心電檢測(cè)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

葛亞明， 呂淑平

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

“檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”是我校測(cè)控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的必修課程，課程通過講述傳感器技術(shù)、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等內(nèi)容，使學(xué)生了解檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)基本知識(shí)，和能合理選擇工業(yè)常用傳感器以及設(shè)計(jì)其專用信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)理電路的能力。心電信號(hào)作為心臟活動(dòng)在人體體表的信號(hào)比較微弱，并且存在著大量的噪聲，電路設(shè)計(jì)正確與否是得到正確心電波形的關(guān)鍵。為此，針對(duì)課程的講課重點(diǎn)，選擇更貼近于現(xiàn)實(shí)生活和學(xué)生自身的心電信號(hào)作為檢測(cè)對(duì)象[1]，通過放大電路、濾波電路的設(shè)計(jì)，在獲得清晰的心電波形的同時(shí)，更深入地理解相關(guān)的理論教學(xué)內(nèi)容。

1 實(shí)驗(yàn)開出的目的

本著理論與實(shí)踐相結(jié)合的理念，提出將心電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)應(yīng)用到該門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中?！皺z測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”理論教學(xué)為32學(xué)時(shí)[2]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為16學(xué)時(shí)，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為6學(xué)時(shí)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)為10學(xué)時(shí)。信號(hào)放大技術(shù)、信號(hào)濾波技術(shù)以及信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)為該門課程的重點(diǎn)，心電信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)涵蓋了課程的重點(diǎn)內(nèi)容，便于學(xué)生對(duì)理論課程的深入理解。本實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，原本該實(shí)驗(yàn)應(yīng)該由模擬電路設(shè)計(jì)和數(shù)字電路設(shè)計(jì)兩大部分組成，但考慮到成本和學(xué)生的工作量原因，只設(shè)計(jì)模擬部分，學(xué)生可以在萬(wàn)用板上焊接電路，無需制作PCB板。

2 心電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)的頻譜范圍是0.05～100 Hz，電壓幅值為0～5 mV[3]，信號(hào)源的阻抗為數(shù)千歐到數(shù)百千歐，并且存在著大量的噪聲。因此，首先要分析心電信號(hào)的組成及其易受到的干擾[4]。由電極采集到心電信號(hào)，通過儀用放大器將微弱的心電信號(hào)放大[5]，然后再通過四階低通濾波器及工頻50 Hz陷波器濾除干擾后，最后經(jīng)光電隔離和后置放大電路對(duì)心電信號(hào)進(jìn)一步放大，最終得到幅值在±5 V左右的清晰的心電波形，供AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換。學(xué)生只設(shè)計(jì)模擬部分，然后將其接到實(shí)驗(yàn)室中已有的數(shù)字部分，通過串口傳送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)。

2.1 放大電路設(shè)計(jì)

由于心電信號(hào)是毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，為了防止引入更大的噪聲，應(yīng)該適度地放大心電信號(hào)，故放大電路部分包括前置放大器和后置放大器[6]。前置放大器應(yīng)選用高輸入阻抗、低溫漂并且具有高共模抑制比的集成運(yùn)算放大電路。在微弱信號(hào)檢測(cè)中常用儀表放大器，該放大器采用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，采用OP07及電阻即可實(shí)現(xiàn)[7]，學(xué)生自己搭建此電路，比起市面上銷售的集成儀用放大器，性價(jià)比很高。根據(jù)式(1)計(jì)算，并結(jié)合儀用放大器的電路結(jié)構(gòu)，選擇第一級(jí)放大倍數(shù)為180倍。其差動(dòng)輸入端接手臂上的兩個(gè)電極，詳細(xì)的設(shè)計(jì)電路及阻值選擇如圖1所示，圖中可調(diào)電阻R10的作用是調(diào)節(jié)零位。輸出電壓Uo計(jì)算式[8]如下：

(1)

后置放大電路(見圖2)是對(duì)濾波后的心電信號(hào)進(jìn)一步放大，使心電信號(hào)的幅值達(dá)到AD轉(zhuǎn)換器需要的電壓范圍，比如AD1674，雙極性電壓輸入要求電壓在±10 V之間，那么通過后置放大電路可達(dá)到此要求。

圖1 儀用放大電路

圖2 后置放大電路

后置放大電路之前，使用了工頻50 Hz陷波器，對(duì)市電工頻干擾進(jìn)行濾除，如圖3所示。需要說明的是，在整個(gè)模擬電路調(diào)試過程中，首先調(diào)節(jié)的是陷波器[9]，其電路中有可調(diào)電阻，濾除工頻干擾，然后再調(diào)節(jié)儀用放大器，這樣會(huì)很快獲得清晰的心電圖。

圖3 陷波器電路

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，為了去掉高頻干擾，在儀用放大器之后，需要通過低通濾波器濾去高頻信號(hào)。低通濾波采用歸一化設(shè)計(jì)的BUTTERWOETH四階低通濾波[10]，截止頻率為100 Hz，在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度，避免高頻信號(hào)的干擾。設(shè)計(jì)的四階低通濾波電路見圖4。

圖4 四階低通濾波電路

2.3 隔離電路設(shè)計(jì)

隔離電路的作用主要是將該系統(tǒng)的模擬部分和數(shù)字部分隔離開[11]。另外，這種隔離對(duì)人體也具有一定的保護(hù)作用。隔離使用的器件為線性光電耦合器件[12]，其使用方法不同于光電開關(guān)，需調(diào)節(jié)相應(yīng)的滑動(dòng)變阻器將光電耦合器件的工作點(diǎn)調(diào)至線性區(qū)才可以正常工作。另外，這部分電路還包含了對(duì)心電信號(hào)的進(jìn)一步放大，放大至8倍，此時(shí)信號(hào)的最大幅值可以達(dá)到5 V左右。隔離電路見圖5。

圖5 隔離電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的整個(gè)心電檢測(cè)模擬電路逐次地進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試次序是陷波器調(diào)試、儀用放大電路調(diào)試、低通濾波器調(diào)試、隔離電路調(diào)試，最后是綜合調(diào)試輸出結(jié)果，各部分波形均采用示波器顯示。

由圖6可見，儀用放大器輸出的心電波形疊加了很多干擾，是不干凈的波形，但心電圖QRS波還比較清晰。

圖7為濾波和隔離電路輸出結(jié)果，可以看出，疊加在心電波形上的雜波已經(jīng)很少，而且光電隔離器件已經(jīng)工作在線性區(qū)，如果不在線性區(qū)，此波形是不可見的。

圖6 儀用放大器輸出

圖7 濾波和隔離電路輸出

圖8為最后綜合調(diào)試各部分的可調(diào)電阻后得到的比較清晰的心電波形圖。圖9和圖10為學(xué)生自己焊接的電路實(shí)物圖。

圖8 最后的比較清晰的心電波形

圖9 學(xué)生焊接電路實(shí)物圖1

圖10 學(xué)生焊接電路實(shí)物圖2

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將心電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，完全涵蓋了該門課程中信號(hào)放大技術(shù)和信號(hào)濾波技術(shù)兩大教學(xué)內(nèi)容，通過各部分電路調(diào)試和對(duì)輸出波形的分析，使學(xué)生更充分地理解這兩部分理論教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)電路，焊接電路并調(diào)試電路，極大地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。模擬電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試是很磨煉學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)性的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，選擇心電為檢測(cè)對(duì)象，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加貼近于學(xué)生自身，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)作的積極性。

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