（生物医学工程专业论文）基于dsp的心电信号采集和分析系统.pdf

西北工业大学硕士学位论文abstract a b s tr a c t e c g ( e l e c t i d c a f d i o g r a p h ) s i g n a li sas y n t h e t i ci 丑e c t i o no ft h eh e a r te l e c t r i c i t y a c t i v a t i o no nb o d ys u r f a c e ，w h i c hi sm e t y p i c a le x a m p l eo fb i o e l e c t r i c a ls i g n a l s s i n c e e c g s i g l l a ls h o w st h ew o r ks t a t u so ft h eh e 硼舶md i r e n tp a n s ，t h ee c gc a i l p r 0 v i d ee v i d e n c et os u p p o nad i a g i l o s i s ，a n dt h e r e f o r em a n a g 锄e n t ，o fa b n 0 珊a l 洲j a cr h y t h m s e c gs i g n a lc a nb ed e t e c t e db ye l e c t r o d e sa t t a c h e dt ot h es u r f a c eo ft h eb o d v t h r o u g hs p e c i a l l e a d ，w h i c ha r ej o i l l e dt ot h ee c gr e c o r d e rb yw i r e s e c gs i g n a l d e t e c t i o na i l d a n a l y s i si s ap i v o t a lt a c h ei nt h ec o l l r s eo fh e a nd i s e a s e s c l i i l i c 量m a 留o s i s ，觚di t w i l ld i r e c ya 丑b c tt h er e s u l to fd i a 韶o s i sa n d t l l ep i i r p o s eo ft h e r a p y i 固吼t ht h eg 聆砒i 懒爸m e n t 蟑p e o p l e l i v e ，h h c e ( h o m eh e a l t hc a r ce n g i n e e f i i l 曲i s at e n d e n c ya tp r c s e n tt i m e ，m ed e t e c t i o no fe c g s i 驴a lt h a tc 柚b ea c c o m p l i s h e da t h o m en o to n l yi nh o s p i t a li s ：i m p e r a t i v eu n d e rm es i t u a t i o n f u n h e 姗o r eb a s e do nt h e t h es u p p o no fj n t e 伊a t ec i r c u j tt e c h n o l o g y j li se a s i e rt og e te c g s i 印a ld e f e c t i o na n d a n a l y s i si n s t m m e n tp o r t a b l e 趾dp i n t s i z e c 0 n v e n i e n c ef o r 觚i l yu s ea i l do p e r a t i n g e a s i l yi st h es i g i l i f i c a n c eo ft h es u b i e c t e c g s i g n a ld e t e c t i o na n da m a l y s i ss y s t e mb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp “) c e s s o r ( d s p ) i n c l u d e st h eh a r d w a l r eo fs i g n a la c q u i s i t i o na 1 1 df e l a t e ds o f t w a f eo fc o n t r o la n d a n a l y s i s 1 1 1 ef b 姗e ra c q u i s i t e st h ee c gs i g n a la l l dd os o m ep r e t r e a t m e n t 趾dt h e l a t t e rc o n t r o l st h es i 印a la c q u i s i t i o n p r o c e s sa i l dd e a lw i t ht h ec o l l e c t e de c gs i 龋a 1 t h ee c g s i g n a li s l ew e e ks i g n a li nt h es t r o n gn o i s em a d eb yk i n d so fn o i s e s 觚d 雠e r f e r e n c e st 1 1 a tm a l 【e 也ea c q u i s i t i o nm o r ed i m c u l t n ee c g s i 龋a ld e t e c t i o n a i l da n a l y s i ss y s t e mi s d e s i 印e da c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo ft h ee c gs i 印a l ， i n c l u d i n gt w op a n so f h a r d w a u r e ：s i 印a ld e t e c t i o nc i r c u i ta n da i l a l v s i sc i r c u i t r n l e s i 印a ld e t e c t i o nc i r c u i ti sc 0 m p s e do ft h ef r o n ta m p l i f i e rc i r c u i t ， d r i v e n r i 曲t k g c i r c u i t ，b a n dp a s s 矗l t e ra n d5 0h zb a n de l j m i n a t i o nf i l t e f ，t h em a j na m p l i f i e rc i i u i t a n dp o w e r - l i f tc i r c u i te t c 、他i c hh a sc o n l p l e t e d t h ee c gs i g n a la c q u i s i t i o na n d p r e p r o c e s s t h es i g n a lp r o c e s sc i r c u i tm a k e su po f p o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t ， t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9p r o c e s s o rs y s t e m ，s t o r a g e e x p a n dc i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n c i r c u i ta n d l c ! di n t e l l h c ec i f c u i t ，w h i c hm a k et h e 岛dc h a n g e s ，d j g i t a l p r o c e s s i n ga n d i t 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a l t i m eg r 叩hd i s p l a yc o m et r u e t l l l es o f t w a r es y s t e md e s i g n e di nc l a n g u a g eu n d e rd s p c o d ec o m p s e rs t u d i oi s d i v i d e di n t os e v e r a lp r o 伊a mm o d e l s i ti st h ew a yi nw h i c ht h em a i nf u n c t i o n o 唱a n i s e sa n dc a l l ss u b p r o g r a m e si no r d e rt oc o o r d i n a t et h ew h o l es y s t e mt ow o r k s t e a d i l y t h es u b p r o g a m e s i n c l u d et h e s y s t e m1 1 1 i t i a l i z a t i o n ，a n a l o g t o d i 舒a l ( 、o n v e r t e rp r o g a m e ，d i 酉t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp r o g a m e ，l c dd i s p l a yp r o g a m ea i l dp c a p p l i c a t i o ne t c a b o v ea u ，t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h l i lp r o g r 锄ei st h ek e y t 0m ew h o l es o f t w a r es y s t e m ，b e c a u s ei t sc o r r e c t n e s sd i r e c t l yi n f l u e n c e st h ea c c u r a c y o ft h ew h o l es y s t e m t i i i ss y s t e mv a l i d a t et h ee c g a l g o r i t h m su s i n ge c g d a t af r o m m i t - b i he c gd a t a b a s eb y p 汀l a b ，t h e np r e s e n t sv i a b l ea l g o r i 朋st 0d e a lw i t h t h ee c gs i g n a la n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m sr e d u c et l l ei m p a c to fn o i s e s a n di n t e r f e r e n c e n et h e s i sp r e s e n t sam e t h o do fd e v e l o p i n gap o n a b l ee c g s i 印a ld e t e c t i o na j l d a i l a l y s i si 1 1 s t m m e n tt h a tw o r ks t e a d i l yw i t hl o w e rp r i c e ，s m a l l e rv o l u m e 蛐dl o w e r p o w e lw ef i r s t l yd r a ws c h e m a t i cd i a g r 锄a n dp c bd i a g r 锄，舳da tl a s tm a l 【ear 删 p r o d u c t k e yw o r d s ：n o i s e sa n di n t e r f e r e n c e i ne c ge c ga c q u i s i t i o n ，d i g i t a ls i g n a l p m s s i n g ，t m s 3 2 0 v c 5 5 眇 i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 h 识产权单位属于西北：e 业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 口电子版。本人允许论文被查阅和借阒。学校可以将本学位论文的全部或部分内窑编入有关 。据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 枇：正，毕业席结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北t 业人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：i ：! 塾 b 年3 月弘日 指导教师签名： b 司年 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：l 墨z 凳 k p 摩三月弓。日 爹 警 两北t 业大学硕十学位论文 绪论 第一章绪论 心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动与否是生命存在的重要标志，心脏 搏动的节律也是人体生理状态的重要标志之一【l 】。心脏的基本活动包括电活动和 机械活动，每个心动周期都是电活动在前，机械活动在后。心电信号是心脏电活 动的一种客观表示方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时 间差等特征要素。由于心电信号从不同方面和层次上反映了心脏的工作状态，因 此在心脏疾病的临床诊断和治疗过程中具有非常重要的参考价值。 对心电信号的采集和分析一直是生物医学工程领域研究的一个热点，是一项 复杂的工程，涉及到低噪声和抗干扰技术，信号分析和处理技术等不同领域，也 依赖于生命科学和临床医学的研究进展。 1 1 人体心电信号的产生机理 心电是心脏的无数心肌细胞电活动的综合反映，心电的产生与心肌细胞的除 极和复极过程密不可分。心肌细胞在静息状态下，细胞膜外带有正电荷，细胞膜 内带有同等数量的负电荷，此种分布状态称为极化状态，这种静息状态下细胞内 外的电位差称为静息电位，其值保持相对的恒定。当心肌细胞一端的细胞膜受到 一定程度的刺激( 或阈刺激) 时，对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引 起膜内外的阴阳离子产生流动，使心肌细胞除极化和复极化，并在此过程中与尚 处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电偶，此变化过程可用置于体表的一定电极 检测出来，这即是体表心电信号的产生机理【2 j 。 1 2 心电信号采集和分析系统的发展历史 心电检测技术作为生物医学仪器研究的重点，它的发展与电子技术的发展密 切相关。1 8 8 7 年，w j l l e r 用毛细管静电计首次描记出人体心电图波群，开创了 人类心电图记录的先河。开拓性工作的创建者是荷兰莱顿大学的生理学家 e i n t h o v e n ，他在毛细管静电记的基础上研制出了以“弦线型放大器”为核心的心 电图机，并与1 9 0 5 年正式应用和推广到临床。1 9 3 0 年以后，“弦线型放大器” 两北t 业大学硕十学位论文 绪论 逐步被电子管所取代；2 0 世纪中叶发明晶体管后，晶体管逐渐取代电子管；2 0 世纪晚期又采用集成块代替晶体管，从而使原来庞大的心电检测系统改革成为一 只精巧、美观、实用的心电仪器【3 】。 图1 1e i n t l l o v e n 的早期e c g 测量方法 图1 1 所示为2 0 世纪初e i n t l l o v e n 进行体表心电信号检测的情况，他将一缸 盐水作为连接到体表的电连接器，线性电流表作为记录e c g 的仪器【4 l 。 1 3 体表心电图及心电信号的特征分析 1 3 1 心脏电传导过程分析 图1 2 心脏电传导过程图 心电生理学资料表明【2 】，心脏不断的进行有节奏的收缩和舒张运动。由心肌 激动产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来， 2 西北工业大学硕十学位论文 绪论 使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。 如图1 2 所示，在每个心动周期中，窦房结是心脏的最高起博点( 也叫一级起 搏点) ，它发出的激动命令经结间束首先传给房室结( 也称第二级起搏点) 。房室结 向下发出一条传导路，称房室束，它位于室间隔内。房室束往下又不断发左右两 个束支，越分越细，最后分别形成互相交织得像网一样的结构，称普肯耶纤维， 终止于心肌内。此生物电传递变化十分复杂，里混沌态，其有序结果通过周围组 织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的电变化。将测量电极放置在 人体表面的一定部位记录出来的心电信号变化曲线，就是目前临床上常规记录的 心电图( e c g ) 。 1 3 2 心电信号时域特征分析 。_ 、 q 开 ( a ) 典型心电信号周期波形 j j o rr 8 ( ”心电信号q r s 波群分解图 图1 3 典型的心电信号 如图1 3 所示的正常心电图由一系列波群组成，各段波群反映不同阶段的心 电信号变化，由于q r s 波变化比较集中，所以给出了分解图。下面对每个波形 点作详细的介绍f 5 6 j 嘲。 ( 1 ) p 波：最初产生的偏离的波被命名为p 波，它反映心房除极过程的电位 变化，代表了两个心房的去极。 ( 2 ) q r s 波群：心室的激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位 变化。正常间隔0 0 8 o 1 2 秒。典型的q r s 波群是指三个紧密相连的波；第一 个向下的波为q 波，这波不一定总是出现。q r s 波的第一个向上的波为r 波， 继r 波后第一个向下的波为s 波，发生在s 波后的向上的波称为r 。q r s 3 西北丁= 业大学硕七学位论文绪论 是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个q r s 波群都具有q 、r 、s 三个 波，一个单相的负q r s 复合波被称为q s 波。 ( 3 ) pr 间期：从p 波开始到q r s 复合波开始，它代表心房肌开始除极到 心室肌开始除极的时限。正常间期是o 1 2 2 o 秒，测量是从p 波的起点到 q r s 复合波的起点，不管初始波是q 波还是r 波。它是房室传导时间的一种 度量，由于这个原因，它在临床诊断上很有用。基线是由波的t p 段建立的( t 波末端到下一个p 波开始) 。 ( 4 ) st 段：是在q r s 波群以后，t 波以前的一段平线。代表左、右心室 全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。该段在确定病理学上比如心肌梗塞 ( 升高) 和局部缺血( 降低) 上是很重要的。在正常情况下，它用作测量其它波 形幅度的等电势线。 ( 5 ) t 波：代表心室肌复极过程引起的电位变化。 ( 6 ) q j 问期：代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。q t 间期 代表体现了心室肌肉激活间期和恢复。这个持续时间和心率的变化相反。但通常 不采用q t ，而采用修正q t ，称为q t c ：q t c = q t + 1 7 5 ( 心室率一6 0 ) 。 体表心电图反映的是心电信号的时域特性，经分析可以看出e c g 信号的特 征段的分界处是波形上的拐点。 1 3 3 心电信号的电特性分析 按照美国心电学会确定的标准，正常心电信号的幅值范围在1 0 l l v 4 m v 之 间，典型值为1 m v 。频率范围在o 0 5 1 0 0 h z 以内，而9 0 的e c g 频谱能量集 中在o 2 5 3 5 h z 之间：据n “i s h v n a k o r 【7 】等人的研究，心电信号频率较低，大 量的是直流成分，去掉直流，它的主要频率范围是o 0 5 1 0 0 h z ，大部分能量集 中在o 0 5 4 0 h z 。 心搏的节律性和随机性决定了心电信号的准周期和随机时变特性。从医学理 论和实践可以理解，心电信号受人体生理状态和测量过程等多种因素的影响而呈 现复杂的形态；同时，个体的差异也使心电信号千差万别。 阐述心电信号特征的相关文章和书籍很多，本人在认真阅读和分析的基础上 并且结合近一年项目的实践经验，得出心电信号特征主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 微弱性：从人体体表获取的心电信号一般只有1 0 小，4 m v ，典型值为 l m v 。 ( 2 ) 不稳定性：人体信号处于不停的动态变化当中。 4 西北工业大学硕士学位论文 绪论 ( 3 ) 低频特性：人体心电信号的频率多集中在o 0 5 1 0 0 h z 之间。 ( 4 ) 随机性：人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部 分，由于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干扰 的变换而变化，具有一定的随机性。 1 4 心电信号采集分析系统的研究现状和发展趋势 心电信号等的检测和处理，对信号采集、滤波处理方法和波形识别定位等， 都提出了技术挑战，它已经成为生物医学工程领域一个比较热门的研究课题，国 内每年有大量的相关论文发表。但是，总的来说，这些发表的相关文献，做的主 要工作大多侧重于心电信号滤波方法和波形识别方面的理论研究。 心电检测仪对现代心脏医学中有举足轻重的地位在欧美日等发达国家，由 于心电检测仪十分普及，使得他们具备了丰富的临床知识和许多测量方法以及理 论。相比之下，国内的同类产品在稳定性、抗干扰等方面还有很大的距离，国内 的生物医学科技人员还需不断地探索和努力，相比欧美发达国家还有很大的一个 赶超空间。 国内心电检测设备的发展水平和国际水平还有一定的距离。虽然起步时间比 较晚，但是随着广大生物医学工程技术人员的努力，其技术发展非常迅速。一些 高科技企业开始在这个领域展露头脚，如深圳迈瑞和理邦精密仪器公司。这些公 司己经出现了拥有自己知识产权的同步心电检测设备。目前在心电检测设备的高 端市场，进口产品还暂时占据了相当大的市场，但国内产品在中低端市场占据了 较大的市场份额。 随着集成电路技术、计算机和网络技术的发展，医疗电子仪器的发展是非常 迅速的。虽然心电检测技术很早就出现了，但随着时代的发展，各种新方法和手 段开始引入到心电检测中来，心电检测系统已不满足于简单的信号采集和显示。 主要的研究和发展趋势包括以下几个方面1 9 j 。 ( 1 ) e c g 分析自动化 从目前国内外的相关信息来看，e c g 的分析自动化并没有取得突破性的进 展。主要是因为心电信号过于复杂，目前还缺乏一套令人满意的算法，因此在 e c g 自动分析领域还需要作大量的研究工作。多种方法交叉分析是目前发展的 一个热点，如小波分析，模式识别，神经网络等。 ( 2 ) 小型化 采集同步化：随着集成电路技术的发展，心电检测仪器趋于小型化和便携化。 5 西北t 业大学硕十学付论文绪论 如，便携式心电监护仪代表了此发展趋势。 ( 3 ) 网络化 随着网络技术的发展，远程医疗和诊断系统也慢慢的开始出现，因此将心电 检测设备与互联网相连以实现心电信号的现场采集，即时传输和远程诊断将是未 来发展的一个重要方向。这样也更有利于医疗资源共享，心电医学的发展。 ( 4 ) 采集和存储数据标准化 建立国际上统一的心电信息资料传输标准，使采用不同类型心电检测设备采 集的心电图信息能够相互传输和交流，现在最常用和普及最广的数据库是m r r - b i h 标准心电信号数据库【1 0 】，数据库的建立有利于资源的共享和信息交流。 1 5 本课题的研究内容和创新点 1 5 1 本课题的研究内容 心电信号是心脏疾病临床诊断的重要依据，现代医学中有各种不同的检测方 法，获得的心电信号图形也不一样。在分析和研究大量有关心电采集分析系统的 基础之上，本文给出了一种新的的解决方案一基于d s p 的心电信号采集和分析 系统，本课题所作的主要工作如下： ( 1 ) 对心电信号的产生机理和特征做了深入分析和研究，在此基础上确定了 系统的各个功能指标，如采样频率，量化位数，导联方式等。 ( 2 ) 本课题制作了基于t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ( d s p ) 的心电信号采集和分析系统的 硬件，包括对心电信号的模拟采集、放大、滤波、a 仍转换、液晶显示以及控制 系统，绘制了系统原理图和p c b 图，并制作了样机一台。 ( 3 ) 在深入分析和研究心电信号的干扰因素的基础之上，对采集的心电信号 进行滤波、校正基线漂移等处理，给临床提供准确可靠的诊断参数。 ( 4 ) 在硬件开发平台上，设计了系统控制软件，完成了数据采集和处理工作， 协调同上位机的通信功能。 ( 5 ) 通过串口实现了同上位机的数据通信，并通过v c + + 软件编写了主机管 理软件。 6 西北1 二业大学硕+ 学位论文 绪论 1 5 2 本系统的创新点 进十年，随着人民生活水平的普遍提高， “家庭门诊”和“健康监测”的 概念被越来越多的人接受，这样既节省了用户开支又相对减轻了医院的门诊压 力。一种能够在家庭中应用、操作简单、价格便宜的低功耗家用电图机的设计方 案也是当前心电图机发展的潮流之一【i ”。 早期，心电信号记录在感光胶片上，经冲洗、显影等步骤才能看到图像；现 在，临床上普遍把心电信号绘制在一种走纸( 心电图纸) 上。这两种心电信号记录 设备体积庞大，功耗也大，且控制结构复杂，不利于心电信号检测进入普通家庭。 本课题以d s p 芯片为核心，依托其强大的数字信号处理能力，给出了一种 实现心电检测仪小型化、智能化、家庭化的现实可行的方案，其创新点如下： ( 1 ) 电信号的滤波和处理算法，要频繁进行大量的数据乘加运算，采用d s p 芯片，可以大大提高数字信号处理速度和能力。 ( 2 ) 课题设计了一个嵌入式控制系统，使用计算机来显示心电信号，打破了 常规心电信号记录方式的格局；系统实现了和上位机的数据通讯，可以把大量数 据信息实时地存储在上位机中，扩充了系统的数据存储量，实现了一次采集后， 可多次重复显示。 ( 3 ) 系统体积小、功耗小、成本低，便于携带并且使用方便。 7 西j t 工业大学硕士学何论文第二章心电信号采集和分析系统硬什设计 第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 本课题所研制的基于d s p 的心电信号采集和分析设计属于典型的生物医学 信号采集系统。硬件系统的设计主要集中在心电数据采集盒上。心电数据采集盒 负责心电信号数据的采集和预处理并且可以和p c 机进行实时通信。 2 1 硬件系统整体框架设计 2 1 1 系统的设计指标分析 通过前面的分析得出心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号 的普遍特征，如幅度小、频率低并且易受外界环境干扰，为采集和测量带来了难 度。由于本系统需要进行大量的数学运算，所以对处理器的数据处理能力和速度 也有很高的要求。如果选用处理速度很快的处理器，则相应的外设也要有与之相 适应的性能指标。综合各个方面因素，得到系统总体设计要求如下： ( 1 ) 对微弱的心电心电信号进行放大和滤波等必要的信号调理 1 ) 设计合理的导联系统，选择合适的传感器。 2 ) 设计合理的有源滤波器，能够进行0 0 5 1 0 0 h z 的带通滤波，5 0 h z 陷波。 3 ) 实现l o o o 倍的信号放大。 4 ) 实现信号电压抬高。 ( 2 ) 进行符合要求的a d 转换 1 ) 现在国际上的心电数据库一般数据位数为1 0 位以上，所以本系统也要满 足此要求。 2 ) 根据采样定理，采样频率要是心电频率的2 倍以上，所以刖d 的采样频 率至少要达到2 0 0 h z 以上。 ( 3 ) 选择运算速度快的处理器 1 ) 运算速度快，实时性好。 2 ) 最好要有数字信号处理库函数。 ( 4 ) 选用合适的外部设备能够达到快速处理器的要求 ( 5 ) 选用合适的存储器 8 西北工业大学硕士学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 ( 6 ) 实现良好的人机接口 2 1 2 硬件系统整体结构分析 i r a l i l f 。p 队l 前 滤 电模 l r j 部 一罂 置波 压数 存 i 一 放 主 抬转 fl 储 计 八r 大匿 升 换 叫c p u 卜 器 叫鋈 f 算 器放接 机 口 中断 _ j 电平u 键盘 m c b s p 控制 转换i t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 图2 1 硬件系统整体框图 心电数据采集和分析系统包括信号调理电路和处理电路两个部分，也就是模 拟和数字两部分。总体设计框图如图2 1 所示。心电数据采集电路包括前端放大 和右腿驱动电路、主放大和滤波电路、电平抬高电路等。心电数据处理电路包括 a d 转换模块、电源管理模块、1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 处理器模块电路、存储器模块 电路、键盘模块、l c d 接口电路等。 处理过程大致为：通过a g a g c l 传感器采得人体心电信号，进行模拟放大、 滤波和电平抬高等处理；然后进行d s p 的a 仍转换，采集到心电的数字信号通 过d s p 进行数字信号处理得到光滑，正确的心电信号数据，最后将滤波后的数 字心电信号与计算机进行实时通信。 2 2 心电信号调理模块的设计 心电信号是一种低频率的微弱双极性信号，信号主要成分集中在 o 0 5 1 0 0 h z ，幅度为1 0 “v ，4 m v ( 典型值为l m v ) 。另外，心电信号是强噪声背 景下的微弱生物信号，具有很强的不确定性和随机性，在数据采集过程中，很容 易受到其它因素的干扰，导致信号失真【1 2 】。对于绝大多数数据采集和控制系统来 说，信号调理是非常重要的。信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器的输出 通过信号调理的各种功能，如信号的放大、滤波、电压抬升等，接到心电信号控 制模块上，使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善。 9 西北丁业大学硕十学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 2 2 1 心电信号的干扰因素分析 心电信号的干扰因素很多，为采集带来了难度，在具体设计采集电路时要充 分考虑到这些因素，设计出相应的滤波和抗干扰电路来抵消或削弱这些噪声对人 体心电信号的影响，以得到正确和较光滑的信号，为后续的工作做好铺垫。心电 信号的干扰因素主要包括【1 3 】： ( 1 ) 5 0 h z 工频干扰 电源工频干扰主要因电源磁场作用于导联与人体之间的环行电路所致。其主 要表现为心电记录上可见正弦波或正弦波的叠加，其频率为5 0 h z 工频或其谐波， 幅度较低。 可以说只要有电源照明系统存在，5 0 h z 工频干扰就不可避免，因而滤除5 0 k 工频干扰是生物弱信号采集系统首先要解决的问题，心电信号采集也不例外。 本系统设计了模拟和数字两部分滤波器来滤除5 0 h z 工频干扰。 2 蠢。 馨 古有5 0 工频干扰的心电信号 1 主。 釜一 - 2 o5 1 0 1 5 2 0 0 02 5 3 0 3 5 4 o 采样点数( n ) 图2 3 心电信号中的基线漂移 ( 3 ) 运动伪迹 人体心电信号的检测需要用到电极，电极引入会引起电极噪声。运动伪迹是 由于电极脱落或电极和接触皮肤之间的移动引起的短暂基线改变，其持续时间为 1 0 西北下业大学硕十学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 1 0 0 5 0 0 m s ，幅度很大，一般可达数据采集系统的满量程输入m i t - b i h 心电 数据库的锄d a t 是人为模拟的电极运动伪迹数据，如图2 4 所示。 运动伪迹 采样点数( n 图2 4 心电信号中的运动伪迹 ( 4 ) 肌电干扰 人体结构是一个十分复杂的“信号源”，采集心电信号时，不可避免地会参 杂其他生物信号，常见的如肌肉紧张引起的肌电干扰。 肌电干扰由人体活动，肌肉紧张所引起的干扰，其频率范围较宽，为1 0 3 0 0 h z ，幅度为毫伏级，可以将其近似为零均值高斯噪声的短暂爆发，持续时问 约为5 0 m s ，表现为不规则的快速变化波形。m a d a t 是m i t - b i h 标准心电数据库 人工模拟的肌电干扰，如图2 5 所示。 肌电干扰 1 主n 5 篓 o 2 - 2 2 心电电极和导联体系分析 ( 1 ) 系统电极选择【4 】【1 5 】 心电信号检测一般采用体表电极，随着时代的发展金属电极已经成为了体表 的连接器。一个由盐溶液和胶组成的电极层成为了金属电极和皮肤的接触面。身 体内部电流是由离子运动产生的，而在导线中的电流是由电子的运动产生的。电 西北丁业大学硕十学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 极系统可完成离子电流到电子电流的转换。 体表生物电极通过与皮肤接触，致使接界处的离子浓度发生变化而形成一 个电偶层，因此产生了电势差( 电极电位) ，其理论值用内斯特公式表示为： e ：岛+ 罢l l l 口 ( 2 1 ) n ， 式中，磊一标准电极电势；r 一气体常数；n 一正离子价；f 一法拉第常数；a 一 正离子浓度。 当病人身体的运动会导致电极电位的变化，当用两个电极分别引导生物体两 点的电位时，如果两个电极本身的电位不同则会造成记录中的伪差( 又称极化电 压) 。这个小失调电压会随心电信号放大1 0 0 0 倍，因此小信号的变化也会导致信 号的基线漂移。极化电压在心电信号检测系统中属于干扰因素，应尽量避免极化 噪声的影响。因此在心电测量系统中要求采用非极化或极化电压微弱的电极。 本系统采用表面镀有a 哥a g c l 的可拆卸的一次性软电极，并在电极上涂有 优质导电膏，使它更接近非极化电极，有效地抵消极化电压引起的干扰。图2 6 所示为这种电极实物图。该电极漂移电位非常小，它在a g 层上镀了一层a g c l 。 氯离子将在体内、电极内以及在a g c i 层内运动，在这里转换成在a g 中的电子 运动并传导到导线中。这种方法把直流漂移电位减小到与峰值相比非常小的程 度。因此，这种电极移动导致的基线漂移比其他极化电极要小很多。 ， 图2 6a g - a g c l 电极实物图 ( 2 ) 心电信号导联体系分析 心电信号是典型的人体电信号，人体电信号本质是两点的电位差信号，直接 加电极于身体并且通过一定的导联方式就可以观察到心电信号。导联方式即输入 导线与电极放置在机体特定的测试部位( 正输入端) 、参比部位( 负输入端) 和接地 部位的连接方式。在心电图学中有三种基本的导联系统【1 】【4 l ： 第一个导联系统具有最普遍的1 2 导联，它定义了一组1 2 个电位差，用他们 西北工业大学硕士学位论文 第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 来形成标准临床e c g 。e i l l t h o v e n 于1 9 0 3 年提出双极肢体i 、i i 、i i i ，1 9 3 0 年 代w i l n 提出v 1 v 6 单极胸导联，4 0 年代g o l d b e r g e r 改良了中心电端，提 出a v r 、a v l 、d v f 单极加压肢体导联。这就是临床上采用的e i n t l l o v - w i l n 1 2 标准导联体系。 第二个导联系统规定记录v c g 的的电极的位置，f 删咄正交校正导联系统： 正交导联指与该导联系统相伴随的导联向量是正交的，1 9 5 6 年f 捌【l l 【提出了三 个正交导联x 、y 、z ，精确测量了相互垂直方向上模拟心脏电活动的各分量。 第三导联系统为监测系统，典型的只分析一个或两个导联。该系统的主要目 的是可靠地识别每次心跳并进行节律分析，所以电极的配置应以获得在基本的 e c g 中有较大的r 波为原则。如i 、i i 、i i i 导联系统。 图2 7i 导联i i i 导联 本系统是单通道的心电监测系统，主要是为了满足家庭使用，许多变化不是 很强烈的心电图信号对于患者来说没有太大用处，所以本系统只采用了i 或i i i 导联方式。图2 7 为典型的i 、i l i 导联方式。其中，r a ：右臂；l a ：左臂； r l ：右腿；l l ：左腿；+ ：表示接运放的正输入端；一：表示接运放的负输入 端。 2 2 3 前置放大电路设计 前置放大是整个信号放大最关键的环节，关系到整个模拟采集部分的工作性 能。前面已经对心电信号的干扰因素已经有比较全面和详细的介绍，设计电路时 必须把这些干扰因素减小到最小。前置放大器是整个前置放大电路的“心脏”， 关系到前置放大电路的性能，因而它的选型非常重要。本系统主要基于以下三个 方面来确定前置放大器的选型。 ( 1 ) 心电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称， 这种极化电压数值和相位相同，将作为直流共模信号输入到心电放大器；无处不 西北t 业大学硕十学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 在的工频干扰也是一种共模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比 ( c m r r ) ，共模抑制比高能很好地抑制干扰。心电信号前置放大器的共模抑制比 一般要在8 0 d b 以上。 ( 2 ) 电极和皮肤接触会存在极化电阻，而被测者身体的移动会导致极化电阻 阻抗值发生变化。极化电阻可以看作是整个电路系统源电阻，和前置放大电路的 输入电阻进行分压，变化的极化电阻会导致前置放大电路的分压输出处于不稳定 状态。所以心电前置放大器必须具有很高的输入阻抗才能减弱心电信号的衰减影 响。信号源阻抗一般在数十欧姆到数k 欧姆之间，心电前置放大器的输入阻抗 应该比源阻抗至少高两个数量级，以保证信号的不失真。 ( 3 ) 由于电子电路温度变化而造成的零点漂移也能严重影响正常的心电信 号的检测，因而要采用低温漂的元件，尤其是在选择心电信号放大器时更要选择 低温漂的产品，否则会影响放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法放大， 心电信号中的低频成分不能得到正确的测量。 总之前置放大器的选择要从高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂【1 2 】 这几个方面着手。本系统选用的前置放大器是a d 6 2 0 a ，具有很好的性能，非常 适合作为心电信号测量前置放大器，其具体规格特性如下： 电源供应范围：士2 3 、k 1 8 v 高精度：输人最大偏置电流：1 a ；输人最大失调电流：o 5 n a ；输入最大 失调电压：5 0 u v ；最大温度漂移：o 6i l v ；输人阻抗：1 0 g q 。 低杂讯：输入电压噪声( f ；1 kh z ) ：9 l l v 王拓：共模抑制比( 增益g = 1 0 ) ：1 0 0 d b a d 6 2 0 的增益可调，范围为1 1 0 0 0 倍，通过调节a d 6 2 0 a 的1 和8 腿之间的r 。 的值来实现，公式为g ：1 + 兰翟堕。 前置放大器的性能并不是整个实际电路的性能，还必须辅以合理的电路结构 来充分发挥前置放大器的作用。前置放大级最重要的电路参数为共模抑制比参数 ( c m m u ，很大程度上取决于电路的对称性，本系统采用典型的差分放大电路来 作为前置放大级，可以有效地提高共模抑制比，如图2 8 所示。u 1 l 和u 1 2 接成 射极跟随器，可以稳定输入信号和提高输入阻抗和共模抑制比；u 8 将r 4 3 ，r 4 4 的人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层，以消除分布电容，进一步提高共 模抑制比【1 l 】：u 1 0 、i h l 、r 3 9 和c 3 9 构成浮地驱动电路可将人体共模信号放大 后用于激励人体右腿，从而降低共模电压，较强地抑制5 0 h z 工频干扰，右腿驱 动电路将在下一节做详细介绍。 1 4 西北_ 【业大学硕十学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 虽然本系统选用了a 哥a g c l 去极化电极，但是两个电极的极化电压不可能 完全一致，极化电压差作为差模直流电压信号输入到放大器，会造成前置放大器 静态工作点的偏离，严重会导致放大器进入截止或饱和状态。这种极化电压的存 在限制了前置放大级的增益，为了避免截止或饱和，前置放大电路的增益不能太 大，本系统设计的前置放大电路的增益o = l + 等* 1 1 8 8 。 2 2 4 右腿驱动电路 图2 8 前置放大电路 心电电极和电力线之问由于存在电容耦合会产生位移电流掰，位移电流大 部分从人体流经地，对人体是十分有害的。皮肤与接地间的接地阻抗为z 1 ，位 移电流流经五建立共模电压，对微弱的心电信号检测影响很大【1 6 1 。 假定z i ，z 2 为皮肤和电极1 ，2 间的接触电阻，为磁，和为心电电极1 ， 2 和电力线之间的位移电流，则导联信号的两个电极输入端a ，b 因位移电流将 产生电位差： i 圪= 埘z 1 + ( 弼+ ) z 3 圪= 腹z 2 + ( 埘+ 碹) z 3 ( 2 2 ) 屹一k i = i 埘z l 一尉：z 2 l 降低位移电流干扰的一种有效办法是采用右腿驱动法，图2 7 的虚框部分为 右腿驱动的具体连接电路【。由图，右腿不直接接地而是接到辅助运算放大器 1 5 西北工业大学硕十学位论文第二章心电信号采集和分析系统硬件设计 u 1 0 的输出。从r 4 3 和r 4 4 电阻结点检出共模电压，它经过辅助的反相放大器 放大后通过电阻r 3 9 反馈到右腿。人体的位移电流这时候不再流入地而是流入 r 3 9 和辅助放大器的输出。r 3 9 起安全保护作用，当病人和地之间出现很高电压 时辅助放大器饱和，右腿驱动不起作用，这时候u 1 0 等效于接地，r 3 9 此时起 到限流保护作用。 右腿驱动电路实际可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路，任 何流入人体的位移电流基本等于反馈电阻上的驱