)心電圖采集記錄心電信號的質量至關重要，采用電極應貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導電性能好、極化電壓低的優(yōu)質電極，同時需要注意對皮膚的刺激性大小，透氣性能能因素。心電電極的性能一般可分為電性能和粘貼性能，當心電電極在短時間內(nèi)使用時，我們可以只考慮電極的電性能。但當電極長時間(通常指24h以上)使用時，我們不僅要求電極要有良好的電性能，還要具有良好的粘貼性能，以達到記錄出高質量心電圖的目的。3 心電信號的檢測電路設計 心電信號的噪聲來源人體心電信號是一種弱電信號，信噪比低。 Hz～100Hz，而90%～36Hz以內(nèi)。采集心電信號時會受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有以下幾種：電極接觸噪聲電極接觸噪聲是瞬時的，來源于電極與皮膚的不良接觸，即病人與檢測系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時的，如病人的運動或震動導致松動，也可能是固定的，檢測系統(tǒng)不斷的開關，放大器輸入端連接不好等。電極接觸噪聲可抽象為快速﹑隨機變化的階躍信號，它按指數(shù)形式衰減到基線值（對于工頻供電還有工頻成分）。這種瞬態(tài)過度過程可發(fā)生一次或多次，其持續(xù)時間一般為1秒左右，幅值可達記錄儀的最大值。人為運動人為運動是瞬時的基線改變，由電極移動中電極與皮膚阻抗改變所引起，造成的基線干擾形狀可認為類似周期正弦信號，其峰值幅度和持續(xù)時間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。肌電干擾(EMG)肌電干擾來自于人體的肌肉顫動，肌肉運動產(chǎn)生毫伏級電勢。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30Hz～300Hz范圍內(nèi)。基線漂移和呼吸時ECG幅值的變化基線漂移和呼吸時ECG幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動等低頻干擾所引起，頻率小于5Hz。其變化可視為一個加在心電信號上的與呼吸頻率同頻率的正弦分量，～%。 心電信號放大器設計要求由于人體的心電信號有微弱、低頻、易受干擾、不穩(wěn)定、隨機等特點，因此對動態(tài)心電圖的心電放大器的設計有很苛刻的要求。增益由于心電信號非常微弱，～5mv，而心電放大器增益的常規(guī)設計要求心電在正常輸入時，即輸入為lmv時，輸出電平達到1v左右(A/D轉換器的最大輸入電壓為33v)，所以心電放大器的放大倍數(shù)很高,為1000倍左右頻率響應～100Hz， Hz～40Hz所以，要求心電放大器在此頻率范圍內(nèi)必須不失真地放大所檢測的各種心電信號，為了減少不需要的帶外噪聲，心電信號用高通和低通濾波器來壓縮通頻帶，經(jīng)過這樣的心電放大器心電信號才具有可靠的診斷價值。高輸入阻抗心電放大器輸入阻抗的設計取決于人體的阻抗特性、所使用的電極類型以及與人體的接觸界面。心電放大器通過電極連接到人體身上。由于心電信號源阻抗具有高阻抗的特性，而心電信號是微弱的，若心電放大器的輸入阻抗不高，那么經(jīng)過分壓后，心電放大器輸入端的信號就非常微弱了。心電信號損失嚴重，而且信號源過負荷使心電信號產(chǎn)生畸變。信號源阻抗不僅因人而異，因生理狀態(tài)而異，而且在測量時，與電極的安放位置電極本身的物理狀態(tài)都有密切的關系。源阻抗的不穩(wěn)定，將使放大器電壓增益不穩(wěn)定從而造成難以修正的測量誤差。所以只有較高的輸入阻抗，才能確保增益的穩(wěn)定性。高共模抑制比。電極與皮膚接觸引起的極化電動勢可作為直流共模干擾輸入到心電放大器，其值可能達到數(shù)百毫伏的程度，遠比心電信號大得多。而且心電信號的探測要受到現(xiàn)場很多電氣設備運行時的干擾，尤其是市電的共模干擾，還有其他共模干擾常把微弱的心電信號淹沒。共模抑制比(CMRR)是衡量心電放大器對共模干擾抑制能力的一個重要指標，也是克服溫度漂移的重要因素。為了防止心電信號的輸出被淹沒在50Hz、電極極化電壓或其他共模干擾電壓之下，一般要求CMMR應達到80dB以上。低噪聲、低漂移在心電放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個較重要的參數(shù)。心電放大器運行過程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這都屬于白噪聲，其幅值成正態(tài)分布。為了獲得一定信噪比的輸出信號，對放大器的低噪聲性能有嚴格的要求。漂移現(xiàn)象限制了放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號無法被放大。而心電信號具有很低的頻率成分，為了能正常的測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。所以放大器應選用低漂移、高輸入阻抗并具有高共模抑制比的集成運放電路。總的來說，動態(tài)心電圖的心電放大器的設計有如下要求:增益為800~l000左右?！?5Hz?！?0MΩ。共模抑制比大于80dB。低噪聲、低漂移。 前置放大電路設計生理電信號前置放大器是生理電測量儀器的重要組成部分，其作用是將微弱信號高保真放大，以便進一步處理、記錄或顯示。一般設計中均采用對地對稱的雙電極差動放大器，被測的生理電信號采用差動輸出方式，成為差模信號。而干擾信號，尤其是落在心電信號頻譜干擾范圍內(nèi)的對差動放大器來說，主要是一種大小相等，極性相同的共模信號。因此在生理電信號記錄過程中，要求前置放大器有較強的抑制共模干擾能力。本文對于前置放大電路的設計采用TI公司的INA321作為前置放大級設計，其具體的電路連接圖如下所示。 前置放大電路由于INA321該芯片作為前置放大級，其本身能有5倍的放大能力，又由于其高通濾波部分其放大倍數(shù)為A1=1+=101。所以經(jīng)過這兩級后共放大倍數(shù)為505倍. 低通濾波器ECG的頻譜范圍約在200Hz以下，實際上高頻信號的頻率沒有很高。大部分心電波形是比較低頻率波段的組成，采用如圖所示的壓控電壓源二階有源巴特沃斯低通濾波電路進行對高頻信號的濾除。二階巴特沃斯低通濾波器的衰減率為每倍頻12分貝。運算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源。其優(yōu)點是：電路性能穩(wěn)定，增益容易調節(jié)。其轉移函數(shù)為：其中A為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，Q為品質因數(shù)，Wc為濾波器的截止角頻率： 這里我們選定其截止頻率在30Hz。為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響，應使： ，其傳遞函數(shù)為： 低通濾波器 A2=1+（R1?R2）。，R1約為1k。帶入數(shù)據(jù)計算得A2=1+=，信號到此放大倍數(shù)為505= 后級放大電路由前端的計算可知次級只需放大倍數(shù)為2倍左右就能使總放大倍數(shù)達到1000倍以上 后級放大電路A3=R2/R1=：A== 電平提升電路經(jīng)過模擬電路放大濾波后的心電信號是交流信號,而本設計中所用MSP430FG439型號單片機的轉換范圍是正電壓信號，所以有必要將模擬信號提升到0v以上。根據(jù)對該單片機的參考電壓的設置情況，在后級設置一定的可調放大倍數(shù)，并使用微型電位器，以便根據(jù)實際需要進行調整。 電平提升電路 右腿驅動電路人體接地是造成觸電事故的一個重要原因，因此取消人體接地是最根本的安全用電措施。人體接地本來就是在沒有高質量的放大器情況下采取的減少共模信號的應急措施。測量心電圖時，如果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會產(chǎn)生很高的共模電壓。假設病人左肩離電源最近，可將分布電容看作集中在電源正極和左肩之間。再設右腿離地最近，將分布電容看作集中在地和右腿之間，假設它們相等，均等于1v。通過分析可知，右腿不接地時，等效共模電壓可以110v。如果右腿接地。因此，最理想的方法是設計出一種既能減少共模干擾又能取消人體接地的電路。圖中放大器對病人感受到的電源干擾采樣，并把該信號通過右腿放大器反饋給病人，以便抵消這種干擾。該系統(tǒng)可使病人有效地與地隔離，具有很小的泄漏電流，記錄的心電圖也相當清晰。 右腿驅動電路 電源電路本設計采用大容量鋰離子電池，1500mAh，體積略大于普通5號電池?？紤]到運放需要正負5v供電，所以需要3路不同的電壓變換，另外，模擬電路部分耗電器件僅僅是幾個運放，工作中的負載電流僅十幾個毫安。，存儲器等低功耗器件外，由于條件所限，所配備的液晶顯示屏功耗很可觀，開背光條件下負載電流近百毫安，不開背光也在60毫安左右，這就要求供電芯片有較高的輸出電流。+5v變換采用步升微功耗DCDC升壓器MAX756. 它所需外圍元件少、體積小、功耗低、調試方便，典型轉換效率為87%。其2腳為輸出電壓選擇端。接Vin時輸出+ +5v。在外圍元件選擇上，電感應采用廠家推薦的22uH，并使電感線圈的直流電阻值盡量小。續(xù)流二極管應選用反向恢復時問短、正向壓降小、正向電流大于負載電流的肖特基二極管。濾波電容選用ESR值(有效串聯(lián)電阻)低的鉭電容，容量視負載情況及對波紋電壓的要求而定，一般可選用比廠家的推薦值略大。實際設計圖如下:圖 MAX756及其連接5v變換采用電壓變換器MAX860。它可以根據(jù)需要調整外圍電路，分別作為電壓反轉電路、倍壓電路和組合電路。電壓反轉器是它最廣泛的應用，要求其輸入電壓范圍 ～，LV腳接GND，(見圖)。另外，采用低ESR鋁電解電容器或采用低ESR鉭電解電容器對降低輸出電阻和抑止紋波電壓有較好效果。 MAX860及其連接MAX640有兩種可調輸出方式，其輸出電流可達500mA，滿足液晶屏的功率要求。其具有完善的欠壓，過載，過熱，輸出短路等保護功能。當輸入電壓小于輸出電壓6mv（最大為20mv）時，其內(nèi)部輸出場效應管將被關閉，因而可以防止電流倒灌，這個特性使該器件非常適合于電池供電系統(tǒng)的使用。 MAX604及其連接4 心電信號處理及接口電路設計 中央處理單元（MCU）本設計采用基于MSP430FG439型號的單片機其特點和優(yōu)勢如下：功耗低 MSP430有活動模式AM和5種低功耗模式LPM0～LPM4，在3V工作電壓下，其運行模式電流消耗典型值為340uA，處于LPM3低功耗模式下，電流消耗典型值僅為2uA，是業(yè)界功耗最低的之一，非常適合應用于便攜式設備、無人監(jiān)守設備等場合。它的低功耗實現(xiàn)是依靠兩個不同的時鐘系統(tǒng)，基本時鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)的打開和關閉實現(xiàn)的。技術先進開發(fā)成本低廉器件片內(nèi)有JTAG調試接口和FLASH存儲器，可以通過JTAG控制器實現(xiàn)程序代碼的下載，實現(xiàn)運行控制和對現(xiàn)場進行觀察與修改。只需要一臺PC和一個稱為FET( Flash Emulator Tool)的JTAG控制器即可實現(xiàn)，F(xiàn)ET的JTAG接口與芯片連接只有幾個引腳，就可以在線編程。FET可以采用TI公司的FET430P140等，也可以自己制作，費用很低廉。這種集FLASH技術、JTAG調試、集成開發(fā)環(huán)境結合的開發(fā)方式在單片機中較為少見。高性能的模擬技術和片上外圍模塊器件配置中包括ISP閃存、RAM等，集成外設中包括ADC、DAC、LCD驅動器，硬件乘法器、DMA、IZC等靈活配置。本設計選用的MSP430FG439具有60KB Flash，2KB SRAM，8路外部信號12 bit ADC，硬件乘法器，與低功耗特性集成，適合作為本設計的處理器。12位的A/D轉換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動掃描特性。液晶驅動能力達128段。 A/D轉換模塊MSP430FG439中共集成了12路12位