【文章內(nèi)容簡介】 疾病所帶來的死亡率 。 因此， 心電監(jiān)護產(chǎn)品準確并且實時 的采集心血管疾病患者的心電信息 ，醫(yī)生能夠在第一時間對 患者的 病因做出最準確的判斷 [5] 。 現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，心電圖機具有操作簡單、出圖快、無創(chuàng)傷等特點，是心血管類疾病重要的發(fā)現(xiàn)手段之一。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 4 第 2章 研究基礎 心臟 通過 節(jié)律性的舒張和收縮 從而實現(xiàn) 向全身輸送血液 。 心肌細胞 是 幫助心臟完成這一功能的基礎 。心肌細胞 可以分 為普通心肌細胞和特殊心肌細胞。普通工作心肌細胞是 最終執(zhí)行者，它使得能夠 心臟實現(xiàn)舒張和收縮 。其內(nèi)部排列有序的肌原纖維使得普通工作心肌細胞 在興奮和傳導之外還具有較強的收縮 性。特殊心肌細胞 能夠控制心臟的節(jié)律，即心臟收縮和舒張。它能夠 在沒有外部 環(huán)境 刺激的情況下自動產(chǎn)生節(jié)律性興奮活動。 竇房結產(chǎn)生 心臟的脈動 ， 由此 依次經(jīng)過右心房、左心房、左心室和右心室，通過興奮普通工作心肌細胞，最終導致心房和心室先后次序的節(jié)律性興奮，即心臟的節(jié)律性舒張和收縮 [2] 。 體表心電信號產(chǎn)生的基礎是細胞膜外出現(xiàn)負電位，細胞膜外負電位是特殊心肌細胞和普通工作心肌細胞在興奮過程中產(chǎn)生的，心肌細胞 在 電活動 過程中 產(chǎn)生的細胞膜外負電位 ，其在人體體表的反映就是人體心電圖 。 極化狀態(tài) 是 心肌細胞 細胞膜內(nèi) 帶有負電荷， 細胞膜 外帶有同等數(shù)量的正電荷 。 心肌細胞 在 極化狀態(tài) 下 細胞膜 內(nèi)外電位差稱為靜息電位，其值 在靜息狀態(tài)下 保持相對的恒定。 心肌細胞一端的細胞膜 內(nèi)外 鉀、鈉、氯、鈣等離子的通透性 因為受到一定程度的刺激時使得 發(fā)生改變， 從而引起 細胞膜內(nèi)外的陰陽離子流動，這個過程稱為心肌細胞除極化和復極化。處于極化和復極化的心肌細胞除與處于靜止狀態(tài)的鄰近細胞膜構成一對電偶，置于體表心電檢測設備能夠將極化 —復極化變化過程測出來。 心肌細胞除極化 —復極化使得心臟內(nèi)部 產(chǎn)生周期性的電脈沖 。 由此產(chǎn)生的 電刺激脈沖 使 心 肌細胞興奮并使之有 規(guī)律 地收縮和舒張，從而實現(xiàn) 心臟向外輸血的功能 ，維持 血液循環(huán)，保證人體 正常運轉 [6]。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 5 圖 21興奮與心電信號的對應關系 心臟節(jié)律性的活動所產(chǎn)生的電信號在人體體表綜合表現(xiàn)即為 心電圖。心臟活動時，引起 心肌細胞除極 和復極，使得電信號向各方面?zhèn)鲗?，電信號到達體表時形成的電位差即為心電信號 ，如圖 22 所示 [7] 。 圖 22 心電圖波形 心電波由 QRS 波群 組成： P 波 主要是 由左、右 心房的除極 所引起的 ， 他的 波寬? ，幅值 ? 。超過 數(shù)值范圍 為 P 波過寬或過高，屬于異?，F(xiàn)象。心房除極開始至心室除極 這段過程主要形成 PR 波 ，即從 P 波開始處到 QRS 波群的開始處，成人一般在 ~ 之間。 QRS 波群其最大振幅不超過 5mV ，寬度 ? 。 QRS石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 6 波群終點到 T 波 開始的一段 是 ST 波 。在正常心電中， 這段波形 可能較等電位線稍高或略低，不應超過 。心室復肌波 即為 T 波 ，它 的波形特點是寬 。 T 波不應低于 R 波的 1/10[8] 。 心電信 號 的頻率 范圍 在 ~ 250Hz , 其頻率主要 集中在 14~75Hz 。并且 心電信號是低頻弱信號， 100Hz 以上的信號在 整個頻譜分布占有的 比例很小。此外由于環(huán)境和檢測設備的影響， 不可避免地伴隨有噪聲。 人體 可以 產(chǎn)生 眾多的 生物電信號， 臨床醫(yī)療中 最常使用的 生物信號有：心電、 腦電、和視網(wǎng)膜電等 生物電信號 。人體 生物 信號主要有如下的特征 [9] 。 (1)信號的頻率低： 其主要為低頻段頻率，并且集中在 100Hz以下 。 (2)信號微弱：心電 QRS 波 幅度最大 ， 其 波幅度在 1~5mV 左右。 (3)電極電位影響： 生物信號 檢測設備檢測 是 通過 電極 來測量 生物電信號。 電極電位 產(chǎn)生的原因在于 電極與 人體體表 的組織表面相接觸 ，這樣使得 電極和 體表 之間出現(xiàn)半電池電動勢 。電極材料、 電極安放、電極面積、電流密度等 都會影響電極電位的大小。 (4)強噪聲影響： 心電檢測設備在工作時不可避免的會受到其他干擾信號的影響 。常見的干擾源有 很多，比如在日常工作中的 工頻 干擾、 人體呼吸干擾以及人體肌肉收縮引起的干擾 。 正是這些干擾信號的存在，使得檢測設備必須對上述干擾信號做出處理， 所以心電信號檢測對去除噪聲有很高的要求 。 (1) 工頻干擾： 主要 是 50Hz 及其諧波構成 ，其成因在于用電設備形成的工程電磁場影響 。 (2) 基線漂移 :人體呼吸，人體的運動是引起 基線漂移 的主要原因 。 (3) 肌電干擾：人體運動 和 肌肉收縮而引起的 干擾信號 ，頻率在 5~ 2021Hz 之間[10] 。 用電極將生物體電信號傳輸?shù)缴镫娦盘枡z測設備的方式即為 導聯(lián)。在長期應用臨床診斷過程中，由 Wilson氏創(chuàng)設的標準被大多數(shù)心電圖工作者所采納。 12 導聯(lián)系統(tǒng)也稱為國 際通用導聯(lián)體系。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 7 肢體導聯(lián) 主要 雙極肢體導聯(lián) Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 和 加壓肢體導聯(lián) aVI、 aVL、 aVF 兩種導連方式 。其電極主要安放于三個部位：右臂，左臂，左腿， 由這三個電極組成 所謂Einthoven三角 [1,12] ，如圖 23。 圖 23 Einthoven三角 左手和右手上的心電信號電位差是通過 第 Ⅰ 導聯(lián)檢測的 。 右手和左腳之間的電位差 是通過第 Ⅱ 導聯(lián)檢測的 ，左手和左腳之間的心電 信號 電位差 是通過第 Ⅲ 導聯(lián)檢測的 。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 8 第 3章 心電信號檢測電路硬件設計 心電信號檢測電路的 設計要求 人體心電信號十分微弱，心電信號的頻率范圍為 ~ 250Hz ，幅度約為10uV ~ 5mV，此外心電信號中通常還混雜其他生物電信號，以及 50Hz 工頻干擾引起的共模信號。因此系統(tǒng)設計的關鍵在于信號的放大和信號的處理。 心電信號的微弱 、 干擾大 、 低頻等特性，所以檢測電路的設計有如下要求： (1) 前置放大電路 的輸入阻抗應當很高 ， 并且對 共模 信號具有很強的 抑制 作用 ，此外還要具備 低溫漂 的特點 。 (2) 有源濾波器電路的合理設計能夠進行 ~100Hz 的帶通濾波，此外還能夠抑制 50Hz 的工頻干擾。 (3) 心電信號的整形。 心電信號檢測電路總體框架 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 9 圖 31 心電檢測電路總體框圖 電路設計 由 心電信號的特 點 ， 前置放大電路的輸入阻抗應當很高，并且對共模信號具有很強的抑制作用，此外還要具備低溫漂的特點 。本文選擇 AD 公司的 AD620A 作為心電信號檢測電路的前置放大器 [13] 。其引腳分部如圖 32 所示。具體規(guī)格如下 [14] ： (1)供電電壓 5V? ，最大允許輸出電壓范圍 ? 。 (2) 最大輸入失調(diào)電壓為 50uV ，最大非線性度 40ppm ，最大供電電流為 。 (3) AD620A 的增益范圍 1~1000 之間，可以用一個外部電阻來控制其增益。 其方程式為：G = 1R ?，通過調(diào)節(jié) GR 來調(diào)節(jié)增益。 心電信號 前置放大電路 帶通濾波 50HZ 陷波 后置放大電路 示波器 整形電路 89C51 單片機 LCD 顯示心率 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 10 圖 32 AD620引腳 AD 公司的 OP07 在心電信號處理方面具有很大的特色，它是一款 低噪聲的單運算放大器集成電路。 本文中采用 OP07 運算放大器作為右腿驅動電路、帶通濾波電路、以及整形電路中的運 算放大器 。 OP07 具有開環(huán)增益高和輸入偏置電流低的特點 [15] 。OP07 這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使其特別適用微弱心電信號的處理。其引腳分部如圖 33 所示。 圖 33 OP07引腳 心電檢測設備中的 前置放大器 主要作用是將微弱的生理信號加以放大 ， 以便后面的調(diào)理電路對生理信號進一步加工和處理，同時 它 也 是測量儀器的重要組成部分。 本文在設計心電檢測設備時選擇的是 雙電極差動放大器。 差動放大器的優(yōu)點是當輸入信號為差動方式時，其對輸入信號沒有 抑制作用，當輸入信號為共模信號時，其具有很強的抑制作用。對于心電干擾信號來說，其為 大小相等，極性相同的共模信號。 醫(yī)療器械中最常用的前置放大器件就是 三運放儀用放大器。 三運放儀用放大器的優(yōu)點是高輸入阻抗，并且還具備高共模抑制比。具備上述特點的三運放儀用放大器可以 有效地抑制工頻干擾等共模噪聲。 共模抑制比為前置放大電路最重要參數(shù)。共模抑制比的大小主要取決于電路設計是否具有對稱性， 本 文所設計前置放大級為 典型的差分放大電路，可以有效地提高共模抑制比 的大小 。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 11 AD620A 采用經(jīng)典的三運放改進設計， 是一款 高 輸入阻抗，高 共模抑制比的放大器 。內(nèi)部增益電阻已調(diào)至絕對值 ，通過調(diào)整一個電阻便可實現(xiàn)對增益的控制。 圖 34 前置放大電路 前置放大器的增益不能過大，選擇前置放大器的增益 G 10? ，由 AD620A 增益控制方程式：G = 1R ?， 調(diào)節(jié) G1R R Ω?? 。 圖 35 中波形低的為心電信號輸入波形，波形高的為前置放大電路放大后的波形。 圖 35 前置放 大電路仿真波形 心電檢測設備在使用過程中常常會出現(xiàn)位移電流，其主要由 電極 與 電力線之間 的石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 12 電容耦合 而 產(chǎn)生 的 。位移電流 通常會對人體造成很大的傷害，其會通過人體 流經(jīng)地。人體與地之間建立接地阻抗，位移電流通過接地阻抗建立共模電壓，對微弱的心電信號檢測影響很大。采用右腿驅動法能夠有效的降低位移電流干擾。圖 36 為右腿驅動的具體連接電路，右腿接到輔助運算放大器的輸出端口。 圖 36 右腿驅動電路 右腿驅動電路能夠 從前置運算放大器 檢測 共模電壓， 然后 通過電阻 6R 反饋到右腿。人體的位移電流這時候 通過右腿驅動電路流入 6R 后經(jīng)過 輔助放大器的輸出 ，而不再直接流入地 。當 患者和 地之間 出現(xiàn)很高的共模電壓時，右腿驅動電路中的放大器飽和 ， 此時 右腿驅動不起作用 。這時候電阻 6R 起到限流保護 的作用， 限流電阻通常在 1MΩ 以上。 由于心臟電信號的特點和外界干擾的因素，心電信號頻帶主要集中在 ~100Hz， 所以帶通濾波器的頻帶設計在 ~100Hz ，目的在于濾除心電信號以外的干擾信號。 有源二階低通濾波器如圖 37。 低通濾波電路 的功能在于它能夠將濾除 心電信號的 高頻干擾成分，保留 頻率在 100Hz 以下 的信號 。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 13 圖 37 二階低通濾波器 圖 37 中，電阻 89R,R 選取相同的電阻值，電容 45C,C 選取相同的電容 值。 由濾波理論 [16] 可知電路的特征頻率：0 12πRCf ?。 選取電容為 1uF ， H 100Hzf ? ，可知電阻 89RR? 且阻值 附近。通過 Multisim軟件仿真后可得：電阻 89R R 1kΩ??。低通濾波器仿真波特圖 如圖 38。 圖 38 低通濾波器仿真波形 有源二階高通濾波器如圖 39。 心電信號的頻率在 以 上 ，所以通過高通濾波電路把低頻干擾信號濾掉。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 14 圖 39 二階高通濾波器 高通濾波電路濾除直流和低頻信號，電阻 47R,R 選取相同值，電容 13C,C 選取相同值由由濾波理論可知電路的特征頻率：0 12πRCf ?。 選取電容為 1uF ， L ? ，可知電阻 47R,R 且阻值 附近。通過 Multisim軟件仿真后可得：電阻 47R = R 5MΩ? 。高通濾波器仿真波特圖如圖 310 所示。 圖 310 高通 濾波器仿真波形 雖然三運放儀用前置放大電路 對 50Hz工頻干擾有很強的抑制作用，但僅僅依靠前置放大電路的共模抑制是 不夠的。本文專門設計模擬帶阻濾波器來濾除工頻干擾信號，俗稱陷波器。無源雙 T 網(wǎng)絡 所構成的網(wǎng)絡是最常使用的陷波電路 。 雙 T 網(wǎng)絡 構成原理 是 ： 用高通濾波器和低通濾波器并聯(lián)搭建成帶阻濾波器 ， 其中高通和低通濾波器的運算放大器處于跟隨狀態(tài) ，如圖 311 所示。 石家 莊鐵道大學畢業(yè) 設計 15 圖 311 50Hz陷波電路 雙 T 網(wǎng)絡構成的帶阻濾波器高低截至頻率相等，都為10 612πRCf ? ，取電容 6C 為 ，可知電阻 10R 約為 33kΩ 。 圖 312 50Hz陷波 器 仿真波形 模擬電路濾波放大后的心電信號是交