【正文】 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文）心電放大器的設計畢業(yè)論文目 錄前 言 1第一章 心電放大器系統(tǒng)概述 2第一節(jié) 心電放大器系統(tǒng)簡介和基本原理 2一、心電放大器總體簡介 2二、心電放大器的基本參數(shù) 3三、心電放大器的組成部分 3第二節(jié) 心電圖監(jiān)測的歷史與未來趨勢 4一、心電監(jiān)測的歷史 4二、心電信號檢測技術的發(fā)展與展望 6第三節(jié) 本章小結 6第二章 心電放大器方案論證及電路 7第一節(jié) 前置放大電路的設計 7一 、備選方案 7二、最終方案 12第二節(jié) 共模信號抑制電路的設計 12一 、備選方案 12二 、最終方案 13第三節(jié) 心電放大器其他部分的設計 14一 、低通濾波電路及時間常數(shù)電路 15二 、工頻50Hz的陷波電路 15三 、主級放大輸出電路 17四、 高通濾波電路 18五、 電源設計 19第四節(jié) 本章小結 20第三章 心電放大器相關數(shù)據(jù)測試 21第一節(jié) 心電放大器主要參數(shù)測試 21一、前置放大電路 21二、二階濾波電路 21三、 雙T50HZ陷波電路 22四、后級主運放電路 22第二節(jié) 本章小結 22結 論 23致 謝 24參考文獻 25附 錄 …………………………………………………………………………………………27 一、英文原文…………………………………………………………………………………27 二、英文翻譯…………………………………………………………………………………35 三、工程設計圖紙……………………………………………………………………………43 45 前 言心臟是循環(huán)系統(tǒng)中重要的器官。由于心臟不斷地進行有節(jié)奏的收縮和舒張活動，血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動。心臟在機械性收縮之前，首先產生電激動。心肌激動所產生的微小電流可經過身體組織傳導到體表，使體表不同部位產生不同的電位。如果在體表放置兩個電極，分別用導線聯(lián)接到心電圖機(即精密的電流計)的兩端，它會按照心臟激動的時間順序，將體表兩點間的電位差記錄下來，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖（簡稱ECG）。 標準心電圖基本心電圖如上所示，包含如下幾個波段：P波―― 兩心房除極時間PR間期―― 心房開始除極至心室開始除極時間QRS波群―― 全心室除極的電位變化ST段――心室除極剛結束尚處以緩慢復極時間T波―― 快速心室復極時間ECG是檢查心臟情況的一個重要方法，其應用范圍包括以下幾個方面： (1)分析與鑒別各種心律失常。 (2)查明冠狀動脈循環(huán)障礙。 (3)指示左右房竄肥大的情況，協(xié)助判別心瓣膜病、高血壓病、肺源性及先天性心臟病的診斷。 (4)了解洋地黃中毒、電解質紊亂等情況。(5)心電監(jiān)護已廣泛應用于手術、麻醉、用藥觀察、航天、體育等的心電監(jiān)測以及危重病人的搶救。 臨床上，ECG是醫(yī)生診斷心臟疾病的主要依據(jù)之一。第一章 心電放大器系統(tǒng)概述第1節(jié) 心電放大器系統(tǒng)簡介和基本原理一、心電放大器總體簡介心電信號是一種十分微弱的信號，常見的心電頻率一般在0—100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，大約在10uV（胎兒）～5mV（成人）之間，所需放大倍數(shù)大約為5001000倍。心電電極阻抗較大，一般在幾十千歐以上。在檢測生物電信號的同時存在強大的干擾，主要有電極極化電壓引起基線漂移，電源工頻干擾(50Hz)，肌電干擾(幾百Hz以上)，臨床上還存在高頻電刀的干擾。電源工頻干擾主要是以共模形式存在，幅值可達幾伏甚至幾十伏，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比。電極極化電壓引起基線漂移是由于測量電極與生物體之間構成化學半電池而產生的直流電壓，最大可達300mV，因此心電放大器的前級增益不能過大，而且要有去極化電壓的RC常數(shù)電路。由于信號源內阻可達幾十KΩ、乃至幾百KΩ，所以，心電放大器的輸入阻抗必須在幾MΩ以上，而且 共模抑制比（CMRR）也要在60dB以上（目前的心電圖機共模抑制比一般均在89dB）。同時要在無源、有源低通濾波器中有效地濾除與心電信號無關的高頻信號，通過系統(tǒng)調試，最后得到放大、無噪聲干擾的心電信號。心電放大器在人體心電圖以及各種生物信號提取中有種要的作用。人體心電信號是微弱的生物電信號，需要較大的放大倍數(shù)和較高的共模抑制比，因此設計三運放放大電路使信號兩端盡量對稱，將抑制共模干擾。另外，本設計只討論和研究心電放大器的模塊，另外若采用交流供電，為防止出現(xiàn)電源電流泄露對病人造成傷害，還必須在心電放大器和信號采集設備間光電隔離保護電路。 大致的電路框圖如下：信號發(fā)生器（心臟）心電放大器心電圖顯示儀器信號處理（PC或單片機）信號采集設備 DC/DC電源 心電圖儀的結構圖二、心電放大器的基本參數(shù) 心電放大器的主要系統(tǒng)參數(shù)有，輸入阻抗，輸入噪聲，輸出阻抗。除去系統(tǒng)參數(shù)外，每個部分還有其不同的衡量性能的參數(shù)，為了不顯累贅將在第三章測試中一一詳細介紹。1　 輸入阻抗測量方法：接好電源，將輸出接地，用萬用表測量兩輸入端之間的阻抗，即輸入阻抗。測量結果：測得輸入阻抗大于200MΩ。2　 輸入噪聲測量方法：接好電路，將兩輸入端接，測量其輸出信號幅度的大小。測量結果：系統(tǒng)性能最好的時候，反算到輸入端，可得輸入噪聲為45uV。3　 輸出阻抗測量方法：接好電路，輸入小直流信號，分別測其直接輸出電壓和加1Ω 負載后的電壓輸出，通過分壓公式，可求得輸出阻抗。測量結果： 三、心電放大器的組成部分 本電路設計主要是由五部分構成。放大電路。其中前置放大器是硬件電路的關鍵所在，設計的好壞直接影響信號的質量，從而影響到儀器的特性； 共模抑制電路。在設計中使用了右腿驅動電路、屏蔽驅動電路，它們可以消除信號中的共模電壓，提高共模抑制比，使信號輸出的質量得到提高 低通濾波電路及時間常數(shù)電路。，能量主要集中在17Hz附近，幅度微小，大概為5mV，～30幾Hz，因此設計保留40Hz以下的信號。時間常數(shù)電路實現(xiàn)一階無源高通。工頻50Hz的陷波電路。本設計采用了雙T帶阻濾波電路，它能夠對某一頻段的信號進行濾除，用它能有效選擇而對電源工頻產生的50Hz的噪聲進行濾除。 第二章的內容也會大致根據(jù)這幾個部分劃分成不同小節(jié)。第二節(jié) 心電圖監(jiān)測的歷史與未來趨勢一、心電監(jiān)測的歷史心電圖(electrocardiogram，ECG)作為心血管疾病診斷中的一種重要的方法，能為心臟疾病的正確分析、診斷、治療和監(jiān)護提供客觀指標，在臨床上得到了廣泛應用。ECG是一種重要的心電信號檢測技術，它反映心臟興奮地產生、傳導和恢復過程ELECTR0NIC TEST中的生物電變化。危重患者易發(fā)生各種心律失常和不同程度心肌缺血，特別是惡性心律失常和無癥狀心肌缺血。如透析治療過程中，血液中各種成分在短期內發(fā)生很大變化，從而導致人體內環(huán)境發(fā)生很大變化，這些變化對心臟有著直接的刺激作用，造成心電發(fā)生改變。因此，檢測心電信號，及時的為醫(yī)生提供信息，準確地反映心臟方面的變化，可有效地提高血液凈化治療中的安全性。1887年，法國著名的電生理學家AD Waller應用Lippman毛細管靜電計描記出人類史上第一份心電圖，開創(chuàng)了心電圖記錄的先河。1901年，荷蘭生物學家萊頓大學教授Willem Emoven首次描記出比較滿意的PQRST波群，于1903年發(fā)明了世界上第一臺采用弦線電流計和光學記錄的方法制成的心電圖機，記錄出每個心動周期的心臟變化曲線，1912年Waller將心電變化曲線命名為“心電圖(Electrocardiogram，ECG)。弦線型心電流計，其結構是把極細的鉑絲或鍍金的石英纖維支撐在強磁場的空氣隙中，當心電電流通過弦時，引起弦在磁場垂直方向上的移動，再用光學投射系統(tǒng)放大，投射在移動的膠卷或紙上，從而真實的記錄了心電圖，這種方法確定了心電圖測量的標準導聯(lián)。1905年心電圖正式應用到臨床，從而奠定了臨床心電圖學的基礎。至今，心電圖已經歷了100多年的發(fā)展，為臨床心臟疾病的，特別是心律失常的診斷做出了巨大貢獻。心電圖記錄技術的發(fā)展經歷了模擬心電圖、數(shù)字心電圖和自動心電圖三個階段。單導模擬心電圖儀以單導聯(lián)記錄為標志，由前置放大器放大由記錄電極獲取的某一導聯(lián)的心電圖信號，再通過熱筆記錄系統(tǒng)將波形描記在記錄紙上。該方法屬于人工操作，導聯(lián)的切換、量程的切換以及走紙速度的切換均由人工操作實現(xiàn)，在一段時間內只能記錄一個導聯(lián)的心電圖波形，各導聯(lián)的波形不能同時獲取。該方法屬于心電圖的經典記錄方法，至今仍在臨床廣泛應用。數(shù)字心電圖階段以基于微處理器的多導聯(lián)心電圖波形同步數(shù)據(jù)采集為標志，目前有三導聯(lián)同步記錄和12導聯(lián)同步記錄兩種。其特征是導聯(lián)的切換、量程的切換以及走紙速度的切換實現(xiàn)了數(shù)字控制，波形的記錄在前置放大之后采用了數(shù)字化技術將模擬心電波形變換為數(shù)字波形，實現(xiàn)了心電波形的數(shù)字記錄、數(shù)字存儲為心電信號的自動分析奠定了基礎。自動心電圖階段以心電信號的自動處理、自動分析和自動診斷為標志，該階段是迄今為止心電圖技術的最高階段。自動心電圖在模擬心電圖、數(shù)字心電圖技術的基礎上，在獲取了心電圖數(shù)字信號的前提下，采用各種算法對信號進行預處理、特征波形(P波、QRS波、T波和ST段)識別、特征參數(shù)檢測并實現(xiàn)心電圖自動分析與自動診斷，其核心技術在于算法。目前，算法有多種，具有代表性的算法有：數(shù)字濾波算法、小波算法、神經網絡算法、模糊控制算法、形態(tài)學算法等，早期的自動診斷算法采用某一種算法，現(xiàn)代自動診斷算法將多種算法加以融合取長補短，以實現(xiàn)高準確率的自動診斷。目前，心電圖的自動診斷技術仍處于發(fā)展階段，由于ECG信號的變異性較大，實現(xiàn)高準確率的自動診斷以取代人工診斷仍然是人們最求的目標，當今自動診斷的最高水平大致在準確率70％左右。在心電圖技術不斷發(fā)展的同時，針對心電圖不能長時間連續(xù)看記錄的缺陷，1957年，美國物理學家Holter首創(chuàng)了一種用磁帶記錄器對正?；顒訝顟B(tài)下的病人做長時間連續(xù)心電圖記錄的方法，開辟了時間全信息和環(huán)境全信息心電記錄和診斷的新領域，從而在某種程度上彌補了常規(guī)心電圖的不足之處。這種長時間連續(xù)記錄的心電圖稱為動態(tài)心電圖(Ambulator，Electrocardiogram，AEGC)，它提供的長時間動態(tài)心電圖記錄對心率失常的檢出、早期心血管病診斷、抗心律失常治療的評價以及心律失常和生理關系的研究具有重要意義，它是常規(guī)心電圖的重要補充與發(fā)展。早期的Holter系統(tǒng)中，馬達變速、定期保養(yǎng)和更換是磁帶記錄的一大難題，1985年后出現(xiàn)了固態(tài)Holter系統(tǒng)，它把心電信號轉換成數(shù)字信號后存儲在芯片上，避免了馬達引起的一些問題。目前各大、中型醫(yī)院已經采用了以RAM作緩沖、磁光記錄的Holter系統(tǒng)。90年代以來，國外多導同步心電檢測技術日趨成熟，這是心電檢測系統(tǒng)的重大發(fā)展和進步。進入21世紀，心電產品正向著數(shù)據(jù)檢測多樣化，數(shù)據(jù)處理中心化以及設備小型化等方面發(fā)展。心電圖自動診斷還未廣泛普及應用于臨床，從國內外目前的發(fā)展水平來看，ECG自動分析準確率還遠達不到可以完全替代醫(yī)生的水平，僅可以為臨床醫(yī)生提供輔助信息。其主要原因是心電波形的變異性大，算法存在缺陷等。因此，探索新的算法以提高波形識別的準確率，是提高心電圖自動診斷準確率，擴大其應用范圍的根本途徑。這也是相當長的時間內ECG檢測與診斷技術的發(fā)展方向。二、心電信號檢測技術的發(fā)展與展望①儀器小巧化，采集同步化：隨著集成電路技術的發(fā)展，心電檢測儀器趨于小型化和便攜化，便攜式心電監(jiān)護儀，Hoter系統(tǒng)和心臟BP機等都代表了此發(fā)展趨勢。②分析自動化：ECG自動診斷技術應用范圍并不十分廣泛，主要是目前還缺乏一套完全令人滿意的算法。因此在ECG自動分析領域還需要作大量的研究工作。③信息綜合化，網絡化：建立心電工作站和完善的心電檢測數(shù)據(jù)庫，完善心電分析內容，結合臨床提供的其他信息資料進行綜合化信息分析判斷。心電檢測設備與互聯(lián)網相連以實現(xiàn)心電信號的現(xiàn)場采集，即時傳輸和遠程診斷將是未來發(fā)展的一個重要方向。④標準統(tǒng)一化：建立國際上統(tǒng)一的心電信息資料傳輸標準，使得不同類型得心電檢測設備采集的心電圖信息能夠相互傳輸和交流。第三節(jié) 本章小結本章節(jié)主要介紹了心電放大儀器的設計思路，并著重介紹了本論文討論的心電放大器部分的內容，基本上都是理論的簡單了解。不過從總體上來說，本論文研究的問題也更偏重于實際運用，所以本章顯得略微簡潔明了，只求為后續(xù)章節(jié)提供理論的依據(jù)。第二章 心電放大器方案論證及電路 第一節(jié) 前置放大電路的設計一 、備選方案前置放大器是硬件電路的關鍵所在，設計的好壞直接影響信號的質量，從而影響到儀器的特性。除了要求精度高穩(wěn)定之外，根據(jù)心電信號的特點，前置級應該滿足下述要求：（1） 高輸入阻抗。被提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內阻的微弱信號，為了減少信號源內阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號源的內阻為100kΩ，則放大器的輸入阻抗應大于1MΩ。（2） 高共模抑制比（CMRR）。人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的信號以外的生理信號的干擾，一般為共模干擾，前置級須采用CMRR高的差動放大形式，以減少共模干擾的傳遞。（3） 低噪聲、低漂移。主要作用是對源信號的影響小，拾取信號的能力強，能夠防止輸出飽和、使輸出穩(wěn)定。三運放差分電路如圖所示的同相并聯(lián)三運放結構，這種結構可以較好地滿足上面三條要求。放大器的第I級主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第II級采用差動電路用以提高共模抑制比 三運放差分放大電路電路中輸入級由AA4兩個同相輸入運放電路并聯(lián)，再與A5差分輸入串聯(lián)的三運放差分放大電路構成，其中AA2是增加電路的輸入阻抗。電路優(yōu)點：差模信號按差模增益放大，遠高于共模成分（噪聲）；決定增益的電阻（RRp、R3）理論上對共模抑制比沒有影響，因此電阻的誤差不重要。電路對共模輸入信號沒有放大作用，共