第4章 心电图机的设计 《医学电子仪器设计》电子课件

第四章 心电图机的设计 心电图机能通过导联线检测到人体体表微弱的心电 信号(mV级)，经过一系列电路处理，将心电波形显 示或打印出来，供临床分析和诊断使用。 心电图机的适用范围 n心律失常 n期前收缩 n心肌梗塞部位及其发展过程 n心脏异位波动 n高血压 n先天性心脏缺损 n病人代谢率及其它心脏综合病症 4.1 心电信号的产生和特点 n4.1.1 心电信号的产生 n心脏在机械性收缩前，产生电激动 n心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传 到到体表，使体表的不同部位产生不同的电位 n在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电 图机的两端，就会按心脏激动的时间顺序，将 体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续 的曲线，就是心电波形，简称心电图。 4.1.1 心电信号的产生 nP波 nQRS波群 nT波 nU波 nP-R(Q)间期 nP-R段 nQRS间期 nS-T段 nQ-T间期 4.1.1 心电信号的产生 nP波：由心房的激动所产生，前一半主要由右心房产生，后一 半主要由左心房产生，正常P波的宽度不超过0.11s，幅度一般 为0.2mV。 nQRS波群：反映左、右心室的激动过程，称QRS波群的宽度 为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间。它包括 三个紧密相连的电位波动，第一个向下的波为Q波，以后是高 而尖的峭的R波，最后是一个向下的S波。在不同的导联中，这 三个波不一定都出现。各波波幅在不同的导联中变化较大，有 的QRS波的形状更复杂。正常人最高不超过0.1s，幅值分别为Q 波0.1mV，R波0.51.5mV，S波：0.2mV。 4.1.1 心电信号的产生 nT波：代表心室激动后复原时所产生的电位影 响。在R波为主的心电图上，T波不应低于R波 的1/10。T波的方向与QRS波群的方向一致。 nU波：位于T波之后，可能是反映心肌激动后电 位与时间的变化，认识尚不确定。 nP-R(Q)间期：是从P波起点到QRS波群起点的 相隔时间，代表从心房激动开始到心室开始激 动的时间。这一期间随着年龄的增长而有加长 的趋势。 4.1.1 心电信号的产生 nP-R段：从P波终点至QRS波群的起点。同样， 这一段正常人也是接近基线的。P-R段形成的 原因是由于兴奋冲动经过心房之后再向心室传 导的过程中，需要通过房室交界区，兴奋通过 此区时传导非常缓慢，形成的电位变化也很微 弱，一般记录不出来，故在P波之后，曲线又 回到基线水平。 nQRS间期：从R（Q）波开始至S波终了的时间 间隔。代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的 电激动过程。 4.1.1 心电信号的产生 nS-T段：从QRS波群的终点到T波起点的一段。 这一段的S-T段是接近直线的，与基线间的距 离一般不超过0.5mm。代表心室部分已经进入 去极化状态，心室各部分之间没有电位差存在 。对正常人心电图进行频谱分析，得到QRS波 群的中心频率在1218Hz范围，S-T段的谐波 分量频率很低，几乎接近直流。 nQ-T间期：是从QRS波群的终点到T波终点的时 程，代表心室开始兴奋，去极，到完全复极至 静息状态的时间，与心律快慢有关。 4.1.1 心电信号的产生 n基波频率低 正常人心脏每分钟跳动75 次左右，也就是说，它的周期频率刚刚 超过1次/秒(Hz)。正常心电波中T波频率大约是1.3Hz，QRS 波群 频率大约是15Hz。由于二次以上谐波衰减很快，而基波与二次谐 波占了总能量的85%以上，所以心电频谱主要取决于基波及二次 谐波。 n谐波丰富 QRS 波群虽然其频率仅为15Hz，但其前沿上升率极陡，对于早期 隐伏的心脏病人来讲，QRS 波群上常有切迹，偶尔可达200Hz， 而ST 段几乎平直，约在0.14到0.8Hz 之间。 n心电信号极其微弱 峰值大约在1mV 到5mV 之间，而最小电压只有20V左右。 4.1.2 心电信号的电信号特点 n工频干扰 n呼吸引起的基线漂移和ECG幅度改变 n高频电磁场干扰 n电极极化干扰 n肌电干扰 n测量设备本身的干扰 4.1.3 心电信号的常见噪声 n4.2.1 心电图机需要实现的功能 4.2 心电图机的信号采集设计 图4-3 心电图机功能模块 4.2.1 心电图机需要实现的功能 n心电信号采集模块 采集模块负责采集人体的微弱的心电信号，将采集到 的信号进行放大、导联组合、切换，放电，及各种滤 波处理AD转换等，最后把采集到心电信号通过隔离发 送给处理器。心电信号采集部分主要包括输入部分和 放大部分两个主要组成部分。 输入部分包括电极、导联线、过压保护及高频滤波器 、导联选择等。 前置放大电路是对心电信号进行放大的第一级放大器 4.2.1 心电图机需要实现的功能 n处理器 负责接收键盘、心电采集和电量管理等各个功能模块 送来的数据并进行处理，将处理结果显示到显示器上 同时根据设置打印到热敏纸上。目前所有心电图机的 控制核心都是微处理器，负责整机各部分电路的控制 。 n键盘模块 负责键盘管理，检测“开/关机”、“方向”、“打印”等按键 的响应，将检测到的按键编码发送给处理器，以便完 成菜单设置、启动采集、打印等各种操作。 4.2.1 心电图机需要实现的功能 n显示模块 负责显示设备的灵敏度、打印速度、导联信息 、滤波方式、电池电量、电源状态、心电波形 等信息，显示使用点阵式液晶，可以显示波形 及菜单选择。 n打印模块，负责打印心电波形，病例信 息和分析结果等。打印使用热敏打印机 n打印过程还要有走纸机构，走纸速度规 定为25mm/s和50mm/s两种。 4.2.1 心电图机需要实现的功能 n电源管理模块 n心电图机一般都采用交直流两用供电模 式。 n负责系统各个模块的电源供给，产生各 种电路需要的电压如5V、3.3V； n完成锂电池的充电和外部直流电源的管 理； n对需要隔离供电的电路实现隔离电源输 出 4.2.2 心电图机的主要性能参数 n输入电阻 n灵敏度 n 噪声和漂移 n时间常数 n线性 n极化电极 n 频率响应 n共模抑制比 n走纸速度 n绝缘性能 4.2.3 电极与导联 n电极 电极是用来摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称 作导引电极。作心电图时选用的电极是表皮电极。表皮 电极的种类很多，有金属平板电极，吸附电极，圆盘电 极，悬浮电极，软电极和干电极。按其材料又分为有铜 合金镀银电极，镍银合金电极、锌银铜合金电极，不锈 钢电极和银-氯化银电极等。 图4-4 心电图机电极 （a）肢体平板电极 （b）吸附电极 （c）圆盘电极 图 4-5（a）悬浮电极 （b）一次性悬浮电极 4.2.3 电极与导联 n心电图导联 n记录心电图时电极在人体体表的放置位置及电极与放大 器的连接方式称为心电图的导联。 n导联线又称输入电缆线，其作用是将电极板上获得的心 电信号送到放大器的输入端。它通常是一条十芯（也有 五芯和七芯）的带金属屏蔽网的绞合线，其中四条接肢 体电极，六条接胸部电极，对导联线的要求是线柔软、 接头处牢靠。 4.2.3 电极与导联 n标准导联 4.2.3 电极与导联 n单极肢体导联 图 4-8 Wilson中心电端的电极连接图 图4-9 单极导联连接 4.2.3 电极与导联 n加压单极肢体导联 图4-10 加压肢体导联 加压肢体导联 n因为矢量和为零，即 n所以 n加压导联所获得的心电波形状不变，而 波形幅度增加50%。 4.2.3 电极与导联 n单极胸导联 图 4-11 单极胸导联 电极位置 为了探测心脏某一局部区 域电位变化，将探查电极 安放在靠近心脏的左胸壁 上，把心脏包围起来，以 全面反映心电的变化情况 。参考电极置于Wilson中 心电端，探查电极所在部 位电位的变化即为心脏局 部电位的变化，这种导联 称为单极胸导联。 4.2.3 电极与导联 n导联数据的采集方式 1. 多通道共享采样/保持器 和模数转换器 2. 多通道同步性数据采集系 统 3. 多通道并行数据采集系统 4.2.4 信号放大电路 n过压保护电路 n高频滤波电路 n缓冲跟随器的设计 n导联选择器 n前置放大电路 n1mV定标信号发生器 n起搏脉冲抑制电路 n时间常数电路 n中间放大电路 n增益选择电路 n封闭电路 n导联脱落检测电路 n滤波电路 n电位抬高电路 n采集控制电路 4. 3 单片机控制系统 n4.3.1 单片机型号的选择 应当以微处理器为核心构造仪器，数字信号处理 和仪器的输入输出控制是微机的主要任务，在确 定微处理器型号时，应当首先确定需要完成的功 能，然后根据任务选择合适的单片机型号，再选 择与单片机配套的外围电路。 4.3.1 单片机型号的选择 n单片机的一般选择过程 n单片机的基本参数 n单片机的增强功能 n单片机封装 n单片机功耗 n单片机工作电压范围 n单片机编程语言及环境 4.3.1 单片机型号的选择 n实际心电图机控制核心的选择 一、 16位单片机 飞思卡尔的S12系列、TI公司的超低功耗 MSP430系列 二、 32位单片机 基于ARM7内核的NXP系列和ARM9内核的三星 系列单片机，还有基于Cortex M3内核的 STM32系列单片机 4.3.1 单片机型号的选择 n实际心电图机控制核心的选择 n输入输出接口 nA/D转换模块 nSPI（Serial Peripheral Interface，串行 外围接口）模块 nTIMER定时器模块 nUART模块 n通用控制接口 4.3.1 单片机型号的选择 n实际心电图机控制核心的选择 恩智浦公司的LPC2136FBD64 ARM7微处 理器做为主控制芯片 nAD转换速率可以达到400kbps n32kB的SRAM nARM7的主频可以达到60MHz 4.3.2 按键控制与编程 n编码键盘 键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生 键编码号或键值 n非编码键盘 包括独立键盘、矩阵键盘两种，在单片机组成的各种系 统中用得最多的是非编码键盘。 键盘的分类 4.3.2 按键控制与编程 n独立键盘 通过一个上拉电阻直接与单片 机的I/O口相连。通过判断单片 机的I/O口状态来判断哪个按键 按下，检测方式有中断检测与查 询检测两种。 键盘的分类 独立键盘检测方式 中断检测：把按键接到单片机的外部中断 口上，当有按键按下时，会产生外部中 断，在中断子程序中对相应的按键进行 响应，优点在于由于采用中断方式单片 机的代码效率高，缺点是判断多个按键 时，软件编程较复杂。 查询检测：通过单片机在固定时间内读取 某一组连接到按键输入的I/O口的状态， 优缺点与中断方式正好相反 4.3.2 按键控制与编程 n矩阵键盘：能够合理利用I/O口 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在 交叉处不直接连通，而是通过一个按键加 以连接。这样，一个端口（如P1口）就可 以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线 用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区 别越明显，比如再多加一条线就可以构成 20键的键盘，而直接用端口线则只能多出 一键。由此可见，在需要的键数比较多时 ，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵键盘接口电路 4.3.2 按键控制与编程 通常按键控制包括两个步骤，获取键值阶段和按键处理 阶段 获取键值阶段：由控制原理图4-16可知，当按键无动作时 移位寄存器的并行数据口为高电平，当有按键按下时候 ，由于下拉电阻的原因，对应按下按键的并行数据口为 低电平。 按键处理阶段：最难的是菜单选择子程序 心电图机的按键包括电源开关，开始测量按键，灵敏度 选择、1mV定标、滤波、速度选择，打印开始、模式选 择，设置按键，四个方向键 4.3.3 液晶显示电路 nLCD的选择 TN-LCD 是最早商用的LCD，也是目前应用最广泛的LCD类 型。分辨率很低，一般用于显示数字、字符等， 很难用于显示图形图像。 STN-LCD 在分辨率和色彩数目上都受到限制，应用也局限在 一些对图像分辨率和色彩要求不是很高的领域。 TFTLCD 反应时间快、显示品质较佳，适用于大型动画显示 4.3.3 液晶显示电路 nLCD的连接方式 MCU模式是目前最常用的连接方式，优点是无需时钟和同步 信号，缺点是需要耗费GRAM(用于存贮图形的RAM)，所以难 以做到大屏。 数据位传输有8位、9位、16位和18位四种传输方式， MCU模式主要包括CS片选信号、读信号RD、写信号WR、或 者RW读写信号、数据命令区分信号RS以及数据线，再加一个 REST信号，还有允许信号E。 LCD的控制方式 控制方式分为8080系统与6800系统 n 两个控制系统的不同点主要是总线的 控制方式（存取的控制）上，8080是通 过“读使能（RE）”和“写使能（WE）”两 条控制线进行读写操作，6800是通过“ 总使能（E）”和“读写选择（W/R）”两 条控制线进行。 4.3.3 液晶显示电路 n正确的液晶屏硬件电路连接，包扩与CPU相连的数 据接口、控制接口、液晶屏电源接口配置等。 n完成液晶屏初始化，液晶屏的初始化包括，液晶屏 的上电复位，背光源的开启，然后利用驱动代码初 始化液晶屏。 n完成液晶屏驱动后点亮液晶屏，即可通过调用自己 编写的画点、画线、画图、显示字符等子函数完成 图形界面的显示。 液晶屏显示内容的三个步骤 4.3.3 液晶显示电路 n通过单片机控制与E所连接的引脚输出高电平，使能 驱动IC与MCU通信。 n通过单片机控制与RS所连接的引脚输出高/低电平， 使能MCU传输数据/命令。 n通过单片机控制与RW所连接的引脚输出高/低电平， 使能MCU传输接收/发送数据。 n单片机向与液晶屏连接的数据接口（总线、串行方式 ）写入/读出准备写入/读出的数据。此数据可以是命 令也可以是数据。 n通过单片机控制与E所连接的引脚输出低电平，禁止 驱动IC与MCU通信。 以6800总线方式的时序图 4.3.4 打印机控制电路-热敏打印机 n工作原理 将打印机接收的数据转换成点阵信号控制热敏单元的 加热，把热敏纸上热敏涂层显影 n选择热敏打印机的主要参数 分辨率：8点/mm 每行的点数：384点/行 数据接口类型：SPI接口 4.3.4 打印机控制电路-热敏打印机 n打印流程 第一步：通过SPI口往热敏头的数据缓冲区写入 一行数据，在时钟信号的上升沿时刻数据准 备就绪； 第二步，锁存信号置低，使缓冲区数据锁存到 加热单元中； 第三步，加热信号置低，此时热敏头根据数据 内容对指定位置进行加热，完成整线加热， 驱动步进电机向前走纸既可以连续打印。 4.4.5 电机驱动控制 n热敏打印机都集成有用于走纸的步进电 机，但驱动步进电机的驱动器需要单独 选配 n驱动器应当根据电机的技术指标来选择 ，主要是电压和功率，输出功率由电机 驱动芯片的输出电流与负载电源电压决 定。 4.4.5 电机驱动控制 图4-20 打印机走纸电机驱动电路 n4.4.1 电源管理总体结构图 4.4 电源电路的设计 n4.4.2交流供电及电池充电电路 n4.4.3实地稳压供电电路与浮地隔离电路 1、实地部分供电电路 通过Q2、Q4、控制Q3源极与漏极的通断实现整个系统 的上电与断电。通电后上一级输出的8.4V电压通过一个 Q3产生0.4V的压降变为8V后一路为打印机电机驱动电路 及打印头供电，另一路通过一个AS1117-3.3降压到3.3V 为主控制MCU供电，连续经过一个AS1117-3.3的LDO降 压到3.3V后供给显示屏幕及按键控制部分。其中5V输出 还做为浮地部分的电源输入。 n4.4.3实地稳压供电电路与浮地隔离电路 2、浮地部分电路 浮地部分电源由一个DC/DC电源隔离模块WRB0509S-3W 将模拟部分与数字部分的电源隔离开，并把前端输入的 8V电压转换为隔离后的9V输出，供给一个+5V输出的 LDO AS1117-5.0作为模拟电路的正电源，AS1117-5.0再 经过一个反向电荷泵LT660产生-5V供给模拟部分作负电 源。采用浮地设计将信号采集部分(即应用部分)与网电源 进行完全隔离，更好的保证了患者的安全。 n4.4.3实地稳压供电电路与浮地隔离电路 浮地部分与主控芯片之间的通信，采用光电耦 合器6N137对主控部分和采集部分进行隔离 n4.5.1 前后台程序结构 4.5 单片机软件的结构 前后台程序结构是最常用的程序结构之一， 简单地说，前后台程序由主循环加中断构成 ，主循环程序称为“后台程序”或“背景程序”， 各个中断程序称为“前台程序”，依靠中断内的 前台程序来实现事件响应与信息收集。后台 程序中多个处理任务顺序执行，从宏观上看 ，这些任务是同时执行的。 n4.5.2 前后台程序的编写原则 （1）消除阻塞 （2）节拍 （3）尽量使用低CPU占用率的外设 （4）使用缓冲区 （5）时序程序设计 n4.5.3任务实时性分析 根据事件的持续时间与紧急程度可以分为几类 （1）实时性最高的事件 （2）实时性较高的事件 （3）实时性较低的事件 n实时性最高的事件 它指对于要求零延迟、立即响应或立即动作的事件。例如高速 波形的产生、波形采集触发、微秒级脉宽测量等场合，要求响 应速度在数十至数百纳秒级，甚至小于单片机的一个指令周期 。只能通过数字硬件逻辑来实现，如CMOS逻辑器件、 CPLD/FPGA、单片机的捕获模块来实现。 n实时性较高的事件 对于允许数微秒至数十微秒延迟的事件，可以利用中断响应（ 前台）来处理。但要注意主循环（后台）中不能长时