心電信號放大系統(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 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 心電信號放大系統(tǒng)摘要 人體的心臟是循環(huán)系統(tǒng)的核心，心臟的活動是由生物電信號引發(fā)的機(jī)械收縮。在人體這個三維空間導(dǎo)體當(dāng)中，這種生物電信號可以波及人體各個部分，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，按時間順序放大并記錄這種電信號，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放大系統(tǒng)的特征。心電信號的各種生理參數(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(除體溫等直接測量的參數(shù)外)，心電信號的幅度在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之中，檢測過程及方法較復(fù)雜。去除信號檢測過程的干擾和噪聲、進(jìn)行心電信號的分析是心電儀器的重要功能之一，心電信號的放大質(zhì)量直接影響著分析儀器的性能和對人體心臟疾病的診斷。這次設(shè)計了一個心電信號檢測放大電路仿真，充分考慮了人體心電信號的特點(diǎn)，采用前置差動放大+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的檢測放大。 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、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)用集中在七個方面，分別說明如下：(1)、對鑒別各種臨床上暫時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，

4、進(jìn)行心電圖監(jiān)測，可以及時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過程中所產(chǎn)生的微弱信號提取出來，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2.1心電信號的采集及預(yù)處理 心電信號的采。集白1903年發(fā)明第一臺弦線型心電圖儀后，很長一段時期內(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。這種采集方式不能同步觀察12導(dǎo)聯(lián)同一心動周期的心電波形，既影響臨床心電圖診斷質(zhì)量，也使自動分析技術(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，同時采集8導(dǎo)聯(lián)心電信號，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。由于只需儲存8導(dǎo)聯(lián)心電信號，還可節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間達(dá)30。 （1) 模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換和采樣率計算機(jī)只能分析數(shù)字信號，因此必須首先把采集到的心電模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，即AD轉(zhuǎn)換。信號數(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級水平而lO位AD的分辨率可達(dá)2“即1024級水平。另外，AD輸入l電樂窗選擇過大也會影響到伶測低振幅信號的能力。目前，絕大多數(shù)商業(yè)化自動分析儀均采用土二iV電壓翁和IO12位AD分辨率(可檢測到125uVjuV電壓變化)，以符合有關(guān)國際醫(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)威性國際醫(yī)療機(jī)構(gòu)推薦計算機(jī)化的心電圖自5()()點(diǎn)s(500IIz)，近年，有關(guān)權(quán)威性國際醫(yī)療機(jī)構(gòu)推薦計算機(jī)化的心電圖自動分析采樣率標(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，250點(diǎn)s采樣意味著每間隔0.1mm(4ms)采集一個電壓變化數(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 心電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字化表示的示意圖（2）噪聲抑制處心電信號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預(yù)理的重要內(nèi)容。2.2 心電測量電路的特殊性心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對心功能進(jìn)行自動檢測的關(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、信號檢測出來，放大至合適的幅度，送入AD卡變成數(shù)字信號，供計算機(jī)分析處理，系統(tǒng)原理如圖2所示。 圖2 心電信號檢測系統(tǒng)原理框圖 體表心電信號的頻率范圍為O250Hz，信號主要成分集中在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。人體牛物信號的測量條件相當(dāng)復(fù)雜，包括肌電信號、呼吸波信號、腦電信號等體內(nèi)干擾信號和以50Hz工頻干擾為主的體外電磁場干擾信號對測量電路的影響使測量電路的設(shè)計難度提高，去除心電信號提取過程的干擾和噪聲，進(jìn)行心電信號的分析檢測是心電測量儀器的重要功能之一。心電信號的放大質(zhì)量直接影響著儀器的性能。心電信號提取過程中的T擾信號主

9、要來源于： (1) 50Hz、220v交流電源是最直接的干擾源；生物電信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50Hz的干擾，而且它存住于所有的測量環(huán)境中，其抑制方法比能量很的各種電磁輻射干擾同難： （2) 測量系統(tǒng)本身也產(chǎn)生對內(nèi)部、對外界其他電子設(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(有時還有系統(tǒng)內(nèi)部生成的干擾)和系統(tǒng)本身對外界其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾。心電信號放大電路設(shè)計中的關(guān)鍵問題是；由于信號微弱，所以需求高放大倍數(shù)；同時由于信號源（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，將接受空間電磁場的各種干擾信號，這些干擾信號對放大器來說相當(dāng)于共模信號放大器應(yīng)具有較高的共

10、模抑制比：最后由于人體信號的微弱性，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)心電信號的特點(diǎn)，心電信號采集過程中一般把電信號通過不同的引導(dǎo)裝置引出，將信號經(jīng)過前級放大電路的初步放大后，再對信號進(jìn)行二次放大，將放大后的信號進(jìn)行濾波，完成信號的提取和放大過程。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 心電信號提取電路框圖圖4 心電信號放大器連接圖 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，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，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長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與心電信號放大器連接。2.2.2 前置放大電路 由于生物體的電信號十分微弱，一般都是毫伏級，有的甚至是微伏級，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。前級放大器的增益只能在幾卜倍以內(nèi)，以免干擾信號同時被放大，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)它既能對單端信號又能對差分信號進(jìn)行放大。根據(jù)生物體信號大多都是差分

12、信號的特點(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_對地的電阻值對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伏左右時才有較為理想的共模抑制比，所以在信號很弱時，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，弱信號最好采用多級放大。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的目的，這樣的前置放大器主要由2個氖泡、4個三極管、4個運(yùn)放和電阻構(gòu)成。信號輸入端的氖泡Nl、N2

15、用于高壓保護(hù)；輸入端4個三級管兩兩反接，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的匹配程度對其也有一定影響。 圖7 中級放大器原理圖2.2.3 中級放大器，50Hz陷波器，后級放大器 中級放大器用來將前置放大電路的心電信號進(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、。該級增益為40倍。50Hz_頻干擾是心電信號的主要干擾源，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，對陷波特性進(jìn)行改善，這樣可提高電路性能。后級放大器的作用是進(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中的后級放大器的由R34R37，和運(yùn)放A8、A9組成級聯(lián)放大器。3 心電信號檢測設(shè)計處理流程 人

17、體體表心電信號的大小一般只有幾百微伏到幾個毫伏的信號強(qiáng)度，需要具有高輸入阻抗的信號放大，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。心電信號的測量是針對心臟心肌細(xì)胞的電活動在體表各方向上的投影分量進(jìn)行的，檢測手段將包含心電電極和連接電欄(即換能器)、信號放大電路、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，即由信號提取、信號放大、信號處理、計算機(jī)顯示兒部分組成，這是一種直接的電信號測量方法。測量的準(zhǔn)確與否將主要取決十電路的增益設(shè)計的準(zhǔn)確性、信道的通頻帶寬度等。 圖8 心電信號檢測處理過程圖 圖9 心電信號柃測放大電路設(shè)

18、計流程圖8中信號放大與信號處理部分電路的構(gòu)成如圖10所示，設(shè)計指標(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 電信號放大處理電路構(gòu)成圖4 心電檢測電路中前置級放大的設(shè)計與仿真 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