（模式识别与智能系统专业论文）基于arm7的多路生理信号监护系统的设计.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得囱蓥直太堂及 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 日 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：垒霾生 指导教师签名： 日期：竺! ! ：! ：! !日期： 青；泐 ” p 伽l s f 6 内蒙古大学硕士学位论文 基于a r m 7 的多路生理信号监护系统的设计 摘要 随着计算机技术和网络通信技术的高速发展，足不出户完成就医以不再是 新闻，远程诊断、自我保健正成为时尚，逐步走人人们的生活。因此对人体生 理信号准确、可靠的采集成为时下生物医学电子学的热点，人们对于有针对性 用途的便携式监护仪器的需求也更加迫切。 本课题中所设计的多路生理信号监护系统由两部分组成，分别是模拟部分 的信号采集电路，以及数字部分的数据处理系统。信号采集部分主要可以实时 采集人体的心电信号、脉搏信号和体温信号。将心电信号、脉搏信号经放大电 路、滤波电路处理后，得到具有诊断价值的人体信号，与由d s1 8 8 2 0 所获得的 体温信号一同送到微控制器进行处理。 在数据处理系统中，选用了飞利浦公司的a r m 7 处理器l p c 2 1 3 8 作为中央 处理器，完成本监护系统的控制任务。并对监护系统的数据实时显示、存储和 发送等相关功能模块进行了软硬件的设计。 经仿真与实际测量，系统运行良好，基本达到了预期目标，最后对所作工 作进行了总结与展望，提出了后续的完善与改进方向。 关键字： a r m 7 ，心电信号，放大电路，实时显示，数据处理 内蒙古大学硕- l 二学位论文 t h ed e s i g no fm u i j i ch a n n e lp h y s i o l o g i c a ls i g n a l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do na r m 7 a b s t r a ct a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i ti sn o l o n g e r n e w st h a to n ec o m p l e t e sm e d i c a l t r e a t m e n t sa th o m e m e a n w h i l er e m o t ed i a g n o s t i c sa n ds e l f - c a r ea r eb e c o m i n g f a s h i o n s ，a n dt h e ya r ei n t op e o p l e sl i v e ss t e pb ys t e p t h e r e f o r ei tn o w a d a y s b e c o m e sah o t s p o tf o rb i o m e d i c a le l e c t r o n i c st oa c c u r a t e l ya n dr e l i a b l yc o l l e c t p h y s i o l o g i c a ls i g n a l s p e o p l ea l s oh a v em o r ep r e s s i n gn e e d st op o r t a b l em o n i t o r i n g d e v i c e sw h i c hh a v et a r g e t e da n dc o m p r e h e n s i v eu s e t h em u l t i - c h a n n e lp h y s i o l o g i c a ls i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h i sp a p e rc o n t a i n s t w op a r t s ，w h i c ha r es i g n a lc o l l e c t i o nc i r c u i t sa n dd a t ap r o c e s s i o ns y s t e m d a t a c o l l e c t i o np a r ti sm a i n l ya b o u tr e a lt i m ec o l l e c t i o n ，s u c ha sb o d y se c g , p u l s e s i g n a l ， t e m p e r a t u r es i g n a le t c e c ga n dp u l s es i g n a l st h r o u g ha m p l i f yc i r c u i t sa n df i l t e r c i r c u i t s t h a tc a ng e td i a g n o s t i cb o d y s i g n a l s ，t o g e t h e rw i t ht e m p e r a t u r es i g n a l c o l l e c t e db yd s18 8 2 0p r o c e s s e db ym c u i nd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ，p h i l i p se l e c t r o n i c s l p c 213 8w h i c hb e l o n gt oa r m 7 内蒙古人学硕十学位论文 p r o c e s s o rw a ss e l e c t e da sc e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t w h i c hf u l f i l l st h et a s ko ft h i s m o n i t o rs y s t e m t h ed a t ao fm o n i t o rs y s t e mr e a l t i m ed i s p l a y , s a v ea n ds e n df u n c t i o n m o d e lw a sd e s i g n e da ts o f t w a r ea n dh a r d w a r es i d e a f t e rs i m u l a t i o na n dt e s t ，t h i ss y s t e mo p e r a t e sv e r yw e l l ，a l m o s ta c h i e v et h e e x p e c t e dg o a l a tl a s t ，a l lw o r kw a ss u m m a r i z e da n dp r o s p e c t e d ，a n da tt h es a m et i m e ， p u tf o r w a r di m p r o v i n gm e t h o df o rf u r t h e rw o r k k e y w o r d s ： 内蒙古大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 选题意义及背景l 1 3 国内外研究现状2 1 4 本文的主要工作3 1 5 本章小结4 第二章总体方案设计5 2 1 系统设计原则5 2 2 硬件方案设计5 2 3 软件体系结构6 2 4 本章小结7 第三章心电信号采集电路8 3 1 关于心电图仪8 3 2 硬件要求与干扰8 3 3 系统结构9 3 4 心电信号的提取1 0 3 5 放大电路设计1 2 3 5 1 除颤器保护与高频噪声滤波器1 3 3 5 2 前置放大电路0 0 000 00 0 1 5 3 5 3 放大电路调零1 6 3 5 4 主放大电路1 7 3 5 5 电压提升电路1 8 3 6 滤波电路设计1 8 3 6 1 带通滤波器1 9 3 6 2 关于陷波滤波器2 0 3 7 右腿驱动电路2 1 3 8 本章小结2 2 内蒙古人学硕十学位论文 第四章脉搏信号与体温信号的采集2 3 4 1 脉搏信号采集电路o oom to 2 3 4 1 1 脉搏提取2 3 4 1 2 脉搏波采集电路2 4 4 2 体温信号的采集q q loo bo0 2 4 4 3 本章小结2 6 第五章数据处理系统设计2 7 5 1l p c 2 1 3 8 最小系统2 7 5 1 1 电源电路i oo o oo o o 2 8 5 1 2 复位电路2 8 5 1 3 系统时钟与实时时钟2 9 5 1 4 调试与测试接口3 0 5 1 5u a r t 与i s p 下载3 0 5 1 6s d 卡接口电路q a oo0 3 l 5 2 a d 转换与人机接口模块设计3 l 5 2 1a d 转换3 1 5 2 2 人机接口模块设计3 2 5 3 本章小结3 4 第六章软件系统0 o ooo 3 5 6 1 开发调试环境3 5 6 1 1a d s l 2 ”3 5 6 1 2h j a t g 调试环境3 6 6 1 3l p c 2 0 0 0f l a s hu t i l i t y 3 7 6 2 程序实现3 8 6 3 本章小结4 0 第七章结论与展望4 1 参考文献4 2 致谢4 4 攻读学位期间发表的学术论文4 4 附录系统硬件原理图4 5 内蒙古大学硕上学位论文 第一章绪论弟一早珀y 匕 1 1 引言 随着居民收入水平的提高，人们对生活质量的关注程度也显著提高。疾病的预防和自我 保健已经成为同常生活不可缺少的部分。人们对于医疗家庭化、便利化的要求也越来越迫切， 这给家用医疗设备、家庭医疗检测设备带来了广阔的市场前景。目前，便携式家用医疗设备， 特别是家用检测监护设备已经大量面市。 便携式家庭医疗设备一般可以对人体的健康状况做出初步的判断，有些功能强大的设备 还可以直接做初步的治疗，作为专业医疗机构的辅助医疗手段【l 。对智能医疗设备而言，如 何及时、准确地采集到人体的有效信息，以及进行有效的分析处理，是至关重要的一步。 现代信息处理技术和计算机技术为医疗设备家庭化提供了大量有力的研究工具，在监测、 分析、诊断方面许多学者已经作了大量的工作，生物医学信号的采集、分析与诊断效果上也 取得了长足进步。通过计算机技术对人体各种生理信号进行分析处理正是时下发展迅速、研 究工作深入开展的一门重要学科。 1 2 选题意义及背景 我国和谐社会的建设正逐步深入，医疗卫生事业与人民群众的切身利益密切相关，是构 建社会主义和谐社会的重要内容。家庭医疗保健工程与生物医学工程正是医疗领域新兴的研 究热点。 家庭医疗保健工程h h c e ( h o m eh e a l t hc a r ee n g i n e e r i n g ) 正随着人们对健康的重视和远 程医疗的发展而逐渐走进人们的生活。它提倡的是一种“在家就医，自我保健，远程诊断 的理念，把高科技与医疗结合起来【1 2 1 。h h c e 的出现符合2 1 世纪社会老龄化、医疗费用同益 高涨以及人们生活健康质量高要求的趋势，同时可实现医疗资源共享，提高边远地区的医疗 水平，因此具有特别旺盛的生命力【1 2 】。h h c e 系统提供的是针对家庭、社区医疗、出诊医生 有效便捷的医疗监测解决方案，因此，具有多种生理信号监测功能的监测器是该系统的重要 组成部分。 对生理信号的检测与处理属于生物医学工程( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ，b m e ) 的研究范 内蒙古大学硕士学位论文 畴。b m e 崛起于2 0 世纪6 0 年代，其涵义是：工程科学的原理和方法与生命科学的原理和方 法相结合，认识生命运动的规律( 定量) ，并用以维持、促进人的健康【1 3 j 。生物医学信号可以 分成电信号和非电信号：心电、肌电、脑电等属于电信号；其它如体温、血压、呼吸、血流 量、脉搏、心音等属于非电信号【l3 1 。生物医学信号处理就是根据生物医学信号特点，应用信 息科学的基本理论和方法，研究如何从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信 号中所携带的信息，并对它们进步分析、解释和分类【1 4 1 。b m e 是生物医学工程中一个发展迅 速的领域，它不仅提供了生物机体的各种有关数据，以提高医学诊断的科学性，还为探索人 类自身和生命的奥秘提供了有力的工具，其作用已从医学等领域扩展到研究人类的各学科。 对生物医学电信号的采集分析，以及对非电信号的转换、采集与分析是智能化医疗设备 的前端，也是生物医学信号处理的主要任务。市场上的家用医疗设备与家庭医疗检测设备都 具有相关功能。然而多通道动态监护仪在我国并未得到很好的普及，究其原因，主要有以下 几个方面：( 1 ) 记录的信息种类有限，医生难以从中得到患者全面的健康状况信息，对实际 诊断的辅助作用意义不大；( 2 ) 价格较为昂贵，动辄几千乃至上万，大众家庭难以承受；( 3 ) 实时性、体积、功耗、重量等方面都不尽如人意，在使用过程中有诸多不便，阻碍了其普及 使用。因此，研制一种适合我国国情的便携式动态多路生理信号采集系统，具有重要的实际 意义。 1 3 国内外研究现状 自从1 9 6 2 年美国建立第一批冠心病监护病房( c c u ) 后，医疗监护系统便逐步得到推广， 而随着计算机和信号处理技术的不断发展，以及临床对危重患者和潜在危险患者的监护要求 的不断提高，医疗监护仪行业开始步入市场需求激增阶段【2 】。历经半个多世纪的发展，医疗 监护仪已成为全球医疗器械产业中的个重要分支，历史数据显示，全球监护仪市场销售规 模从2 0 0 0 年的2 8 1 亿美元提升至2 0 0 9 年的4 8 1 亿美元1 2 1 。 国际方面，世界各国在此研究上均投入了大量资金，但主要结构依然是使用价格昂贵的 仪器完成医疗数据采集，再由相应的显示设备输出。之后可以依托p c i n t e r n e t 网络完成数据 存储以及网络诊断。全球医疗监护仪产品的高端技术目前还主要掌握在美国、日本、德国、 荷兰等少数西方发达国家手里，而以我国、印度、巴西为代表的绝大部分发展中国家仍以常 规医疗监护技术为发展重心。从品牌方面看，目前全球医疗监护仪重点品牌主要有荷兰飞利 浦( p h i l i p s ) 、美国通用( g e ) 和深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司( m i n d r a y ) ，各自市 2 内蒙古大学硕士学位论文 场份额分别为3 8 、2 6 、1 0 ( 2 0 0 9 年数据) ，市场出现寡头垄断格局【2 1 。 我国的监护技术发展得较早，始于上世纪5 0 年代末，但直到7 0 年代中期才研制出用于 临床的监护仪器，8 0 年代各种医用监护仪纷纷问世【”】。我国的监护仪大都可监测多项人体生 理参数，有些产品在功能上与国外产品差距不大，可以满足临床实用要求。但其缺点也显而 易见，主要是总体水平不高，工艺质量也不如进口产品，形成产品的能力也不够，某些专用 的监护仪如麻醉手术监护仪、呼吸监护系统等仍存在缺陷。此外，非功能需求( 指为了保证 产品能在规定的条件下达到预期使用目的所做的用户并不能直接使用或直观感受到的功能) 也很不完善，如系统上电自检、报警设备的检测、工作电压的实时监测、通信端口的实时监 测、重要数据的实时监测等功能与国外产品相比显得较为薄弱【1 6 1 。 在我国，高端医用监护设备基本由国外大公司如通用、飞利浦、西门子等提供，美国、 日本和荷兰利用国际领先地位的优势把持着国内市场。美国牢牢占据了大部分诊断设备的高 端市场，日本主要提供中端产品。而低端设备则呈现国外厂家和国内厂家激励竞争的局面， 以深圳迈瑞、金科威、珠海宝莱特最为出色【2 3 】。 用途方面，我国医疗监护系统的需求长期以来以医院使用和治疗使用为主【2 4 1 。但是，近 些年来随着人民群众生活水平的不断提高和人口老龄化的到来，医疗监护仪功能由单纯诊断、 康复、理疗、保健、强身等向多功能方面延伸，市场领域也从医疗机构逐步扩展到家庭医疗 保健【2 4 1 。市场需求的拓展，为监护设备的发展提出了新的要求，便携式多参数监护设备应运 而生。 便携式医疗监护设备是随着近年来医学信息技术( h e a l t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，h i t ) 特别是图像处理技术以及嵌入式技术的广泛应用而取得迅速发展的。市场上常见的便携式多 参数监护仪大都能够提供心电波形、呼吸波形、血氧饱和度、血压等大量参数的统计，并且 具有大容量存储、多色彩显示等功能。目前正在向着运动状态下的参数监测以及实时诊断的 方向努力。 1 4 本文的主要工作 本文所设计的基于a r m 7 的多路生理信号监护系统主要面向对象为家庭用户，其便携式 的设计也可用于为其它相关设备采集数据，同时作为一个整体本监护系统所存储的人体生理 数据可用于多方面的用途。本文所做的主要工作如下： 第一章：系统的阐述了选题意义和背景、国内外医疗监护系统的行业现状、市场需求以 内蒙古大学硕士学位论文 及发展趋势。 第二章：提出了一种基于a r m 7 的便携式多路生理信号监护系统的设计方案。 第三章：针对心电信号幅值小、频率低、易受干扰的特点，设计了一种简单可行的心电 信号采集电路。 第四章：沿用已有的脉搏波采集电路实现了脉搏波的采集，并使用d s l 8 8 2 0 实现体温信 号的采集。 第五章：使用a r m 7 内核的芯片l p c 2 1 3 8 完成了生理信号采集电路与数字处理系统的连 接。并通过微控制器完成了模拟信号到数字信号的转换，信号实时显示，以及与上位机的通 讯等任务，为信号的进一步分析诊断做好准备。 第六章：介绍了采集系统的软件部分，主要包括实时显示、a d 转换过程、通讯过程等 的软件实现。 第七章：对本文所作工作进行了总结，并提出了进一步完善与改进的措施。 1 5 本章小结 本章主要对课题的背景、研究意义、国内外发展状况、主要工作内容以及本文章节安排 进行了简要介绍。 4 内蒙古大学硕士学位论文 第二章总体方案设计 2 1 系统设计原则 本文中设计的动态多路生理信号监护系统，属于医疗仪器，同时，它还是一款基于微处 理器的消费类电子产品，最终要面向市场和用户。这种产品定位决定了在系统设计和开发过 程中，必须兼顾这两个方面的应用特点和技术要求，在设计过程中要遵循以下原则【1 7 】： 1 安全原则 多路生理信号监护系统是一款直接与人体接触的医疗仪器，因此应将保证人身安全作为 设计的首要原则。系统设计和制作要完全依据g b 9 7 0 6 1 1 9 9 5 医用电气设备安全通用要求 规定的内容进行，保证系统的电气性能安全。 2 准确原则 人体的生理信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境感应电的干扰，而 所采集的数据都要应用于医疗诊断，因此在系统设计、制作中要采取一切手段保证得到的信 号不失真。 3 可靠原则 医用系统必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠，不出故障。并且要求系统能够对 患者进行即时的检查和实时的监护。 4 易用原则 考虑到此监护系统的面向对象为家庭用户，对电子产品和计算机的操作水平有限，因此 易学、易用是对系统的基本要求。 5 便于扩展、升级 由于本文中设计的多路生理信号监护仪不仅仅是医疗仪器，还是一款消费电子产品，希 望能对心脏类疾病进行在线诊断，这需要不断改进以改善效果。因此系统的设计必须要为以 后的扩展、升级提供条件，同时要在技术上做到适当超前。 2 2 硬件方案设计 按照模块化的设计思想，该系统的硬件电路组成主要包括以下部分： 内蒙古大学硕上学位论文 1 模拟电路部分：心电采集模块、脉搏采集模块； 2 数字电路部分：主控制器模块、体温采集模块、u a r t 模块、i s p 下载模块、人机接口 模块和存储模块等。 主控制器模块是整个系统的核心，负责各个模块的控制各模块协调工作和数据的处理， 由a r m 7 处理器完成。人机接口模块包括按键逻辑处理、声光指示电路以及1 2 8 6 4 点阵单色 图形l c d 显示单元。其硬件结构如图2 1 所示【4 1 。 心电信号采 集电路 心电信号放 大滤波电路 脉象传感器h 羹裁茎馨il 八循双吧硝 温度传感器h 莫篆茎辇 a r m 7 l p c 2 1 3 l l p c 2 1 3 8 图2 1 硬件结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fh a r d w a r e 2 3 软件体系结构 数据 存储 与p c 通信 显示 单元 良好的软件体系结构是系统开发的基础。在嵌入式系统中，按层次划分一般可分为底层 硬件设备、设备驱动及协议( 可能基于操作系统) 、应用程序三层。高层只需要调用底层提供 的接口函数，而不需要知道实现的细节，就可以实现相应的功能。系统软件的每个层次又可 根据功能的不同，划分为不同的功能模块。这种软件体系结构的划分，给复杂的嵌入式系统 软件的实现、测试、维护及升级，提供了很大的方便，并且提高了程序的可移植性【6 】。系统 软件体系结构如图2 2 所示。 6 内蒙古大学硕十学位论文 图2 2 软件体系 f i g 2 2s o f 研a r ea r c h i t e c t u r e 根据监护系统软硬件的设计要求，本系统应具备以下功能： 1 能够完成心电信号、脉搏信号以及体温信号的可靠采集； 2 具有简单的人机接口，液晶显示晃面能够实时显示所采集信号的波形，输入按键能够 完成相应的功能切换； 3 具备r s 2 3 2 接口，能够通过串行总线完成与p c 的通信； 4 能够对所采集的人体信号数据进行存储； 5 能够通过操作系统或主程序协调各功能统一运行。 2 4 本章小结 本章主要对所设计的多路生理信号监护系统的设计原则、设计目标以及整体方案结构进 行了论述。包括整个监护系统的软硬件结构与主要功能模块的设计。 7 内蒙古大学硕士学位论文 第三章心电信号采集电路 3 1 关于心电图仪 心电图( e l e t r o c a r d i o g r a m ) 是指心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴 奋，伴随其产生的生物电的变化图形( 简称e c g 或e k g ，源于德语单词的缩写【5 】) 。心电图 仪就是测量人体表面由心脏活动而产生的电势能的仪器。这种离子形式的电流信号是由心脏 肌肉纤维收缩进而使心脏节律性泵式脉动而产生的【5 1 。对这一电信号的研究有助于诊断许多 有关心脏功能异常的疾病。图3 1 是一个完整的心电波形示例。 图3 1 心电波形 f i g 3 1e c gi n t e r v a l sa n dw a v e s 通过研究心电波形上p 、q 、r 、s 、t 和u 各点间的时间间隔以及连续跳动时这些间隔 时间的异常，可以识别出许多有关心脏的疾病【5 1 。 3 2 硬件要求 e c g 信号的检测是属于强噪声背景下的超低频、微弱信号的检测4 1 。在最简形式下，心 电采集电路的硬件部分是一个生物电势放大器。通过与皮肤接触的电极，可获得的最大电压 为0 5 2 m v 【5 1 。为了用该电压信号进行相应的分析，需要将其放大处理。心电采集电路的结 构与信号流向如图3 2 所示。 内蒙古大学硕士学位论文 传感器 ( e c g 电极) 保护电路 缓冲器 仪表放大器 右腿驱动电路 放大& 滤波i 信号输 模数转换处理器隔离& 接口p c & 显示 图3 2 心电采集电路模块 f i g 3 2b l o c k so f e c gm o d u l e s 心电采集电路的前端必须可以处理非常微弱的信号，主要范围为0 5 m v - 2 m v ，但该信号 中含有一个+ 3 0 0 m v 的直流分量，这是由于电极与皮肤接触造成的。心电采集电路的带宽要 求依赖于其应用，标准临床e c g 的频率范围为0 0 5 h z 到1 0 0 h z 。各种模式下的频率范围见 表3 1 【5 1 。 表3 1 不同模式下心电采集电路的频率范围 t a b l e3 1f r e q u e n c yr a n g eo fe c gc i r c u i tm o d e s 模式诊断模式 监护模式外科手术模式 频率范围( h z )0 0 5 1 0 00 5 3 51 2 5 e c g 信号会被各种噪声干扰而出现品质下降，主要干扰源利5 】： 电源线干扰：5 0 h z 6 0 h z 市电及其谐波串扰 电极接触噪声：电极与皮肤接触处的变化会引起基线漂移 运动伪迹：由电极皮肤间阻抗变化引起的基线移动 肌肉收缩：肌电信号( e m g ) 通常与心电信号( e c g ) 混合在一起 呼吸：引起基线漂移 其他电气设备的电磁干扰：周围电气设备的高频噪声会通过充当大线的导联线耦合到采集 信号中。 对于心电信号的采集与测量，必须将这些干扰从信号中全部清除掉。 3 - 3 系统结构 通过上述要求，单导联e c g 的功能模块结构图如下所示。本设计并不包括心电信号在上 位机上的显示与数据分析部分，利用传输到p c 的心电数据可以完成后续任务。 9 内蒙古大学硕士学位论文 图3 3 单一导联心电采集系统 f i g 3 3e c gs y s t e mf o ro n el e a d 本设计对采集电路采用了外部电源供电的方案，这主要是出于简化电路和减小噪声的考 虑。 各模块执行的功能分别为【5 】= 电极：探测由心脏活动而产生的电势变化 保护电路：保护患者，避免发生电气事故，以及初步的噪声隔离 缓冲器：使传感器的阻抗最小化 右腿驱动电路：减小共模干扰 放大电路：放人有用信号 滤波电路：低通滤波器与高通滤波器组成带通滤波器，滤除心电信号中混杂的高频和低频噪声 微控制器：数据采样、处理以及与p c 的通信 3 4 心电信号的提取 临床上通过体表提取心电信号时，将测量电极放置在体表相隔一定距离的两点，电极通 过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与心电监护仪的放大器相连，测量出电极在体表的电位差就是 心电信号，描成曲线就是心电图【3 1 。 测定心电信号波形时，电极安放的位置以及导线与放大器连接的方式，称为心电仪的“导 联”【1 7 】。临床上对常用导联有严格的规定，通常将电极安放在四肢和胸部引出心电波形。在 “l 内蒙古大学硕士学位论文 心电监护仪上广泛应用的是1 2 导联系统，包括标准( i 、i i 、i i i ) 、加压单极肢体导联( a v r 、 a v l 、a v f ) 和胸导联( v i 、v z 、v 3 、v 4 、v s 、v 6 ) 3 种类型，本设计采用了“标准i 型导 联”提取心电信号。 标准导联直接把两个肢体的电位加到心电放大器的输入端，所描述的波形即为两点电位 差的变化【3 1 。标准i 型导联接法为r a ( 右腕) 接放大器反相输入端，l a ( 左腕) 接放大器同 相输入端，r l ( 右腿脚踝) 作为参考电极，接心电放大器的参考点。图3 4 所示为标准i 导 联接法及心电信号流向。 图3 4 标准i 导联接法及信号流向 f i g 3 4c o n n e c t i o no fs t a n d a r dl e a d ia n df l o wd i r e c t i o no fe c gs i g n a l 电极和导联线要谨慎地选择，并应满足相关的标准的要求( a n s i a a m ie c l 2 ： 2 0 0 0 ( r ) 2 0 0 5 - - - - d i s p o s a b l ee c g e l e c t r o d e s ；a n s i a a m ie c 5 3 ：1 9 9 5 ( r ) 2 0 0 1 - - e c gc a b l e sa n d l e a dw i r e s ) 。 本设计使用的电极采用一次性带有粘性的衬垫，该衬垫通过咬合按扣与导联线连接。这 种衬垫具有无损害性，对于低电压心电信号是理想的测量选择。由于人体皮肤是电的不良导 体，将低阻抗的冻状凝胶包在了衬挚外，以与皮肤接触。图3 5 为心电采集使用的电极与导 联线。 图3 5 电极与导联线 f i g 3 5e c ge l e c t r o d e sa n dc a b l eo fl e a d s 内蒙古大学硕上学位论文 该电极具有如下特点： 高灵敏度 低电极偏移电势 低电极噪声 低电极极化效应 运动伪影约为5 m v 电极之后，心电信号通过屏蔽导联线传递到前置放大器。为便于操作，使用了标准3 5 m m 耳机接口将导联线与电路板连接。 3 5 放大电路设计 心电信号主要特点是幅值小、频率低、不稳定、随机性强、易受干扰。通过电极提取时， 信号源阻抗会因人而异、因身体情况而异，所提取的信号中还会存在较强的共模干扰信号。 因此，设计放大器时，需要从增益、频率响应、共模抑制比、输入阻抗、噪声和漂移等方面 综合考虑【1 7 1 。 1 增益 由于心电信号非常弱小幅值范围为1 0 u v - 4 m v 而心电放大器增益的常规设计要求心电在 正常输入时，即输入为l m v 时，输出电平达到1 v 左右，所以心电放大器的总放大倍数应在 1 0 0 0 倍左右。在电路设计时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 应该分多级实现。 2 频率响应 人体心电信号的频谱范围为0 0 5 1 0 0 h z 心电放大器在此频率范围内必须不失真地放大 所检测到的心电信号，为了减少不需要的带外噪声，心电信号用高通、低通滤波器来压缩通 频带，同时由于心电仪要支持外部直流电源供电，还需要抑制5 0 h z 工频干扰。这样，经过 心电放大器的心电信号才具有可靠的诊断价值。 3 共模抑制比 电极与皮肤接触引起的极化电动势可作为直流共模干扰输入到心电放大器，其值可能达 到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。而且心电信号的检测要受到现场很多电气设备运 行时的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰常把微弱的心电信号淹没。为了防 止心电信号的输出被淹没在5 0 h z 、电极极化电压或其他共模干扰电压之下，一般要求c m r r 内蒙古人学硕十学位论文 应达到8 0 d b 以上。 4 输入阻抗 由于心电信号源阻抗具有高阻抗的特性，并且通过电极提取时，信号源阻抗随机性很大。 而心电信号是微弱的，如果心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入 端的信号就非常微弱了。心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号产生畸变。通常 心电信号源阻抗为1 k q 1 5 0 k o ，心电放大器的输入阻抗应该比信号源阻抗高两个数量级才 能不失真地引出心电信号，一般取5 1 m q 或1 0 m f 2 。 5 低噪声、低漂移 在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。心电放大器运行过 程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这都属于白噪声，其幅值成正态 分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。所以在设计 心电放大器时应尽量选用低噪声元件，以降低噪声并进一步提高输入阻抗。 6 运算放大器选型 运算放大器是整个模拟电路设计的基石，选择一个恰当的放大器对于达到系统设计指标 至关重要。一个放大器的参数有上百个，设计者必须非常清楚哪些放大器参数对系统设计最 重要，从而根据系统对功耗、成本、信号摆幅、信号噪声、信号之间的匹配、信号的边沿速 率和带宽、信号稳定时间、负载驱动特性、系统精度、应用环境和抗干扰性、环路稳定性、 反馈类型等等要求，对放大器进行精心的选择，使系统满足要求。 3 5 1 除颤器保护与高频噪声滤波器 除颤器保护与高频噪声滤除电路如图3 6 所示。采集电路的信号输入部分使用氖光灯提 供除颤器的保护。氖光灯可以旁路大电压。在本设计中该灯的最大点亮电压为7 0 v 。后面串 联的两个低通滤波器电阻可以起到限流的作用5 1 。 r 。q爱 t g l 虻。 图3 6 除颤器保护与高频噪声滤波器 f i g 3 6d e f i b r i l l a t o rp r o t e c t i o na n dh i g hf r e q u e n c yn o i s e f i l t e r 内蒙古大学硕士学位论文 并联二极管电路的作用为保证输入信号不超过士6 0 0 m v ，此电路会在输入电压低于7 0 v 时工作，但相对于人体仍然较耐5 1 。 在输入端还使用了二阶低通滤波器，以滤除来自周围的高频设备干扰，其截至频率为 2 k h z 。同时，二阶滤波器的电阻还起到限流的作用。在电压为4 - 3 3 v 系统中，患者的最大泄 漏电流应小于1 0 u a ，所以尺+ r 2 斋荔= 3 3 0 尼q ，为留有余量取5 0 0 k o 。 取r l _ 2 0 0 k q ，r ：= 3 0 0 k f 2 ，在c - = c ：时，由二阶r c 滤波器截止频率公式 = 纠1 - 1 +r2c2a l( 1 c i c 2 r r 2 缈i ( r i c i r 2 c 2 ) o ) ) = 一= i - ( ) u 可得c l = c 2 = 1 4 0 p f ，考虑到可用电容值，取c l = c 2 = 1 5 0 p f 。仿真结果如图3 8 所示，其 截至频率约1 7 k h z ，与理论值的差异是由于电容取值造成的。 肇 v ( 2j i il 7 3 2 6 t 交漉小信号分析4m ， 0 0 0 0 9 9 9 9 9 9 1 _ 血- 1 3 1 6 k d y 2 9 5 0 3 6 a m l母dx一- - 5 7 一5 0 3 一 一 66 一一 。 i d y 3 3 8 9 4 虹at 1 0 0 0 0 a 工l1 0 0 0 0 0 t ! ny1 2 6 7 2 4 2 1 j xy9 9 9 9 9 9 1 m 0 f f o e c 基0 0 0 0 0 0 f f s e r y 0 0 0 0 0 l1 0 6扯撮 糖薯【鼢 f i g 3 7i n p u tl o w - p a s sf i l t e rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c 在实际测量人体心电信号时，如果增益分配不够合理，极化电势容易造成放大电路饱和， 尤其是在接触电极工艺不高的条件下【7 1 。这里采用了电压跟随电路将输入与放大电路隔离。 如图3 9 所示。该电路也使输入阻抗提高，并消除了阻抗不匹配的影响，同时得到了较高的 共模抑制比。 图3 8 电压跟随器构成的隔离电路 f i g 3 8i s o l a t i o nc i r c u i tf o r m e db yv o l t a g ef o l l o w e r 1 4 堕鍪查查堂堡主兰垡笙奎 本设计中，除了前置放大电路以及主放大电路外，其余用到运算放大器的地方都使用了 t i 公司的t l 0 4 8 集成运放。它具有宽共模及差模电压范围、低输入偏置及偏移电流、输出短 路保护、高输入阻抗( j f e t 输入级) 、内部频率补偿、锁定自由操作、高转换速率以及低功 耗的特性【2 6 1 。其单片内集成4 个运放的形式也适合于运放使用较多的场合，是目前心电信号 采集电路中普遍使用的方案。 3 5 2 前置放大电路 前置放大电路是整个系统设计的重点。它是整个系统的核心部件，决定了整机的主要技 术指标【7 1 。根据上文所述的放大电路设计要求，前置放大电路应具有低漂移、高输入阻抗以 及高共模抑制比的特点。使用集成仪表放大电路即可达到要求。本设计采用美国b b 公司生 产的精密仪表放大器i n a l 2 8 ，其内部结构图如图3 9 所剥引。 图3 9i n a l 2 8 内部结构 f i g 3 9i n s i d es t r u c t u r eo f l n a l 2 8 i n a l 2 8 的主要特性如下【8 】： 高共模抑制比：大于1 2 0 d b ： 低偏移电压：最大偏移电压为5 0 u v ： 低温漂：最大温漂为0 5 u v c ； 工作电压：2 2 5 v 4 - 1 8 v ： 低静态电流：7 0 0 u a ； 频带宽度：( 3 - - 1 0 0 时带宽为2 0 0 k h z ； 可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益( al 到1 0 0 0 0 ) 。 i n a l 2 8 是低功耗高精度的通用仪表放大器，其通用的3 运放设计和小巧的体积使其应 用范围广泛。反馈电流输入电路即使在高增益条件下也可提供较宽的带宽。而且由单个外部 电阻可激 用 勰 a _ ol 式 等 益 增 的 准 一 标 一 业 工 供 _ 提 _ 勰 _ 1 _ a 5 ， _ o 择 _ 选 _ 益 _ 增 _ 一 _ 任 一 的 一 o 1 0 i 一 至 一 j 一 从 一 见 一 实 一 内蒙古人学硕士学位论文 光进行修正微调，具有非常低的偏置电压、温度漂移和高共模抑制。其电源电压可低至士2 2 5 v 且静态电流只有7 0 0 衅，是电池供电系统的理想选择，内部输入保护能经受+ 4 0 v 电压而无 损坏。由i n a l 2 8 实现