簡易心電圖儀

1、<p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　課題名稱：簡易心電圖儀</p><p>　　系部名稱： 機械工程學院</p><p>　　班 級： 測控技術與儀器051</p><p>　　姓 名： 王準</p><p>　　學 號： 20054600

2、138</p><p>　　指導老師： 黃 智 偉（博 士）</p><p>　　2007 年12 月 22 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一 摘要、引言及關鍵字………………………………………. 3</p><p>　　二 方案論證與比較…………………………

3、………. 3</p><p>　　(1) 心電圖導聯(lián)論證方案比較………………………………4</p><p>　　(2) 數(shù)據(jù)采集部分方案論證比較………………………………4</p><p>　　(3) 心電信號處理部分方案論證比較………………………5</p><p>　　三 系統(tǒng)設計 …………………………………….6</p>

4、<p>　　(1) 前置放大部分……………………………….6</p><p>　　(2) 濾波器部分…………………………………….6</p><p>　　(3) 鍵盤控制與波形存儲………………………6</p><p>　?。?）屏蔽盒…………………………………….7</p><p>　　四 測試儀器與測試結果………………………

5、…………….7</p><p>　　（1） 測試儀器…………………………………….7</p><p>　　（2） 測試…………………………………….7</p><p>　　五 總 結………………………………………………8</p><p>　　六 參考文獻 ……………………………………………8</p><p&

6、gt;<b>　　摘要：</b></p><p>　　該系統(tǒng)采用了心電圖模擬系統(tǒng)提供的模擬心電圖波形，利用心電信號采集平臺將模擬心電圖及實時采集的心電圖數(shù)字化，本設計應用高精度低功耗的儀表放大器INA128組成放大電路對心電信號進行放大，采用有源濾波電路和數(shù)字濾波等技術對心電波形進行綜合處理，實現(xiàn)了兩路心電信號同時測量顯示、存儲及回放，并配有語音提示功能，心電圖功能和自動分析 功能，診斷可靠

7、、操作簡便、可以給臨床醫(yī)生診斷疾病帶來很大的幫助。</p><p><b>　　關鍵字</b></p><p>　　心電圖 心電信號 綜合處理 儀表放大器INA128 顯示 放大電路 回放 語音提示功能</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　心臟電活動按力學原理可歸結為一

8、系列的瞬間心電綜合向量。在每一心動周期中，作空間環(huán)形運動的軌跡構成立體心電向量環(huán)。應用陰極射線示波器在屏幕上具體看到的額面、橫面和側面心電圖向量環(huán)，則是立體向量環(huán)在相應平面上的投影。心電圖上所記錄的電位變化是一系列瞬間心電綜合向量在不同導聯(lián)軸上的反映，也就是平面向量環(huán)在有關導聯(lián)軸上的再投影。投影所得電位的大小決定于瞬間心電綜合向量本身的大小及其與導聯(lián)軸的夾角關系。投影的方向和導聯(lián)軸方向一致時得正電位，相反時為負電位。用一定速度移行的記錄

9、紙對這些投影加以連續(xù)描記，得到的就是心電圖的波形。心電圖波形在基線（等電位線）上下的升降，同向量環(huán)運行的方向有關。和導聯(lián)軸方向一致時，在心電圖上投影得上升支，相反時得下降支。向量環(huán)上零點的投影即心電圖上的等電位線，該線的延長線將向量環(huán)分成兩個部分，它們分別投影為正波和負波。因此，心電圖與心向量圖有非常密切的關系。心電圖的長處是可以從不同平面的不同角度，利用比較簡單的波形、線段對復雜的立體心電向量環(huán)，就其投影加以定量和進行時程上的分析。而

10、心電向量圖學理論上的發(fā)展又進一步豐富了心電圖學的內容并使之更易理解。心電圖是反映心臟興奮的</p><p><b>　　方案論證與比較</b></p><p>　　本系統(tǒng)的用途是對心電信號進行檢測、存儲和回放。</p><p>　　一 心電圖導聯(lián)論證方案比較</p><p>　　人體組織和體液都能導電，將心電描記器的

11、記錄電極放在體表的任何兩個非等電部位，都可記錄出心電變化的圖象，這種測量方法叫做雙極導聯(lián)，所測的電位變化是體表被測兩點的電位變化的代數(shù)和，分析波形較為復雜。如果設法使兩個測量電極之一，通常是和描記器負端相連的極，其電位始終保持零電位，就成為所謂的“無關電極”，而另一個測量電極則放在體表某一測量點，作為“探查電極”，這種測量方法叫做單極導聯(lián)。由于無關電極經常保持零電位不變，故所測得的電位變化就只表示探查電極所在部位的電位變化，因而對波形的

12、解釋較為單純由于心電信號為弱信號，</p><p>　　方案1 標準導聯(lián) </p><p>　　屬雙極導聯(lián)，只能描記兩電極間的電位差。題目只要求制作簡易心電圖儀，故選用方案1標準導聯(lián)</p><p>　　方案2 加壓單極肢導聯(lián) </p><p>　　將探查電極放在標準導聯(lián)的任一肢體上，而將其余二肢體上的引導電極分別與5000歐姆電阻

13、串聯(lián)在一起作為無關電極。這種導聯(lián)記錄出的心電圖電壓比單極肢體導聯(lián)的電壓增加50％左右，故名加壓單極肢體導聯(lián)。</p><p>　　方案3 單極胸導聯(lián) </p><p>　　將一個測量電極固定為零電位（中心電端法），把中心電端和心電描記器的負端相連，成為無關電極。另一個電極和描記器正端相連，作為探查電極，可放在胸壁的不同部位。分別構成6種單極胸導聯(lián)。</p><p&g

14、t;　　因系統(tǒng)對抗干擾和信號處理能力有較高的要求，所以方案論證主要集中在數(shù)據(jù)采集和信號處理部分。</p><p>　　二 數(shù)據(jù)采集部分方案論證比較</p><p>　　用20mm × 20mm 薄銅皮作為與皮膚接觸的簡易電極，因此數(shù)據(jù)采集部分的方案選用主要在信號的放大部分。關于信號放大的方案論證如下：</p><p>　　方案1 OP07、NE553

15、4 </p><p>　　采用如OP07、NE5534 等低噪聲，具有一定精度的普通運算放大器來構建放大電路，但從體表采集到的信號除了人體心臟產生的電信號外，還包含肌電、呼吸以及50Hz工頻信號等帶來的干擾。其中，工頻干擾引起的共模信號可能遠大于心電信號，從而影響系統(tǒng)對心電信號的分析，因此，CMR（共模抑制比）是衡量心電圖儀性能的重要指標之一。心電圖儀要求運算放大器的CMR不小于80dB。上述兩種運算放大器的共

16、模抑制能力雖能滿足這個要求，但用這樣的單個運放構成的電路難以達到較高的CMR，故不采取此方案。</p><p>　　方案2 INA128 </p><p>　　采用低功耗、高精度的儀表放大器——INA128。其具有良好的共模輸入抑制能力，CMR 大于120dB，而且只需外接一個電阻就可調節(jié)增益。INA128可將毫伏級的心電信號放大成伏級信號，便于測量。同時，INA128 對直流電源的要

17、+求低，甚至只需2.25V的直流電源電壓就可表現(xiàn)出色的功能特性，靜態(tài)電流只有700μA，功耗非常低。因此，在小信號放大部分我們選擇儀表放大器INA128。</p><p>　　三 心電信號處理部分方案論證比較</p><p>　　由于心電信號屬于低頻小信號，易受干擾，因此必須對所采集的信號進行高通、低通、陷波處理。因此我們將心電信號處理部分的方案論證主要放在濾波部分。低通濾波部分低通濾波

18、可選有源濾波或數(shù)字濾波。</p><p>　　方案1 RC一階無源濾波</p><p>　　高通濾波部分考慮到本系統(tǒng)高通濾波部分的截止頻率較低，且對精度也沒有嚴格要求，因此選用結構和設計都十分簡單的RC一階無源濾波，其效果不錯且易于實現(xiàn)。</p><p><b>　　方案2 有源濾波</b></p><p>　?、僖?/p>

19、階濾波。其結構相對簡單，且采用了集成運算放大器，因此具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，同時由于具有緩沖作用，</p><p>　　濾波效果比無源濾波器好，幅頻特性曲線可達到-20dB/10倍頻程，但要想實現(xiàn)更明顯的濾波效果，此方案仍未滿足要求。②二階濾波 。它和一階濾波采用類似的結構，但幅頻特性曲線能達到-40dB/10倍頻程，濾波效果比一階明顯。</p><p>　?、鄱A以上的高階濾波。它是

20、由多個一階和二階濾波器組成的，效果自然要比上述兩種濾波器好，但其電路比一階和二</p><p>　　階復雜，所需電阻電容較多，而電阻電容的實際值很難與設計要求精確匹配，有時為了匹配一個阻值需要好幾個電阻串并聯(lián)，同時由于不能避免環(huán)境因素對電阻電容的影響，因此用的電阻電容越多，誤差就越大，導致實際的濾波效果與設計時所期望的存在一定差距。本題目只對截止頻率的精確度有要求，而對系統(tǒng)的頻域衰減速率未做特別要求，因此可以不必

21、選擇高階濾波方案。</p><p>　　方案3 數(shù)字濾波方案 　</p><p>　　數(shù)字濾波的優(yōu)點是參數(shù)可調節(jié)性好，可以通過更改程序中的參數(shù)對截止頻率進行精確的調節(jié)，由于參數(shù)不會隨溫度等環(huán)境因素改變，從而精確度得到保證。但是數(shù)字濾波對處理器的要求比較高，想要得到更好的濾波效果就要求濾波器取更高的階數(shù)，處理器時鐘周期盡可能小，乘法的計算速度盡可能大 ，一般非DSP處理器達不到要求。本系統(tǒng)

22、的數(shù)字處理器凌陽61A單片機可達到49.512MHz的時鐘頻率，而且提供計數(shù)器計時中斷。計數(shù)器的時鐘源頻率最高可以設置為24.512MHz，經過分頻后有多種采樣頻率可選。而且凌陽單片機的匯編語言中已經有FIR算法可以直接應用，因此可以做出16階的數(shù)字濾波。雖然16階的數(shù)字濾波器效果不是十分理想，不能充分發(fā)揮數(shù)字濾波的性能，但可以起輔助濾波作用。</p><p>　　綜上所述，由于本系統(tǒng)除了波形處理外，還要求具有數(shù)

23、字存儲和回放功能，因此本系統(tǒng)采用模擬、數(shù)字濾波相結合的方案，對通過兩種標準導聯(lián)所采集的兩路心電信號分別進行以100Hz 和500Hz 為截止頻率的模擬低通濾波，對要進行存儲的信號，在用單片機采樣的同時對其進行數(shù)字濾波，截止頻率可設置低于50Hz，以避免工頻信號干擾，使所存儲回放的心電波形更為清晰。</p><p>　　四 陷波處理方案論證比較</p><p>　　本系統(tǒng)要除去工頻50Hz

24、的干擾，需要對混雜在心電信號里的50Hz信號作盡可能大的衰減處理。處理方案集中在兩種：自適應相干模板法和模擬陷波法。</p><p>　　方案1 自適應相關模板法 </p><p>　　自適應相關模板法利用工頻干擾的相關特性， 從原始輸入信號中得到工頻干擾的模板， 進而從原始輸入信號中減去工頻干擾的模板， 達到濾除工頻干擾的目的。但這種方法算法雖簡單但程序設計比較復雜，考慮到課程設計時間

25、有限，故不采取這個方案。</p><p>　　方案2 模擬陷波法</p><p>　　圖1 為雙Ｔ網絡幅頻特性曲線。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　通過圖1幅頻特性可知， 對于ω=ω0的其他頻率信號， 通過雙T網絡具</p><p>　　有較強的負反饋，因為雙Ｔ網

26、絡具有良好的濾波特性， 在儀表的電源噪聲濾波電路中獲得了較為廣泛的應用， 又因為雙T 網絡具有比RC串、并聯(lián)網絡更好的選頻特性，故我們選用雙T 網絡進行陷波。綜上比較，模擬陷波方案比較簡易可行，因此選擇模擬陷波方案</p><p><b>　　系統(tǒng)設計</b></p><p>　　綜合以上方案論證與分析，我們得出總體設計框如下：</p><p>

27、;<b>　　圖2</b></p><p><b>　　1 前置放大部分</b></p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　為心電信號放大電路。電極采集到的心電信號大約為20 μ V～20mV，而靈敏的儀表放大器INA128 只需外接一個電</p><p>

28、;　　阻就能將信號放大1～10000 倍，其增益G 與外接電阻的RG 的計算公式為：</p><p><b>　　RG</b></p><p>　　當G=1000時，RG=50.05Ω。</p><p><b>　　2．濾波器部分</b></p><p>　?。?）低通部分 圖4</p>

29、<p>　　為設計低通濾波器的幅頻特性曲線，其中，F(xiàn)pb (Pass band Frequency)、 Fsb ( Stop band Frequency)，由于題目要求高頻截止頻率為500Hz，因此我們在放大心電信號后對其進行濾波。濾波器設計采用Filter Wizard軟件，設置衰減3dB時對應頻率為500Hz，衰減1 0 d B 時對應頻率為900Hz。軟件計算生成了一個二階的巴特沃茲低通濾波器并給出了相關的電阻電容

30、參數(shù)。其設計仿真圖與設計電路圖如圖5 所示。</p><p><b>　　圖6a</b></p><p><b>　　圖6b</b></p><p>　　圖6a 為低通濾波器的頻率特性曲線，是經過PSPICE對圖4的仿真結果圖。其中濾波器為輸入電壓振幅為1V的正弦波。從圖6b 可以看出濾波器的截止頻率為500Hz，完全符

31、合設計要求。</p><p>　　（2）高通部分 題目要求心電放大器低頻截止頻率在設計中保證為0.05Hz，沒有要求進行測試，可用無源的RC 網絡來實現(xiàn)。由公式：</p><p>　　，取C為4.7μF，則R= =677.60kΩ我們選用680kΩ的電阻。</p><p>　?。?）陷波部分 由于有工頻電源磁場作用于導聯(lián)與人體之間的環(huán)行電路，因此從人體探測到的心電信

32、號自然就包括50Hz工頻信號及其諧波的干擾，微弱的心電信號往往被湮沒在相對比較大的噪聲干擾中。因此有必要對其進行抗干擾處理。為此我們使用了陷波器祛除50Hz的工頻干擾。我們使用相同軟件設計了陷波器。由于電阻電容值無法完全匹配設計參數(shù)，因此實際應用的雙T 帶阻陷波器效果沒有仿真的好，于是我們通過將輸出信號以反饋的方式作用于輸入端，提高了陷波的衰減倍數(shù)，使得陷波的效果更好。陷波器電路如圖7 所示。</p><p>&

33、lt;b>　　圖7</b></p><p>　　3．鍵盤控制與波形存儲</p><p>　?。?）鍵盤控制 利用凌陽61A單片機板上自帶的兩個按鍵進行波形存儲與波形回放的控制，而沒有外掛鍵盤，以精簡電路。同時通過I/O口之間的連接控制另一片單片機做語音提示。</p><p>　?。?）波形存儲 本題有存儲心電波形的要求，而本系統(tǒng)所用的凌陽SPCE6

34、1A單片機有32kwords的片上flash，除去固化程</p><p>　　序所用的flash外，還有很多空間可用，因此可利用片上flash進行波形存儲。用計數(shù)器定時采樣，采樣頻率約為3kHz，每次采樣占用1word的flash存儲空間，為保證不與存儲的程序代碼沖突，只用20k的flash，理論存儲時間為： 20k/ 3k ＝ 6.67s。我們使用的是凌陽61A 單片機片上的ADC，其輸入動態(tài)范圍為0～3.3V

35、。觀察處理后的心電信號波形，其最小值為-1V左右，所以我們利用了一個范圍在0～2V的可調加法器將心電信號偏置到0～3V 之間，保證能采集到全部的心電信號。</p><p>　　在存儲之前對采樣的數(shù)據(jù)進行數(shù)字低通濾波，使存儲的心電信號更為清晰。</p><p><b>　　4．屏蔽盒</b></p><p>　　考慮到心電信號極其微弱，而測試環(huán)境

36、存在著強烈的電磁干擾（周圍有許多計算機），盡管我們在前述的設計當中已盡量地排除了干擾，但本著精益求精的原則，我們還為信號采集與放大部分加上了屏蔽盒。由于金屬外殼可阻擋外界的電磁干擾，我們用黃銅皮做了一個方形的外殼加在電路板外，并將金屬殼與大地相連。測試表明效果有所改善，心電信號基線上的紋波變小了。</p><p><b>　　測試儀器與測試結果</b></p><p>

37、;<b>　　1．測試儀器</b></p><p>　　FLUKE17B 多功能數(shù)字萬用表，數(shù)字示波器Tektronix T D S 1 0 0 2 ，Y B 1 6 2 0 P 功率函數(shù)發(fā)生器利用ICL8038制作出來的函數(shù)發(fā)生器具有線路簡單，調試方便，功能完備?？奢敵稣也?、方波、三角波，輸出波形穩(wěn)定清晰，信號質量好，精度高，直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　DF

38、1731SL1ATA，F(xiàn)LUKE45 多功能測試儀。</p><p><b>　　2．測試</b></p><p>　　針對題目的基本要求與擴展要求，我們進行了測試。</p><p>　?。?）電壓放大倍數(shù)與輸出電壓動態(tài)范圍測試 通過YB1620P功率函數(shù)發(fā)生器產生一個小幅值電壓信號作為輸入，用示波器</p><p>　

39、　來檢測其輸出電壓波形，讀取輸出波形的幅值，得到增益測試</p><p><b>　　數(shù)據(jù)如表1，</b></p><p><b>　　表1</b></p><p>　　表1中電壓均為峰峰值。結果分析：系統(tǒng)的放大倍數(shù)在1000 ± 5% 的范圍內，輸出電壓也滿足動態(tài)范圍大于±10V的要求。</p&

40、gt;<p>　?。?）-3dB 高頻截止頻率（理論截止頻率500Hz）輸入峰-峰值為7V的正弦波，頻率調節(jié)范圍為50～550Hz，用示波器測量輸出電壓峰-峰值，所得低通濾波電路測試數(shù)據(jù)</p><p><b>　　如表2。</b></p><p><b>　　表2</b></p><p>　?。?）頻帶內響

41、應波動指標測試為了減小工頻干擾我們引用了陷波電路，所以對50Hz左右的信號衰減是較大的，自然也就不能滿足題目對“頻帶內響應波動在± 3dB 之內”的要求。</p><p>　　（4）直流穩(wěn)壓電源測試 因為示波器在測量毫伏級的信號時誤差較大，所以用FLUKE45雙顯示多功能測試儀來檢測自制電源的紋波。在給放大器供電情況下，輸出交流噪聲有效值為0.1mV。</p><p>　?。?）

42、共模抑制比測試由于選用的是儀表放大器INA128，其DATA SHEET中已標明它的CMR能達到120 dB，因此能滿足題目對“共模抑制比大于等于60dB”的要求。</p><p>　?。?）人體心電信號測試 讓被檢測人員靜臥，將電極安裝在相應部位，在電極安裝前用醫(yī)用酒精涂抹在電極放置部位，清潔皮膚表面，以減小電極接觸電阻。并叮囑被檢測人員保持平穩(wěn)呼吸以減小基線漂移，同時全身肌肉放松以減小肌電干擾。測試得到心電信

43、號與題目要求非常近似，但由于時間問題，未及時記錄。兩路信號（一路為100Hz 低通濾波，另一路為500Hz低通濾波），可同時接入示波器顯示，其中用100Hz低通濾波的波形明顯比500Hz低通濾波的波形清晰。</p><p>　?。?） 波形存儲與回放 先將用加法器處理過的心電信號輸入A/D，并按鍵進行存儲，系統(tǒng)提示“存儲完畢”后將輸入端</p><p>　　斷開，按鍵回放波形，發(fā)現(xiàn)仍有輸出

44、且與剛才存儲的一段匹配，從而驗證了波形存儲回放功能。</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　1在完成這個簡易心電圖儀的過程中，得到黃智偉博士的悉心指導，綜合運用已學習過模擬電路和數(shù)字電路等知識，閱讀相關集成電路芯片資料和相關文獻，了解電子電路設計的有關知識，方法和特點，掌握基本的電子電路設計和芯片使用方法。我們把注意力主要集中在濾波器的設計

45、和調試上。合理地運用軟件設計濾波器可以節(jié)省很多功夫，但完全照搬也不能達到預想的效果，因為實際參數(shù)無法與設計精確匹配，因此我們的做法是在關鍵的地方用可調器件，為電路留下余地。只要正確地調節(jié)就能達到指標要求，掌握查閱有關資料的技能?；救蝿帐窃O計一個小型數(shù)字電子系統(tǒng)。本課程設計以數(shù)字電子技術的基本理論為指導，因而應具備相關的理論知識，包括：脈沖的基本概念；數(shù)字和進制的基本概念；TTL、CMOS類型常用器件的性能特點；組合電路的基本概念、簡單

46、分析、設計方法；時序電路的基本概念、簡單分析、設計方法；脈沖電路的功能和性能等。特別要加強“系統(tǒng)”的概念，從“系統(tǒng)”的層次分析問題、解決問題?；痉椒ǔ藢嶒炚n中要求掌握的功能測試、故障排除等各種一般方法以外，要特別注重使用“電路拼裝”的方法。</p><p>　　2 不要死讀書，平時要多接觸一些東西，像這次我的截圖就是利用了QQ聊天軟件中的截圖功能。學東西要融會貫通。</p><p>

47、　　3 要善于理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)自己的動手動腦能力，以科學的態(tài)度對待學習，培養(yǎng)嚴謹而全面的研究思維。與其臨淵羨魚，不如退而結網。這次電子課程設計給我的最大的印象就是如果自己有了興趣，就動手去做，困難在你的勇氣和毅力下是抬不了頭的。從做這個電子課程設計開始無論遇到什么困難，我都沒有一絲的放棄的念頭。出于對知識的渴望，出于對新技術的好奇，出于對一切未知的求知。我完成了這次電子課程設計，不過這只是我學習路上的驛站。</p>&

48、lt;p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　黃智偉．全國大學生電子設計競賽技能訓練．北京：北京航空航天大學出版社，2007</p><p>　　黃智偉．全國大學生電子設計競賽制作實訓．北京：北京航空航天大學出版社，2007</p><p>　　《基于multisim2001的電子電路計算機仿真設計與分析》黃智偉等著 電子工