1、 1 毕业设计文献综述 电子信息工程 简易心电图仪的设计 前言 随着社会的发展和物质生活水平的不断提高 ,人们对健康的重视程度与日剧增 ,特别是近年来社会老龄化的加剧 ,而且每年心血管疾病的发病率也不断上升。目前心血管疾病成了威胁人类生命的主要疾病 ,心脏病已经成了世界上死亡率最高的疾病。鉴于这种严峻形势 ,提高预防和监测该疾病的手段势在必行。而心电信号检测是发现心脏病的最直接手段 ,但目前医院用的心电监护仪价格昂贵 ,维护费用高 ,患者检查的经济负担重 ,不能做到随时随地都能检查 1。 因此设计一种便携式、 价格便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义 。 主题 根据简易心电图仪设计的要求， 并
2、充分考虑各种因素， 制定了整体设计方案： 以前置小信号放大模块、 滤波网络模块、 数字处理模块三大部分为主体系统： 图 1.1 心电图仪基本框架 输入模块 为了满足临床诊断的要求，对心电图仪的电极位置和引线以及与放大器的连接方式有统一规定， 称为心电图的导联系统。目前广泛应用的是 12 导联系统。 其中， 又分为双极肢2 体导联、 单级肢体导联和单级胸前导联。 考虑到题目要求， 我们仅采用双极肢体导联， 这组导联方式又称为 标准导联 2。 在此模块设计方案中引入屏蔽驱动和右腿驱动，以提高系统的共模抑制能力， 进而使系统抑制干扰的能力大大增强。屏蔽驱动。与人体相接触的电极到前置放大器之间有两根约
3、 1.5m 的导联引线， 导联引线用屏蔽电缆。信号线和电缆屏蔽之间存在分布电容，而两根导联线的分布电容不可能完全相等， 加之电极阻抗的不平衡， 导致包括输入回路在内的整个放大系统的共模抑制能力降低， 从而使抑制干扰的能力下降， 为了消除屏蔽层电容的不良影响， 可使导联线的屏蔽层不接地， 从而取出放大电路的共模电压端， 与屏蔽层 连接。右腿驱动。 人体自身通过各种渠道从环境中拾取工频 50Hz 交流电压， 在心电测量中， 形成交流干扰， 这种交流干扰常在几伏以上。 为了消除这一交流干扰，采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连， 以降低人体的共模电压。 把通过电阻网络取出的交流共模电压，送入右腿驱动
4、放大器放大，经过一个限流电阻接到右腿电极， 即等效为以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路 3。 前置放大模块 心电图仪的前级放大器在整机中处于非常重要的地位， 决定了整机的主要技术指标。心电图仪前置放大器要求噪声尽可能低和共模抑制比尽可能 高。 为了提高共模抑制比， 直接选用低噪声、 高共模抑制比、 高输入阻抗、 低功耗的高性能仪表放大器 .由于它的匹配电阻是在内部集成的所以其共模抑制比是不难达到 80dB 的， 使仪器稳定性大为增加 。 二级放大模块 差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态 4。把信号加到两输入端口之间，当输入信号 vo1、 vo2 大小相等、极性相反时，称为差模输入
5、状态。此时，外输入信号称之为差模输入信号，用 vid 表示。同理，把外信号加到两输入端口与地之间，当 vo1、 vo2 大小相等、极性相同时，称之为共模输入状态，此时的外输 入信号称为共模输入信号，以 vIC 表示。 当输入信号使 vo1、 vo2 的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号 vId 和共模信号 vIc两部分组成，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。 (1)当差模输入信号的放大作用为差模信号 vId 输入 (共模信号 vIc=0)时，差分放大器两输入端的信号大小相等、极性相反时，即 vo1= vo2=vId/2,因此差动对管电流增量的大小相3 等、极性相反，导致两输出端对
6、地的电压增量， 即差模输出电压 vod1、 vod2 大小相等、极性相反，此时双端输出电压为： vo=vod1 vod2=2vod1=vod,可见，差放能够有效地放大差模输入信号。注意：差分放大器的公共射极的动态电阻 Rem 对差模信号不起负反馈作用。 (2)对共模输入信号的抑制作用 :当共模信号 vIc 输入 (差模信号 vId=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即 vo1= vo2=vIc,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量， 即差模输出电压 voc1、 voc2 极性相同，大小相等，此时双端输出电压为 vo=voc1 voc2=0,由此可见，差
7、分放大器对共模输入信号具有很强的抑制能力5。 滤波网 络模块 由于心电信号易受噪声干扰，且主要能量成分集中在 0.05Hz 100Hz 频带内，所以本系统采用滤波的方法对心电信号作进一步的降噪处理， 抑制外界干扰 .考虑到器件及抑制干扰的效果，采用二级滤波网络。 信号源经前置放大器送到 0.05Hz 高通滤波器，滤出大于 0.05Hz的频率成分，再送入 500Hz 低通滤波器，从而达到滤除有效频带以外的机电干扰信号。 经过此两级滤波网络后，得到较为光滑的心电信号波形 6. 滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。 滤波主要有两种： 1 是电源 滤波， 2 是信
8、号滤波。 前者利用的是电容的储能特性，一个接在电源两端的电容，当电源电压发生突变时（比如突然下降时），电容上的电压不会发生突变，而是呈现一个缓慢下降过程。同样，电源电压突然升高时，电容的端电压也会是一个缓慢的升高过程（简单的说，把瞬间变化过程变成一个缓慢变化的过程，这样有利于减少电源输出电压的波动，避免在元器件两端出现剧烈的电源变化，如果要求变化越慢，则并联的电容数就越多。电容容值也越大） 后者利用的是电工电子里的复阻抗计算公式，电容的容抗 Z=j(1/ c) 。 从这里可以看出，容抗与信号的 角频率和容值都有关系，如果要对低频信号进行滤波（比较小），则需要让 Z 比较小，也就是要 C 足够大
9、。这样当电容并联在信号线和地两端时，低频信号就可以通过电容流到地（由于电容容值比较大，则容抗比较小，对于低频信号而言，这个大电容就为信号提供了一条阻抗很小的接地通路，你可以看做是低频信号对地短路），这样就实现了对低频信号的滤波。相反，如果选择的电容容值比较小，就可以实现对高频信号的滤波。 （ 1）高通滤波部分 考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低， 且对精度也没有严格要求， 因此选用结4 构和设计都十分简单的 RC 一阶无 源滤波，其效果不错且易于实现。 （ 2）低通滤波部分 低通滤波可选有源滤波或数字滤波。低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想的滤波电路的频率响应在通
10、带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求。为了寻找最佳的近似理想特性，主要考虑幅频响应，而不是考虑相频响应。一般的说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之，滤波器的相频特性越好，幅频特性越差。 1.有源滤波 一阶滤波。其结构相对简单， 且采用了集成运算放大器 .因此具有高输入阻抗和低输出阻抗，同 时由于具有缓冲作用，滤波效果比无源滤波器好， 幅频特性曲线可达到 -20dB/10倍频程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。 二阶滤波 。 它和一阶滤波采用类似的结构， 但幅频特性曲线能达到 - 40dB/10 倍频程， 滤波效果比一阶明显
11、 7。 2.数字滤波 数字滤波的优点是参数可调节性好，可以通过更改程序中的参数对截止频率进行精确的调节，由于参数不会随温度等环境因素改变，从而精确度得到保证 8。但是数字滤波对处理器的要求比较高， 想要得到更好的滤波效果就要求滤波器取更高的阶数，处理器时钟 周期尽可能小，乘法的计算速度尽可能大 ，一般非 DSP 处理器达不到要求 9。 总结 基于人体生物信号通过简易心电图仪进行检测需以前置小信号放大模块、滤波网络模块、5 数字处理模块三大主要模块，通过查找文献资料，使自己在查找资料的同时收获了整理，归纳，综合能力的提高，为以后的科研活动奠定了一些基础。 参考文献 1方彦军， 孙健 .智能仪器技
12、术及其应用 M.化学工业出版社 ,2004(4). 2康光华， 陈大钦 .电子技术基础 （第 4 版 ） M.北京高等教育出版社 ,2003(4). 3杨刚， 周群 .电子系统设计与实践 M.电子工业出版社 ,2004(1). 4原金升 ,高延演 .心电信号磁带存储和回放自动检测技术 .应用科技 .总第 76 期， 1994 第 1期 :23-25 5 原金升 ,高延演 .心电信号磁带存储和回放自动检测技术 .应用科技 .总第 76 期， 1994 第1 期 :23-25 6邓东云 林家瑞，一种生理弱点信号的模拟处理电路的设计，中国医疗器械杂志，1994,5:43-45 7 李远明，陈文涛 .微弱光信号前置放大电路设计 .新疆轻工职业技术学院 ,2007,8:78-89 8 侯静 .生物医学信号的检测与处理 .中国高新技术企业 ,2007,14:32-35 9 原金升 ,高延演 .心电信号磁带存储和回放自动检测技术 .应用科技 .总第 76 期 ,1994 年第1 期
