（信号与信息处理专业论文）基于便携式无线网络心电仪系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会生活节奏加快、人口逐渐老龄化，心血管疾病已经成为严重威胁人 类健康和生命的主要疾病，而且此类疾病往往具有突发性，如果不能及时发现并 进行治疗将会产生非常严重的后果。心电监护仪是此类疾病重要的检测手段，它 对于保障患者生命安全降低患者死亡率有着十分重要的意义。目前使用的心电仪 主要有三大类：1 ) 大型多功能心电仪，缺点在于无法在医院以外的地方使用；2 ) 具有大容量存储器的便携式监护心电仪，它的缺点在于存储器容量有限无法长时 间监控。3 ) 家用网络心电监护仪，缺点在于它限制了患者的自由活动。针对目前 心电仪系统存在的缺陷，本文将设计一种在社区范围内使用的基于无线便携式心 电采集器+ 家庭智能终端+ i n t e r n e t + 医疗中心数据库组成的远程实时交互式心 电状态监控系统。通过这套系统医生可以随时连续的监控患者的心电状态，同时 可以发出各种命令修改便携心电采集器的工作状态以及向患者和家属发出警告信 息等。本论文主要做以下研究： 无线便携式心电采集器设计研究内容：在研究生物电信号特点的基础上，选 择恰当参数的电子器件设计心电采集器前端放大模块，完成微弱信号的放大；研 究滤波理论，依据生物电信号的频率范围设计硬件滤波电路和a d 转换电路：通过 分析信号输入、电源、接地等对便携采集器造成干扰的因素，采取相应的消除措 施提高系统的可靠性。模拟实际心电信号的基线漂移线，设计快速中值滤波算法 并分析该算法对基线漂移处理结果的特点：研究天线设计理论，配合单片射频芯 片，设计微带环形天线以便最大限度的利用发射功率、提高发射距离。研究无线 数据发送协议。研究无线便携心电仪的软件结构设计和软件的开发与调试。 家庭智能终端设计研究内容：嵌入式系统特点及其硬件实现。l i n u x 操作系统 的引导加载原理与实现；e t h e r n e t 网接口设计及其l i n u x 下驱动的实现；研究 l i n u x 下的s o c k e t 编程，使用t c p i p 协议将接收到的无线数据通过智能终端的网 络接口经过m o d e m 发送到医疗中心数据服务器上。 医疗中心数据服务设计研究内容：心电数据的图形化显示算法设计及编程； 交互式心电数据库的设计方案。 通过上述工作完成样机研制为下一步产品开发和软件功能扩充打好基础。 关键词：心电仪；中心数据库：嵌入式系统；i n t e r n e t ；智能终端 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t e dp a c eo fs o c i a ll i f ea n dt h eg r a d u a la g e i n go ft h ep o p u l a t i o n ， c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s eh a sb e c o m eam a j o rd i s e a s et h a ts e r i o u s l yt h r e a tt op e o p l e s h e a l t ha n dl i f e a n ds u c hd i s e a s e so f t e nh a v eu n e x p e c t e df c a t u r e s i fi tc a n f tb et i m e l y d e t e c t e da n dt r e a t e d ，i tw i l lh a sv e r ys e r i o u sc o n s e q u e n c e e l e c t r o c a r d i o g r a mm o n i t o r i s 觚i m p o r t a n tm e a n st od e t e c td i s e a s e i tm e a n sm u c ht og u a r a n t e et h es a f e t yo f p a t i e n t sa n dr e d u c et h eh e a r tp a t i e n t sm o r t a l i t yr a t e c u r r e n t l yt h e r ea r et h r e et y p e so f e c gm o n i t o r ：1 ) l a r g em u l t i f u n c t i o n a le c gm o n i t o r , b u ti tc a nn o tb eu s e do u t s i d e h o s p i t a l ；2 1t h ep o r t a b l ee c g m o n i t o rw h oh a sh i ：g h c a p a c i t ym e m o r ys t o r a g ec a nn o t l o n gt i m em o n i t o r i n ga n di t sc a p a b i l i t yi sl i m i t e d 3 、d o m e s t i cn e t w o r ke c g m o n i t o r t h a tl i m i tp a t i e n t sf r e ea c t i v i t y a i md i r e e d ya te c g s y s t e m sf l a w s ，w ew i l ld e s i g na k i n do fp o r t a b l el o n g d i s t a n c er e a l t i m ei n t e r a c t i v ee c gm o n i t o rs y s t e mt h a ti s s u i t a b l ef o ru s i n gi nt h ec o m m u n i t y , a n di tb a s e so nw i r e l e s sp o r t a b l eh e a r te l e c t r i c i t y p i c k e r ，f a m i l yi n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，i n t e r a c ta n dd a t a b a s eo ft h em e d i c a lc e n t e r ， d o c t o rm a yc o n s e c u t i v e l ym o n i t o rp a t i e n t sh e a r t e l e c t r i c i t yc o n d i t i o na n yt i m e t h r o u g ht h i ss e to fs y s t e m a n di tc a r ls e n do u te a c hk i n do fo r d e rt or e v i s et h eh e a r t e l e c t r i c i t yp i c k e r sw o r k i n gm o d ea n ds e n do u tt h ew a r n i n gi n f o r m a t i o nt ot h ep a t i e n t a n di t sf a m i l ym e m b e r t h e p a p e rm a i n l yd o e sb e l o ws t u d i e s ： w i r e l e s sp o r t a b l eh e a r te l e c t r i c i t yp i c k e r sr e s e a r c hc o n t e n t ：o nt h eb a s i so f b i o e l e c t r i c i t ys i g n a lc h a r a c t e r i s t i c ，w ew i l l s e l e c ta p p r o p r i a t ep a r a m e t e re l e c t r o n d e v i c et od e s i g nh e a r te l e c t r i c i t yp i c k e ra n da m p l i f yw e a ks i g n a l r e s e a r c hf i l t e r t h e o r ya n dd e s i g nh a r d w a r ef i l t e rc i r c u i ta n da dt r a n s i t i o no ut h eb a s i so f b i o e l e c t r i c i t ys i g n a l sf r e q u e n c yr a n g e t h r o u g ha n a l y z et h ef a c t o rt h a ts i g n a li n p u t ， p o w e rs u p p l y , g r o u n d i n gi n t e r f e r et op o r t a b l ep i c k e r , w e 1 1t a k et h ec o r r e s p o n d i n g e l i m i n a t i o nm e a s u r et oe n h a n c e s s y s t e m sr e l i a b i l i t y s i m u l a t e p r a c t i c e e l e c t r o c a r d i o s i g n a l sb a s e l i n ed r i f t l i n et od e s i g nt a c h o m i d v a l u ef i l t e r i n ga l g o r i t h m a n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ea l g o r i t h md e a lt ot h eb a s e l i n ed r i f t s t u d y a n t e n n a sd e s i g nt h e o r ya n dm a t c ho n ec h i pr a d i of r e q u e n c yc h i pt od e s i g nm i c r o s t r i p i i 武汉理工大学硕士学位论文 r i n gf o r ma n t e n n a eo r d e ru m a o s t u t i l i z ee m a n a t i o np o w e ra n dr a i s ee m a n a t i o n d i s t a n c e d e v e l o p w i r e l e s sd a t at r a n s m i t p r o t o c 0 1 s t u d y w i r e l e s s p o r t a b l e e l e c t r o c a r d i o g r a me q u i p m e n t ss o f t w a r es t r u c t u r ed e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dd e b u g f a m i l yi n t e l l i g e n tt e r m i n a l sd e s i g nc o n t e n t ：e m b e d d e ds y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c a n dh a r d w a r ed e s i g n 。l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m sb o o t s t r a pa n dt o a d e t h e m e ti n t e r f a c e d e s i g na n di m p l e m e n td r i v eu n d e rl i n u x s t u d ys o c k e tp r o g r a n m a i n gu n d e rl i n u x u s et c p i pp r o t o c o lt h r o u g hi n t e l l i g e n tt e r m i n a l sn e t w o r ki n t e r f a c es e n do u tw i r e l e s s d a t at h r o u g hm o d e r nt om e d i c a lc e n t e rd a t as e r v e e m e d i c a lc e n t e rd a t a ss e r v i c e d e s i g nc o n t e n t ：e l e c t r o c a r d i o d a t a ss p h e r i c a l d i s p l a ya l g o r i t h md e s i g na n dp r o g r a m m i n g i n t e r a c t i v ee l e c t r o c a r d i o d a t a b a s e s d e s i g nl a y i n g ( i n c l u d er e a l - t i m ed i s p l a y , p l a y b a c kd i s p l a y , p r e l i m i n a r yd a t aa n a l y s i s a n dl o n gr a n g ef a m i l yi n t e l l i g e n tt e r m i n a la n dh e a r te l e c t r i c i t yp i c k e ri n t e r a c t i v ea n d s o o n t h r o u g ha b o v e - m e n t i o n e dw o r kc o m p l e t ep r o t o si n i t i a ld e v e l o p m e n ta n dt h e nd o t h eg r o u n d w o r kf o rn e x tp r o d u c td e v e l o p m e n ta n ds o r w a r e sf u n c t i o ne x p a n s i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o c a r d i o g r a me q u i p m e n t ，c e n t e rd a t a b a s e ，i n f i xs y s t e m ，i n t e r a c t ， i n t e l l i g e n tt e r m i n a l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第1 章引言 随着人类进入2 l 世纪，人们面临着前所未有的生活压力，随之而来的是各 种心脏类疾病的高发率。这使得对心电监护类设备的需求大增，特别是在家庭 中使用的心电监护设备。丽传统的家用心电监护设备都是将心电数据暂存在大 容量的存储介质上，由于小型化的要求使得存储容量不能做的很大，记录时间 非常有限不适合长期监护，而且这种仪器一旦启动就脱离医生监护无法做到与 医生实时交互。但是当我们丽临这些阔题的时候，科学技术也发展到了一个前 所未有的高度，无线通讯技术、计算机技术、i n t e m e t 技术这些以前只能用在专 业领域的技术，现在也已进入了普通消费领域。特别是在p c 基础之上发展的嵌 入式系统，它最大的优势就在于硬件的可裁减性，这个特点为基于嵌入式系统 的智能终端设备上网降低了成本，使得心电监护仪通过全球最大的i n t e m e t 网发 送心电数据成为可能：同时随着l c 技术的发展使得原本难于调试和设计的射频 模块变得简单，现在的单片射频芯片很容易实现低成本、低功耗、远距离的无 线传输和较强的抗干扰能力；小体积、低功耗的d s p 为便携心电采集器提供了 强大的处理能力：i n t e m e t 宽带网络在家庭中得到了广泛普和应用；所有的这些 技术进步使得我们的生活发生了巨大的变化。 市场调查分析仅2 0 0 0 年美国就有1 1 0 万人心脏病发作，其中6 5 万为第一 次心脏病发作，4 5 万为再次心赃病发作。因此世界卫生组织和美国心脏学会主 张实对连续性的心电监护，这样就可以及时地检测到心脏病发作前的心电变亿。 随蓿中国经济的不断发展，生活水平不断提高，心脏类疾病发作的人数也越来 越多，已经成为我国发病率最高的三种致命疾病。根据中国医学协会统计有近 6 0 的心脏类疾病死亡是发生在家庭和社区范围内的。因此如果能够在早期发 现心电异常井及时通知家属就艉极大的提高患者的生存几率。但是此类疾病往 往都具有偶然性和突发性，使用常规的心电仪截获发病信息的几率比较小。后 来人们开发了动态心电仪，它可以完成2 3 天的心电活动记录，但是它的一个 缺陷就在于不能实时将检测到的心电异常通知医生，以便医生做出恰当的处理。 武汉理工大学硕士学位论文 医学实践表明，对心脏类疾病如果可以及时发现并做恰当处理，患者有7 0 8 0 的生存几率。医院中使用的床边监护设备虽然能很好的监控患者的情况， 但是一方面由于使用费用昂贵不适合成为大众医疗保健设备；另一方面由于不 便于移动给患者的日常生活带来了很多麻烦。同时由于中国逐渐进入老龄化社 会，对便携个人心电监护设备的需求每年大约需要耗费5 亿元，并且每年以1 2 1 5 的速度增长。便携式心电仪相对医院的大型多功能综合心电仪价格便宜、 携带方便，同时结合现代互联网技术可以很方便的做到实时监控，必然有着广 阔的应用空间。 基于上述的研究分析，本课题将开发一种便于携带的具有交互功能的实时 无线心电监护系统，使患者能够在社区范围内自由活动的同时进行心电监护。 这种系统具有很强的适用性，它使得心电监护从医院扩展到社区，在整个监护 过程中对患者的日常生活不会造成任何影响，同时它又可以实时监控到患者的 异常心电数据并将报警信息及时发送给患者和家属。主治医生还可以针对不同 病因在发病几率最高的时间开启监控。整个系统运行期间主治医生始终掌握着 主动，患者就像在医院接受监护一样。医疗中心的数据库会记录下每一个受监 控患者的心电数据，医生可以依据这些数据给患者提出保健意见及注意事项做 到早期预警。这样患者既能享受到医院监护的服务质量，又能使长期监护成本 下降。这套无线便携式心电监护仪系统可以充分利用社会医疗资源，提高医疗 保健水平，使广大人民群众享受到低成本高质量的医疗保健服务。 本课题最大的亮点就在于： 使用低功耗d s p 、无线单片收发技术、数字滤波等先进技术实现采集器 低功耗、小型化和低成本的设计。 使用可以运行l i n u x 操作系统的a r 姻来设计智能终端。由它负责将心 电数据通过i n t e r n e t 发送到医疗机构心电服务器上，同时负责接收医 生发送过来的病情处理指令及通知患者家属。 心电服务器可以同时实现多用户数据存放请求，实现心电数据的实时 监控、心电数据回放、初步的心电特征计算等功能。 1 2 国内外家用心电仪现状 目前国内外家用便携心电仪主要是动态心电监护仪。它主要有三类：第一 2 武汉理工大学硕士学位论文 类是长时间记录后再将所记录的心电图传入专用的分析计算机进行回顾分析， 它的缺陷在于无实时性；第二类是片断式心电监护仪，它能记录分析患者发病 时的问题，缺陷在于受分析算法设计的影响可能有些发病心电信号不能记录下 来；第三类是既具备较长时间的记录能力又有一定的实时分析能力，但是受制 于存储容量的限制不能做到便携化和实现长期监控的目的。国外目前已经成功 开发出基于短信的无线心电监护仪，可以做到实时监控以及在发病的时候给患 者发送报警信息，但是成本昂贵而且只能通过短信的方式将心电数据发送到医 疗中心。随着w a p 网络在大城市的初步覆盖，国内也出现了基于w a p 的心电监 护仪，它既可以实现与患者的实时交互，又可以使患者的活动区域覆盖整个城 市，但是w a p 网络是按流量收费，而且使用w a p 接口会使家用心电监护仪的成 本很高，在普通患者中推广有困难，不能实现真正意义上的便携式家用心电监 护。 1 3 研究的主要内容及创新 无线便携式心电仪系统主要研究内容： 在研究生物电信号特点的基础上，选择恰当参数的电子器件设计心电采 集器前端放大模块，完成微弱信号的放大：研究滤波理论，依据生物电 信号的频率范围设计硬件滤波电路( 低通，带通，带阻设计) ；使用小体 积的串行接口的a d 与低功耗d s p 的接口设计。 通过分析信号的输入、电源、接地等对便携心电采集器造成干扰的因素， 采取相应的消除措旌，提高系统的可靠性。 ( 爹模拟实际心电信号的基线漂移，设计快速中值滤波算法，并分析该算法 对基线漂移处理结果的特点。 研究天线设计理论，配合单片射频芯片，设计微带环形天线，以便最大 限度的利用发射功率，提高发射距离： 研究无线便携心电仪的软件结构设计和软件的开发与调试；无线数据发 送协议的开发。 家庭智能终端设计研究内容： 嵌入式系统特点及其硬件实现，l i n u x 操作系统的引导加载原理与实现。 e t h e r n e t 网接口设计及其l i n u x 下驱动的实现。 3 武汉理工大学硕士学位论文 研究l i n u x 下的s o c k e t 编程，使用t c p i p 协议将接收到的无线数据， 通过智能终端的网络接口经i n t e r n e t 发送到医疗中心数据服务器上。 医疗中心数据服务设计研究内容： 心电数据的图形化显示算法设计及编程。 交互式心电数据库的设计方案( 包括实时显示，回放显示，初步的数据分 析，远程家庭智能终端和便携式心电采集器的交互功能等) 。 本课题的创新之处就在于：受监护人的日常生活不受影响，做到长期实时 监控。它将嵌入式i n t e r n e t 技术应用于心电监护，通过因特网传送心电数据， 实现了对患者心电信号进行远程、实时的监护与记录；运用无线遥测技术给患 者以较大的活动自由；利用现代i c 技术、低功耗低成本技术将人体携带的心电 采集器小型化和微功耗化；将心电数据库与专家诊断系统相结合，为心电仪系 统提供了强大的后端诊断支持；同时还对心电信号的提取，生物电信号抗干扰 措施以及滤波电路设计做了深入研究，最后研制出低成本、适合长期心电监护 的无线便携式心电采集器。图i - i 是无线便携式心电仪系统的原理框图。 图卜i无线便携式心电仪系统框图 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章便携无线心电仪数据采集端设计 2 1 心电传感器原理及心电波形特点 2 1 1 心电传感器工作原理 心肌细胞膜外钠离子浓度高于膜内的钠离子浓度，所以在细胞膜内外产生了 一个电压差( 如图2 一1 ) ，该差值为9 0 m y 。心肌细胞静止时处于极化状态。一 般的细胞膜是不可以渗透钠离子的，但是受到激励的肌细胞可以增加对钠离子 的渗透性。钠离子通过电压门开启的钠离子通道进入细胞，这就引起了细胞周 围电场的变化( 去极化) 。细胞内从负电势变化为正电势并且返回激活电势的电 压脉冲，在肌细胞内激活电势引起肌肉收缩，其它的离子和带电分子涉及心脏 去极化和恢复极化。在去极化和恢复极化期间的激活电势总和可以被皮肤表面 竺竺皇 的电极记录下来。心脏肌细胞去极化 ( x x x ，i ，x x 。i ，x ，x x x # ) 触发收缩，心脏管理系统单元同步去 鬻! ! ! i ! i ! i ! i ! i ! ! ! ! ! ! i 极化。这种同步去极化在右心房顶层 弘弘w 也! 一舣舣，! 篙惹赢磊嚣兰磊登，姜三：雾茹孟 “”“”“蒜善”“”+ 层 群也被称船i i ，1 【) 脏起搏器”，它的去极钿瞳林1丌。lolzxlqlu ，u ，崔j 可刚l jv i 图2 1 细胞膜电压差 化将产生一个导致其它心肌细胞去极 化的电流。从右心房到左心房传送的去极化波非 常快以至于两心房是同时收缩的。心房和心室彼此被象绝缘电线一样的连接组 织隔离。心房的去极化不会直接影响心室。在心房有另一组被称为心房心室节 点的细胞将心房去极化波从专用的管道传导到心室在心室的肌肉壁的渗透管 道将去极化波几乎同步的传导到心室的其它部分。这个处理过程会引起一个小 的延时，因此在心房收缩以后心室收缩以前有一个短暂的停止。由于心脏肌细 胞互连，这个去极化，收缩和恢复极化波传播到整个心脏连接肌的所有部分。 当心脏的一部分极化而相邻部分去极化，就会引起流过身体的电流。这个电流 在心脏肌细胞一半极化一半没有极化时最明显。当极化组织与没有极化组织的 比例小于1 时，该电流下降。这些电流的变化可以随时间被测量，放大，划分。 5 武汉理工大学硕士学位论文 e c g ( e 1 e c t r o c a r d i o g r a p h ) 代表的是所有来自心脏所有激活电势的总和。它不能 测量心脏直接的机械收缩。电压脉冲发源于由心房收缩引起地窦房节点，脉冲 迫使血液进入心室。在这个短暂收缩之后，心室由于收到来自心房的信号开始 收缩，血液通过大动脉和肺动脉离开心室，极化的心房肌细胞恢复到正常，心 脏循环再次开始。如图2 2 所示心脏结构图。 2 1 2 波形特点 图2 - 2 心脏结构图 e c g 是心脏电活动的轨迹图，其典型轨迹应该是一系列重复发生的波形。这 些波形都起源基线，任何偏离基线的波形都暗示了电激活。在通常的e c g 有五 个主要的电偏斜，分别用字母p ，q ，r ，s ，t 表示。一个心脏循环由先p 波， 然后q r s 波，最后t 波结束。p 波代表心房去极化和与它相关的收缩。q r s 波代 由三种波组成的复杂波，第一个负偏移是q 波，紧随其后的正偏移是r 波，最 后复杂负偏移是s 波。q r s 波混合指示心室去极化和相关的收缩。心房恢复极化 发生在心室去极化期间。因此与心房恢复极化相关的波形无法通过e c g 获得。 最后一个波是t 波代表了心室的恢复极化。各种心脏类疾病都会引起心脏循环 周期波形的异常，因此通过观察波形可以获得对相关疾病的监控和病情诊断。 6 蓝婆垄三查堂堡主兰堡笙兰 2 2 心电采集模块设计 2 2 1 采集模块硬件设计综述 心电图是临床疾病诊断中常用的辅助手段，心电数据采集系统是心电仪的 核心部分，它是决定心电仪性能最主要的因素，设计良好的采集器应该能够在 其它较强的生物信号和环境噪声中提取微弱信号，并能够不失真的检测出具有 临床价值的干净心电信号。通常人体的心电信号主要集中在频率范围0 0 5 2 0 0 h z ，幅度在o 4 m v 的范围内。该信号十分微弱，因此前端放大电路要有高 共模抑制比，高输入阻抗低噪声的特点。这就要求采集器前端放大电路的核 心部件仪用放大器的选择必须慎重。由于每个人的皮肤特性有所差别，使得人 体心电信号源内阻有一定的波动，从而影响仪用放大器的c m r r ( c o m m o nm o d e r e j e c t i o nr a t i o ) ，使得后续信号处理难度加大、降低了信号处理精度影响整 机的性能指标。因此在采集器前端放大电路中将使用美国模拟器件公司的 a d 8 2 2 1 仪用放大器“。，这种放大器较传统的仪用放大器如t 0 6 2 0 有着更低的输 出失调电压，输出失调电压漂移提供更高的带宽和共模抑制比。由于采用了 激光纵项切割电阻技术使得该型放大器的增益错误小于2 0 p p m ，c t r r 在g a i n ：1 时大于l o o d b ，有着极低的噪声电压可以减少前端系统自身噪声对于心电信号的 影响。a d 8 2 2 1 的c 洲r 频率曲线如图2 - 3 。 堕 碧 图2 - 3a d 8 2 2 1c 删r 曲线 根据心电信号特征以及设计的应用特点， 根据心电信号特征以及设计的应用特点， 便携式无线心电采集器的总体方 便携式无线心电采集器的总体方 武汉理工大学硕士学位论文 案如图2 4 。 图2 - 4 便携式无线心电采集器总体方案 人体心电信号是非常微弱的生理低频电信号。心电信号的提取是通过安装 在人体皮肤表面的电极来拾取的。由于电极和皮肤组织之间会发生极化现象会 对心电信号产生严重的干扰，加之人体是一个复杂的生命系统会存在各种各样 的其它生理电信号，这些信号会对心电信号产生严重干扰。同时由于我们处在 一个电磁包围的环境中人体就像一个会移动的天线感应出5 0 h z 左右的工频干扰 信号。由于这些干扰的存在，为了保证心电仪系统的可靠性，必须将直接拾取 到的人体心电信号经过设计优良的信号调理模块处理，然后将心电信号放大到 合适的幅度，送入a d 转换器进行数字化，最后进入d s p 进行必要的数字滤波。 然后再将心电数据从射频模块发射到家庭智能终端，智能终端通过i n t e r n e t 将 心电监护数据发送到医疗中心的心电数据服务器上。 2 2 2 信号调理模块设计 信号调理框图如图2 - 5 所示 图2 - 5 信号调理框图 2 2 2 1 前端输入缓冲设计 测量的电极和生物组织之间构成了化学电池。产生的直流电压( 极化电压) 一般为几十毫伏，最大可达3 0 0 m y 。另外，由于生物体的复杂性和特殊性，其等 效的信号源输出阻抗一般很大( 典型值5 0 0 k ) 。通过电极的拾取使得心电信号的 内阻很不稳定，不同的个体因时间、季节、生理状态，电极的安放位置，导联 8 武汉理工大学硕士学位论文 的分布电容电阻等的不同而变化。为确保前置放大电路能更好的工作，必须将 前置放大器和人体隔离，因此设计了图2 - 6 所示的输入缓冲电路嘲。 d g c1 1 2 2 * 宁车3等p li = 图2 - 6 输入缓冲 v l 、v 2 组成双向限幅电路，对来自人体的高压干扰实施限幅，防止因过度 激励造成运放逆转而失效。r 5 ( 与皮肤电阻艮串联) 、c 3 3 组成一阶低通滤波电 路，抑制差模高频干扰。设皮肤接触电阻为5 0 0 kq ( 典型值) ，取上限截止频率 为2 0 0 h z ，则根据b 矽。= i 2 积c 计算出待求参数c 3 3 c 。= l ( r 。) = 1 ( 5 1 0 1 0 3 2 x 2 0 0 ) 1 5 6 0 p f ：实际取c 。= 1 0 0 0 p f 。 由于心电信号幅值在o 4 m v 之间，所以缓冲运放的选择必须要保证失调电 压v o s 不超过1 2 5 u v ，防止过大的失调电压对心电信号产生影响。输入缓冲器的 结构为电压跟随器，其作用就是将人体与前端放大电路隔离。该电路输入端具 有极高的输入阻抗，克服了电极与皮肤接触电阻引起的信号衰减，输出端具有 极低的输出阻抗能够确保有效地驱动放大器。 2 2 2 2 导联切换电路设计 使用c d 4 0 5 2 双路4 选一电子开关，在导联切换信号的配合下，从威尔逊 网络的有关节点取出导联信号。其原理如图2 7 所示，图中虚线框中的电阻构成 威尔逊网络，r 3 9 、r 4 0 、r 4 1 的公共连接端为威尔逊中心，通过d g d 从威尔逊 中心提取人体共模信号经倒相放大后用于激励人体右腿，从而降低甚至抵消共 模电压以达到抑制5 0h z 工频干扰之目的”1 。3 路输出为双端输出即浮地输 出，它可以阻止外部干扰通过地回路进入测量系统。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 7 威尔逊网络与第一级导联选择电路 d 5 、d 6 、d 7 在导联切换信号的控制下，从威尔逊网络的有关节点取出导 联信号。第一级导联切换信号与导联信号输出关系如表2 - 1 。 表2 - 1导联切换信号与输出信号的关系 导联切换信号输出信号 ba o u t 。o u lo u t 。 0o i i i1 01v 3a v la v f lov 5a v rv 1 l10 m v 为了降低便携采集器的功耗和体积，本方案设计了一条信号通路即前端放 大器、滤波器、主放大器、a d 采样都只有一套。因此又设计了第二级导联转换 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 与信号输出控制，如图2 - 8 所示。 + 33 、c rg n d x o x x 1 y x 2 ) o y oa y ib y!im y 3v 匝 氆( ( ：e k 0 8 2 2 1 图2 8 第二级导联换信号与导联信号输出 第二级导联切换信号与信号输出关系如表2 2 。 表2 - 2 第二级导联切换信号与信号输出关系 导联切换信号输出信号 b 并 a # o i j t o0 o u t ， 0 l o u t 。 1 o o u t 。 1l o m v 通过两次导联选择，可以分别获得1 2 个导联信号，然后将信号送往信号调 理模块处理。 2 ，2 t 2 - 3 前置放大电路设计 由于人体所携带的工频干扰，自然环境的电磁干扰以及人体自身其它生理 电信号的干扰，都是以共模的形式进入前端放大器的，因此要求前置放大电路 有很高的c m 躲。差动放大模式对共模干扰具有很强的抑制作用，因此在设计中 采用新一代仪用放大器a d 8 2 2 1 其c m m r 高达1 4 0 d b 。值得注意的是由于电极在人 体的位置和接触状态存在差异以及导联线分布参数的影响，使得电极在提取心 电信号时内阻不会完全相同，这种阻抗不平衡导致部分差模会转化为共模干扰， 对于这种由差模干扰转换来的共模干扰，无法通过提高仪用放大器的c m m r 来消 除。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 9e c g 前端输入回路 这种转化后的共模干扰会导致前端调理模块c m m r 下降。但是可以通过进一 步提高放大器的输入阻抗来减少这种转换形式后的共模干扰。图2 - 9 展示了差 模干扰转共模干扰的原理，放大器输入端a 和b 的电压为： 乩划焘( 2 - 1 ) 圳矿焘( 2 - 2 ) 则共模电压转化为差模电压( u 舯) ： u m g = u a - u b = u 捐c 壶一去， 通常z ， z m 或者z 1 2 0 所以= u 州华 如果乙和互：相差l o k q ，对于1 0 m v 的共模干扰电压，若要确保干扰转换 后的差模干扰限制在1 0 9 v 以下，放大器输入阻抗应该在1 0 m q 。 放大器的低噪、低温漂移要求：对于幅值在毫伏级甚至是微伏级的心电信 号，前置放大器的这些指标要求是很严格的。系统前置放大器的输入阻抗往往 很高，这种高阻抗伴随着相当大的热噪声使得输入信号变得很差。为了确保前 端放大器输出的信噪比，必须要求放大器是低噪、低温漂的。理想放大器能够 抑制外界噪声使其减弱到与放大器的固有噪声为同一数量级，因此放大器能够 放大的信号有一个下限这就成为设计和器件选型的一个重要指标。通常使用的 直流放大器由于存在零点漂移现象限制了放大器的输入范围，使得测量不能正 常进行，因此放大器的零点漂移也是放大器选型的重要标准。为了减少零点漂 移引入的干扰应该采用差分输入、对称电路以及统一的元件参数等措施。 前端放大器采用a d i 公司的新一代仪用放大器a d 8 2 2 1 。它的最大c 姗r 可以 武汉理工大学硕士学位论文 达到1 4 0d b ，输入阻抗高达理论值高达i o o g q ，通过一个外接电阻增益范围l 1 0 0 0 ，g a i n = 1 时c m m r i o o d b ，可调最大输入失调电压2 5 州，最大输入失调温 漂0 3v v 。c ，最大失调电流0 4n a 。是理想的前端放大器。其前端放大器输 入电路6 1 7 1 如图2 - 1 0 所示。 图2 - 1 0e g c 前端放大电路 除心电信号和干扰信号外，电极拾取还叠加有直流极化电压，其大小一般 在3 0 0 m v 以下。如果前置放大器的动态范围不够，就会进入非线性区失去放大 作用。因此前置放大器工作增益不能过大。经验表明：1 0 倍左右效果较好。其 前端放大倍数可由a d 8 2 2 1 的增益公式g = 1 + 4 9 4 月。确定。当g = 1 l 时，标准 化以后r 。取5 k 。 2 1 2 2 4 硬件滤波器设计 运算放大器有源滤波器特性： 一般在无源滤波器设计的时候，为了使输入信号能量损耗不会过大，总是 尽量避免使用有能量损耗的电阻元件，而是采用电抗性元件( 电容，电感) ，但 是实际的电抗元件总是存在着一定的损耗。因此为了提高滤波器的性能，就要 求使用的电感既有较小的直流电阻，又有一定的电感量，这势必增加了电感的 体积。特别是在高q 值的时候，往往要使用多个电感，这使得问题的处理更加 复杂，因此设计l o o h z 以下的无源滤波器就会比较困难。但是有源滤波器可以 完全避免上述的问题，因为有源器件可以为无源器件提供损耗的能量，就可以 在有源滤波器中使用损耗较大的纯电阻，用一些小型的电阻和电容代替无源滤 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 波器中的电感。这样不但有源滤波器的体积变小，而且滤波参数对纯电阻的敏 感度变小，有源滤波器的调试将比无源滤波器的调试更容易。另一方面，运放 具有输入阻抗高、输出阻抗低、近似无穷大的开环增益以及良好的稳定性等优 点，这使得运放和电阻、电容缎成的有源滤波器在很低的滤波频率范围( 1 0 。h z ) 内都能稳定的工作。有源滤波器很容易做到3 o 5 的精度，这在无源滤波 器的设计当中是很难达到的。在使用运放的有源滤波器中运放具有高输入阻抗， 低输出阻抗的特性，对于阶数很高的有源滤波器设计只需要使用简单的一阶 和二阶滤波器去级联，而不用考虑滤波器之间的匹配问题。 运算放大器构成有源滤波器的设计理论。1 ： 有源滤波器它是一种线性系统，它的通用传递函数可以表示为： m ，= 等p 筹a p 等p 沼， “+ i + q ，一l + 以 式中p 为拉普拉斯变量p = g + j o ，系数a i ，d 2 和b o ，b l k ( m 茎h ) 是与滤波 网络的无源器件和有源器件有关的参数。 根据线性网络理论可知，总的传递函数就等于每个传递函数的乘积。也就 是说把一个非常复杂的线性网络可以表示为若干简单线性传递函数的乘积，在 实践中，我们把它分解为一阶和二阶传递函数的乘积。因此公式2 3 也可以表示 为 m ) = a i 1 鬻= 耳h i 2 k i ( p ) c z 4 ) 其中芷。( p ) ：掣2 必 p 十喁t p 十a 2 为了普遍性，我们假设m = n ，如果n 是奇数，那么它就可以分解为若干二 阶和一个一阶传递函数。如果是偶数，那么就可以分解为若干二阶传递函数。 也就说设计n 阶滤波器，只需要用r d 2 个二阶网络级联就可以达到目的，这样n 阶滤波器的设计就转化为二级滤波器的设计。 二阶滤波器的通用传递函数k ( p ) ：堡孚刍兰生蔓 ( 2 5 ) p + a l p + a 2 为了保证二阶滤波器工作在稳定状态，它的极点必须在复平面的左半平面， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 也就说a ，必须大于零。为了使得公式的中参数物理意义更加明确，令口。= 口 ( 口：上) ，a ：2 。2 q 则公式2 5 变为足( p ) = 乎1 避 p 十a p 十 这的口表示滤波器的阻尼系数，滤波器的固有频率。由于要保证系统稳 定的充要条件是a l = a c 2 ) o 0 即阻尼系数口 o 。甜从物理意义上来看就是滤波器 对输入信号的阻尼作用，当口 o ，外加的信号经过一定的输出时间后必然结束， 这说明了系统可以稳定工作。口= 0 ，系统不存在阻尼，当外界输入频率与固有 频率相同时，会产生等幅振荡。口 兀 时串联后成感性，等效阻抗随频率的增加而增加。而去耦的条件必须是：去耦 支路阻抗“电源供电线路阻抗。因此对于高频去耦电容应该根据芯片的最 1 高谐波频率来选择即满足。，= 上。对于频率相当高的器件要使用并联去耦 乳1 。 电容，因为研究和实践证实同容量的去耦电容，如果使用大电容和小电容并 联使用可以比单一容量的去耦电容效果提高大约6 d b ，从而能更有效的抑制电 磁干扰，射频电路设计部分的芯片去耦就经常采用该技术。 2 6 2 接地技术在抗干扰方面的应用 便携心电采集器上同时具有检测微弱心电信号的调理模块、高速数字处理 电路d s p 系统以及射频模块三部分。这三部分对干扰的敏感程度不一样，而且 造成的对外噪声辐射强度也不一样，因此必须采用不同的信号接地技术。 对于调理模块，数字模块和射频模块内部我们采用混合单点接地m 1 ( 即串 联单点接地和并联单点接地) 。图2 2 1 是单点串联接地原理图。 图2 2 l 单点串联接地 武汉理工大学硕士学位论文 根据基尔霍夫定律可以得： u = ( i + i b + ，c ) | 孑1 u 口= ( i + ，日+ l ) z l + ( ，b + ) z 2 u c = qd + j8 + l ( 、z i + q b + i c 、z2 + j c z3 可以看出三点电位都不为零，且受其它电路影响，从防止噪声和抑制干扰 的角度是不适合，但是它容易布线，因此在实践中仍然大量使用，特别是在布 线空间受限的便携式设备上。图2 2 2 是多点并联接地原理图： 图2 2 2 多点并联接地 根据基尔霍夫定律可以得到：巧= z i ，k = 厶z 2 ，k = 厶乙，很显然各单元 的地电位只与本单元的地电流和地线阻抗有关，其它单元电路不受影响。但是 由于需要许多根地线，布线较困难，而且由于分别接地，势必增加地线长度， 进雨增