（通信与信息系统专业论文）采用89c54rd单片机的心电数据采集系统设计.pdf

摘要 采用8 9 c 5 4 r d 单片机的心电数据采集系统设计 作者简介：姓名，性别，1 9 7 9 年7 月生，师从成都理工大学郭勇教授，2 0 1 1 年0 7 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业，获得工学硕士学位 捅要 数据采集，是指将温度、压力、流量、位移等模拟信息采集转换成数字信息 后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集 系统。 在计算机广泛应用的今天，数据采集在多个领域有着十分重要的应用，它是 计算机与外部物理世界连接的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信 息科学的重要组成部分，已广泛用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着 科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术有着广阔的发 展前景。 数据采集系统在医学上的应用也随着以计算机为主的信息系统中得到广泛 的引用。在医学方面，以心电数据采集系统为代表的计算机数据采集系统为医生 更好的诊断和医治心脏疾病提供了可靠的依据。由于人体心电信号是一种十分微 弱的信号，因此实时，无失真得提取心脏的电信号，显得十分的必要，准确的心 电信号的获取成为为研究各种疾病和心脏电信号的联系重要手段之一。本文利用 专用的仪器仪表放大器a d 6 2 0 ，8 9 c 5 4 r d 单片机，高速a d 转换器a d c 0 8 0 9 设计了 一种符合上述要求的多路心电数据采集系统。 本文首先设计心电信号采集模块，包括心电前置放大电路，带通滤波电路， 5 0 h z 陷波电路，主放大电路，电平抬升电路，a d 转换电路，单片机处理电路以 及上位机等分组成。 首先通过前置放大电路对原始心电信号进行一级放大，再将最初的原始放大 信号经过带通滤波电路以滤除有用心电信号频带以外的干扰信号，由于5 0 h z 工 频信号对心电信号存在强烈的干扰，并且在有用的心电信号频带以内，因此必须 通过工频陷波电路将该干扰信号滤除掉。由于从人体体表拾取的心电信号很微 弱，一般只有o 5 m v ，而a d 转换电路输入的信号要求为0 2 5 v ，所以整个信 号放大倍数要求为5 0 0 倍左右，而前置放大器的放大倍数只有1 0 倍左右，因此 必须通过主放大电路将心电信号进一步放大。信号经过调理后，从陷波电路输出 的心电信号为交变信号，在送入模数转换器之前还要进行电平抬升。单片机只 能识别数字信号，而经过放大器的心电信号时模拟量，所以在将心电信号送入单 片机处理之前还必须对之尽心模数转换，以产生单片机能过识别并处理的数字 成都理工大学硕士学位论文 信号。最后将单片机对心电信号处理后的结果通过r s 一2 3 2 接1 3 输入到上位机进 行进一步的的处理和显示。 关键词：心电信号数据采集滤波电路单片机上位机 i l a b s t r a c t e l e c t r o c a r d i o g r a md a t aa e q u i s i t i o na n dp r e p r o e e s s i n g s y s t e mb a s e d o i l8 9 c 5 4 r d s i n g l e c h i pm i c y o c o i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：f a n gj i a n g , m a l e ，w a sb o r ni nj u l y , 19 7 9w h o s et u t o r w a sp r o f e s s o rg u o y o n g h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nm a j o ra n dw a s g r a n t e dt h em a s t e rd e g r e ei nj u n e ， 2 0 1 1 a bs t r a c t t h ed a t ac o l l e c t sa n dm e a nt h a tt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e , d i s c h a r g ea n d sm o v i n g t o e t c a m o u n to fe m u l a t i o nt oc o l l e c tt oc o n v e r ti n t oan u m b e ri s a g a i nc a r r i e do nb y c a l c u l a t o ra f t e rm e a s u r i n gs a v i n g ，p r o c e s s i n g ，s h o wo rp r i n to f p r o c e s s c o r r e s p o n do f f a s t e n n i n ga n dk n o w i n gt o g e t h e ra st h ed a t ac o l l e c ts y s t e m h e a r t e l e c t r i c i t y d a t a s c o l l e c t i n gs y s t e m i st h e k e yp a r tt h a t t h e e l e c t r o c a r d i o g r a mc h e c k sa ni n s t r u m e n t t h eh u m a nb o d yh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o ni s v e r yw e a k ，s o l i d ，d o i n gn o tl o s er e a l l ym u s tw i t h d r a wc a r d i a ct e l e c o m m u n i c a t i o n ，i s v e r ym e a n i n g f u la n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gt h ec o n t a c to fv a r i o u sd i s e a s ea n d t h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o n t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go ft h i ss e l e c t e dw o r k sd i r t y d i s e a s eh a sb e c o m et oe n d a n g e rm a n k i n do n eo f t h em a i nd i s e a s eo f h e a l t h t h e r e f o r e , a c c u r a t e l ye a r ly o nt h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o nt ow i t h d r a w , i ti sa ni m p o r t a n tb u t m e a n i n g f u lt o p i ct op r o v i d ee f f e c t i v ea s s i s t a n c ea n a l y s i sm e a n sf o rt h ed o c t o lt h i s t e x tm a k e su s eo fa n a p p r o p r i a t i v ei n s t r u m e n tg a u g ee n l a r g e ra d 6 2 0 ，8 9 c 5 4 r d s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o r , h i g h s p e e da g dc o n v e r s i o nt h em a c h i n ea d c 0 8 0 9a n d m a n yr o a d si m i t a t e das w i t c ht od e s i g nak i n do fm e e tt h ea b o v e - m e n t i o n e dr e q u e s to f m a n yr o a dh e a r te l e c t r i c i t yt h ed a t ac o l l e c ts y s t e m t h i st e x td e s i g n st h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o nt oc o l l e c tam o l dp i e c ef i r s ta n d i n c l u d e sh e a r tt op l a c eb i ge l e c t r i cc i r c u i tb e f o r et h ee l e c t r i c i t ya n dt a k e st of i l t e ra l l e l e c t r i cc i r c u i t ，t h e5 0h z ss i n k sa ne l e c t r i cc i r c u i t ，t h el o r de n l a r g e se l e c t r i cc i r c u i t a n dg i v eo rg e ta ne l e c t r i cs h o c ke v e nl i f tt or i s ee l e c t r i cc i r c u i t ，a dc o n v e r s i o n e l e c t r i cc i r c u i t ，l i s ts l i c em a c h i n ep r o c e s s i n gt h ec e n t ss u d la se l e c t r i cc i r c u i ta n d p l a c eo fh o n o rm a c h i n ee t e c o n s t i m t e p l a c eb e f o r ep a s s i n gf i r s tt h eb i ge l e c t r i c c i r c u i tc a r r i e so nac l a s st oe n l a r g et oo r i g i n a lh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o n ，a g a i nw i l l f i r s to fo r i g i n a l i t ye n l a r g et h es i g n a lh a sb e e nt a k e nt of i l t e ra l le l e c t r i cc i r c u i tw i t h i i i 成都理工大学硕士学位论文 f i l t e ri na d d i t i o nt ou s e f u lh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o nr e p e a t e d l yt a k e so fi n t e r f e r e n c e s i g n a l ，b e c a m eo f 5 0h zw o r kr e p e a t e d l yt h es i g n a le x i s ts t r o n gi n t e r f e r e n c et ot h e h e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o n ，a n dr e p e a t e d l yt a k ei nu s e f u lh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o ni n ， t h e r e f o r eh a v et op a s sw o r kt or e p e a t e d l ys i n ka ne l e c t r i cc i r c u i tt of i l t e rt h e i n t e r f e r e n c e ss i g n a lt or e m o v e b e c a u s et h ef o r mp i c k su pf r o mt h eh u m a nb o d y b o d y o ft h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o ni sv e r yw e a k ，g e n e r a l l yo n l yh a v ea 啦5m v s ，b u ta d c o n v e r s i o nt h ee l e c t r i cc i r c u i ti n p u to fs i g n a lr e q u e s tf o rt h e0 - - - 2 5v s ，s ot h ew h o l e s i g n a le n l a r g e sm u l t i p l et or e q u e s tt o5 0 0t i m e s o rs o ，b u te x - p l a c ee n l a r g i n go f e n l a r g e rm n l f i # eo n l yh a v e10 t i m e so rs o ，t h e r e f o r eh a v et ot h r o u g ha l o r de n l a r g e e l e c t r i cc i r c u i tt oe n l a r g et h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o nf u r t h e r s i g n a lt h r o u g ha f t e r a d j u s t i n gar e a s o n f r o ms i n ka ne l e c t r i cc i r c u i to u t p u t sh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o ni n o r d e rt oh a n do v e rt oc h a n g es i g n a l ，i ss e n d i n gi n t oam o l dn u m b e rt h ec o n v e r s i o n m a c h i n eb e f o r es t i l ln e e dt oc a r r yo nt og i v eo rg e ta ne l e c t r i cs h o c ke v e nl i f tt or i s e l i s ts l i c em a c h i n ec a ni d e n t i f yn u m b e rs i g n a l ，b u ta f t e rt h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o n o fe n l a r g e ri m i t a t eq u a n t i t y , s oa ts e n dt h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o ni n t ol i s tt h es l i c e h a v et oa l s od e v o t eam o l dt oi tb e f o r em a c h i n eh a n d l ef e wc o n v e r s i o n ，w i i t hc r e a t i o n l i s ts l i c ef u n c t i o no v e ri d e n t i f ya n dh a n d l eo fn u m b e rs i g n a l e n dl i s t s l i c et h e m a c h i n ec o n n e c tt oi n p u tt h ep l a c eo fh o n o rm a c h i n et oc a r r yo nt h r o u g har s - 2 3 2t o t h eh e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o nr e s u l ta f t e rh a n d l i n gf u r t h e ro f h a n d l ea n ds h o w k e y w o r d ：h e a r tt e l e c o m m u n i c a t i o n d a t ac o l l e c t sa n df i l t e r sa i le l e c t r i cc i r c u i t s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r p l a c eo fh o n o rm a c h i n e i v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在人类临床医学历史上心电信号较早研究并应用的生物电信号之一，由于心 电信号呈现一定的规律性并比较其他的生物电信号更易于检测。因此自从1 9 0 3 年心电图引入医学临床以来，在生物医学和工程学方面，对心电信号的采集、处 理、和分析的相关技术均得到了相当快发展，同时也积累了相当丰富的资料。当 前，对心电信号进行准确的采集、处理、和分析仍然是生物医学工程界的重要研 究对象之一。 1 2 本课题研究意义 心电信号检测和使用事目前临床雪中最广泛的检测，因此对心电数据进行实 时，准确的采集和处理是心电信号检测的关键。心电数据采集要求能在较强的噪 声背景下，通过电极将0 0 5 h z - - l o o h z 的微弱心电信号检测出来，经放大、a d 转换后送入计算机进行处理。由于引入了计算机，它在信号分析、储存、打印等 功能方面比传统的心电图机具有明显的优势。 目前，心脏病对人类健康造成严重地威胁。全球因疾病而死亡的病人当中， 由于心血管病造成的就占了总数的三分之一，而在我国因心血管疾病而死亡的人 数更是高达4 0 ，在这当中，因为没有对心脏病变情况而没有获得及时治疗的占 了很大的比重。可见心脏病己成为危害人类健康的多发病和常见病，并且具有越 来越严重的程度。因此，在临床上，世界各国医学界都很重视对心血管疾病的诊 断、治疗。为了及时了解人类心脏病变的状况，对心电信号必须要进行精准的采 集、处理和分析。所以，对心电信号数据的采集是具有十分重要的意义。随着电 子技术的迅速发展，医用电子监测、监护系统以及心电工作站近年来已经在临床 中逐渐应用。目前，医生心血管疾病的诊断基本上是以常规心电图或者向量心电 图为主要手段，即通过判断病人心电波形的变化规律及不同时刻的波幅大小，来 推断心脏内病灶的部位或严重程度，在医学临床应用中十分普及心儿3 儿盯u 。因此 设计一个能够对心电信号进行实时的、精确的数据采集系统，并且通过计算机处 理和显示，能够使临床医生更好的掌握患者的心脏信息，为医生及时掌握心脏的 病变情况，做出正确的的诊断方案提供第一手资料。 1 3 心电分析历史与国内外研究现状 成都理工大学硕士学位论文 在心脏内部会产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的的 肌肉细胞兴奋，使之有节律的舒张和收缩。这些运动在体表的不同部位形成不同 的电位差，这种电位差信号通过人体体表的表现就形成心电信号。心电图检测是 2 0 世纪建立起来并广泛应用于临床诊断和监测的重大技术成果之一。 1 8 世纪下半叶，意大利波伦亚大学的解剖和外科学教授伽伐尼( l u i g i g a l v a n i ，1 7 3 7 1 7 9 8 ) ，在一次对青蛙进行解剖实验中，发现了当用电刺激青蛙的 神经时，就会导致其肌肉的收缩。于是认为：在青蛙体内存在某种电，而就是这 种电导致了青蛙肌肉产生收缩反映。于是伽伐尼称这种动物体内的电位“动物电 ( a n i m a le l e c t r i c i t y ) 。尽管后来证明伽伐尼所发现的电并不是来自动物的体 内，但却由此认识到：电可以导致生物神经冲动的传导，从而奠定了电生理学的 基础。 1 9 世纪上半叶，生物电学研究历史上获得了一次重大的突破。意大利的物 理学和生理学家( c a r l om a t t e u c c i ，1 8 1 卜1 8 6 8 ) 在一次有关蛙肌肉收缩方面的试 验当中。发现了青蛙的损伤和未损伤的肌肉之间存在电流，他把这种电流称之为 “肌肉电流( m u s c l ec u r r e n t ) ，这是对生物电的最早描述之一。在随后的一系 列的实验中，马泰乌奇发现一切正在收缩的肌肉，其中也包括心脏，都产生这种 肌肉电流。在德国，迪布瓦雷蒙( e m i ld ub o i s - r e y m o n d ，1 8 1 8 - 1 8 9 6 ) 等生理学 家进一步证实了上述发现，并提出了“动作电位”( a c t i o np o t e n t i a l ) 的概念。 从1 7 世纪到1 9 世纪，有关“生物电和电生理学方面的研究进展，为此后 对心电的研究，以及心电图仪和心电图检测法的发展奠定了基础。 1 8 7 5 年法国物理学家，诺贝尔物理奖得主李普曼( g a b r i e lj o n a sl i p p m a n n ， 1 8 4 5 1 9 2 1 ) 发明了一种极灵敏的毛细管静电计( c a p i l l a r ye l e c t r o m e t e r ) ，由于 其具有很高的灵敏度和很快的反应速度，这就使得它能够对迅速变化着的生物电 活动进行准确的记录。1 8 8 7 年一直致力于心电现象研究的法国生理学教授沃勒 ( w a l l e r ，1 8 5 6 1 9 2 2 ) 利用李普曼毛细管静电计在人体体表记录了人类历史上 的一份心电图，尽管当时还未认识到心电图的临床价值，但沃勒得卓有成效的工 作为现代心电图学奠定了基础h 】。 继沃勒之后，荷兰莱顿大学的生理学教授爱因托芬( w i l l e m e i n t h o v e n ，1 8 6 0 1 9 2 7 ) 对心电图学做出的贡献最大。1 8 9 5 年爱因托芬应用李普 曼毛细管静电计开始了心电图的研究工作。在应用毛细管静电计进行试验中爱因 托芬开始将描记曲线的几个波命名为a 、b 、c 、d 波，经过数学矫正及毛细管电 计曲线分析，他将原来不同的点位增加到5 个，分别命名为p 、q 、r 、s 、t 波， 心电图的这种命名一直沿用到今天n 3 。1 9 0 3 年，他确定了著名的心电图检测标准 导联，即：第一导联为左右臂，第二导联为右臂左腿，第三导联为左臂左腿。从 1 9 0 6 年开始，他对心电图中p 、q 、r 、s 、t 各波的生理意义，结合心音进行了 2 第l 章绪论 大量研究，通过心音和心电的对比，说明心电图与心脏活动的关系h 1 。1 9 2 4 年， 由于他在改进心电图仪的设计和建立现代心电图学方面的贡献，诺贝尔基金会授 予他诺贝尔生理及医学奖。 由于爱因托芬作为现代心电图学的建立和最初的发展做出了卓越的贡献而 被称为“心电图之父 。但是除爱因托芬之外，还有许多其他的学者也为此做出 了艰辛的努力而不应该被后人遗忘，例如荷兰生理学家w e n c k e b a c h ( 1 8 6 4 1 9 4 0 ) ， 他首先描述了心房波与心室波之间的一种特殊而有规律的传导异常现象，首次在 心电图史上提出传导阻滞的概念。英国心脏生理学家t h o m a sl e w i s ( 1 8 8 1 - 1 9 4 5 ) 在1 9 2 0 年的研究结果发现了爱因托芬的双极肢体导联概念和等边三角形假说存 在严重缺陷，将胸导联定位5 个h 1 。同时，他创办了杂志心脏，其专应用于 心电图学这一领域。 在我国，正式应用心电图始是1 9 2 8 年，当时北京协和医院购进了两台美国 c a m b r i g e 公司生产的弦线型心电图机。心内科主任董承琅教授带着戚寿兰、卞 万年、马万森等人，用这两台机器开创了中国心电图时代。 1 9 4 7 年上海医学院陶寿淇教授赴美国哈佛大学医学院和密西根大学深造， 1 9 4 8 年回国时带回一台手提式弦线型单导心电图机，开始在上海华山、中山医院 应用并讲授心电图。同年，先后到美国纽约大学，哥伦比亚大学进修心脏病学及 心电图的陶清教授，回国时带回一台便携式热笔式直接记录的心电图机，并把它 应用于临床，解放后，陶清教授首先引进了向量图机，并推广应用于临床。 随着工程技术的发展，心电图机经历了三次阶段性的革命：第一阶段是1 9 世 纪3 0 年代，随着电子技术的出现，特别是电子管的出现，由西门子公司研制出电 子管放大的心电图机，取代了庞大娇嫩的弦线式电流计，第二阶段是1 9 世纪5 0 8 0 年代，用晶体管和集成电路取代了电子管，将静态心电图拓展为动态心电图， 发展了三维向量心电图，并出现了用电池供电的便携式心电图机，第三阶段是8 0 年代开始的数字化，在大规模的专用集成电路和计算机芯片的使用和相关软件的 支持下，使心电图机智能化程度大大提高，实现了1 2 导联同步描计，能对心电波 形数据进行存储、回放、编辑、打印和传输。 随着集成电路和计算机性能的提高，心电图自动分析技术得到了快速发展。 现代心电图自动分析技术能过及时给出心脏诊断的结果，并且能够在人不干预的 情况下全天候的对危重病人进行有效地监护，同时自动的多大量的检测结果数据 进行统计。这些都有助于减轻临床医生的劳动强度，减少因为人为原因而产生的 损失。因此，它在现代医学中具有重要的意义。 1 4 本课题主要研究内容 成都理工大学硕十学位论文 本课题主要研究的内容主要包含以下几个方面： 首先，对原始心电信号进行放大，使本身很微弱的心电信号能够从强噪声 环境当中得到提取，获得心电信号的特征信息。 其次，根据心电信号的频率特点，通过滤波电路将干扰信号滤除，以取得 比较纯净的心电信号。 然后，对模拟量的心电信号通过a d 转化，变成下位机能够识别和处理的 数字信号。 最后，通过上、下位机的相互通信，将进过单片机处理的心电信号上传到 p c 机显示和进一步处理，将其中的主要信息进行传送、记录与存储，为医生能 够准确诊断提供信息。 针对以上处理心电信号的目的，本课题安排了如下几个方面的主要研究任 务： 本课题是设计心电信号数据采集系统，利用单片机实现对心电信号的采集与 处理，并通过上位机显示心电波形。 该心电信号采集系统主要有以下几个部分组成： 1 、前置放大电路：从强的噪声背景中提取心电信号。 2 、带通滤波电路：使频率为0 0 5 - - - l o o h z 的心电信号通过，该范围以外的信 号将大幅度衰减掉。 3 、主放大电路：将前级放大的心电信号进行再次放大，以匹配a d 转换电路 的电压要求。 4 、5 0 h z 掐波电路：用于滤掉5 0 h z 工频干扰。 5 、3 5 h z 掐波电路：用于滤除肌电干扰。 电平抬升电路：用于抬升电平。 6 、a d 转换电路：将系统采集到的模拟信号转换为数字信号。 单片机及p c 机：处理采集到的数据并输出显示。 4 第2 章心电信号相关知识 2 1 引言 第2 章心电信号相关知识 心脏的基本生理功能，主要包括电活动和机械活动( 此外还有一定的内分泌 功能) 。每个心动周期中先产生电活动，经过4 0 ，- - - 8 0 m s 后，再出现心脏机械活动 形成兴奋与收缩偶联。 生物机体内，蕴藏着大量的生物电信系，它包括心电、脑电、肌电、胃电等。 其中心电信息是最重要的生物电信息之一，心电信号一般认为它是一种有规律、 周期性的电生理信号。心电信号可以从心脏发出送到机体体表，在体表的不同部 位产生电位差。我们可以在体表用电极将这些微弱的心电信号通过心电放大器及 其一系列的生物医学型号的处理，描记和打印出各种心电信息的数据、曲线和图 形n 】。 2 2 心电的起源和心电图 2 2 1 心电的产生 由于心脏周围的组织和体液都能导电，无数心肌细胞动作电位变化的总和传 导并反映到体表，在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位 差，是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随 着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电。当心肌细胞处于静息状态( 指心 肌细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差) 时，膜内外两侧电位维持内 负外正的稳定状态，称为极化状态n 1 。如果心肌细胞在受到一定强度的刺激时， 细胞膜通透性改变，大量阳离子短时间内涌入膜内，而使得膜内的负电位( 绝对 值) 减小甚至膜内电位由负变正，这个过程称为除极。心肌细胞在除极过程中的 电位变化，由电流记录仪描记的电位曲线称为除极波。细胞除极后，膜通透性恢 复，排出大量阳离子，使膜内电位由正变负，恢复到原来的极化状态的过程称为 复极。同样心肌细胞复极过程中的电位变化，由电流记录仪描记出的曲线称为复 极波。心室的除极自心内膜开始，复极则由心外膜开始。 在恢复阶段，离子恢复正常状态，细胞的跨膜电位为一9 0 m v 6 - - + 9 m v 左右( 内 负外正) 。窦房结细胞的自发除极速率最快，正常情况下这些细胞引发心肌收缩。 从窦房结到心脏的主要腔体( 即，左右心房( l a ，r a ) 、左右心室( l v ，r v ) ) 间存在 一些复杂的解剖上的连接，这些专门的组织具有快速和自发除极的性质，构成了 5 成都理t 大学硕士学位论文 心脏的传导系统。传导组织的传播速率约为2 n s ，而心室肌细胞在顺着纤维的方 向的传播速率约为0 4 n s ，垂直方向的约为0 2 n s 。在病理情况下，窦房结的激 动在下传的过程中速度变慢或不能下传，或不能发出激动，为了避免心室停搏过 久，窦房结以外的其它部位便发出激动，于是形成了各种异位搏动或心律嫡儿n 1 。 2 2 2 心电信号特征 心电信号作为一种人体的电生理信号具有以下特征 ( 1 ) 微弱性：心电信号是一种很微弱的电信号，一般只有o 一- 5 m v 。在测量 中，要对如此微弱的信号观测和记录，就必须通过适当的放大电路进行放大，将 放大后的信号再输出给显示与记录装置。 ( 2 ) 不稳定性：无论与外界的联系，还是内部各个器官的相互作用，人体都 是处于不断活动状态中的，这就导致了人体各个电信号也是处于不断变化的状 态。当人体的外部或内部从一种状态变化到另一种状态，人体的电信号也就会发 生相应的变化。由此可以看出在对心电信号进行观测、记录和处理时，应按照其 频谱特性选择适当的放大系数的放大电路。 ( 3 ) 低频特性：人体心电信号的频谱主要集中在0 0 5 l o o h z ，是一种频率 很低的信号，分布的带宽范围有限。 ( 4 ) 随机性：人体机能的信号是通过人体心电信号而得到反应，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，信息易于随 外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。不过如果对心脏发放电时间空 间构型进行统计分析，就可以发现其内在规律。因此，这种随机现象服从统计规 律，在心电信号的测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性。 2 2 3 心电图的组成部分 心电图，是对心脏生物电活动所产生的综合点位改变，以心电图仪记录的随 心动周期变化的动态曲线。 心电图如图2 - 1 表示，它由下述各种元素( 或模式) 组成：1 ) 基本波 ( c o m p o n e n tw a v e s ) ，如p ，q ，r ，s ，u ，t 波等。这些波的数目和形态在不同 的导联和不同的个体( s u b j e c t s ) 上的表现有所不同：2 ) 是一个心搏内s e g m e n t s ) ， 如p r ，s t 段等：3 ) 间期( e a r d i a e i n t e r v a l s ) ，如如p - - r ，r r ，q t 间期等。 其中一些主要模式的意义如下： 6 第2 章心电信号相关知识 图2 - 1 心电图波形 p 波：代表心房肌除极的电位变化。 p r 间期：从p 波的起点至q r s 波群的起点，代表心房开始除极的时间。 q r s ：波群代表心室肌除极的电位变化。 s t 段：自o r s 波群的终点至t 波起点间的线段，代表心室缓慢复极过程。 t 波：代表心室快速复极时电位变化。 q t 间期：指q r s 波群的起点至t 波终点的间距，代表心室肌除极和复极全 过程所需的时间。 u 波：在t 波之后0 0 2 - - - 0 0 4 s 出现的振幅低小的波称为u 波，代表心室后 继电位，其产生机制目前尚未完全清楚。u 波方向大体与t 波相一致。 2 2 4 心电图导联系统 所谓导联，就是引导心脏电流到心电图机的链接路程。按其导线连接方式 的不同可分为双极导联和单极导联h 1 。 1 心电输入电极 心电电极是来摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称作导引电极。 它的阻抗，极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。作心电图时选用的电 极是表皮电极。表皮电极的种类很多，有金属平板电极，吸附电极，圆盘电极， 7 成都理工大学硕士学位论文 悬浮电极，软电极和干电极。按其材料又分为有铜合金镀银电极，镍银合金电极、 锌银铜合金电极，不锈钢电极和银一氯化银电极等。通过心电电极可以采集和记 录心电信号。所以心电电极的好坏决定了对心电信号采集的质量。因此应采用电 极应贴用力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极 2 心电图导联系统 早在1 9 0 5 年e i n t h o v e n 就建立了额面上的三条轴线，分别为i 、i i 、i i i 导联，当时称为“标准导联”，并比广泛应用至今h 3 。在后来w i i s o n 在e i n t h o v e n 的导联基础上又增加了三条轴线，分别为a v r 、a v l 、a v f 。它们同标准导联一起 组成了肢体导联系统。在这之后，w i l s o n 又产生了水平面的v 。v 。共六个胸前导 联，形成了目前临床上常用的1 2 导联的心电图导联体系。同时胸前导联还可以 适当增加v ，v 。和v 。等。 3 常规双极性导联( 标准导联) 双极导联测量的是两点之间的电位差，最常用的是一种双极导联首创于2 0 世纪初，并被临床医生广泛采用h 1 。该导联称为“标准导联”，它包括i 、i i 、 i i i 三个导联。 i 导联：左上肢电极连接心电图机规定的正极，右上肢电极连接心电图机 规定的负极，组成双极i 导联。当左上肢电位高出右上肢时，记录正向波；反之 右上肢电位高于左上肢时，记录负向波，如图2 2 所示。 图2 - 2i 导联 i i 导联：左下肢电极连接心电图机规定的正极，右上肢电极连接心电图机 规定的负极，组成双极i i 导联。当左下肢电位高出右上肢时，记录正向波；反 之，记录负向波，如图2 - 3 所示。 i i i 导联：左下肢电极连接心电图机规定的正极，左上肢电极连接心电图机 规定的负极，组成双极i i i 导联。当左下肢电位高出左上肢时，记录正向波；反 8 第2 章心电信号相关知识 之，记录负向波，如图2 4 所示。 图2 _ 3i i 导联 2 3 心电信号的噪声 图2 - 4l ii 导联 人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低，正常的心电信号频率范0 0 5 , - - - - l o o h z 之间。心电图通过心脏的搏动而产生的电流，使之在体表形成电位差，由 此来记录心电信号的变化，这其中常常混有包括心脏激动等因素，使得心电图的 形态发生变化，这种改变又称之为“伪差”。“伪差”可以掩盖心电图的真实图形， 不仅可能是医生对心电图产生误诊断，同时也影响计算机自动分析系统性能。心 9 成都理工大学硕士学位论文 电信号中包含有以下几种形式的噪声干扰： 1 、电源工频干扰：是由交流电源引入的5 0 l z 干扰成份，由于较规则，通常 可以用工频陷波器加以消除。 2 、基线漂移：表现为一种低频干扰，是由电极电阻的变化、心电放大器本 身的直流漂移、患者的呼吸运动等多种原因引起的。它对s t 段的形态和q r s 波 各参数的计算精度有较大的影响。 3 、电极接触噪声：电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极和肌肤的不良接 触，既病人与检测系统的连接不好。电极接触噪声可抽象为快速、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。 4 、肌电噪声：心电信号的主要频率成分在l o o h z 以下，而肌电干扰噪声在 5 - - - 2 0 0 0 h z 。相对于心电信号来说，肌电干扰信号是一种高频干扰。 5 、外部电波噪声：可以完全破坏心电图，呈现为频率接近l o o h z 和1 m h z 间的大幅度正弦波。 1 0 第3 章系统概述 第3 章系统概述 本系统所要解决的主要问题有：( 1 ) 心电信号采集的导联系统，采用比较传 统的标准三导联的采集方式。( 2 ) 根据心电信号的特征选择合适的放大器。( 3 ) ， 带通滤波电路、抗工频和肌电干扰的陷波电路设计。( 4 ) 与高速a d 相匹配的高 速运算放大器的设计以及单片机于a d 的接口电路的设计。( 5 ) 采集到得心电数 据传送至上位机。其总体结构框架图如图3 1 所示： 图3 1 系统流程图 由于心电信号是很微弱的，其频率在( 0 0 5 - - 1 0 0 h z ) ，并且混有一定干扰信 号，因此，本系统在进行数据采集在前必须对心电信号进行放大及滤除干扰信号， 在通过数据采集系统来提取心电信号。在模拟电路中首先应通过前置放大电路对 微弱心电信号进行放大，再将最初的原始放大信号经过带通滤波电路以滤除有用 心电信号频带以外的干扰信号，由于5 0 h z 工频信号对心电信号存在强烈的干扰， 并且恰好在有用的心电信号频带以内，因此必须通过工频陷波电路将该干扰信号 滤除掉。由于从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有o - - - 5 m v ，而a d 转 换电路输入的信号要求为0 , - - 2 5 v ，所以整个信号放大倍数要求为5 0 0 倍左右， 而前置放大器的放大倍数只有1 0 倍左右，因此必须通过主放大电路将心电信号 进一步放大。信号经过调理后，从陷波电路输出的心电信号为交变信号，在送入 模数转换器之前还要进行电平抬升。在数据采集系统中，由于单片机只能识别 数字信号，而经过放大器的心电信号是模拟量，所以在将心电信号送入单片机处 理之前还必须对之进行模数转换，以产生单片机能过识别并处理的数字信号。 最后将单片机对心电信号处理后的结果通过r s - 2 3 2 接口输入到上位机进行进一 步的的处理和显示。 成都理工大学硕士学位论文 第4 章心电信号模拟电路的设计 4 1 放大电路整体要求 人体心电信号是一种非常微弱的信号，同时人体内外的噪声很强且信号源阻 抗较大，因此，本系统需要具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等 性能放大器电路。 1 高增益：微弱的信号经过放大电路后被放大若干倍，所增大的倍数称为 增益。增益体现了放大电路对微弱信号的放大能力。心电信号就是一种非常微弱 的信号，要对这样的信号进行处理和分析，就必须对心电信号进行放大。由于心 电信号一般为o , - - - 5 m v ，而a d 转换输入信号要求在0 - - - 2 5 v ，所以整个信号电路 的放大倍数在5 0 0 倍左右。但是为抑制电路的零点漂移，进一步提高共模抑制 比，要求放大电路必须分两级实现，前置放大器的增益不能太高，设计为1 0 倍 左右，后级为5 0 倍左右，符合典型的心电图放大器标准。增益以满足最大限度 利用a d 转换器的允许输入幅值范围为参照。 2 高输入阻抗：输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗在输入端上加上 一个电压源u ，测量输入端的电流i ，则输入阻抗r i 就是u i ，可以把输入端想 象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。输入阻抗的大小决定了 放大电路从信号源吸取信号幅值的大小h 1 。因此，电路的输入阻抗越高，放大电 路就能从信号源中吸取更多的能量。如果放大电路的输入主抗不高，由于心电信 号的微弱性特点以及噪声对有用心电信号的干扰经过分压后的心电信号就变得 更加微弱，而且损失也会很严重，甚至造成心电信号发生畸形变化，这样就会造 成放大电路的电压增益不稳定，从而会造成难以修正的测量误差，所以只有具有 高输入阻抗的放大电路，才能确保增益的稳定性。 3 高共模抑制比：由于本文的放大电路为差分式放大电路，为了说明差分 式放大电路抑制共模信号的能力，用共模抑制比( k 咖) 作为一项技术指标来衡 量放大电路的优良性。共模抑制比表现为差模信号的电压增益和共模信号的电压 i 一i 增益的比值的绝对值，即k c u r = i 爿，差模电压增益越大，共模电压增益越小， i a r c l 则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良口1 。在心电数据采集系统中，共模 抑制比是衡量心电放大器的一个重要指标。由于心电信号在o - - 一5 m v 之间，同时 存在较强的干扰信号，要求抗干扰能力是心电放大电路选择的重要指标之一，因 此选用输入端与地对称差动放大电路。 4 低噪声：指电子电路、器件和系统中任何不需要的无用电信号。电子系 第4 章心电信号模拟电路的设计 统的噪声来源有外部噪声和内部噪声，外部噪声主要有天线热噪声、大气噪声、 宇宙噪声、工业噪声和其他电子设备的干扰等；内部噪声包括电阻热噪声、晶体 管和电子管等器件的噪声等。由于心电信号的微弱性，如果放大器本身噪声较高， 在心电信号经过放大电路后，很有可能被放大电路中的电噪声淹没，从而使有用 信号不能