重庆理工大学心电图仪课程设计实验报告

1、重庆理工大学生物医学工程课程设计报告题目： 心电图仪设计与制作 班级： 111111111 学号： 11111111111 姓名： xx 指导老师： xxx 日期： 2014年x月 摘要01.绪论02.设计基础 2.1设计目的1 2.2心电信号特征分析22.2.1 心电信号时域特征分析22.2.2 心电信号的电特征分析32.2 心电信号的噪声来源33.电路设计 3.1 前置放大电路设计4 3.2 二阶高通滤波器电路设计6 3.3 二阶低通滤波器电路设计7 3.4 50Hz干扰信号陷波器设计8 3.5电压放大器设计94. 原理图、实物图、输出结果 4.1实验结论105.总结106.参考文献11摘

2、要心脏是人体循环系统的核心，心脏的活动是由生物电信号引发的机械收缩。在人体这个三维空间导体当中，这种生物电信号可以波及人体各个部分，在人体体表产生规律性的电位变化。在人体体表的一定位置安放电极，按时间顺序放大并记录这种电信号，可以得到连续有序的曲线，这就是心电图。本文分析了体表心电信号的特征。心电信号的各种生理参数都是复杂生命体(人体)发出的强噪声条件下的弱信号(除体温等直接测量的参数外)，心电信号的幅度在l0µV4mV之问，频率范围为O.05 100Hz，淹没在50Hz的工频干扰和人体其他信号之中，检测过程及方法较复杂。去除信号检测过程的干扰和噪声、进行心电信号的分析是心电仪器的重

3、要功能之一，心电信号的放大质量直接影响着分析仪器的性能和对人体心脏疾病的诊断。本文设计了一个心电信号检测放大电路，充分考虑了人体心电信号的特点，·采用前置差动放大+带通滤波器+50Hz陷波器(带阻滤波器)组成的模式，并且利用软件对相应的电路进行仿真，仿真结果表明电路的放大滤波性能很好，硬件电路搭建后的实验结果也表明，电路能够很好地完成人体心电信号的检测放大。关键词：放大器 心电信号 第1章 绪论1人体生物信息的基本特点 人体的生物信号测量的条件是很复杂的。在测量某种生理参数的同时，存在着其它生理信号的噪声背景；此外，生物信号对来自测量系统(包括人体)之外的干扰十分敏感，这是因为：(1

4、)被测生物医学信号的提取信号微弱：如心电信号幅度一般在10µV4mV：要求测试系统具有较高的灵敏度。而灵敏度越高，对干扰也就越敏感，即极易把干扰信弓引入测试系统；(2)频率低：一般在0.05Hz200Hz，频带范围不宽；工频50Hz干扰和人体其它信号几乎落在所有生物电信号的频带范围内，而50Hz干扰又是普遍存在的；(3)生命体为发出不稳定自然信号的信号源：人体内阻、检测电极与皮肤的接触电阻等为信号源内阻，其阻值较大，一般为几十千欧；(4)人体相当于一个导体，将接受空间电磁场的各种干扰信号；除了外界环境对被测信号的干扰之外，微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中。抗干扰和低噪声，构

5、成生物信号测量的两个基本条件。本文的目的是 在分析的基础上，得到生物信号测量系统的强抗干扰能力和低噪声电子设计方法，我们把抗干扰和低噪声作为人体测量的基本条件，不只是由于人体电子测量是处于强电磁场环境中，成为无法回避的客观事实；而且还由于抗干扰和低噪声本来就是电子设计开始时必须予以考虑的环节。设计制作一个简易心电图仪，可以测量人体心电信号并在示波器上显示出来。示意图如图1所示。图1 简易心电图仪示意图导联电极说明：RA-右臂；LA-左臂；LL-左腿；RL-右腿。第一路心电信号，即标准I导联的电极接法：RA接放大器反相输入端（），LA接放大器同相输入端（），RL作为参考电极，接心电放大器参考点。

6、第二路心电信号，即标准导联的电极接法：RA接放大器反相输入端（），LL接放大器同相输入端（），RL作为参考电极，接心电放大器参考点。RA、LA、LL和RL的皮肤接触电极分别通过1.5m长的屏蔽导联线与心电信号放大器连接。 基本要求及技术指标如下：1）电压放大倍数1000，误差+5%;2）3dB低频截止频率0.05Hz，（可不测试，由电路设计予以保证）;3）3dB高频截止频率100Hz，误差±10Hz;4）频带内响应波动在±3dB之内;5）共模抑制比>60dB（含1.5m长的屏蔽导联线，共模输入电压范围为±7.5v）;6）差模输入电阻>5M（可不测试，由

7、电路设计予以保证）;7）输出电压动态范围大于±10V;8）设计并制作心电放大器所用的直流稳压电源,直流稳压电源输出交流噪声<±3mV。第二章 设计基础2.1设计目的1、根据心电图特征设计电路原理图2、自选原件，完成硬件电路焊接3、完成硬件电路调试4、实测袭击的心电信号2.2心电信号特征分析2.2.1心电信号时域特征分析图2.1 典型的心电信号如图2.1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QRS波变化比较集中，所以给出了分解图11。下面对每个波形点作详细的介绍：(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

8、，代表了两个心房的去极。(2)QRS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0.08-O.12秒。典型的QRS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。QRS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。QRS是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个QRS波群都具有Q、R、S三个波，一个单相的负QRS复合波被称为QS波。(3)PR间期：从P波开始到QRS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O12-2O秒，测量是从P波的起点到QRS复合波的起点，不管初始波是Q波还是R波

9、。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TP段建立的(T波末端到下一个P波开始)。(4)ST段：是在QRS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)QT间期：代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。QT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QT，而采用修正QT，称为QTC：QTC=QT+175(心室率60

10、)。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ECG信号的特征段的分界处是波形上的拐点。2.2.2 心电信号的电特征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10V-4mv之间，典型值为1mV。频率范围在O.05-100Hz以内，而90的ECG频谱能量集中O.25-35Hz之间，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.05-100Hz，大部分能量集中在O.05-40Hz12。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。2.3 心电信号的噪

11、声来源 人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为0.05-100 Hz，而90的心电信号(ECG)频谱能量集中在0.25-35 Hz之间13。采集一种电信号时，会受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种：(1)工频干扰 50 Hz工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由50 Hz的正弦信号及其谐波组成。幅值通常与ECG峰峰值相当或更强。(2)电极接触噪声 电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良接触，即病人与检侧系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，如病人的运动和振动导致松动；也可能是检测系统不断的开关、放大器输入端连接不好等。电极接触噪声可抽象为

12、快速、随机变化的阶跃信号，它按指数形式衰减到基线值，包含工频成分。这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始瞬态的幅值和工频成分的幅值、衰减的时间常数；其持续时间一般的1s左右，幅值可达记录仪的最大值。(3)人为运动 人为运动是瞬时的(但非阶跃)基线改变，由电极移动中电极与皮肤阻抗改变所引起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基线干扰形状可认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通常为几十毫伏。(4)肌电干扰(EMG) 肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电势。EMG基线通常在很小电压范围内。所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时发生的零均值带限噪声，主要

13、能量集中在30-300 Hz范围内。(5)基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化 基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率小于5 Hz；其变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸频率同频率的正弦分量，在O.015-O.3Hz处基线变化变化幅度的为ECG峰峰值的15。第三章 电路设计3.1 前置放大器 由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成

14、仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放大器AD620实现。AD620仪表放大器的管脚排列图和内部电路图分别见图图3.2、图3.3。图3.2 图3.3 AD620 的单片结构和激光晶体调整, 允许电路元件紧密匹配和跟踪, 从而保证电路固有的高性能AD620作为高精度仪表放大器，只需要用改变1脚和8脚之间的外接电阻，即可实现放大器11000变化范围的电压增益。AD620 为三运放集成的仪表放大器结构, 为保护增益控制的高精度, 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入, 并采用工艺获得更低的输入偏置电流, 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的集电极电流恒定, 并使输入电压加到外部增益控制电阻

15、Rg上。AD620 的两个内部增益电阻为24. 7 K , 因而增益方程式为G =49.4 K/R g+ 1 (3-1)对于所需的增益, 则外部控制电阻值为R G =49.4/（G - 1）K （3-2) AD620的最大失调电压仅为50V，失调电压温漂0.6V/，输入电压噪声为，输入电流噪声，所以作为前置放大器可以很好的工作。为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真，前置放大器的电压放大倍数不能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于10倍。根据公式 （3-2） 可知当放大器放大倍数G=10时，Rg=49.4/(G-1)=5.6K；前置放大模块以 AD620仪用放大电路为核心，外围由 OPA3

16、35 构成的 反馈积分调零电路和右腿驱动电路三个部分组成。AD620内部原理图如图 3 所示。AD620 的主要特点是低漂移电压，低偏置电流，高共模抑制比。图3 AD620原理示意图图4 AD620引脚图图4 所示为 AD620仪表放大器的脚位图。其中1、8 接脚要跨接一电阻来调整放大倍率（作用同式(1)中的Rg），放大倍数G=49.4k/Rg+1。这里我们设计增益为40，则Rg取1.24 k。4、7 接脚需提供正负相等的工作电压，由 2、3 接脚输入的放大的电压即可从接脚 6 输出放大后的电压值。接脚5则是参考基准，如果接地则接脚 6 的输出即为与地之间的相对电压。图5 AD620前置放大电

17、路及仿真图3.2高通滤波器 正常心电信号的频率范围为0.05100Hz，而90%的心电信号频谱能量集中在0.2535。Hz之间。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基线漂移等，其中50Hz的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器电路中，应加入高通滤波器、低通滤波器和50Hz工频信号陷波器。二阶高通滤波器包含两个RC电路，如图所示为一阶高通滤波器。图3.3 高通滤波器器件分析：C1=100nf,C2=100nf，R1=4.4M,R2=4.4M,LM324参数分析：图所示的滤波器是反相放大器。该电路的典型参数为：截止频率,通带电压放大倍数Aup=-Rf/R

18、1。现在截止频率是0.05Hz，C1是100nf,R=4.4M,取通带电压放大倍数是1。计算分析：G(s)=U1/U2=-Rf/(R1+1/sC1);s=jw带入，得结果是：频率特性G(jw)=Go /(1-jWc/W), 其中Go=-Rf/R1是通带增益，W=1/RC是角频率。调试分析：高通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通±9V电源，先输入大小为1V的直流电压，测量其输出值；然后输入大小为1V的正弦波信号，改变其正弦波频率在0.01Hz100Hz变化，分别测量在0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz下的输出电压，并求其滤波器的下限转折频率。结论分

19、析：一阶高通滤波器电路阻态衰减太慢，为20dB/10oct，所以这种电路一般对要求不高的滤波电路可用，如果要求高的可以用二阶以上。3.3低通滤波电路采用具有线性相移特性，二阶贝塞尔滤器。图9低通滤波器图 10 100Hz滤波电路图中低通滤波器的幅频特性曲线衰减3dB时，对应频率为93Hz；衰减10dB时对应频率为180Hz。完全符合设计的要求。该滤波器的参数指标为：截止频率，品质因数 ，通带放大倍数 。在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截止频率，。图所示的所示的滤波器是反向放大器，其中传递函数为G（s）=-×=式中，G0=-为零频增益，Wc=为截止角频率。其中，幅频特性为 G（

20、s）= 其中，幅频特性为 G（w）=相频特性为 （w)=-arctan()3.4 50Hz干扰信号陷波器50Hz工频信号陷波器可以采用应用广泛的双T型有源带阻滤波器，图是自举式双T桥二阶有源带阻滤波器电路图3.5 陷波器这种滤波器的有点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的中心频率无关。在该电路中，当A2的同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤波器的Q值最小，大约为0.3；当A2同相输入端的电位很接近滤波器的输出电位（反馈系数大）时，这时滤波器的Q值大，但Q值过大会造成电路的不稳定甚至自激，一般将Q值选在十至几十的范围内，调节图中RW可改变Q值大小。在图中双T网络参数选择下，带阻滤波器的中心频率，

21、要求滤波器的阻带宽度BW=2Hz，则。3.5 电压放大器 人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低，对于末级电压放大器的要求是应低噪声、低漂移，且有足够大的电压放大能力和一定的频带宽度，同时输出具有较大的动态范围。心电信号放大器总电压放大倍数要求1000倍，前置级和高通滤波器通频带电压放大倍数分别为51和1，所以电压放大器的电压放大倍数应为20。且采用低噪声、宽频带集成运算放大器LM324构成的电压放大器如图。 图3.6 后级放大A=根据此公式算出的最大倍数为103，实际只需20，只需把滑动变阻器调到48.5k即可，所以符合设计的要求。第4章 原理图、实物图、输出结果4.1 实验结论（1）该试验分

22、模块进行电路图的设计，首先通过信号发生器输入信号，可以在示波器上观察到非常清晰的心电信号，然后连接在人体上，观察到了呈周期性变化的、有峰值的心电信号。（2）在用信号发生器输入信号的时候，心电信号非常清晰干净，当连接到人体时，信号就没有那么清晰了，是因为信号发生器的信号非常强，基本上不受噪声的干扰，而人体的噪声干扰非常大，而且滤波的时候滤的不干净，所以导致有噪声干扰了心电信号。（3）设计电路的时候要考虑到人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低，对于末级电压放大器的要求是应低噪声、低漂移，且有足够大的电压放大能力和一定的频带宽度，同时输出具有较大的动态范围。（4）调陷波电路的时候，通过滑动变阻器来调节陷波器的深度。（5）示波器要设置在直流情况下，显示心电信号。第五章 总结 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)