基于心電采集電路制作的醫(yī)用電子儀器綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

周天綺

摘要 針對(duì)醫(yī)療器械專業(yè)學(xué)生目前普遍存在的電子技術(shù)實(shí)踐能力不強(qiáng)，缺乏工作崗位技能訓(xùn)練等問題，設(shè)計(jì)基于心電采集電路制作和心電波形顯示的醫(yī)用電子儀器綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，包括心電信號(hào)采集電路PCB板的設(shè)計(jì)、繪制、焊接、測(cè)量、調(diào)試，單片機(jī)編程，工藝文件的編制等工作技能訓(xùn)練，通過本項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)可有效提高學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐能力和職業(yè)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與工作崗位技能的有效銜接。

【關(guān)鍵詞】心電采集 電路制作 綜合實(shí)訓(xùn)

1 引言

《醫(yī)用電子儀器生產(chǎn)綜合實(shí)踐》課程是是醫(yī)療器械專業(yè)一門職業(yè)綜合技能實(shí)踐課程，使學(xué)生掌握醫(yī)療器械生產(chǎn)制造質(zhì)量控制、檢驗(yàn)基本知識(shí)與基本技能基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)制版、焊接、組裝，生產(chǎn)出一個(gè)實(shí)用的醫(yī)療器械電子產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試、檢驗(yàn)，并能應(yīng)用醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的相關(guān)知識(shí)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能進(jìn)行較為全面的控制，使學(xué)生具備生產(chǎn)加工能力和質(zhì)量控制的管理能力，以適應(yīng)醫(yī)用電子儀器設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的崗位需求。

基于心電采集電路原理及制作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)醫(yī)用電子儀器綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，涵蓋心電信號(hào)采集電路PCB板的設(shè)計(jì)繪制、心電信號(hào)采集電路的焊接、測(cè)量、調(diào)試，單片機(jī)測(cè)量程序的編制，測(cè)量電路焊接、組裝工藝文件的編制等整個(gè)工作流程。加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，與將來的實(shí)習(xí)和就業(yè)銜接。

2 基本原理

心電信號(hào)頻率低，幅值微弱，常常混雜其它的生理信號(hào)。心電信號(hào)的電壓范圍為0.5～4mv，頻率范圍為0.05-100Hz。50Hz工頻干擾在測(cè)量頻率范圍內(nèi)，易引入;人體是電的良導(dǎo)體，其它電生理信號(hào)也會(huì)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)人體運(yùn)動(dòng)偽差帶來電極接觸的位置改變也會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)。因此心電信號(hào)采集裝置需要有較高的靈敏度。

綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的心電信號(hào)采集電路根據(jù)愛氏標(biāo)準(zhǔn)雙極性肢體導(dǎo)聯(lián)（I、II、III）方法，使用四個(gè)平板電極，分別連接右手、左手、左腳、右腳，如圖1所示。通過左手（+）、右手（-）電極之間的電壓差采集心電信號(hào)，然后再通過信號(hào)的分析處理得到心電波形。

3 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

心電采集電路由模擬電路部分和單片機(jī)部分組成，如圖2所示。

平板電極采集到人體四肢的心電信號(hào)后，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線傳輸至心電采集電路的輸入接口，經(jīng)前置放大電路（電壓跟隨器+緩沖放大電路+右腿驅(qū)動(dòng)電路）后，通過高通濾波電路濾去信號(hào)中的直流分量送第一級(jí)放大電路進(jìn)行放大，隨后工頻濾波濾除50Hz工頻干擾信號(hào)，得到比較“干凈”的（模擬）心電信號(hào)，再送入二級(jí)放大電路。信號(hào)通過二級(jí)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入STC單片機(jī)，由單片機(jī)處理之后在LCD屏顯示檢測(cè)到的心電波形。

3 項(xiàng)目模塊設(shè)計(jì)

3.1 模擬電路設(shè)計(jì)

3.1.1 前置放大器設(shè)計(jì)

前置放大電路由電壓跟隨器、緩存放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路3部分組成。

（1）電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)是輸入阻抗高，而輸出阻抗低。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)?，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。

（2）緩沖放大電路。緩沖放大電路如圖3所示。緩沖放大電路的三路電信號(hào)來自右手（RA）、左手（LA）和左腿（LL）的電極信號(hào)。三路電信號(hào)經(jīng)TLC084集成運(yùn)算放大器輸出連接到同一點(diǎn)（ Wi）后作為右腿驅(qū)動(dòng)電路的輸入。心電采集電路處理的實(shí)際上是右手和左手之間的電信號(hào)差值。

（3）右腿驅(qū)動(dòng)電路。右腿驅(qū)動(dòng)電路常用于生物信號(hào)放大器，用于減少人體共模信號(hào)的干擾。心電信號(hào)很微弱，由于人體容易受到電磁干擾，特別是50Hz工頻電干擾，這種干擾會(huì)掩蓋心電信號(hào)，使得信號(hào)難以測(cè)量。需要通過添加右腿驅(qū)動(dòng)電路來消除噪聲干擾。右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。人體三個(gè)肢體采集到的心電信號(hào)之和（Wi）作為U2D同相輸入端的輸入，然后經(jīng)UID反相放大后再送回右腿（RL），使信號(hào)互相抵消，從而減小人體共模信號(hào)的干擾。

在前置放大電路施加一個(gè)幅值為400mv、頻率為1KHz的正弦波信號(hào)，Multisim仿真結(jié)果如圖5所示。

3.1.2 高通和低通濾波器、50Hz陷波器設(shè)計(jì)

由于心電電極具有一定的直流電壓，如果該直流電壓直接送入后級(jí)放大器，將會(huì)使后級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生偏移，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。因此需要設(shè)計(jì)高通濾波電路，其原理是利用電容“隔直”的特性，將直流電壓在前置放大器輸出端濾除，而允許心電信號(hào)通過。高通濾波器如圖6所示，截止頻率設(shè)計(jì)為0.05HZ。

心電信號(hào)頻率范圍為0.05～100Hz，為了去掉高頻干擾，需要經(jīng)過低通濾波。低通濾波電路如圖7所示，采用BUTTERWORTH二階低通濾波，截止頻率fH為100 Hz，在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度。通過高通濾波和低通濾波電路讓頻率范圍在0.05～100Hz的心電信號(hào)通過，過濾掉其它頻率的干擾噪聲。

前置放大電路雖然對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，部分工頻信號(hào)還是會(huì)以差模信號(hào)方式進(jìn)入放大電路，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，經(jīng)過前面的一級(jí)放大后輸出仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾，擬采用“雙T帶阻濾波”電路來濾除工頻干擾。50Hz工頻陷波電路如圖8所示，放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器LM358。

雙T陷波器施加一個(gè)幅值400mv、頻率為50Hz的正弦電壓信號(hào)，Multisim仿真結(jié)果如圖9所示。

3.1.3 一級(jí)放大和二級(jí)放大設(shè)計(jì)

第一級(jí)放大電路一方面要對(duì)微弱的心電信號(hào)進(jìn)行有限度的放大，另外還要濾除一些共模信號(hào)的干擾，電路如圖10所示。由緩沖放大電路輸出的心電信號(hào)（RA IN和LA IN）送入第一級(jí)放大電路，通過調(diào)節(jié)R13的阻值可調(diào)整整個(gè)電路的增益，一級(jí)放大電路的增益為：

經(jīng)過低通濾波器后的信號(hào)如果直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理幅值太低，還需經(jīng)過二級(jí)放大，電路如圖11所示，便于單片機(jī)處理和顯示。第二級(jí)放大在濾波電路之后，不受極化電壓的影響，增益可以較大，如圖11所示，通過反相比例運(yùn)算放大，第二級(jí)放大電路的增益為20。

3.1.4 光電耦合電路

從人體的安全角度、信號(hào)的防干擾角度出發(fā)，設(shè)計(jì)光電耦合電路如圖12所示，采用光電耦合器4N25和LM358作為主要芯片，實(shí)現(xiàn)其光電耦合與放大的作用。

3.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)電路主要包含A/D轉(zhuǎn)換和LCD模塊。AD0832是8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可支持兩個(gè)單端輸入通道和一個(gè)差分輸入通道。經(jīng)過電路處理后的ECG信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行處理。LCD模塊采用PG160128A，為一個(gè)128行160列的點(diǎn)陣液晶屏，能顯示各種字符、圖形、漢字，基于T6963C內(nèi)核控制，自帶字符庫，同時(shí)用戶也可以自己建立漢字、圖形庫。LCD顯示如圖13所示。

4 結(jié)論

通過基于心電采集電路制作的醫(yī)用電子儀器綜合實(shí)訓(xùn)，可有效提高醫(yī)療器械專業(yè)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、繪制、焊接、測(cè)量、調(diào)試、工藝文件編制等一系列崗位技能，實(shí)現(xiàn)課程實(shí)訓(xùn)與工作崗位技能的有效對(duì)接，下一步將通過強(qiáng)化學(xué)生單片機(jī)的編程實(shí)訓(xùn)，改變醫(yī)療器械專業(yè)學(xué)生硬件強(qiáng)軟件弱的現(xiàn)狀。

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