人体心电测试电路设计

1、中北大学课程设计说明书2011/2012 学年第 二学期学生姓名： 陈杰 学号:1005084122学院：信息与通信工程学院专业：生物医学工程课程设计题目：医学电子电路实践课程设计人体心电测试电路设计课程设计地点：201实验室，学院610,学院503室指导教师：侯宏花石海杰系 主任：王浩全2012年6月20日中北大学课程设计任务书2011/2012 学年第 二学期学院：信息与通信工程学院专业：生物医学工程学生姓名：李金金学号：1005084109学生姓名：李艺学号：1005084113学生姓名：陈杰学号:1005084122课程设计题目：医学电子电路实践课程设计人体心电测试电路设计 起迄日期：

2、 2012年6刀4 h2012年6月15 fi 课程设计地点：201实验室，学院610,学院503室 扌旨 导 教 师：侯宏花石海杰系主任：王浩全下达任务书日期：2012年6月4日课程设计任务书1. 设计目的:学牛通过自己动手设计制作，将电子技术相关理论知识与制作实践相结合，提高学牛 的动手能力，加深对电子技术原理的理解，增加学习电子技术的兴趣，为今后投入电子 技术的开发应用打好基础。2. 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）: 设计要求:熟悉人体心电信号特点，设计一人体心电信号的测试电路。设计内容：（1）输入电路设计，多道测量；（2）放大电路设计，多级放大；（3）滤波电

3、路设计，去高低频干扰；（4）控制电路设计3. 设计工作任务及工作量的要求（包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、 实物样品等h（1）计算元件参数，给出详细计算过程；（2）给出完整的设计方案；（3）画出完整电路图，并仿真，对仿真结果进行分析;（4）写出设计说明书；课 程设计 任务书4. 主要参考文献:1. 傅劲松电子制作实例集锦福州：福建科学技术出版社，2006.2. 张庆双.实用电子电路200例.机械工业出版社，20033. 刘修文.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，20054. 毕满清.电子技术实验与课程设计。机械工业出版社，20065. 中科院，医学电子教学仪器综合试验箱指导书

4、。5. 设计成果形式及要求:(1) 课程设计说明书;(2) 电路原理图；(3) 仿真结果。6. 工作计划及进度:2012年 6月4日6刀6日 资料调研6月7日 6月13日方案论证，进行详细设计，电路仿真, 分析仿真结果6月14日6月15 完成设计总结报告(附完整电路图)答辩或成绩考核系主任审查意见:签字：年 月 日绪论设计报告11设计实验目的及意义 12心电信号产生机理13人体心电信号的特征分析 314人体心电信号的噪声来源4二、测试报告52. 1硬件电路设计52. 1.1信号输入及低通滤波电路52.1.2 一级放大电路62. 1.3二级放大电路62. 1.4稳压电路72. 1.5滤波电路72

5、. 2软件仿真及结果8三、课程设计总结12四、参考文献12绪论人体体表的一定位置安放电极，按时间顺序放大并记录这种电信号，可以 得到连续有序的曲线，这就是心电图。本文分析了体表心电信号的特征。心电信 号的各种生理参数都是复杂生命体（人体）发岀的强噪声条件下的弱信号（除体温 等直接测量的参数外），心电信号的幅度在10uv41i1vz间，频率范围为0.01 100hz,淹没在50脱的工频干扰和人体其他信号之中，检测过程及方法较复杂。 去除信号检测过程的干扰和噪声、进行心电信号的分析是心电仪器的重要功能之 一，心电信号的放大质量直接影响着分析仪器的性能和对人体心脏疾病的诊断。 本文设计了一个心电信号

6、检测放大电路，充分考虑了人体心电信号的特点，采用 输入电路放大电路稳压电路滤波电路组成的模式，并且利用软件对相应的电路进行仿真，实验结果表明，电路能够很好地完成人体心电信号的检测放 大。心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动是牛命存在的重要标志，心脏搏动 节律也是人体生理状态的重要标志之一。心电信号是心脏电活动的一种客观表示 方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时间差等特征要素, 比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。由于心电信号从不同方面 和层次上反映了心脏的工作状态，因此在心脏疾病的临床诊断和治疗过程中具有 非常重要的参考价值。对心电信号的采集和分析一直是牛物医学工

7、程领域研究的 一个热点，是一项复杂的工程，涉及到降低噪声和抗干扰技术，信号分析和处理 技术等不同领域，也依赖于生命科学和临床医学的研究进展。一、设计报告11设计实验目的及意义本实验的目的即利用设计的仪器从人体采集心电信号，并进行放大滤波最 终呈现在示波器上进行观察。心肌是由无数个心肌细胞组成，由窦房结发出的兴奋，按一定的途径和吋程, 依次向心房和心室扩布，引起整个心脏的循环兴奋。心脏各部分兴奋过程中出现 的电位变化的方向、途径、次序、和时间均有一定的规律。由于人体为一个容积 导体，这种电变化也必须扩布到身体表而。鉴于心脏在同一时间内产生大量的电 信号，因此，可以通过安放在身体表面的胸电极或四肢

8、电极，将心脏产生的电位 变化以时间为函数记录下来，这种记录曲线称为心电图，如下图所示。心电图反 映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。心肌细胞的生物电变化时 心电图的来源，但是心电图曲线与单个心肌细胞的膜电位曲线有明显的区别。ecg 波形是由不同的英文字母统一命名的。正常心电图由一个p波、一个qrs波群和 一个t波等组成。p波起因于心房收缩之前的心房极吋的电位变化；qrs波群 起因于心室收缩之前的心室除极时的收位变化；t波为心室复极时的电位变化, 其幅度不应低于同一导联r波的1/10, t波界常表示心肌缺血或损伤。ecg的持 续时间由：p-r间期（或p-q间期）为p波开始至qrs波群

9、开始的持续时间，也 就是心房除极开始至心室除极开始的间隔时间，正常值为0. 120. 20s,若p-r 期延长，则表示房室传导阻滞；q-t间期为qrs波群的开始至t波的末尾的持续 时间，意为心室除极和心室复极的持续时间，正常值为0.320. 44s； s-t段为 从qrs波群终末导t波开始之间的线段，此时心室全部处于除极状态，无电位差 存在，所以正常时与基线平齐，称为等电位线，若s-t段偏离等电位线一定qrs 波群持续时间正常值约为0.060. 11s。范围，则提示心肌损伤或缺血等病变; 因此，实时的检测心电信号，可以从所得出的心电图上观察心脏的变化，医生就 可以从所测的心电图上判断心脏各个部

10、位的功能是否正常，所以心电图是医生治 疗心脏方面的疾病所不可或缺的依据。因此心电检测就有了实际应用的意义。1. 2人体心电信号的产生机理心电是心脏的无数心肌细胞电活动的综合反映，心电的产生与心肌细胞的初 极和复极过程密不可分。心肌细胞在静息状态下，细胞膜外带有正电荷，细胞膜 内带有同等数量的负电荷，此种分布状态称为极化状态，这种静息状态下细胞内 外的电位差称为静息电位，其值保持相对的恒定。当心肌细胞一端的细胞膜受到 一定程度的刺激（或阈刺激）时，对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引 起膜内外的阴阳离子产生流动，使心肌细胞除极化和复极化，并在此过程中与尚 处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电

11、偶，此变化过程可用置于体表的一定检测 出来。由心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌 肉细胞兴奋，使之有节律地舒张和收缩，从而实现“血液泵”的功能，维持人体 循环系统的正常运转。心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，在一 定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。每 一个心脏细胞的除极和复极过程可以等效于一个电偶极子的活动。为了研究方便 和简化分析，可以把人体看作是一个容积导体，心脏细胞的电偶极子在该容积导 体的空间屮形成一定方向和大小的电场，所有偶极子电场向量相加，形成综合向 量，即心电向量。当它作用于人体的容积导体吋。在体表不同部位

12、则形成屯位差， 通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。当检测电极安放位置不同时, 得到的心电信号波形也不同，于是产生了临床上不同的导联接法，同时也考虑有 可能用体表心电电位分布图反推心脏外膜电位即心电逆问题的求解。1. 3人体心电信号的特征分析1.3. 1心屯信号吋域特征分析图1. 1典型的心电信号如图1所示的正常心电图由一系列波群组成，各段波群反映不同阶段的心电信号 变化，由于qrs波变化比较集中，所以给出了分解图。下面对每个波形点作详细 的介绍：(1) p波：最初产生的偏离的波被命名为p波，它反映心房除极过程的电位变化， 代表了两个心房的去极。(2) qrs波群：心室的激活产生的最

13、大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化。 正常间隔0. 08-0. 12秒。典型的qrs波群是指三个紧密相连的波；第一个向下的 波为q波，这波不一定总是出现。qrs波的第一个向上的波为r波，继r波后第 一个向下的波为s波，发生在s波后的向上的波称为r。qrs是广义的代表心室 肌的除极波，并不是每一个qrs波群都具有q、r、s三个波，一个单相的负qrs 复合波被称为qs波。(3) p r间期：从p波开始到qrs复合波开始，它代表心房肌开始除极到心室肌 开始除极的时限。正常间期是0. 12-20秒，测量是从p波的起点到qrs复合 波的起点，不管初始波是q波还是r波。它是房室传导时间的一种度量，由于

14、这 个原因，它在临床诊断上很有用。基线是由波的tp段建立的(t波末端到下一个 p波开始)o(4) st段：是在qrs波群以后，t波以前的一段平线。代表左、右心室全部除极 完毕到复极开始以前的一段时间。该段在确定病理学上比如心肌梗塞(升高)和局 部缺血(降低)上是很重要的。在正常情况下，它用作测量其它波形幅度的等电势 线。(5) t波：代表心室肌复极过程引起的电位变化。(6) qt间期：代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。qt间期代表体现 了心室肌肉激活间期和恢复。这个持续时间和心率的变化相反。但通常不采用 qt,而采用修正qt,称为qtc： qtoqt+1. 75(心室率一60)。体表

15、心电图反映的 是心电信号的时域特性，经分析可以看出ecg信号的特征段的分界处是波形上的 拐点。1.3.2心电信号的电特征分析按照美国心电学会确定的标准,正常心电信号的幅值范围在10卩v-4mv之间, 典型值为1诃。频率范围在0. 05-100hz以内，而90%的ecg频谱能量集中 0. 25-35i1z z间，心屯信号频率较低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要 频率范围是0. 05-loohz,大部分能量集中在0. 05-40hzo心搏的节律性和随机性 决定了心电信号的准周期和随机时变特性。从医学理论和实践可以理解，心电信 号受人体生理状态和测量过程等多种因素的影响而呈现复杂的形态.14人

16、体心电信号的噪声来源人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为 0. 05-loohz,而90%的心电信号(ecg)频谱能量集中在0. 25-35 hz之间。采集 一种电信号时，会受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种：(1) 工频干扰50 hz工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由 50hz的正弦信号及其谐波组成。幅值通常与ecg峰峰值相当或更强。(2) 屯极接触噪声，电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌月夫的不良接触，即 病人与检侧系统的连接不好。其连接不好可能是瞬吋的，如病人的运动和振动导 致松动；也可能是检测系统不断的开关、放大器输入端连接不好

17、等。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。这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始瞬态的幅值和工 频成分的幅值、衰减的时间常数；其持续时间一般的1s左右，幅值可达记录仪 的最大值。(3) 人为运动，人为运动是瞬时的(但非阶跃)基线改变，由电极移动中电极与皮肤 阻抗改变所引起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基线干扰形状可 认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通常为几十毫伏。(4) 肌电干扰(emg),肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电势。 emg基线通常在很小屯压范围内。所以一般不明显。肌

18、电干扰可视为瞬时发生的 零均值带限噪声，主要能量集中在30-300hz范围内。(5) 基线漂移和呼吸时ecg幅值的变化基线漂移和呼吸时ecg幅值的变化一 般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率小于5 hz；其变化可视为一 个加在心电信号上 的与呼吸频率同频率的正弦分量，在0.015-0. 3iiz处基线变 化变化幅度的为ecg峰峰值的15%。二、测试报告2.1硬件电路设计2. 1. 1信号输入及低通滤波电路图2. 1信号输入及低通滤波电路图u19-u23组成差分放大电路和信号切换电路，心电信号通过导联引入跟随器输入 端，由于心电信号幅度小，为了减少干扰，在跟随器输入端对心电信号进行低通

19、滤波，滤除信号屮的高频部分。2. 1.2 一级放大电路图2. 2 级放大电路图u22配以阻容组成差分放大电路，对心电信号进行初步放大。电源输入端增加电 容，可以提高电源输入阻抗，提高输入电压。2. 1.3二级放大电路ib j ipn图2. 3二级放大电路图u23的输出端形成初步放大后的差动信号vo,该信号经过c47和r77高通滤波, 在经过u24二阶低通滤波后和二次放大后，形成完整的心电采集信号xdvbo rw6 的作用是将其直流电位抬高2v左右输出，其目的是避免出现负信号，以适应模/ 数转换电路的需要。图2.4稳压电路图tps60400是具有变切换频率的60ma充电泵电压方向器，效率高达99

20、%,静态电流 0.125mamax295的作用是信号滤波。2. 2. 1信号输入及低通滤波我们采用信号发生器产生1hz, lmv的正弦波，电容的截止频率为6. 7hz,所以 高于这个频率的信号不能在示波器屮观察到其波形。心电信号的幅度在10屮4讷之间，典型为1 m v ,频率在0. ol loohz之间。傷 function generat.is jcommon c图2. 7部分信号结果输出图由于截止频率是67hz,所以当输入频率为1hz时，可以从示波器中观察到波形,当输入频率为60hz时，从示波器中观察不到波形。 function generat. 乂iveformssgrjiopborsc

21、ommonre. ”k o$cillo$cope-x$clsole |l0mv/dnrcmarwiascm |20"5一 一 一eq 丁 x|l m £> iypmtta106pz" o oc ry pom6 |0lp) vi a& 0 i dc i -|typti nor i k30nofw图2. 9 级放大电路结果输出图u22配以阻容组成差分放大电路，输入经过低通滤波器的心电信号，电位器rw4 是用來调节u23b的输入信号，此步我们仍然采用信号发生器产生lllz, lmv的正 弦波。该电路将心电信号进行初步放大，经计算放人倍数在10-20倍之间，

22、则 输出信号波形如上图所示。2.2.3二级放大电路u24b及u19a是主放大器，将心电信号放大80倍左右，电位器rw5来调节放大倍数，电位器rw6是将输出信号的直流电位抬高2v左右输出。< function generatsploptom-tln_1|hzdrtycycie50卜ampktude13|mypo'fstf0lyicommonc(? |w0mv/o.w:g nr ij 厂w |t"s.o-0 i cc 1 1a type soq i nor | aato 1"图2. 11二级放人电路结果输出图该电路将u23输岀的差动信号经c47和r77高通滤波和二

23、次放大后形成如图所示 的心电采集信号。2. 2. 4整体电路及最终仿真结果整体电路图图2. 12整体电路仿真结果oscil k>scope-xsc 1图2. 13最终仿真结果输出图三、课程设计总结随着集成电路技术、计算机和网络技术的发展，医疗电子仪器的发展是非常 迅速的。虽然心电检测技术很早就出现了，但随着吋代的发展，各种新方法和手 段开始引入到心电检测中来，心电检测系统己不满足于简单的信号采集和显示。 主要的研究和发展趋势包括以下儿个方面。（l）ecg分析自动化从目前国内外的 相关信息来看，ecg的分析自动化并没有取得突破性的进展。主要是因为心电信 号过于复杂，目前还缺乏一套令人满意的算法，因此在ecg自动分析领域还需要 作大量的研究工作。多种方法交叉分析是目前