心電信號(hào)放大系統(tǒng)

1、 院 系：電子與電氣工程學(xué)院 課程名稱：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 心電信號(hào)放大系統(tǒng)摘要 人體的心臟是循環(huán)系統(tǒng)的核心，心臟的活動(dòng)是由生物電信號(hào)引發(fā)的機(jī)械收縮。在人體這個(gè)三維空間導(dǎo)體當(dāng)中，這種生物電信號(hào)可以波及人體各個(gè)部分，在人體體表產(chǎn)生規(guī)律性的電位變化。在人體體表的一定位置安放電極，按時(shí)間順序放大并記錄這種電信號(hào)，可以得到連續(xù)有序的曲線，這就是心電圖。 這次主要分析了心電信號(hào)放大系統(tǒng)的特征。心電信號(hào)的各種生理參數(shù)都是復(fù)雜生命體(人體)發(fā)出的強(qiáng)噪聲條件下的弱信號(hào)(除體溫等直接測(cè)量的參數(shù)外)，心電信號(hào)的幅度在l o肛V4mV之問，頻率范圍為O05一l 00Hz，淹沒在5

2、0Hz的工頻干擾和人體其他信號(hào)之中，檢測(cè)過程及方法較復(fù)雜。去除信號(hào)檢測(cè)過程的干擾和噪聲、進(jìn)行心電信號(hào)的分析是心電儀器的重要功能之一，心電信號(hào)的放大質(zhì)量直接影響著分析儀器的性能和對(duì)人體心臟疾病的診斷。這次設(shè)計(jì)了一個(gè)心電信號(hào)檢測(cè)放大電路仿真，充分考慮了人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，采用前置差動(dòng)放大+帶通濾波器+50Hz陷波器(帶阻濾波器)組成的模式，并且利用Mu l t i s i m軟件對(duì)相應(yīng)的電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明電路的放大濾波性能很好，硬件電路搭建后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，電路能夠很好地完成人體心電信號(hào)的檢測(cè)放大。 心電圖日前已廣泛應(yīng)用于診斷疾病、體檢、手術(shù)麻醉、用藥觀察、航天航空、潛水、登山運(yùn)動(dòng)、科考

3、，以及各種危重病人的搶救、突發(fā)公共衛(wèi)生事件等領(lǐng)域，是醫(yī)生和科研的一件利器。 它的主要應(yīng)用集中在七個(gè)方面，分別說明如下：(1)、對(duì)鑒別各種臨床上暫時(shí)不能確診的心律失常最有實(shí)際意義。(2)、幫助確定心肌病變。如心肌梗塞、心肌炎、心絞痛及慢性冠狀動(dòng)脈供血不足等。(3)、急性心包炎、縮窄性心包炎的輔助診斷。(4)、提示心房、心室肥厚擴(kuò)大的情況，從而協(xié)助臨床診斷。例如風(fēng)濕性膜病、肺心病及先滅性心肼：瘸等。(5)、提示藥物的影響。例如洋地黃、奎尼丁、吐根堿和某些抗癌藥物(如阿霉素)等，在用藥過程中如影響心臟，心電圖可及時(shí)反映。(6)、提示電解質(zhì)紊亂，例如血鉀過高過低等。(7)、在心臟手術(shù)中，心導(dǎo)管檢查時(shí)，

4、進(jìn)行心電圖監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)反映心律與心肌功能情況，借此指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)行，并提示必要的藥物處理。1. ECG原理心電圖原理就是吧人體心臟搏動(dòng)過程中所產(chǎn)生的微弱信號(hào)提取出來，并且進(jìn)行放大后描記下來的一種儀器。它所描記的圖形就是心電圖。2.心電圖設(shè)計(jì)2.1心電信號(hào)的采集及預(yù)處理 心電信號(hào)的采。集白1903年發(fā)明第一臺(tái)弦線型心電圖儀后，很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)都是采用單通道放大器按l 2導(dǎo)聯(lián)排列順序依次采集心電信號(hào)。這種采集方式不能同步觀察12導(dǎo)聯(lián)同一心動(dòng)周期的心電波形，既影響臨床心電圖診斷質(zhì)量，也使自動(dòng)分析技術(shù)復(fù)雜化。近年，由于高性能放大集成塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及高分辨的熱敏描記器等高科技產(chǎn)品的出現(xiàn)，12導(dǎo)同步心電

5、信號(hào)的采集、放大和描記技術(shù)已不存在問題。在技術(shù)上，商品化的12導(dǎo)同步心電圖分析儀通常只采用8通道放大器，同時(shí)采集8導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，例如I，II，V1V5，其余導(dǎo)聯(lián)心電圖可由Einthoven公式推導(dǎo)獲得。例如ITI=III，aVR=12(I+II)，aVL=I一12 II，avF=II一12 T。這種采集技術(shù)降低了硬件成本。由于只需儲(chǔ)存8導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，還可節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間達(dá)30。 （1) 模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換和采樣率計(jì)算機(jī)只能分析數(shù)字信號(hào)，因此必須首先把采集到的心電模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，即AD轉(zhuǎn)換。信號(hào)數(shù)字化的精度取決于AD轉(zhuǎn)換的分辨率，常用“二進(jìn)制位”(bit)表示。例如8位AD僅只能把輸入的模

6、擬電壓分辨成28即256級(jí)水平而lO位AD的分辨率可達(dá)2“即1024級(jí)水平。另外，AD輸入l電樂窗選擇過大也會(huì)影響到伶測(cè)低振幅信號(hào)的能力。目前，絕大多數(shù)商業(yè)化自動(dòng)分析儀均采用土二iV電壓翁和IO12位AD分辨率(可檢測(cè)到125uVjuV電壓變化)，以符合有關(guān)國(guó)際醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)推薦的標(biāo)準(zhǔn)。過去熱筆式摘記的心電圈儀一般采用250點(diǎn)s(5OHz)采樣率。近年，有關(guān)權(quán)威性國(guó)際醫(yī)療機(jī)構(gòu)推薦計(jì)算機(jī)化的心電圖自5()()點(diǎn)s(500IIz)，近年，有關(guān)權(quán)威性國(guó)際醫(yī)療機(jī)構(gòu)推薦計(jì)算機(jī)化的心電圖自動(dòng)分析采樣率標(biāo)準(zhǔn)至少為500點(diǎn)s(500Hz)，以高保真地記錄心電各波形的主要變化信息，包括各種切跡和挫折變化。圖1為心電模

7、擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化表示的示意圖。從圖中可看出，采樣點(diǎn)之間問隔越小，心電圖波形的保真度性能就越好。采用掃描速度25mms時(shí)，250點(diǎn)s采樣意味著每間隔0.1mm(4ms)采集一個(gè)電壓變化數(shù)字，數(shù)值的大小反映電壓振幅的高低。如采用500點(diǎn)s采樣意味著每間隔0.05mm(2ms)采集一個(gè)電壓變化數(shù)字，可以高保真地記錄心電波形。 圖1 心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化表示的示意圖（2）噪聲抑制處心電信號(hào)不可避免地受到各種類型的噪聲干擾，抑制和排除噪聲是信號(hào)預(yù)理的重要內(nèi)容。2.2 心電測(cè)量電路的特殊性心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)心功能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的關(guān)鍵部件，要求該系統(tǒng)能在強(qiáng)的噪聲背景下，通過體炭傳感器不失真地將心電

8、信號(hào)檢測(cè)出來，放大至合適的幅度，送入AD卡變成數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)分析處理，系統(tǒng)原理如圖2所示。 圖2 心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖 體表心電信號(hào)的頻率范圍為O250Hz，信號(hào)主要成分集中在0.05100Hz；幅度為10 u v4mv(典型值為1mV)，是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)。人體牛物信號(hào)的測(cè)量條件相當(dāng)復(fù)雜，包括肌電信號(hào)、呼吸波信號(hào)、腦電信號(hào)等體內(nèi)干擾信號(hào)和以50Hz工頻干擾為主的體外電磁場(chǎng)干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量電路的影響使測(cè)量電路的設(shè)計(jì)難度提高，去除心電信號(hào)提取過程的干擾和噪聲，進(jìn)行心電信號(hào)的分析檢測(cè)是心電測(cè)量?jī)x器的重要功能之一。心電信號(hào)的放大質(zhì)量直接影響著儀器的性能。心電信號(hào)提取過程中的T擾信號(hào)主

9、要來源于： (1) 50Hz、220v交流電源是最直接的干擾源；生物電信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50Hz的干擾，而且它存住于所有的測(cè)量環(huán)境中，其抑制方法比能量很的各種電磁輻射干擾同難： （2) 測(cè)量系統(tǒng)本身也產(chǎn)生對(duì)內(nèi)部、對(duì)外界其他電子設(shè)備的電磁干擾，造成互相干擾的電磁環(huán)境；(3) 來自外部的干擾(有時(shí)還有系統(tǒng)內(nèi)部生成的干擾)和系統(tǒng)本身對(duì)外界其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾。心電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題是；由于信號(hào)微弱，所以需求高放大倍數(shù)；同時(shí)由于信號(hào)源（人體）內(nèi)阻大，所需放大器必須有很高的輸入阻抗；又由于人體相當(dāng)于一導(dǎo)體，將接受空間電磁場(chǎng)的各種干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)對(duì)放大器來說相當(dāng)于共模信號(hào)放大器應(yīng)具有較高的共

10、模抑制比：最后由于人體信號(hào)的微弱性，所以要求放大器具有低嗓聲和低漂移特性。 2.21心電采集放大電路概述根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，心電信號(hào)采集過程中一般把電信號(hào)通過不同的引導(dǎo)裝置引出，將信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大電路的初步放大后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大，將放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波，完成信號(hào)的提取和放大過程。該部分的整體框圖如圖3所示，導(dǎo)聯(lián)連接圖如圖4所示。 圖3 心電信號(hào)提取電路框圖圖4 心電信號(hào)放大器連接圖 圖4中的導(dǎo)聯(lián)電極分別為：RA：右臂；LA：左臂；LL：左腿；RL：右腿。 第一路心電信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)J導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端(一)，LA接放大器同相輸入端(+)，RL作為參考電極，接心電放大器參考

11、點(diǎn)。第二路心電信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端(一)，LL接放大器同相輸入端(+)，RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn)。RA、LA、LL和RL的皮膚接觸電極分別通過15m長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與心電信號(hào)放大器連接。2.2.2 前置放大電路 由于生物體的電信號(hào)十分微弱，一般都是毫伏級(jí)，有的甚至是微伏級(jí)，所以必須經(jīng)過前置放大器的放火，才能在示波器顯示或記錄儀上記錄其波形。前級(jí)放大器的增益只能在幾卜倍以內(nèi)，以免干擾信號(hào)同時(shí)被放大，可選用儀表放人器。儀表放大器具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及體稅小等優(yōu)點(diǎn)它既能對(duì)單端信號(hào)又能對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大。根據(jù)生物體信號(hào)大多都是差分

12、信號(hào)的特點(diǎn)，下面以TI公司的INAl28為例，介紹儀表放大器的工作原理。如圖5所示。 INAl28是一種低電壓通用型儀表放大器，其特點(diǎn)如下：(1)低失調(diào)電壓：50 uVmax； (2)低漂移：05uVmax；(3)低輸入漂流：5nAmax； （4）高共模抑制比：120dBmin；(5)寬通帶：200kHz(G=100)；(6)輸入過壓保護(hù)：士4()V：(7)寬電源電壓范圍：士225士18v： (8)低靜態(tài)電流：700LLA；(9)8腳塑料DTP和SO一8封裝。 lNAl28由于其性能優(yōu)良，加之體積小，并可用一個(gè)外部電阻方便地從l到10000設(shè)定增益，使得它能夠廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集放大、醫(yī)用儀器以

13、及多通道系統(tǒng)等很多領(lǐng)域，可以在低至士225V的電源電壓下工作并且靜態(tài)工作電流很小，是便攜式系統(tǒng)的理想器件。INAl2丑的應(yīng)用電路如圖5所示：經(jīng)過傳感器提取的信號(hào)經(jīng)過電壓保護(hù)電路輸入到INAl28的輸入端，反饋電阻設(shè)為Rg=10KQ，根據(jù)INAl28的放大倍數(shù)計(jì)算公式G=l+50 KQRg，放大倍數(shù)約為6倍。 圖5 構(gòu)成的前置放大電路在INA128的使用過程中，需要注意的問題主要有以下幾個(gè)方面：（1) 儀表放大器的正負(fù)電源處，應(yīng)該接濾波電容，以消除電源帶來的干擾，即圖2中的Cl，C1：（2) 儀表放大器的輸出參考電壓端(5腳)應(yīng)該可靠接地。因?yàn)樵撘_對(duì)地的電阻值對(duì)器件的共模抑制比有很大的影晌，例

14、如，5Q的阻值將導(dǎo)致共模抑制比衰減到80dB；(3）儀表放大器INA 128的輸入電壓范圍很寬，可達(dá)到正負(fù)18伏，但是只有在輸入共模電壓小了供電電壓的I25伏左右時(shí)才有較為理想的共模抑制比，所以在信號(hào)很弱時(shí)，應(yīng)該選擇小范圍的供電電壓；(4) 應(yīng)盡量避免使用放大器的高增益段，盡管INA 128的增益根據(jù)反饋電阻的值可以在1到1000之間變化，但是為了減小增益誤差，弱信號(hào)最好采用多級(jí)放大。前置放大器也可采用集成運(yùn)放來構(gòu)成，圖6所示 圖6 集成運(yùn)放構(gòu)成的前置放大電路 為了達(dá)到從強(qiáng)的噪聲背景中提取心電信號(hào)的目的，這樣的前置放大器主要由2個(gè)氖泡、4個(gè)三極管、4個(gè)運(yùn)放和電阻構(gòu)成。信號(hào)輸入端的氖泡Nl、N2

15、用于高壓保護(hù)；輸入端4個(gè)三級(jí)管兩兩反接，一方面使輸入端電壓保持在67V，另一方面保證了放火器輸入端的高阻抗；電阻R3用于限流保護(hù)。這樣的前置放大器的輸入阻抗為10M歐，帶寬1000Hz，增益為20倍，共模抑制比CMRR為90dB，CNRR決定于R6Rll的匹配精度，運(yùn)放A1、A2的匹配程度對(duì)其也有一定影響。 圖7 中級(jí)放大器原理圖2.2.3 中級(jí)放大器，50Hz陷波器，后級(jí)放大器 中級(jí)放大器用來將前置放大電路的心電信號(hào)進(jìn)行再次放大。該部分電路主要包括由圖7中的Rl6R1 8、P2、P3、c3及運(yùn)放A5。本級(jí)采用增益可調(diào)的T型電阻網(wǎng)絡(luò)通過電位器P3來調(diào)整放大倍數(shù)，電位器P2調(diào)整輸入端零電平的位置

16、。該級(jí)增益為40倍。50Hz_頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾源，因此必須用專門的電路去除它。陷波電路被廣泛應(yīng)用于抑制混在生物信號(hào)中的工頻干擾，50Hz陷波器用于濾掉50Hz工頻干擾。圖7的電路中采用有源雙T陷波電路，由R20R22和C4C6構(gòu)成，雙T網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，但其陷波特性差，且無(wú)帶負(fù)載的能力，所以在雙T網(wǎng)絡(luò)的后面加運(yùn)放A6構(gòu)成有源雙T帶阻濾波器，并增加A7進(jìn)行反饋，對(duì)陷波特性進(jìn)行改善，這樣可提高電路性能。后級(jí)放大器的作用是進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，并且提供與AD采集卡相匹配的電位及相應(yīng)的保護(hù)電路。圖7中的后級(jí)放大器的由R34R37，和運(yùn)放A8、A9組成級(jí)聯(lián)放大器。3 心電信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)處理流程 人

17、體體表心電信號(hào)的大小一般只有幾百微伏到幾個(gè)毫伏的信號(hào)強(qiáng)度，需要具有高輸入阻抗的信號(hào)放大，為了消除工頻干擾和其它高頻噪聲源，在心電信弓檢測(cè)放大電路。卜需要充分考慮共模噪聲的抑制和通頻帶的設(shè)置。心電信號(hào)的測(cè)量是針對(duì)心臟心肌細(xì)胞的電活動(dòng)在體表各方向上的投影分量進(jìn)行的，檢測(cè)手段將包含心電電極和連接電欄(即換能器)、信號(hào)放大電路、濾波電路、相應(yīng)的數(shù)字處王坐電路和相應(yīng)的處理軟件等，如圖8所示，即由信號(hào)提取、信號(hào)放大、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)顯示兒部分組成，這是一種直接的電信號(hào)測(cè)量方法。測(cè)量的準(zhǔn)確與否將主要取決十電路的增益設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、信道的通頻帶寬度等。 圖8 心電信號(hào)檢測(cè)處理過程圖 圖9 心電信號(hào)柃測(cè)放大電路設(shè)

18、計(jì)流程圖8中信號(hào)放大與信號(hào)處理部分電路的構(gòu)成如圖10所示，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：差模電壓增益為1000，差模輸入阻抗要求大于107歐，共模抑制比要求大于80dB，通頻帶在0.05200Hz之間。差模電壓增益：1000 差模輸人阻抗：太平107歐姆 共模抑制比；80dB通頻帶：0.05Hz到200Hz之間圖10 電信號(hào)放大處理電路構(gòu)成圖4 心電檢測(cè)電路中前置級(jí)放大的設(shè)計(jì)與仿真 1.用單運(yùn)放構(gòu)成同相比例放大器； 圖11 單運(yùn)放同相比例放大電路其放大倍數(shù)的理論值為：A v=(R1+R2)R1=40(32dB)運(yùn)算放大器LF4llACH的參數(shù)為：Avo=50200(VmV)， Rid=1M歐，K1mr=100dB 圖12 單運(yùn)放差模放大倍數(shù)仿真圖仿真結(jié)果為； 圖13 單運(yùn)救差模放大倍