【文章內(nèi)容簡介】 疾病所帶來的死亡率 。 因此， 心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品準(zhǔn)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(zhǔn)確的判斷 [5] 。 現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，心電圖機(jī)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(xué)畢業(yè) 設(shè)計 4 第 2章 研究基礎(chǔ) 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(xì)胞 是 幫助心臟完成這一功能的基礎(chǔ) 。心肌細(xì)胞 可以分 為普通心肌細(xì)胞和特殊心肌細(xì)胞。普通工作心肌細(xì)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(xì)胞 在興奮和傳導(dǎo)之外還具有較強(qiáng)的收縮 性。特殊心肌細(xì)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(jié)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(xì)胞，最終導(dǎo)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(chǔ)是細(xì)胞膜外出現(xiàn)負(fù)電位，細(xì)胞膜外負(fù)電位是特殊心肌細(xì)胞和普通工作心肌細(xì)胞在興奮過程中產(chǎn)生的，心肌細(xì)胞 在 電活動 過程中 產(chǎn)生的細(xì)胞膜外負(fù)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(xì)胞 細(xì)胞膜內(nèi) 帶有負(fù)電荷， 細(xì)胞膜 外帶有同等數(shù)量的正電荷 。 心肌細(xì)胞 在 極化狀態(tài) 下 細(xì)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(xì)胞一端的細(xì)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(xì)胞膜內(nèi)外的陰陽離子流動，這個過程稱為心肌細(xì)胞除極化和復(fù)極化。處于極化和復(fù)極化的心肌細(xì)胞除與處于靜止?fàn)顟B(tài)的鄰近細(xì)胞膜構(gòu)成一對電偶，置于體表心電檢測設(shè)備能夠?qū)O化 —復(fù)極化變化過程測出來。 心肌細(xì)胞除極化 —復(fù)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(xì)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(zhuǎn) [6]。 石家 莊鐵道大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 5 圖 21興奮與心電信號的對應(yīng)關(guān)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(xì)胞除極 和復(fù)極，使得電信號向各方面?zhèn)鲗?dǎo)，電信號到達(dá)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(xué)畢業(yè) 設(shè)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(yīng)超過 。心室復(fù)肌波 即為 T 波 ，它 的波形特點是寬 。 T 波不應(yīng)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(shè)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(shè)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(qiáng)噪聲影響： 心電檢測設(shè)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(shè)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(gòu)成 ，其成因在于用電設(shè)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(shè)備的方式即為 導(dǎo)聯(lián)。在長期應(yīng)用臨床診斷過程中，由 Wilson氏創(chuàng)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)被大多數(shù)心電圖工作者所采納。 12 導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)也稱為國 際通用導(dǎo)聯(lián)體系。 石家 莊鐵道大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 7 肢體導(dǎo)聯(lián) 主要 雙極肢體導(dǎo)聯(lián) Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 和 加壓肢體導(dǎo)聯(lián) aVI、 aVL、 aVF 兩種導(dǎo)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(dǎo)聯(lián)檢測的 。 右手和左腳之間的電位差 是通過第 Ⅱ 導(dǎo)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(dǎo)聯(lián)檢測的 。 石家 莊鐵道大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 8 第 3章 心電信號檢測電路硬件設(shè)計 心電信號檢測電路的 設(shè)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(shè)計的關(guān)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(shè)計有如下要求： (1) 前置放大電路 的輸入阻抗應(yīng)當(dāng)很高 ， 并且對 共模 信號具有很強(qiáng)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(shè)計能夠進(jìn)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(xué)畢業(yè) 設(shè)計 9 圖 31 心電檢測電路總體框圖 電路設(shè)計 由 心電信號的特 點 ， 前置放大電路的輸入阻抗應(yīng)當(dāng)很高，并且對共模信號具有很強(qiáng)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(jī) LCD 顯示心率 石家 莊鐵道大學(xué)畢業(yè) 設(shè)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(qū)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(shè)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(jìn)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(shè)計心電檢測設(shè)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(dāng)輸入信號為差動方式時，其對輸入信號沒有 抑制作用，當(dāng)輸入信號為共模信號時，其具有很強(qiáng)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(shè)計是否具有對稱性， 本 文所設(shè)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(xué)畢業(yè) 設(shè)計 11 AD620A 采用經(jīng)典的三運放改進(jìn)設(shè)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(shè)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(xué)畢業(yè) 設(shè)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(qū)動法能夠有效的降低位移電流干擾。圖 36 為右腿驅(qū)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(qū)動電路 右腿驅(qū)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(qū)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(dāng) 患者和 地之間 出現(xiàn)很高的共模電壓時，右腿驅(qū)動電路中的放大器飽和 ， 此時 右腿驅(qū)動不起作用 。這時候電阻 6R 起到限流保護(hù) 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(shè)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?qū)V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(xué)畢業(yè) 設(shè)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(xué)畢業(yè) 設(shè)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(qiáng)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(shè)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(luò) 所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)是最常使用的陷波電路 。 雙 T 網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)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(xué)畢業(yè) 設(shè)計 15 圖 311 50Hz陷波電路 雙 T 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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