医疗电子电路设计

重庆大学研究生专业实验教学实验报告书研究生院制实验课程名称医疗电子电路设计实验指导教师学院生物工程学院专业及类别专业硕士学号姓名实验日期2014416201463成绩1、实验背景心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有较直观的规律性。当前，心电信号的处理仍是生物医学工程界的重要研究对象之一。近年来心脏病仍然是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。医学实践表明，对猝发性心律失常患者，如果能够及早发现心律失常先兆，可以及时采取抢救措施，其中7080的患者可以避免死亡。所以首先必须对这类患者发病前后几秒钟内的心电图，进行监测报警，这是一种挽救患者生命的关键措施。自本世纪初EINTHOVEN研究发明弦线型心电图描记器并从体表记录心脏电活动以来，心电学发展历经百年。在这期间，不仅常规心电图检测技术本身不断改进、完善，同时从体表心电图演化、派生出来研究心脏电信号的各种检测方法竞相问世。特别是近年来现代电子技术的进步和数字计算机技术的飞跃发展，极大的促进了心电信息研究向纵深方向发展。动态心电图、心电向量图、体表电位标测图、频谱心电图等十余种相关的心电检测技术目前也已在临床上有广泛的应用。2、实验目的心电信号是一种低频微弱电信号，检测设备具有较高的灵敏度，所以对干扰很敏感。对体表电极测量而言，信号幅度在10V到4MV之间，典型值为1MV。频率范围在005HZ到250HZ，频谱能量主要集中在025HZ35HZ之间。由于心电信号检测的信号源是人体本身，而人体又处在各种纷繁复杂的电磁环境中，所以心电信号中不可避免地会混有各种高强度的干扰。所以，要采集心电信号不仅要将原始信号放大，还要滤除各类干扰信号。本次实验目的如下1）学习并通过实践深入理解心电采集及调理电路的原理。2）熟练掌握心电放大电路器的设计与搭建。3）掌握心电检测电路中各个基本参数的测试方法。3、实验主要仪器设备FG1617函数信号发生器一台TDS1002型示波器一台DF1733D3型稳压电源一台DT9208N数字万用表一台电烙铁及焊台一套相关元器件若干4、实验原理41心电信号的特征心电放大器是一种典型的生物电放大器。采集人体心电信号必须充分了解心电信号的特点。心电信号的特点如下微弱性从人体体表拾取的心电信号很微弱，信号幅度较小（毫伏级），一般只有005MV5MV，典型值为1MV。低频特性常见的心电信号的频谱范围一般在0100HZ之间，能量主要集中在17HZ附近，能量主要集中在17HZ附近，而90的频谱能量集中在025HZ35HZ之间。不稳定性人体电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。随机性人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。42心电信号的干扰心电信号具有微弱、低频、和高阻抗等特性，极其容易受到干扰，所以分析干扰的来源，以便采取相应的滤除措施，是数据采集重点考虑的一个问题。常见干扰有如下几种1、电源工频干扰（50HZ）。电源工频干扰主要是以共模形式存在，普遍存在于供电网络中，是心电信号的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的电容性耦合，以位移电流的形式引入，幅值可达几是MV甚至几百MV，其强度足以淹没有用的心电信号。所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。2、极极化干扰引起基线漂移（一般小于1HZ）。心电的获取是通过在人体体表放置电极来进行的。与电极接触的是电解质溶液导电膏、汗液或组织液等，从而会构成一个金属电解质溶液界面，因电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称之为极化电压。极化电压的幅度一般较高，在几毫伏到几百毫伏之间。当两电极状态不能保持对称时，极化电压就会产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不良以致脱落的情况下更为严重。3、电干扰（几百HZ以上）。兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，在神经系统的控制下，肌肉机械性活动并伴随有生物电活动。这些生物电活动产生的电位差随时间变化的曲线即为肌电图。肌电通常是一种快速的电变化，其频率范围为205000HZ。4、量设备本身的干扰。信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器噪声。这类干扰一般具有较高的频率特性，容易通过低通滤波加以滤除。鉴于心电信号的特点、对信号的采集以及在后续的处理，查阅相关资料得到如下电路的设计流程图图1心电放大电路设计流程图5、实验要求心电信号的特点和各种干扰的存在对采集电路提出了最基本的一些要求，从而可确定一些采集电路的指标。电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几是MV甚至几百MV，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。电极极化电压引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300MV，因此心电放大器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的RC常数电路。由于信号源内阻可达几十K、乃至几百K，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几M以上，而且CMRR也要在60DB以上。主要技术指标1输入阻抗5M2共模抑制比100DB3耐极化电压300MV4频响005100HZ6、实验内容根据实验要求和流程框图分别对各个模块的电路进行设计、仿真、焊接、测试，并最终给出电路的样板。61前置放大的设计心电采集及分析系统要求在心电信号频率范围内不失真地放大所采集的微弱心电信号。这要求所采用的放大器必须具有低噪声、低漂移、低失调参数、高共模抑制比、高输入阻抗、非线性度小等特点。比较常用于心电前置放大的几种仪表放大器主要指标如下表所示表1几种仪用放大器主要性能参数的比较（输入噪声单位）NVHZ由于对心电信号特殊性对前置放大器的输入阻抗、输入噪声、输入失调电压等要求比较高，所以由表可知，AD620的主要技术指标最理想，共模抑制比达120DB（最小值，G10），它是根据典型的三运放改进而成的一种单片仪表放大器，该器件具有很高的性能，可满足系统设计的要求。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上。AD620的增益方程式为GRGR491另外，由于要取平均共模电压给右腿驱动电路。电路的电阻选取两个24K串联后再与一个51K的电阻并联，接到AD620脚1和脚8之间。AD620放大电路图如图2所示图2前置级放大和右腿驱动电模块内部电路由上图可知，放大倍数G的结果如下512/49135RG62滤波电路的设计由于心电信号信号频率范围为在005到100HZ，为了去掉低于005HZ和高于100HZ的干扰，须分别采用高通、低通滤波电路对前置级采集到的心电信号进行调理。另外50HZ的工频干扰对心电信号的影响十分强烈，工频干扰取去除的好坏对心电信号提取的质量起到了很大的决定作用。需要精心设计50HZ陷波器以滤除工频干扰。621高通滤波电路的设计电极与人体表面接触形成的半电池产生的直流电压信号（极化电压），其幅值可达到几毫伏甚至几百毫伏。同时，由于人体体表各部位电位差的影响，在前级放大电路的输入端总会存在比心电信号大几倍的直流信号，最大可达300MV左右，因此该高通滤波器主要用于抑制此类低频的干扰。这里设计一个较为简单的二阶高通滤波器，电路如图3所示。图3高通滤波电路622低通滤波电路的设计为了去除肌电信号和等高频干扰信号，要通过低通滤波对采集的信号进行调整。本实验采用二阶低通滤波器，电路图见图4。图4低通滤波电路其中电阻R5和R6可用滑动电阻来实现，这样可以使高通截止频率常选为100HZ。62350HZ陷波电路的设计由于人体耦合引入的50HZ工频干扰信号很强，且心电信号频带基本不含50HZ的成分，所以滤波电路中还要设计一个陷波电路来衰减50HZ频段的信号，以滤除心电信号中的工频干扰。这里采用双T网络有源滤波器设计50HZ陷波电路，初始参数设定为增益G1，中心截止频率F050HZ，设计的50HZ陷波电路如图25所示。该电路通过放大器引入正反馈，以减小阻带宽度，使阻带中心频率附近两边的幅值增大，品质因数Q可通过变阻器来调节。而中心频率F0和Q值的计算公式为0HL1F2RC其中AVF由电路中的电位器R4决定VFLF3为了方便计算，在本次设计中直接使用100NF的电容。具体电路设计如图5图550HZ陷波电路此外，如果为了取得更好的效果，可以将4个等值电阻替换为3个可调电阻。R3与R4可以用一个可调电阻代替，这样做的目的是为了得到精确的电阻值，减少测量误差。而本次实验中只是将改变Q值的电阻用滑动变阻器替代。63后级放大电路心电信号经过125倍增益的前级放大电路和通带增益为1的低通滤波器后，共经过了125倍的放大其幅值还较小，AD转换器的输入范围为05V，因此还必须设计后级放大电路，使放大后的心电信号满足AD转换器的输入电压要求。这里设计了对处理后的心电信号可以最大放大10001倍的二级放大电路，充分满足实验结果的要求。图6即后级放大电路。图6后级放大电路7、数据测试71部分电路仿真测试711、滤波电路的仿真测试（图7）在仿真过程中，黄色线为输入信号，绿色线为输出信号。图7滤波电路仿真712、50HZ限波电路仿真测试（图8）图850HZ限波仿真713、二级放大电路的仿真测试（图9）图9二级放大仿真根据仿真数据计算得放大倍数约为500倍。72电路测试图10电路实物图721、输入阻抗输入阻抗采用间接法测量。在输入端串联一个1M的测试电阻，输入5V交流电压，使用万用表的交流档测定测试电阻上的电压，间接计算出电路的输入阻抗。通过测量得到测试电阻上的电压为301V，计算后得到输入阻抗为066M。722、前置放大器共模抑制比采用信号发生器输出通带频率范围内的任意频率正弦信号，心电信号主要集中在20HZ，故采用20HZ正弦信号输入模拟心电信号进行测量。测量时分别采用差模和共模方式输入，然后测量输出端信号，分别计算共模输入和差模输入情况下的输出放大倍数。再计算共模抑制比。测试结果记录如下表3。表3共模抑制比测试结果输入信号输出信号增益差模输入5MV320MV320564共模输入4V17MV174000000425共模抑制比8356DB20LOG20LOG64000425723、频带范围测试使用1V的输入信号对频带进行测试。表4频带测试输入频率/HZ输出电压/V输入频率/HZ输出电压/V00507401040080765010116009603104700920510480088110490084510410008101041100762010412007230104图11带通频带测试724、陷波电路测试使用1V的输入信号对频带进行测试。表5限波测试输入频率/HZ输出电压/V输入频率/HZ输出电压/V2015301443008454019240054550244702460048848027006884901280076650004290079251005610008520096图12限波测试725、使用电路最终采集得到的心电信号本实验测量了两个人的心电信号电极分别接左右手和右腿，用示波器测量信号输出。8、数据处理及结果分析1、根据两级放大电路测试得到的结果可以知道，电路总的放大倍数为3400倍。2、根据通带测试得到的结果可以知道，本电路的截止频率为005120HZ，基本符合设计要求。3、根据陷波电路测试结果可以知道，本电路设计的陷波电路在50HZ的陷波功能比较良好，但是品质因数还有待提高。4、根据电路的共模抑制比测试结果可以知道，计算出来的共模抑制比为83DB，还不能满足实验提出的要求100DB。5、输入阻抗远远没有达到实验要求5M。6、通过电路采集到的心电信号可以看到，基线漂移较小，信号较稳定，心率周期捕捉正常，有较明显的QRS波，工频干扰噪声的滤除比较彻底，说明电路可以正常工作。7、由于耐极化电压不知道怎么测量，所以没有测量。9、实验小节本次实验设计、焊接了心电信号的电路，基本上完成了对心电信号的采集，接在人体上，在示波器上能很好的显示出心电信号；在对每个模块的调试上也基本上满足实验测量的要求。但是，在电路中还是存在着问题1）首先，由于电容、电阻存在这一定的误差，所以实物测量的结果不能达到仿真的效果