1、重慶理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 心電圖儀設(shè)計(jì)與制作 班級(jí)： 111111111 學(xué)號(hào)： 11111111111 姓名： xx 指導(dǎo)老師： xxx 日期： 2014年x月 摘要01.緒論02.設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2.1設(shè)計(jì)目的1 2.2心電信號(hào)特征分析22.2.1 心電信號(hào)時(shí)域特征分析22.2.2 心電信號(hào)的電特征分析32.2 心電信號(hào)的噪聲來(lái)源33.電路設(shè)計(jì) 3.1 前置放大電路設(shè)計(jì)4 3.2 二階高通濾波器電路設(shè)計(jì)6 3.3 二階低通濾波器電路設(shè)計(jì)7 3.4 50Hz干擾信號(hào)陷波器設(shè)計(jì)8 3.5電壓放大器設(shè)計(jì)94. 原理圖、實(shí)物圖、輸出結(jié)果 4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)論105.總結(jié)106.參考文獻(xiàn)11摘

2、要心臟是人體循環(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。本文分析了體表心電信號(hào)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l0µV4mV之問(wèn)，頻率范圍為O.05 100Hz，淹沒(méi)在50Hz的工頻干擾和人體其他信號(hào)之中，檢測(cè)過(guò)程及方法較復(fù)雜。去除信號(hào)檢測(cè)過(guò)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

3、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。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)心電信號(hào)檢測(cè)放大電路，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。關(guān)鍵詞：放大器 心電信號(hào) 第1章 緒論1人體生物信息的基本特點(diǎn) 人體的生物信號(hào)測(cè)量的條件是很復(fù)雜的。在測(cè)量某種生理參數(shù)的同時(shí)，存在著其它生理信號(hào)的噪聲背景；此外，生物信號(hào)對(duì)來(lái)自測(cè)量系統(tǒng)(包括人體)之外的干擾十分敏感，這是因?yàn)椋?1

4、)被測(cè)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的提取信號(hào)微弱：如心電信號(hào)幅度一般在10µV4mV：要求測(cè)試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。而靈敏度越高，對(duì)干擾也就越敏感，即極易把干擾信弓引入測(cè)試系統(tǒng)；(2)頻率低：一般在0.05Hz200Hz，頻帶范圍不寬；工頻50Hz干擾和人體其它信號(hào)幾乎落在所有生物電信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)，而50Hz干擾又是普遍存在的；(3)生命體為發(fā)出不穩(wěn)定自然信號(hào)的信號(hào)源：人體內(nèi)阻、檢測(cè)電極與皮膚的接觸電阻等為信號(hào)源內(nèi)阻，其阻值較大，一般為幾十千歐；(4)人體相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體，將接受空間電磁場(chǎng)的各種干擾信號(hào)；除了外界環(huán)境對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾之外，微弱信號(hào)還常常被深埋在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲中?？垢蓴_和低噪聲，構(gòu)

5、成生物信號(hào)測(cè)量的兩個(gè)基本條件。本文的目的是 在分析的基礎(chǔ)上，得到生物信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾能力和低噪聲電子設(shè)計(jì)方法，我們把抗干擾和低噪聲作為人體測(cè)量的基本條件，不只是由于人體電子測(cè)量是處于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中，成為無(wú)法回避的客觀事實(shí)；而且還由于抗干擾和低噪聲本來(lái)就是電子設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)必須予以考慮的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易心電圖儀，可以測(cè)量人體心電信號(hào)并在示波器上顯示出來(lái)。示意圖如圖1所示。圖1 簡(jiǎn)易心電圖儀示意圖導(dǎo)聯(lián)電極說(shuō)明：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)I導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端（），LA接放大器同相輸入端（），RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn)。

6、第二路心電信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端（），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(guò)1.5m長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與心電信號(hào)放大器連接。 基本要求及技術(shù)指標(biāo)如下：1）電壓放大倍數(shù)1000，誤差+5%;2）3dB低頻截止頻率0.05Hz，（可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）;3）3dB高頻截止頻率100Hz，誤差±10Hz;4）頻帶內(nèi)響應(yīng)波動(dòng)在±3dB之內(nèi);5）共模抑制比>60dB（含1.5m長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓范圍為±7.5v）;6）差模輸入電阻>5M（可不測(cè)試，由

7、電路設(shè)計(jì)予以保證）;7）輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大于±10V;8）設(shè)計(jì)并制作心電放大器所用的直流穩(wěn)壓電源,直流穩(wěn)壓電源輸出交流噪聲<±3mV。第二章 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.1設(shè)計(jì)目的1、根據(jù)心電圖特征設(shè)計(jì)電路原理圖2、自選原件，完成硬件電路焊接3、完成硬件電路調(diào)試4、實(shí)測(cè)襲擊的心電信號(hào)2.2心電信號(hào)特征分析2.2.1心電信號(hào)時(shí)域特征分析圖2.1 典型的心電信號(hào)如圖2.1所示的正常心電圖由一系列波群組成，各段波群反映不同階段的心電信號(hào)變化，由于QRS波變化比較集中，所以給出了分解圖11。下面對(duì)每個(gè)波形點(diǎn)作詳細(xì)的介紹：(1)P波：最初產(chǎn)生的偏離的波被命名為P波，它反映心房除極過(guò)程的電位變化

8、，代表了兩個(gè)心房的去極。(2)QRS波群：心室的激活產(chǎn)生的最大的波，它反映心室肌除極過(guò)程的電位變化。正常間隔0.08-O.12秒。典型的QRS波群是指三個(gè)緊密相連的波；第一個(gè)向下的波為Q波，這波不一定總是出現(xiàn)。QRS波的第一個(gè)向上的波為R波，繼R波后第一個(gè)向下的波為S波，發(fā)生在S波后的向上的波稱為R。QRS是廣義的代表心室肌的除極波，并不是每一個(gè)QRS波群都具有Q、R、S三個(gè)波，一個(gè)單相的負(fù)QRS復(fù)合波被稱為QS波。(3)PR間期：從P波開(kāi)始到QRS復(fù)合波開(kāi)始，它代表心房肌開(kāi)始除極到心室肌開(kāi)始除極的時(shí)限。正常間期是O12-2O秒，測(cè)量是從P波的起點(diǎn)到QRS復(fù)合波的起點(diǎn)，不管初始波是Q波還是R波

9、。它是房室傳導(dǎo)時(shí)間的一種度量，由于這個(gè)原因，它在臨床診斷上很有用。基線是由波的TP段建立的(T波末端到下一個(gè)P波開(kāi)始)。(4)ST段：是在QRS波群以后，T波以前的一段平線。代表左、右心室全部除極完畢到復(fù)極開(kāi)始以前的一段時(shí)間。該段在確定病理學(xué)上比如心肌梗塞(升高)和局部缺血(降低)上是很重要的。在正常情況下，它用作測(cè)量其它波形幅度的等電勢(shì)線。(5)T波：代表心室肌復(fù)極過(guò)程引起的電位變化。(6)QT間期：代表整個(gè)心室肌自開(kāi)始除極至復(fù)極完畢的總時(shí)間。QT間期代表體現(xiàn)了心室肌肉激活間期和恢復(fù)。這個(gè)持續(xù)時(shí)間和心率的變化相反。但通常不采用QT，而采用修正QT，稱為QTC：QTC=QT+175(心室率60

10、)。體表心電圖反映的是心電信號(hào)的時(shí)域特性，經(jīng)分析可以看出ECG信號(hào)的特征段的分界處是波形上的拐點(diǎn)。2.2.2 心電信號(hào)的電特征分析按照美國(guó)心電學(xué)會(huì)確定的標(biāo)準(zhǔn)，正常心電信號(hào)的幅值范圍在10V-4mv之間，典型值為1mV。頻率范圍在O.05-100Hz以內(nèi)，而90的ECG頻譜能量集中O.25-35Hz之間，心電信號(hào)頻率較低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要頻率范圍是O.05-100Hz，大部分能量集中在O.05-40Hz12。心搏的節(jié)律性和隨機(jī)性決定了心電信號(hào)的準(zhǔn)周期和隨機(jī)時(shí)變特性。從醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐可以理解，心電信號(hào)受人體生理狀態(tài)和測(cè)量過(guò)程等多種因素的影響而呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。2.3 心電信號(hào)的噪

11、聲來(lái)源 人體心電信號(hào)是一種弱電信號(hào)，信噪比低。一般正常的心電信號(hào)頻率范圍為0.05-100 Hz，而90的心電信號(hào)(ECG)頻譜能量集中在0.25-35 Hz之間13。采集一種電信號(hào)時(shí)，會(huì)受到各種噪聲的干擾，噪聲來(lái)源通常有下面幾種：(1)工頻干擾 50 Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起，工頻干擾的模型由50 Hz的正弦信號(hào)及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng)。(2)電極接觸噪聲 電極接觸噪聲是瞬時(shí)干擾，來(lái)源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢側(cè)系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時(shí)的，如病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)；也可能是檢測(cè)系統(tǒng)不斷的開(kāi)關(guān)、放大器輸入端連接不好等。電極接觸噪聲可抽象為

12、快速、隨機(jī)變化的階躍信號(hào)，它按指數(shù)形式衰減到基線值，包含工頻成分。這種瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時(shí)間常數(shù)；其持續(xù)時(shí)間一般的1s左右，幅值可達(dá)記錄儀的最大值。(3)人為運(yùn)動(dòng) 人為運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)的(但非階躍)基線改變，由電極移動(dòng)中電極與皮膚阻抗改變所引起。人為運(yùn)動(dòng)由病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)所引起，造成的基線干擾形狀可認(rèn)為類(lèi)似周期正弦信號(hào)，其峰值幅度和持續(xù)時(shí)間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。(4)肌電干擾(EMG) 肌電干擾來(lái)自于人體的肌肉顫動(dòng)，肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生毫伏級(jí)電勢(shì)。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要

13、能量集中在30-300 Hz范圍內(nèi)。(5)基線漂移和呼吸時(shí)ECG幅值的變化 基線漂移和呼吸時(shí)ECG幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動(dòng)等低頻干擾所引起，頻率小于5 Hz；其變化可視為一個(gè)加在心電信號(hào)上的與呼吸頻率同頻率的正弦分量，在O.015-O.3Hz處基線變化變化幅度的為ECG峰峰值的15。第三章 電路設(shè)計(jì)3.1 前置放大器 由于心電信號(hào)屬于高強(qiáng)噪聲下的低頻微弱信號(hào)，所以要求前置放大器應(yīng)具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、具有一定的電壓放大能力等特點(diǎn)，選擇儀表放大器即可滿足要求?？紤]到要求高共模抑制比、高輸入阻抗和調(diào)試方便，不使用采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器，而是直接使用集成

14、儀表放大器，本設(shè)計(jì)選用低成本集成儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)。AD620儀表放大器的管腳排列圖和內(nèi)部電路圖分別見(jiàn)圖圖3.2、圖3.3。圖3.2 圖3.3 AD620 的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整, 允許電路元件緊密匹配和跟蹤, 從而保證電路固有的高性能AD620作為高精度儀表放大器，只需要用改變1腳和8腳之間的外接電阻，即可實(shí)現(xiàn)放大器11000變化范圍的電壓增益。AD620 為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu), 為保護(hù)增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡(jiǎn)單的差分雙極輸入, 并采用工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過(guò)輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋, 保持輸入三極管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻

15、Rg上。AD620 的兩個(gè)內(nèi)部增益電阻為24. 7 K , 因而增益方程式為G =49.4 K/R g+ 1 (3-1)對(duì)于所需的增益, 則外部控制電阻值為R G =49.4/（G - 1）K （3-2) AD620的最大失調(diào)電壓僅為50V，失調(diào)電壓溫漂0.6V/，輸入電壓噪聲為，輸入電流噪聲，所以作為前置放大器可以很好的工作。為了避免在強(qiáng)干擾信號(hào)下，放大器輸出產(chǎn)生失真，前置放大器的電壓放大倍數(shù)不能設(shè)置過(guò)高，本設(shè)計(jì)選擇電壓放大倍數(shù)等于10倍。根據(jù)公式 （3-2） 可知當(dāng)放大器放大倍數(shù)G=10時(shí)，Rg=49.4/(G-1)=5.6K；前置放大模塊以 AD620儀用放大電路為核心，外圍由 OPA3

16、35 構(gòu)成的 反饋積分調(diào)零電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分組成。AD620內(nèi)部原理圖如圖 3 所示。AD620 的主要特點(diǎn)是低漂移電壓，低偏置電流，高共模抑制比。圖3 AD620原理示意圖圖4 AD620引腳圖圖4 所示為 AD620儀表放大器的腳位圖。其中1、8 接腳要跨接一電阻來(lái)調(diào)整放大倍率（作用同式(1)中的Rg），放大倍數(shù)G=49.4k/Rg+1。這里我們?cè)O(shè)計(jì)增益為40，則Rg取1.24 k。4、7 接腳需提供正負(fù)相等的工作電壓，由 2、3 接腳輸入的放大的電壓即可從接腳 6 輸出放大后的電壓值。接腳5則是參考基準(zhǔn)，如果接地則接腳 6 的輸出即為與地之間的相對(duì)電壓。圖5 AD620前置放大電

17、路及仿真圖3.2高通濾波器 正常心電信號(hào)的頻率范圍為0.05100Hz，而90%的心電信號(hào)頻譜能量集中在0.2535。Hz之間。噪聲信號(hào)來(lái)源主要有工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運(yùn)動(dòng)肌電干擾、基線漂移等，其中50Hz的工頻干擾最為嚴(yán)重。為了消除這些干擾信號(hào)，在心電信號(hào)放大器電路中，應(yīng)加入高通濾波器、低通濾波器和50Hz工頻信號(hào)陷波器。二階高通濾波器包含兩個(gè)RC電路，如圖所示為一階高通濾波器。圖3.3 高通濾波器器件分析：C1=100nf,C2=100nf，R1=4.4M,R2=4.4M,LM324參數(shù)分析：圖所示的濾波器是反相放大器。該電路的典型參數(shù)為：截止頻率,通帶電壓放大倍數(shù)Aup=-Rf/R

18、1。現(xiàn)在截止頻率是0.05Hz，C1是100nf,R=4.4M,取通帶電壓放大倍數(shù)是1。計(jì)算分析：G(s)=U1/U2=-Rf/(R1+1/sC1);s=jw帶入，得結(jié)果是：頻率特性G(jw)=Go /(1-jWc/W), 其中Go=-Rf/R1是通帶增益，W=1/RC是角頻率。調(diào)試分析：高通濾波器調(diào)試。檢查圖 電路連線無(wú)誤后，接通±9V電源，先輸入大小為1V的直流電壓，測(cè)量其輸出值；然后輸入大小為1V的正弦波信號(hào)，改變其正弦波頻率在0.01Hz100Hz變化，分別測(cè)量在0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz下的輸出電壓，并求其濾波器的下限轉(zhuǎn)折頻率。結(jié)論分

19、析：一階高通濾波器電路阻態(tài)衰減太慢，為20dB/10oct，所以這種電路一般對(duì)要求不高的濾波電路可用，如果要求高的可以用二階以上。3.3低通濾波電路采用具有線性相移特性，二階貝塞爾濾器。圖9低通濾波器圖 10 100Hz濾波電路圖中低通濾波器的幅頻特性曲線衰減3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率為93Hz；衰減10dB時(shí)對(duì)應(yīng)頻率為180Hz。完全符合設(shè)計(jì)的要求。該濾波器的參數(shù)指標(biāo)為：截止頻率，品質(zhì)因數(shù) ，通帶放大倍數(shù) 。在該電路選擇參數(shù)情況下，二階低通濾波器的截止頻率，。圖所示的所示的濾波器是反向放大器，其中傳遞函數(shù)為G（s）=-×=式中，G0=-為零頻增益，Wc=為截止角頻率。其中，幅頻特性為 G（

20、s）= 其中，幅頻特性為 G（w）=相頻特性為 （w)=-arctan()3.4 50Hz干擾信號(hào)陷波器50Hz工頻信號(hào)陷波器可以采用應(yīng)用廣泛的雙T型有源帶阻濾波器，圖是自舉式雙T橋二階有源帶阻濾波器電路圖3.5 陷波器這種濾波器的有點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)可以調(diào)節(jié)，且和帶阻濾波器的中心頻率無(wú)關(guān)。在該電路中，當(dāng)A2的同相輸入端接地（反饋系數(shù)最小）時(shí)，濾波器的Q值最小，大約為0.3；當(dāng)A2同相輸入端的電位很接近濾波器的輸出電位（反饋系數(shù)大）時(shí)，這時(shí)濾波器的Q值大，但Q值過(guò)大會(huì)造成電路的不穩(wěn)定甚至自激，一般將Q值選在十至幾十的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)圖中RW可改變Q值大小。在圖中雙T網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇下，帶阻濾波器的中心頻率，

21、要求濾波器的阻帶寬度BW=2Hz，則。3.5 電壓放大器 人體心電信號(hào)是一種弱電信號(hào)，信噪比低，對(duì)于末級(jí)電壓放大器的要求是應(yīng)低噪聲、低漂移，且有足夠大的電壓放大能力和一定的頻帶寬度，同時(shí)輸出具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。心電信號(hào)放大器總電壓放大倍數(shù)要求1000倍，前置級(jí)和高通濾波器通頻帶電壓放大倍數(shù)分別為51和1，所以電壓放大器的電壓放大倍數(shù)應(yīng)為20。且采用低噪聲、寬頻帶集成運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的電壓放大器如圖。 圖3.6 后級(jí)放大A=根據(jù)此公式算出的最大倍數(shù)為103，實(shí)際只需20，只需把滑動(dòng)變阻器調(diào)到48.5k即可，所以符合設(shè)計(jì)的要求。第4章 原理圖、實(shí)物圖、輸出結(jié)果4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論（1）該試驗(yàn)分

22、模塊進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)，首先通過(guò)信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)，可以在示波器上觀察到非常清晰的心電信號(hào)，然后連接在人體上，觀察到了呈周期性變化的、有峰值的心電信號(hào)。（2）在用信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)的時(shí)候，心電信號(hào)非常清晰干凈，當(dāng)連接到人體時(shí)，信號(hào)就沒(méi)有那么清晰了，是因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器的信號(hào)非常強(qiáng)，基本上不受噪聲的干擾，而人體的噪聲干擾非常大，而且濾波的時(shí)候?yàn)V的不干凈，所以導(dǎo)致有噪聲干擾了心電信號(hào)。（3）設(shè)計(jì)電路的時(shí)候要考慮到人體心電信號(hào)是一種弱電信號(hào)，信噪比低，對(duì)于末級(jí)電壓放大器的要求是應(yīng)低噪聲、低漂移，且有足夠大的電壓放大能力和一定的頻帶寬度，同時(shí)輸出具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。（4）調(diào)陷波電路的時(shí)候，通過(guò)滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)陷波器的深度。（5）示波器要設(shè)置在直流情況下，顯示心電信號(hào)。第五章 總結(jié) 隨著集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療電子儀器的發(fā)展是非常迅速的。雖然心電檢測(cè)技術(shù)很早就出現(xiàn)了，但隨著時(shí)代的發(fā)展，各種新方法和手段開(kāi)始引入到心電檢測(cè)中來(lái)，心電檢測(cè)系統(tǒng)已不滿足于簡(jiǎn)單的信號(hào)采集和顯示。主要的研究和發(fā)展趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面。(1)