（信号与信息处理专业论文）无线心电信号采集系统的研制.pdf

哈尔演理t 人学t 学硕 j 学位论文 无线心电信号采集系统的研制 摘要 进入2 1 世纪以来，随着老龄化社会的到来，心脑血管疾病已经成为了威胁 人类生命的重要因素，促进了心电监护类设备的强劲市场需求。然而，传统设 备由于数据传输线缆的限制，使用不便，此外其功耗高、价格贵，已经不能适 应新的要求。结合近年来发展迅猛的无线传感器技术，本文研制了一种无线心 电信号采集系统。该系统使用z i g b e e 无线通信技术，利用其适用低速传输、功 耗较低、通信距离较远、协议简单易于开发等特点，充分发挥了无线数据传输 的优点。 无线心电信号采集系统在设计上遵循z i g b e e 通信协议，硬件上使用了十六 位微控制器s p c e 0 6 1 a 作为控制芯片，搭建了心电信号拾取和调理电路，无线 模块核心芯片采用了台湾达盛公司的u z 2 4 0 0 。整个系统分为两个主要部分，即 心电数据采集和发送部分、数据接收部分。微控制主要实现信号采集、数据处 理、协议数据的打包、把接收数据上传给上位机等功能：无线通信模块负责数 据的收发、控制功能的实现等功能。心电数据处理部分，本文结合心电数据产 生除波峰、波谷之外的大部分时间内幅值变化不大这一特点，采用差分算法实 现数据压缩的方法，实现了单片机数据压缩，从而大大减小了通信数据量。本 系统综合使用汇编、c 语言完成软件设计，有效的调节了系统代码的简洁性。 上位机人机交互界面采用v c + + 编写完成。 关键词心电信号采集；z i g b e e ；数据压缩；界面设计 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学化论义 d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s se c g s y s t e m a b s t r a c t s i g n a ls a m p l i n g si n c et h ew o r l dh a se n t e r e dt h en e wc e n t u r y , w i t ht h ea d v e n to fa na g i n gs o c i e t y , c a r d i o v a s c u l a ra n dc e r e b r o v a s c u l a rd i s e a s e sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tf a c t o ri nt h e t h r e a tt oh u m a nl i f e ，w h i c hp r o m o t et h es t r o n gm a r k e td e m a n df o rt h et y p eo fe c g e q u i p m e n t h o w e v e r , t r a d i t i o n a le q u i p m e n t sw e r el i m i t e db yt h ec a b l e t h e ya r e d i f f i c u l tt ou s e ，b e c a u s eo ft h eh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hc o s t c o m b i n e dw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s ss e n s o rt e c h n o l o g y , aw i r e l e s se c gs i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i su s e di n t h i s s y s t e m ，i t s l o ws p e e dt r a n s m i s s i o n ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，f a r t h e rc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e ，a n dt h es i m p l ep r o t o c o ls t a c ki se a s i e r t od e v e l o p ，g i v i n gf u l lp l a yt ot h ea d v a n t a g e so fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n t h e d e s i g n o fw i r e l e s se c gs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mf o l l o w sz i g b e e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h es y s t e mu s e st h es p c e 0 61am c uw h i c hi sm a d eb y t a i w a ns u n p l u s w eb u i l dt h ee c g s i g n a lp i c k u pc i r c u i ta n dt h es i g n a ld i s p o s a l c i r c u i t t h ec o r ec h i po ft h ew i r e l e s sm o d u l ei su z 2 4 0 0w h i c hi sm a d eb yu b e c t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w om a i np a r t s ：o n ei sd a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o n ，t h eo t h e r i s r e c e i v i n gd a t a t h em c um a i n l yc o m p l e t e ss i g n a l a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，p r o t o c o ld a t ao fp a c k a g i n g ，t h er e c e i v i n gd a t at op c ， a n do t h e rf u n c t i o n s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei si nc h a r g eo fd a t at r a n s c e i v e r , t h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o lf u n c t i o na n ds oo n i nt h ee c gd a t ap r o c e s s i n gp a r t ， c o m b i n i n gt h ea m p l i t u d eo fe c g d a t am o s tt i m eo fl i t t l ec h a n g ee x c e p tp e a k sa n d u 一 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 t r o u g h s ，t h ed i f f e r e n t i a la l g o r i t h mi su s e dt od a t ac o m p r e s s i o nw h i c hr e a l i z e st h e s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rd a t ac o m p r e s s i o n ，t h e r e b yr e d u c i n gt h ec o m m u n i c a t i o n d a t aq u a n t i t ys i g n i f i c a n t l y t h es o f t w a r eo ft h e s y s t e mi s w r i t t e ni na s s e m b l y l a n g u a g ea n dcl a n g u a g ew h i c hr a i s i n gt h es i m p l i c i t yo ft h es y s t e mc o d ee f f e c t i v e l y t h ei n t e r f a c eb e t w e e np ca n dh u m a ni sw r i t t e ni nv c + + k e y w o r d se c gs i g n a la c q u i s i t i o n ，z i g b e e ，d a t ac o m p r e s s i o n ，i n t e r f a c ed e s i g n i i 卜 哈尔滨理下人学丁学顾f j 学位论义 第1 章绪论 i 1 无线心电信号采集的意义 进入2 1 世纪以来，随着科学发展的f 1 新月异，人类社会在知识、经济、科 技等方面都产生了深刻的变革。人们对生命健康也有了全新的认识，生命体征 无线监护技术方兴未艾，无线心电信号的采集更是一个全新的领域。传统的监 护设备存在着移动性差，受限于线缆的束缚、使用不便、体积庞大、功耗较大 等诸多问题【i i 。为了解决这些问题，开发了易于携带、体积小巧的设备。 行业市场方面，随着我国电子信息产业的发展，国内的医疗器械行业的产 业升级是一个必然趋势，我国人口众多，2 0 0 6 年新的医疗制度改革启动后，医 疗器械行业更是需求旺盛，行业发展潜力很大，行业迎来了一个日订所未有发展 的春天，以往国内医疗器械行业在进军国外市场时遭受到的技术壁垒深厚、标 准门槛高，严重阻碍了行业发展。在国内需求旺盛的今天，国内行业在心电生 理仪器、人造骨骼等方面将是国内行业下一步努力占领的制高点，也是与众多 国际大企业角力的关键领域。 产品方面，随着研发力度加大，市场上涌现了越来越多优秀的心电监护类 产品。这些产品很多都是来自于知名厂商，诸如通用电气、飞利浦、东芝、西 门子等行业巨头，产品功能完善，质量稳定，但是价格不菲，动辄几十万元。 中国国内医疗器械企业在完成了技术和资本积累阶段之后，也涌现出了一大批 优秀企业，如迈瑞、兰韵等，相继推出了许多优秀的心电监护仪器，也有许多 便携产品见诸市场。但是这些监护仪器在心电信号( e c g ；e l e c t r o c a r d i o g r a m ) 采集 完成之后都是通过通讯线缆将数据传送给主机进行处理，以实现在线监测。这 就给使用和携带带来很多不便，在个性化发展的今天，已经不能很好的满足医 疗行业和患者的需求。与此同时，传统的便携式心电监护设备大多都是单机携 带，病人的生理数据不能够实时的被医生获得，对于突发症状和意外情况医生 很难在第一时问内进行诊断和治疗，很大程度上降低了诊疗效果。 技术方面，近年来无线传感器、物联网f 2 3 】技术呈现出迅猛发展的念势，同 时低碳经济作为未柬经济发展的新方向，给其提供了广阔的发展空间。通过对 传感器获得的数据进行无线收发处理，利用无线传输技术能够对事物进行实时 哈尔演理丁人学丁学硕i j 学位论义 的、不受地点制约的控制和管理，极大地扩展了人们对生活、生产进行管理的 手段，很大程度上也节省了人力资源的投入，减少了设备等硬件的资会消耗。 例如文献【4 ，5 】是典型的应用案例。心电信号采集方面，由信号本身的特点决定 了采集的技术难度大，信号处理方式多样，文献【6 ，7 做了一些分析和探讨，国 内的大专院校也做出了新的研究【8 i ，可见，技术上是可行的。 本系统利用无线传输之优势，摆脱了信号在传输过程中对于数据线缆的限 制，大大提高了设备的便携性与在线监测能力。从而为病患诊疗节约了时间、 促进了医疗监护设备的无线化。 1 2 相关方向的研究及发展情况 心电信号是人体生物医学信号中最为重要和典型的信号之一，从最初的心 电波形的发现到现在各种监护产品的问世，技术的更迭经历了近1 2 0 年的历史， 对其进行分析的手段多样，虽然如此，现今对其的研究仍有诸多方面是空白的， 加之全世界人口老龄化的到来，心血管疾病呈现出新的特点，如何保证心电检 测的于确性就显得尤为重要。 1 2 1 心电监测技术的发展 1 8 9 5 年，爱因托芬获得了较为清楚的心电信号波形【9 1 。 1 9 4 9 年，美国人h o l t e r 首创了动态心电图( d c g ，d y n a m i ce l e c t r o c a r - d i o g r a p h y ) ，与静念心电图不同，动态心电图记录的是监护对象在讵常活动状念 下的心电波形【1 0 i ，因而对于临床更有价值。欧美一些发达国家和地区在上个世 纪8 0 年代这项技术就在临床上实现了应用。监护的对象也由最初的单导、双导 数据，发展为1 2 导耳关1 1 1 1 全记录，并且不断有产品出现。 1 2 2 无线通信技术的发展情况 无线传感器网络和物联网的飞速已经成为了当下研究的热点，而医疗器械 尤其是监护产品的无线化、便携化、功能多样化是一种趋势，两者的相互结合 更是一种必然。目前，如表1 1 所示，技术层面上有诸多成熟无线通信技术。 哈尔滨理t 人学丁学顾卜学位论义 主要包括w i f i l l 2 i 、b l u e t o o t h t i 、z i g b e e l l 4 1 、i r d a 等，还有许多工作在i s m 免费 频段的射频芯片，应用简单，通信协议由具体应用而设定，如n r f 2 4 0 1 ，x c 4 3 0 盘占 守。 表1 1 技术指标对比 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nc o m m o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 技术 技术名称距离1 ：作频段 通信带宽 功耗应j e f j 领域 难度 p c 机、无线路 w i f i约9 0 m2 4 g h z 最高11m b p s较高焉 由等通信设备 波长常用丁通信终 l r d a2 m1 15 2 k b p s 较低低 8 5 0 n m 9 0 0 n m 端产品 消费电子产品 b i u e t o o t h约1 0 m2 4 g h z i m b p s 较高高 和p c 终端等 2 4 g h z 、9 1 5 医疗、1 ：控、电 z i g b e e 1 0 0 m 2 5 0 k b p s 低适中 m h z 、8 6 8 m h z 子消费等 还有其它如文献i 1 5 ，1 6 ，1 7 】所述成熟无线通信技术，在此不一一列举。 如果系统的数据量为：0 5 k * 8 b y t e s ，从传输速度上来看，以上几种传输技 术都能够满足本文的需求：实际应用过程中，采集环境复杂，要求数据传输的 距离至少应在1 0 m 以上，并且数据的传播应不具有方向性，因而表中所列第二、 三种技术都不能胜任。此外，作为影响产品开发周期的技术冈素不得不加以考 虑，w i f i 和b l u e t o o t h 在技术上开发难度较大【1 8 】，协议栈体积庞大，相对于z i g b e e 技术而言丌发较为复杂。虽然有文献应用这几种技术做出了一些研究ij 9 , 2 0 1 ，但综 合系统功耗、传输稳定性和安全性等各种因素，最终选取了最后一种技术作为 通信手段。 1 3 研究内容 针对目前心电信号监护系统中数据传输的过程中存在的问题，本文采用了 当前发展较为迅速的z i g b e e 无线通信技术作为数据传输手段，结合1 6 位微控 制器的资源优势构建了一套无线心电信号采集系统。主要完成了以下几部分工 作： 设计信号调理、采集电路。设计十六位微控制器系统电路。 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 z i g b e e 接口电路的软件和硬件设计。 系统软件的设计。 上位机对数据的接收，绘图等相关界面软件设计。 系统测试及组网调试。 基于以上考虑，全文分成四章，研究内容如下： 1 介绍心电信号检测的重要性以及无线心电信号检测相关方面的目的和意 义以及国内外的研究现状。 2 对心电信号产生的生理基础和典型特点、典型干扰做了介绍和分析，同时 对z i g b e e 技术做了简要介绍，并据此提出系统设计方案。 3 在结合心电信号采集的要求特点和预期效果基础上，设计了系统的硬件部 分。分为采集节点的信号调理部分电路设计、z i g b e e 接口电路设计、微控制器 系统及电源电路的设计等。 4 对系统的软件设计做了的阐述。设计相关的程序，在上位机方面，设计波 形绘制及操作界面程序。 哈尔滨理丁人学丁学颧i j 学位论文 第2 章系统设计基础及总体设计 2 1 心电信号基础 心脏是一个电传导系统，拥有特别的特点1 2 1 1 。人体生命的生理兴奋便是由 该电传导系统产生并传导的，此外它还负责维持人体心脏的正常节律。心脏的 电传导系统是由一系列复杂的生理组织构成，心脏的每次波动都会带动这些组 织而产生生物电位的变化【2 2 i 。因而其产生也有特别重要的生理意义及医学重要 性。 2 1 1 心电信号的医学意义 心电信号含有丰富的生理信息，而心脏的各项生理机能与心电图有着非常 紧密的关系，大多数心脏生理机能的异常能够从心电图波形的异常化中观察出 来。依据心电信号各个波形波段的时间、幅度及波形特征，结合现当代先进的 医学技术，医生能够为病人进行非常准确的诊断和疾病预防1 2 3 i ，已经产生了很 好的临床效果。例如，通过临床观察，如果某位病人的心电图s t 段与基线偏 离了一段，而偏离的范围已经超出正常值，则认为该病患有可能患有心肌损伤 或心肌缺血等病变【2 4 1 。 2 1 2 心电信号的特点和干扰 设计一个医学仪器之前，我们应当对要进行处理的对象有充分了解和特性 的掌握，对要尽行观测信号的特点有充分的了解，以便在后续设计过程中有侧 重点的解决关键问题，同时对与仪器特性相关的部分做特别的设计。心电信号 作为一种人体生理电信号，产生机理、所处的测量环境复杂，有其自身的特点， 如表2 1 所述。分别从信号的强弱、频率和稳定性三个角度进行了分析和阐述 并对设计事项进行了说明。 此外，心电信号还有其他的特性，如随机性等特点，对于本系统的设计不 做重点影响因素参考，没有做出介绍。 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 表2 1 心电信号特点及相应措施 t a b l e2 1t h ec h a r a c t e r i s t i co f e c ga n dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e 典刑特点特点描述采取措施 幅值o 0 3 5 m v ，典璎值在1 m v 左右，同时伴有杂讯噪 合理设计信号放 非常微弱大电路和信号输 声，拾取后难于直接测鼙 入端的阻抗匹配 一般在0 0 5 1 0 0 h z ，主要在o 5 3 5 h z 内，同时伴有高、设计合理的高、低 频率较低 低频杂讯通滤波器 人体是一个动态的生命系统，内部各个生命器官间相 针对其频谱特点， 互作刚、相互影响，与此同时，人体所处的环境筹异 不稳定选择合理的放人 很人，受剑的影响更是干差万别，从而使得心电信号 倍数和处理电路 极不稳定 进行心电信号测量的过程中，人体作为一个复杂的系统，不可避免的要与 周围环境发生相互影响。外界的干扰对于心电信号的影响可能会直接影响到医 生的论断结果。此外，严重的干扰会对仪器的电气特性产生影响，对医疗仪器 的操作人员和病人的安全都造成威胁。这罩的干扰泛指被测心电信号之外的信 号，心电信号的测量过程中干扰的排除是必要的。通常，测量中会遇到以下几 种干扰： 1 电极噪声通常测量用的电极通过导电膏与体液接触，其表面会有极化电 压，与信号叠加，形成干扰。 2 电子元器件的噪声现代医学设备多是精密的电子医疗设备，而分立的电 子元件、集成器件( 如运放) 的噪声也成为了心电信号测量的障碍。包括热噪 声、散粒噪声、低频噪声等。因此，选择好低噪声的电子元件，设计良好的前 置级信号放大电路是非常重要的。 3 人体噪声由于人体的呼吸运动等引起的基线漂移也会造成干扰，在采集 进行之前，对皮肤做必要的清洁措施和适当的安放电极能够有效的避免此类干 扰。 4 5 0 h z 工频干扰这种干扰的成凶是由于使用的市电情况下，人体与地线、 电源线之间存在的分布电容引起的，干扰强度很大，如果抗干扰措施做得不好 可能会把待检测的心电信号完全淹没，造成检测的彻底失败。 5 其他干扰如测量仪器本身电子特性引起的干扰、静电干扰、其他医疗设 备的噪声、无线电波及高频设备的干扰等。 哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论义 2 2 总体要求和相关法规标准 心电检测设备作为一种能够直接与人体相接触的医疗电子设备，最终目的 是能够被消费者安全的、舒适的、效果满意的使用，必须针对使用要求和医疗 设备特点尽行研发和设计，因而必须严格遵守相关的原则和准则。准则规定方 面，国家相关部门针对医疗器械的设计、研发、生产制定了一系列的行业标准， 如关于医用电气设备的y y0 5 0 5 2 0 0 5 主要规范了医用电气设备关于电磁兼容的 要求和实验，关于心电图机的技术指标要求的医药行业标准y y l l 3 9 2 0 0 0 等， 结合本系统的设计，需要从以下几个方面加以考虑。 1 安全心电信号采集设备与人体直接接触，工作环境及其复杂，最为重要 的便是保证人体的安全，因此在设计的过程中我们遵循和参考了中华人民共和 国标准g b 9 7 0 6 2 5 2 0 0 5 医用电气设备第2 2 7 部分：心电监护设备安全专用要 求的内容。 2 准确心电信号的采集最终目的便是最大程度上保持信号的真实性、可信 度，因此，在设计过程当中，技术参数指标主要参考医药行业标准y y i1 3 9 2 0 0 0 单道和多道心电图机以及国家计量检定规程j j g l 0 4 1 2 0 0 8 数字心电图机 提出的各种技术要求。 3 功耗较低在全世界的低碳环保新经济理念政策的大背景之下，产品的功 耗问题是应当予以重点考虑的。对于医疗器械行业而言，虽然还没有相关规范、 规定的制定和出台，但是在整个方案的制定和设计过程中，应与重点考量。 4 技术前瞻性设计过程中采用注意新技术的采用，同时注意为产品的后续 技术升级和维护支持做好铺挚。 5 便携易用产品的设计应当使操作人员在经过简单培训或者不经过培训 的情况下就可以讵常使用，人机交互简单，实用性强，同时易于移动，工作方 式、场所灵活。 2 3z i g b e e 无线通信技术 近年来随着无线传感器网络技术和物联网技术的迅猛发展，作为这两个新 兴热点的重点应用技术的z i g b e e 通信技术也越来越多的被人们所熟知。按照 o s i 模型，分为以下四层： 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h l ) 、媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ， 哈尔滨理t 人学下学硕 j 学位论文 m a c 1 、网络层( n e t w o r kl a y e r ，n w k ) 、应用层( a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ，a p s ) 。 这个四个层级分别有不同的结构和特点，有关文献【2 5 l 介绍十分详尽，这罩不赘 述。物理层和媒体访问控制层采用由美国电气与电子工程师协会( i e e e ，i n s t i t u t e o fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 带j j 定的底层标准i e e e 8 0 2 1 5 4 。顶层的应 用层根据用户的具体应用需求而定，用户要自己定制特定的应用函数。此外， 为了保证z i g b e e 技术应用的安全性，z i g b e e 联盟还对数据通信的加密进行了相 关规定，以保证通信数据不被意外截获。 z i g b e e 协议的每一层向其上层提供数据或者管理服务1 2 6 , 2 7 1 ，由于本文没有采 用标准协议栈，因而结构上略有差异。标准协议栈结构如图2 1 所示： 八 () 数据s a p 糯a p 戍用层 k 。 图2 1z i g b e e 协议栈结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fz - s t a c k 本文的应用协议传输帧分为两种。数据帧：主要用来完成大包数据的传输。 命令帧：主要用于网络的建立、维护、节点通信、网络解除等，每种帧都有固 定的结构。针对不同的协议层，对应的帧都有标准的格式，由首部和帧载荷两 部分构成，帧首部主要由几个特定域构成用以说明传播的地址、帧信息说明等 内容，而帧载荷则是有效信息和数据的部分。 实际传输数据过程中，每一层数据向底层传输时，会由协议程序在传输帧 前面加上首部和相关信息，逐层对数据进行打包处理。相反的，当一帧数据由 哈尔滨理t 人学t 学顾i j 学化论文 底层向顶层传输时，数据的首部和相关信息会被去掉，是一个数据解包的过程， 每层只向其上一层传递有用的帧载荷部分。z i g b e e 的帧结构如图2 2 所示： 二二亚圃 l 网络层首部l 蚓络层帧载倚 i im a c 蝴lm a c 层帧载倚f 匝雯亚互匿圈匝工二二二二】四塑西 二二 图2 - 2z i g b e e 帧结构 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo fz i g b e ef r a m e 2 4 总体方案设计 无线心电信号采集系统主要由数据采集节点和数据接收节点两部分构成， 而接收节点通过串口把数据发送到上位机，由上位机来完成波形的绘制和数据 的分析。 采集节点主要包括：信号调理、微控制器最小系统、z i g b e e 接口、电源、 信息指示。 接收节点主要包括：微控制器最小系统、z i g b e e 接口、电源、信息指示及 串口通信等。 信号调理电路完成对心电信号的两级放大和滤波处理、及电压提升，最终 把信号的幅度调理在a d 的工作范围内；微控制器最小系统负责控制a d 工作 及数据的处理、无线通信数据协议帧结构的打包、解包、提取等收发工作；z i g b e e 接口部分主要实现数据无线传输；电源模块负责供给系统工作电源。 该无线心电信号采集系统应能够实现对心电信号的无线在线监测，实时的 将病患的心电信息提供给数据接收节点，由接收节点把数据上传至上位机，供 医生和监护人员随时了解病人状况并进一步诊断。 在使用时： 对放置电极片的皮肤用酒精进行清洁处理，同时被测试者应当放松心念； 连接好电极片和设备； 首先开启上位机接收软件。 设备上电，注意先丌启接收节点，然后在丌启数据采集节点，系统丌始工 作。 哈尔滨理丁人学t 学项l j 学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了心电信号产生的生理基础及医学意义，并简要说明了该信 号的典型特性和干扰，阐述了本系统设计所遵循的原则和规范，并对将要采用 的z i g b e e 技术进行了介绍，对系统做出了简要概括。下一阶段的设计将据此展 开。 哈尔滨理丁人学t 学硕 j 学位论义 第3 章系统的硬件设计 3 1 系统硬件总体设计 系统分为两部分，总体构成如图3 - 1 所示，通过无线方式通信。 图3 1 系统框图 f i g 3 1 f r a m ec h a r to ft h es y s t e m 3 2 心电信号调理电路设计 心电信号作为一种人体典型的生理电信号，信号弱、易受污染，加之人体 哈尔演理t 大学t 学顾 j 学位论义 本身是一个动态多变的信号源，因而造成了其拾取难度的加大，同时对其拾取 和调理也提出了更高的要求，在设计电路中对于以下问题应当重点考虑： 高输入阻抗：心电非常微弱，典型值为1 m v 左右，如果把人体看作是其产 生的信号源，从测量拾取电极两端向人体方向观测得到的电阻就是该信号源的 内阻。由于这个内阻是由人体内部组织、皮肤、拾取电极等多个复杂因素决定， 数值差异性很大，如果后级放大电路的输入阻抗与这个内阻不相匹配，将很难 拾取到理想的信号。我国的医药行业标准y y l1 3 9 2 0 0 0 对其的要求是：输入阻 抗不低于2 5 m q 。 高共模抑制比：心电信号测量的电磁环境非常复杂，工频交流干扰刚好包 含在信号频谱范围之内，干扰强度相对于微弱的心电信号来说很大，如果不经 处理，将难以提取原始信号。这就要求前置放大电路必须有良好的共模抑制比。 中华人民共和国医药行业标准y y l l 3 9 2 0 0 0 对心电图机的要求是：共模抑制比 k c m r 6 0 d b 以上。实际设计电路时，要求共模抑制比应该达到8 0 d b 。 低零点漂移：心电信号测量的环境各异，在不同的地区、不同的季节温度 差异很大，因而为了获得精准的心电信号，电路工作点就要稳定，尤其对于前 置放大器的零点温漂尽量小，否则较大温漂经放大会严重影响原始心电信号。 较低电子噪声：由于元器件内部粒子固有的不规则运动，造成了内部固有 的干扰。如果器件选择不当，器件的热噪声将被放大，故在设计过程中应注意 前置放大电路的电子噪声要低。 较高放大倍数：心电信号只有0 0 5 m v - 5 m v ，为了适应本文中使用的a d 要求的电压输入范围，并保持信号的真实性，使信号能正常的采集，应放大近 6 5 0 倍。如果采用一级放大，即直接对采集信号进行放大到适合a d 采样的幅 度范围会产生问题，一方面由于干扰信号的存在，有用的心电信号可能直接被 杂讯掩盖，变得难以提取；另一方面，一般生理信号的拾取端普遍采用差分放 大方式，由于信号的两个拾取端存在不对称性，导致的结果就是可能把共模干 扰转化为差模信号，这对于拥有过高增益的运放而言，必定超过其线性工作范 围。所以，在设计放大电路过程中应兼顾放大倍数和信号的放大效果，应尽量 采用二级或者多级放大处理方式。 其他：如漏电流干扰、静电干扰、输入端对称性、安全性等方面。限于篇 幅没有做出详细介绍。 除此以外，心电信号调理电路在整个系统设计中举足轻重，应注意整体布 局和器件的选择，使系统小巧易用。因而本文采用如图3 2 所示的心电信号检 测电路。 n ；t 尔滨理t 人学。l _ 学颀i j 学位论义 丽 置 保 放 护低 ? 大 、 通阶 、 放 r 滤 一 i 葡 一八、 体)电 大 y 波 v 通 胍 雨1 电滤 l i u j路波 抬 通 升 滤 波 以腿驱动电路 幽3 - 2 信 多凋理电路框图 f i g 3 - 2t h ef r a m ec h a r to ft h ec i r c u i to fs i g n a ld i s p o s e 3 2 1 输入匹配和前置放大电路的设计 心电信号的检测一般是由扣式电极片或央式电极作为从人体拾取信号的丌 始，通过专用屏蔽导联电缆线相接，将弱信号传导至后端检测仪器。本文中选 用的电极片是医院常用的豁护电极片，如图3 3 所示，蕾要技术参数：交流电 阻s 3 k 欧。导联线选购了常见的普通便携式医川心 l l 豁护仪使用的标准导联线， 导联线的连接有严格的规定标准，可参考何火文献 a ) 电极片 i 割3 - 3l 乜极片和导联线 f i g 3 - 3e l e c t r o d es l i c ea n de c gl e a dw i r e 在复杂的电磁环境下，人体l l 丁以近似看作成一个天线，接收了大量杂波， 冈此在信号输入之日订应当先对其进行滤波，如图3 4 所示为时霄放大电路，图 哈尔演理t 入学t 学硕 ：学位论义 中对称输入端的尺1 ( 尺2 ) 和c 2 0 1 ( c 2 0 2 ) 分别构成了一个低通滤波器，这罩令截 止频率1 5 0 h z ，电阻取和人体皮肤电阻相匹配的阻值几十个k 左右，这里取 r i = i o k 。利用式( 3 1 ) 2 8 i ： 厂= 丽1 ( 3 - 1 ) 能够得到电容c 2 0 1 、c 2 0 2 的大小为2 0 0 0 p f 左右。两组二极管分别构成了 双向限幅电路，当干扰信号大于0 7 时输入保护二极管导通，起到了保护前置运 放的作用，有效的把来自人体的高压对电路危害消除。 设计时应当注意，心电信号的两个输入应当尽量保证电路和导线参数对称 性，否则由于器件参数的差异使得电路对称性不好就会使两个输入端的导线( 导 联线) 与电源馈线之间存在的分布电容引起的电压转化成差模干扰。这就要求 在选用电子元件和使用时尽量使用精度较高、同一批次的元件。 a v s s a v s s d li酊r - 3 t 2 0 0 0 p f i 1 一匕 l c 2 0 l r 1t o k 1 0 k 丰c 2 0 2 l ) 2 ld 2 2 l i 一l b 1厂 卫0 0 0 p f 图3 4 前置放人电路 f i g 3 - 4c i r c u i to fp r e a m p l i f i e rm a g n i f y i n g 前置级足对拾取的信号进行的首次处理，其性能的重要性不言而喻。普通 的集成运算放大器构成的自订置级不能满足要求的，原因就是其共模抑制比、输 入阻抗较低，造成了拾取信号的强度不足，共模干扰不能被很好的抑制。为了 克服以上缺点，有人采用三个普通运放搭建三运放结构的差分放大器，这种放 大器由于器件参数的不对称，效果并不理剧2 9 i 。仪表放大器作为一种集成化的 高精度运放，很大程度上弥补了这方面的不足，般用于工业仪表、精密器械 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 的前置放大，也常用于生理前置放大电路的前端。本文采用了常用的a d 6 2 0 ， 其结构参数如表3 1 所示【3 0 1 ： 表3 1a d 6 2 0 参数表 t a b l e3 1ad 6 2 0d e v i c ep a r a m e t e r st a b l e 指标项条件参数 输入阻抗 2 5 g10 g d 2 p f 共模抑制比增益g = 1 0 1 1 0 d b 偏置电流 正常j l ：作 o 5 n a ，最人为2 n a 火调电压正常l ：作 1 2 5 9 v 输入噪声l ：作频率为1 k h z9 n v 妇； 失调漂移：常t 作 o 6 9 v 。c 结合前文对心电采集部分的指标要求可以看出，各项参数指标都能够很好 的满足本设计的需求。电路如图3 4 所示。此外，该款仪表运放的外围器件少， 配置简单易行，仅需在1 管脚和8 管脚之问外接一只控制电阻就能够调节放大 倍数，放大倍数可以在1 1 0 0 0 之间。其增益方程为： g ：4 9 4 + 1( 3 2 )= 十i - ，一么j r g 在增益强度确定后，则外部控制电阻值为： r g ：筹( 3 - 3 ) 本文中增益g = 7 ，电阻麒即图中r 3 ) 取值8 k 。 3 2 2 滤波放大电路 从人体拾取的心电信号含有由于呼吸运动等引起的基线漂移等低频干扰， 在经过前置放大电路放大后进入次级，需要予以滤除，图中c 2 0 6 和r 8 共同构 成高通滤波器，截止频率为0 0 5 h z ；此外，人体所处的环境是一个交变电场， 使得检测到的信号中包含了许多高频杂讯，通过实际检测，笔者发现由于肌电【3 1 1 等因素的影响，产生了大量的高频干扰，如果不予以处理，将对心电信号的波 形影响很大，几乎不可能进行后续处理。本文采用了简单的二阶低通滤波器， 截止频率设置为1 5 9 h z 。此外，经过初级放大的信号不能够直接为a d 所处理， 需要进行信号放大，图3 5 中r l l 和r 1 2 能够实现放大，且放大倍数可以调节。 哈尔滨理_ t 人学t 学顾l ：学位论义 器件应当选用精度较高、性能较好的电阻和滤波性能较好的涤纶电容。图3 - 6 ， 3 7 为其滤波效果图，图3 8 为采集效果图。 a v s s1 0 4 图3 5 滤波放人电路 f i g 3 - 5c i r c u i to f f i l t e ra n da m p l i f i e r 蚓3 - 6 高通滤波幅频特性蚓 f i g 3 6c h a r a c t e r i s t i c sg r a p ho fh i g h p a s sf i l t e ra m p l i t u d ef r e q u e n c y a ) 。阶低通幅频特性效果图 v 2 b ) 一：阶低通滤波幅频特性效果蚓 h3 7 一阶低通、二阶低通滤波幅频特性效果幽 f i g 3 7c h a r a c t e r i s t i c sg r a p ho fo n er a n df i l t e ra n dt w or a n df i l t e ra m p l i t u d ef r e q u e n c y 1 6 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论文 固一一p r o 5 u 厕 i i ；| ； ； !；i； 鞋o o | ；| | | i ，棼麟i 鳜戳。秭。专。彝如卅嗡鼍；硒、辱，冀；。- 强群9 i 一一一一一一_ 一： 兰! ；j ；i ； i ；i i ；j i n 2 0 0 m u 2 0 0 m s 1 , 0 ；咎：n - r 图3 - 8 信号采集效果图 f i g 3 - 8c h a r to fs i g n a la c q u i s i t i o n 3 2 3 电压调整电路 心电信号进过差分放大后是一个双极性信号，为了使该信号能够适应a d 的工作范围，放大之后应当对其进行电压抬升。这罩耿一个基准电压源与信号 进行相加操作。基准电源可以：一是采用可调电位器进行分压的方式供给，但 是由于该方法是从电源供给参考电压，而电源在整个系统工作过程中是动态变 化的，因而是不稳定的，会对相加后的信号造成幅值上的干扰，加之可调电位 器调整的精密度偏小，这罩没有采用这种方式。而采用了第二种方式罩选用了 集成基准电源。如图3 - 9 所示，基准电源选用l m 3 8 5 一1 2 ，其作用相当于一个稳 压源，能够提供1 2 4 3 v 稳定的电压，工作电流范围宽，误差小，满足本文的需 求。 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论义 3 2 4 反馈电路 j a v s s 图3 - 9 电压抬升电路 f i g 3 9c i r c u i to fv o l t a g er a i s i n g 人体处在复杂的电磁测量环境中，人体和电场干扰源之间存在分布电容， 人体与大地之间也存在分和电容，这样使得人体本身存在由分布电容引起的干 扰电压。我国的r 】电频率为5 0 h z ，医疗设备的干扰主要为照明、电力供电等用 电设备造成的工频干扰。检测心电信号时，在人体肌肤处某点放置电极，由人 体携带的干扰电压形成的位移电流便会由人体流向电极，进入测量电路，从而 形成干扰电压。如图3 1 0 所示，图中c 1 为人体与市电电源线之间的分布电容， c 2 为人体与地线之i 日j 的分布电容，一般c 1 2 4 v ，一般是3 5 v 。 低电平 = 2 0 v 。 低电平 = o 8 v 。 采用f 逻辑。两者之间不能直接通信，需要增加电平转换电路，本系统采 用了常用芯片实现电平转换的功能。该芯片工作电源+ 5 v ，外围器件非常少， 内置电荷泵能将+ 5 v 转换成1 0 + 1 0 v 。电平转换电路图如图3 1 5 所示： 哈尔演理- 1 2 大学t 学硕i j 学位论文 3 5 电源电路设计 图3 1 5 电平转换电路 f i g 3 15c i r c u i to fl e v e ls w i t c h 本系统的电源分为接收节点的供电和数据采集节点的供电两部分。由于接 收节点不需要进行信号调理，因而与数据采集节点相比少了运放的供电这一部 分。接收节点的丰要器件及丁f 常工作的电源要求如表3 2 所示： 表3 - 2 电源管理 t a b l e3 - 2m a n a g e m e n to f p o w e r 器什名称j ：作电压 s p c e 0 6 1 a 微控制器内核 + 3 3 v s p c e 0 6 l a 微控制器i o十3 3 v u z 2 4 0 0+ 3 3 v m a x 2 3 2+ 5 v 可以采用独立供电的方式，此外系统工作电流较小，计算机的u s b 口线能 够提供足够的电流，而接收节点一般和上位机配合使用，因而可以通过u s b 窃 电的方式给其供电。电路图如图3 1 6 所示： 5 vu 23 v 3 v s s j r a v s s 图3 1 6 电源电路 f i g 3 - 16 c i r c u i to f p o w e r 惦肌叶m例 g曲曲 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 发送节点的主要器件及正常工作的电源要求如表3 3 所示： 表3 3 电源管理 t a b l e3 - 3m a n a g e