心電采集系統(tǒng)相關(guān)電路介紹

1、心電采集(cij)系統(tǒng)相關(guān)電路介紹共二十三頁主要(zhyo)內(nèi)容1、基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 簡介 1.2 導(dǎo)聯(lián)方式2、硬件電路 2.1并聯(lián)差動(dòng)放大器 2.2共模驅(qū)動(dòng) 2.3右腿驅(qū)動(dòng)3、數(shù)據(jù)處理方式 自適應(yīng)相干(xinggn)模板法濾波共二十三頁生物電是一種最重要生物醫(yī)學(xué)信息，反映了人體或生物的重要的狀態(tài)信息。但生物電信號(hào)具有低幅值、低頻率、伴隨著強(qiáng)24個(gè)數(shù)量級(jí)的干擾，因此，在常規(guī)的生物電檢測儀器中需要高倍的放大器和復(fù)雜的濾波器等電路，使得整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴(nggu)和工藝性差。目前，物聯(lián)網(wǎng)的研究和應(yīng)用正在方興未艾，物聯(lián)網(wǎng)可望在對個(gè)人健康信息的檢測中發(fā)揮超出想象的作用，如正在出現(xiàn)的體域網(wǎng)、醫(yī)聯(lián)網(wǎng)等服

2、務(wù)健康、醫(yī)學(xué)的多種網(wǎng)絡(luò)。但物聯(lián)網(wǎng)中的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一是短距無線網(wǎng)絡(luò)，短距無線網(wǎng)絡(luò)對另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)傳感的要求就是微小體積和功耗。綜上所述，能否實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)學(xué)和健康中應(yīng)用的關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)微功耗、小體積的情況下對人體信息的高可靠和準(zhǔn)確地檢測。共二十三頁心電、呼吸、心輸出量等生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命指征心電信號(hào)是一種較微弱的體表電信號(hào)，其幅值約為0.5mV4mV，頻率主要分布在0.05Hz75Hz 的范圍內(nèi)。在心電檢測中，極化(j hu)電壓、50Hz工頻、肌電信號(hào)干擾影響檢測波形。共二十三頁1.1心電圖簡介 心電圖指的是心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖

3、生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位(din wi)變化的圖形（簡稱ECG）。心電圖是心臟興奮的發(fā)生、傳播及恢復(fù)過程的客觀指標(biāo)。典型(dinxng)的心電圖各波、段及間期的名稱 心臟的生理功能與心電圖之間存在著密切的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)心臟生理功能發(fā)生失常時(shí)，均可以從心電圖的波形變化上反映出來。共二十三頁1.2導(dǎo)聯(lián)方式(fngsh)2、加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)連線方式1、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián) 將人體看成是一個(gè)具有長，寬，厚三維空間的容積導(dǎo)體。心臟好比電源，無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反應(yīng)到體表。在體表很多點(diǎn)之間存在電位差，因此在不同導(dǎo)聯(lián)方式下所得到的心電圖也不一樣。共二十三頁3、單級(jí)胸導(dǎo)聯(lián)共二

4、十三頁差分(ch fn)放大右腿驅(qū)動(dòng)(q dn)共模驅(qū)動(dòng)低通濾波高通濾波共二十三頁信號(hào)檢測硬件設(shè)計(jì)電路(dinl)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，功耗低不需要進(jìn)行任何調(diào)試工作，對元器件參數(shù)的精度和匹配要求也相對較低解決以往信號(hào)(xnho)采集在放大、飽和等方面的多種困擾，省略了后級(jí)放大、模擬濾波、陷波等多個(gè)環(huán)節(jié)不僅可以實(shí)現(xiàn)對人體心電、呼吸或心輸出量的檢測，也可以應(yīng)用于多種其他類型的信息檢測，如血壓等。共二十三頁2.1 放大(fngd)電路 放大電路(dinl)部分分為兩級(jí)，高通濾波電路(dinl)和并聯(lián)差動(dòng)放大電路(dinl)。電路(dinl)的共模抑制比為：高通并聯(lián)并聯(lián)差動(dòng)放大電路 輸出僅僅包含差模信

5、號(hào)，因此，當(dāng)兩個(gè)放大器參數(shù)完全對稱的話，CMRRB趨近于無窮大。但是實(shí)際放大器參數(shù)是不能完全對稱的，因此，要增加放大倍數(shù)。 電路中直流電壓的存在影響放大倍數(shù)的提高。共二十三頁高通濾波電路(dinl) 高通濾波器的截止頻率為0.05Hz，以消除極化電壓對后面放大倍數(shù)的影響。為了保證較高的CMRRF ，應(yīng)該使電阻電容達(dá)到較高的匹配(ppi)精度。若使CMRRT達(dá)到80dB，CMRRF要大于80dB，要求兩個(gè)高通濾波電路中的參數(shù)誤差小于1/10000。此時(shí)，需要設(shè)計(jì)共模驅(qū)動(dòng)電路，以避免由于電路中參數(shù)的不匹配造成的共模信號(hào)向差模信號(hào)的轉(zhuǎn)變。共二十三頁2.2共模驅(qū)動(dòng)(q dn)電路 共模驅(qū)動(dòng)電路的工作原

6、理是采用兩個(gè)相等(xingdng)阻值的電阻從兩個(gè)輸入端取得共模信號(hào)（兩個(gè)輸入端的差模信號(hào)在運(yùn)放A1的輸入端疊加的結(jié)果為0），因而運(yùn)放A1構(gòu)成的跟隨器的輸出也為共模信號(hào)，用共模信號(hào)去驅(qū)動(dòng)高通濾波器原來接地的一端，使得高通濾波器的輸出也為共模信號(hào)（但對差模信號(hào)卻依然起到高通濾波作用）。因而，有了共模驅(qū)動(dòng)電路，就可以在并聯(lián)差動(dòng)放大器的前端加接高通濾波器而不影響電路總的共模抑制比，進(jìn)而為提高并聯(lián)差動(dòng)放大器的差模增益提供了條件，最終大幅度提高了電路的共模抑制比。UC為共模信號(hào)。對于差模信號(hào)，UAO=UAi=0。對于并聯(lián)差動(dòng)放大電路的輸出，僅含有差模信號(hào)。共二十三頁總結(jié)： 共模驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，在電路參數(shù)

7、不匹配的情況下，也能夠保證整個(gè)電路具有較高的共模抑制比。 但是，在實(shí)際電路中，也會(huì)有其它的干擾阻止放大電路的放大倍數(shù)，如工頻干擾，此時(shí)(c sh)，可以采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，以進(jìn)一步的減小共模干擾。共二十三頁2.3右腿驅(qū)動(dòng)(q dn)電路共二十三頁 在不丟失心電信息的前提下，右腿驅(qū)動(dòng)電路是抑制工頻干擾(gnro)的有效方法，更重要的是右腿驅(qū)動(dòng)電路將人體與檢測電路連接，形成一個(gè)閉環(huán)回路，以增加電路的穩(wěn)定性。此外，為了保證ADC的分辨率，在運(yùn)放的同向輸入端加一基準(zhǔn)電壓，將電壓抬高到ADC的輸入范圍內(nèi)。為了評價(jià)右腿驅(qū)動(dòng)電路的抗噪聲能力，將電路進(jìn)行了等效人體的共模信號(hào)可以等效成一個(gè)電壓源加內(nèi)阻的形式。R為

8、幾K到幾十K歐姆的接觸阻抗，K為放大器A4的放大倍數(shù)，ZS 為107歐姆，K為102-103，（1）式可以等效為：（1）共二十三頁 AC大約為10-5-10-6，因此，右腿驅(qū)動(dòng)(q dn)電路能夠有效的降低共模信號(hào)。 總之，通過共模驅(qū)動(dòng)電路，高通濾波電路，差分放大電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路的合理設(shè)計(jì)，心電信號(hào)檢測的前端電路可以達(dá)到較高的共模抑制比。 ADC之前的低通濾波電路也稱之為抗混疊濾波器，是濾處電路中的高頻干擾，其截至頻率一般設(shè)計(jì)為采樣頻率的一半。共二十三頁整體(zhngt)電路圖共二十三頁 在生物信號(hào)采集系統(tǒng)中，通常會(huì)引入各種噪聲干擾，其中的工頻干擾及基線漂移尤為普遍。相對于待分析信號(hào)，這兩類

9、干擾通?？煽醋稣瓗盘?hào)。 許多研究人員進(jìn)行了這類于擾抑制的專題研究并取得了較好的效果，但多數(shù)方法的計(jì)算或?qū)崿F(xiàn)電路較為復(fù)雜。由李剛教授等提出的自適應(yīng)相干模板法，可同時(shí)抑制工頻干擾及基線漂移。 該方法根據(jù)工頻干擾的特點(diǎn)，從原始信號(hào)中得到工頻干擾的模板，再從原始信號(hào)中減去工頻干擾的模板，達(dá)到濾除工頻干擾的目的。 算法僅通過采樣數(shù)據(jù)的累加、移位及減法操作即可實(shí)現(xiàn)，較為簡便，適合于在普通微處理器上的實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)(shyng)相干模板法濾波共二十三頁基本原理 自適應(yīng)相干模板法的基本原理是根據(jù)工頻干擾的特點(diǎn)(tdin)，從原始信號(hào)中得到工頻干擾的模板，再從原始信號(hào)中減去該模板，達(dá)到濾除工頻干擾的目的。共二十

10、三頁 假設(shè)X(n)為原始輸入信號(hào)，其中(qzhng)S(n)為有用信號(hào)，N(n)為工頻干擾信號(hào)，即：X(n) = S(n)+N(n)，則可定義模板信號(hào)T(n)為： (1) 式中，fs是信號(hào)的采集頻率，fg是工頻干擾的頻率(50Hz)。在自適應(yīng)模板法中，要求fs為fg的整數(shù)倍，即：fs=50kHz（k為正整數(shù)）。 N(n)為周期信號(hào)，且以k為周期，有： 若S(n)為零均值信號(hào)，當(dāng)M足夠大時(shí)，有： 共二十三頁 將式(2)、(3)帶入到1中，則有： 因此(ync)，只要從X(n)中減去T(n)就能得到S(n),達(dá)到濾除工頻干擾的目的，即：共二十三頁共二十三頁內(nèi)容摘要心電采集系統(tǒng)相關(guān)電路介紹。將人體看成是一個(gè)具有長，寬，厚三維空間的容積導(dǎo)體。在體表很多點(diǎn)之間存在電位差，因此在不同導(dǎo)聯(lián)方式下所得到的心電圖也不一樣。結(jié)構(gòu)簡單，成本低，功耗低。輸出僅僅包含差模信號(hào)，因此，當(dāng)兩個(gè)放大器參數(shù)完全對稱的