【摘要】設(shè)計(jì)了一種能采集人體微弱心電信號的檢測系統(tǒng),此系統(tǒng)使用前端電路實(shí)現(xiàn)對心電信號的采集,通過濾波、陷波電路過濾掉人體及器件產(chǎn)生的干擾信號,后級放大及電平抬高電路為模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備,最后使用MPS430單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)心率的讀取。測試結(jié)果表明,此系統(tǒng)達(dá)到了良好的檢測效果。
【關(guān)鍵詞】心電信號;模擬信號采集;濾波電路;放大電路;模數(shù)轉(zhuǎn)換
Abstract:In this paper,a measurement system for weak electrocardiograph(ECG)signal is proposed.The system employs an analog front-end for ECG signal acquisition,which integrates bandpass and notch filters to remove interference signal from human body and environment.A second amplifier stage provides gain and level shifting to signal for analog-to-digital(A/D)conversion.Finally,the A/D conversion is realized by MPS430 micro-controller,which completes the ECG signal measurement.Experiment results show that the system achieves good measuring performance.
Keywords:ECG signal;analog signal acquisition;filter circuit;amplifying circuit;A/D conversion
隨著電子與信息技術(shù)的不斷發(fā)展及其在醫(yī)療系統(tǒng)中應(yīng)用的深入,世界各地尤其是歐美國家相繼提出了心電檢測設(shè)備的小型化、家用化要求和建立遠(yuǎn)程醫(yī)療體系的設(shè)想。從1980年代開始,國外開始建立以電話線路傳輸心電信號的心電圖監(jiān)測中心,隨后又出現(xiàn)了以數(shù)字式電話傳輸心電圖信號的研究。國外各大公司也紛紛跟進(jìn),進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的研究開發(fā)工作;亞洲的日本在這方面也做了較大的投入,其中SONY,東芝已有類似的監(jiān)護(hù)設(shè)備上市,但都價(jià)格不菲。
國內(nèi)在這方面的研究晚于西方國家,一個(gè)總的特點(diǎn)是起步晚、起點(diǎn)高。目前,國內(nèi)生產(chǎn)便攜式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的廠家有很多,產(chǎn)品也進(jìn)入了實(shí)用化,但是大多數(shù)是以O(shè)EM方式進(jìn)行組裝的,具有自主開發(fā)能力的較少??偟膩碚f,目前國內(nèi)心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品主要特點(diǎn)為:市場需求越來越大;技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量在不斷提高;生產(chǎn)廠家多,但核心技術(shù)掌握不足。隨著中國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展及與國際社會融入程度的不斷加深,在這方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿Αo論國內(nèi)還是國外都對心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的研究投入了巨大的人力與物力。伴隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展[1],其前景必定相當(dāng)廣闊。
1.心電信號檢測原理
在心臟興奮過程中出現(xiàn)生物電源,產(chǎn)生電流,它在周圍組織里流動,所以有可能通過心臟外的一對電極測到它的時(shí)變電勢差,即心電圖[2]。這對電極構(gòu)成了最簡單的心電描記導(dǎo)聯(lián)方式。臨床上為了便于比較所獲得的ECG波形,對測定ECG的電極位置、引線與放大器的聯(lián)接方式有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定,稱之為心電圖導(dǎo)聯(lián)[3]。此線路裝置包括電極與導(dǎo)聯(lián)線,置于四肢的電極放在兩腕,兩踝內(nèi)上側(cè)0.05m處。連接四肢的導(dǎo)聯(lián)線的顏色也有統(tǒng)一的規(guī)定,紅、黃、綠、黑色導(dǎo)聯(lián)線分別連于右上肢、左上肢、左下肢、右下肢上電極[4]。根據(jù)電極的放置位置及連接方法的不同,常用的有標(biāo)準(zhǔn)雙極導(dǎo)聯(lián),加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián),單極胸導(dǎo)聯(lián)三種[5]。而在心電監(jiān)護(hù)儀的臨床使用中,根據(jù)不同的要求可以選擇不同的導(dǎo)聯(lián)。
在心電信號檢測中,攝取人體內(nèi)的生物電的導(dǎo)體稱之為電極。它的阻抗、極化特性、穩(wěn)定性等對測量的精確度影響很大[6]。為了準(zhǔn)確、方便地記錄心電信號,要求電極(傳感器)從離子導(dǎo)電變成電子導(dǎo)電的電化學(xué)半電池反應(yīng)的可逆性要好。目前國內(nèi)外供臨床廣泛使用的電極為銀—氯化銀電極。它是用銀粉和氯化銀粉壓制而成的,是一種較為理想的體表心電信號檢測電極。使用時(shí),電極片和皮膚之間充滿導(dǎo)電膏,形成一薄層電解質(zhì)來傳遞心電信號,從而有效地減小了由于電極片與皮膚直接接觸所造成的極化電壓。心電檢測前端的電極及導(dǎo)聯(lián)選擇好后,檢測電路將主要針對心電信號的特點(diǎn)和干擾進(jìn)行設(shè)計(jì)。
由于心電信號是自人體體表特定點(diǎn)處拾取的生物電信號,其是一個(gè)非常微弱的非正弦的低頻信號,一般只有0.05~5mV,典型值為1mV,可低至幾十微伏,頻譜分布在0.05~ 100Hz,主要頻譜分量集中在0.5~35Hz。要采集這樣的信號,首先必須設(shè)計(jì)合適的心電信號檢測電路。在心電放大器輸入回路內(nèi),由于電極和與電極接觸的電解質(zhì)溶液(導(dǎo)電膏、汗液或組織液等)之間存在著復(fù)雜的離子交換過程,在其接觸面形成極化電動勢Ep1和Ep2,當(dāng)Ep1≠Ep2時(shí),其差值比心電信號大得多,能達(dá)到數(shù)百毫伏[7]。差值信號與心電信號一起,由心電放大器放大,勢必造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離,甚至進(jìn)入截止或飽和,引起心電放大器的阻塞,所以心電檢測電路的前置放大器的增益不能太大。經(jīng)過后置主放大后,達(dá)到心電信號的放大要求。心電信號是低信噪比的周期性微弱信號,在ECG信號采集過程中,易受儀器、人體等方面的影響,并混有很強(qiáng)的工頻干擾,因此放大后的信號還要經(jīng)過濾波處理以保證通帶為0.05~100Hz,并抑制50Hz工頻干擾。
2.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于對心電信號原理特點(diǎn)和干擾因素的分析,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)[8]應(yīng)當(dāng)包含以下幾個(gè)部分,系統(tǒng)框圖如圖1所示。
(1)前置放大器將使用導(dǎo)聯(lián)電路采集的微弱的心電信號放大50倍左右,使信號可以通過濾波電路正常濾波。
圖1 心電信號采集系統(tǒng)圖示
(2)濾波電路由帶通電路、帶阻電路和陷波電路組成,使被放大的心電信號中0.5-100Hz的成分得以通過,濾掉不符合噪聲等不符合要求的成分。陷波電路的目的是去掉50Hz工頻干擾,所以在設(shè)計(jì)中采用50Hz的陷波。
(3)電壓抬升電路將濾波之后的信號放大到1V以上,并且把所有信號抬升到正半軸,使信號得以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。
(4)MPS430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊要求輸入信號為大于0的峰峰值在1V以上的信號。通過單片機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對心電信號的統(tǒng)計(jì),從而采集到心率值,同時(shí)將心率值在液晶模塊上顯示。
2.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)
2.2.1 前級放大電路
由AD620構(gòu)造系統(tǒng)的前級放大電路,兩個(gè)輸入端A、B分別使用體表電極接被測者左右手的動脈上,第三個(gè)輸入端C通過體表電極接小腿,A、B與C共同構(gòu)成導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng),形成單通道的心電監(jiān)測系統(tǒng),以獲得基本ECG中較大的R波。前端放大的設(shè)計(jì)可以將心電信號放大110倍,電路如圖2所示。
圖2 前級放大電路
圖3 陷波電路
2.2.2 濾波電路
經(jīng)過前級放大的心電信號首先經(jīng)過高通濾波使1Hz以上的信號通過,再經(jīng)過低通濾波使低于100Hz的信號通過。兩部分共同組成帶通電路,過濾掉信號中不滿足要求的部分,留下1Hz到100Hz的有效成分。
2.2.3 陷波電路
陷波器就是一種用作單一頻率陷波的窄帶阻濾波器,一般用帶通濾波器和減法器電路組合起來實(shí)現(xiàn)。理想的帶阻濾波器在其阻帶內(nèi)的增益為零。設(shè)計(jì)采用雙T型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)50Hz工頻陷波電路,去掉信號中由于工頻干擾產(chǎn)生的噪聲信號,電路如圖3所示。
2.2.4 后級放大電路
信號經(jīng)過濾波之后仍舊十分微弱,不能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的條件,后級放大電路可以實(shí)現(xiàn)對信號的二次放大并彌補(bǔ)濾波時(shí)信號的衰減。前級放大和后級放大將心電信號放大1000倍。電路中使用可變電阻使放大倍數(shù)可調(diào)。
2.2.5 電平抬升電路
MPS430的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊要求輸入信號的值為正值,故通過電平抬升電路將放大之后的信號抬升到正半軸,以滿足單片機(jī)對信號的處理要求。
3.系統(tǒng)功能測試
將本系統(tǒng)作為本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)內(nèi)容,學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)室提供的元器件通過理論計(jì)算并用仿真軟件調(diào)試得出的元件參數(shù)大小,再到實(shí)驗(yàn)室在萬用板上設(shè)計(jì)元件及各電路部分的位置并進(jìn)行焊接。為了便于各個(gè)電路部分的調(diào)試和修改,首先使用杜邦線將每個(gè)部分連接在一起,并使用杜邦線連接信號的輸入輸出方便檢測,其次進(jìn)行安裝調(diào)試。使用體表電極連接雙臂動脈和小腿,將抬升之后的信號輸入到濾波器,調(diào)節(jié)可變電阻使濾波器上顯示的波形在正半軸。圖4為數(shù)字示波器實(shí)測的心電波形。
圖4 心電波形
可以看出系統(tǒng)對心電信號的采集沒有受到很大的干擾,波形干凈均勻,各段心電信號均可正常顯示。
4.結(jié)束語
系統(tǒng)通過模擬電路的設(shè)計(jì),包含前端放大、濾波電路、后級放大和抬升電路四個(gè)部分,通過對每部分所用器件、元件的選擇、仿真以及測試使人體的心電信號能夠被采集并正常放大,同時(shí)濾掉人體或器件產(chǎn)生的干擾信號。經(jīng)過電路的焊接調(diào)試,最終得到人體心電信號的波形。本次設(shè)計(jì)是較為成功的,但是設(shè)計(jì)中還存在一些缺陷和不足,需要后續(xù)的學(xué)習(xí)修正。
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基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:11273001)。
作者簡介:楊華(1963—),女,遼寧沈陽人,學(xué)士,高級實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向:電子技術(shù)等。