重慶大學(xué)研究生專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告書研究生院制實(shí)驗(yàn)課程名稱醫(yī)療電子電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師學(xué)院生物工程學(xué)院專業(yè)及類別專業(yè)碩士學(xué)號(hào)姓名實(shí)驗(yàn)日期2014416201463成績(jī)1、實(shí)驗(yàn)背景心電信號(hào)是人類最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物電信號(hào)之一，它比其他生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并具有較直觀的規(guī)律性。當(dāng)前，心電信號(hào)的處理仍是生物醫(yī)學(xué)工程界的重要研究對(duì)象之一。近年來心臟病仍然是威脅人類生命的主要疾病，世界上心臟病的死亡率仍占首位。醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)猝發(fā)性心律失?；颊?，如果能夠及早發(fā)現(xiàn)心律失常先兆，可以及時(shí)采取搶救措施，其中7080的患者可以避免死亡。所以首先必須對(duì)這類患者發(fā)病前后幾秒鐘內(nèi)的心電圖，進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，這是一種挽救患者生命的關(guān)鍵措施。自本世紀(jì)初EINTHOVEN研究發(fā)明弦線型心電圖描記器并從體表記錄心臟電活動(dòng)以來，心電學(xué)發(fā)展歷經(jīng)百年。在這期間，不僅常規(guī)心電圖檢測(cè)技術(shù)本身不斷改進(jìn)、完善，同時(shí)從體表心電圖演化、派生出來研究心臟電信號(hào)的各種檢測(cè)方法競(jìng)相問世。特別是近年來現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，極大的促進(jìn)了心電信息研究向縱深方向發(fā)展。動(dòng)態(tài)心電圖、心電向量圖、體表電位標(biāo)測(cè)圖、頻譜心電圖等十余種相關(guān)的心電檢測(cè)技術(shù)目前也已在臨床上有廣泛的應(yīng)用。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康男碾娦盘?hào)是一種低頻微弱電信號(hào)，檢測(cè)設(shè)備具有較高的靈敏度，所以對(duì)干擾很敏感。對(duì)體表電極測(cè)量而言，信號(hào)幅度在10V到4MV之間，典型值為1MV。頻率范圍在005HZ到250HZ，頻譜能量主要集中在025HZ35HZ之間。由于心電信號(hào)檢測(cè)的信號(hào)源是人體本身，而人體又處在各種紛繁復(fù)雜的電磁環(huán)境中，所以心電信號(hào)中不可避免地會(huì)混有各種高強(qiáng)度的干擾。所以，要采集心電信號(hào)不僅要將原始信號(hào)放大，還要濾除各類干擾信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦?）學(xué)習(xí)并通過實(shí)踐深入理解心電采集及調(diào)理電路的原理。2）熟練掌握心電放大電路器的設(shè)計(jì)與搭建。3）掌握心電檢測(cè)電路中各個(gè)基本參數(shù)的測(cè)試方法。3、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備FG1617函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)TDS1002型示波器一臺(tái)DF1733D3型穩(wěn)壓電源一臺(tái)DT9208N數(shù)字萬用表一臺(tái)電烙鐵及焊臺(tái)一套相關(guān)元器件若干4、實(shí)驗(yàn)原理41心電信號(hào)的特征心電放大器是一種典型的生物電放大器。采集人體心電信號(hào)必須充分了解心電信號(hào)的特點(diǎn)。心電信號(hào)的特點(diǎn)如下微弱性從人體體表拾取的心電信號(hào)很微弱，信號(hào)幅度較?。ê练?jí)），一般只有005MV5MV，典型值為1MV。低頻特性常見的心電信號(hào)的頻譜范圍一般在0100HZ之間，能量主要集中在17HZ附近，能量主要集中在17HZ附近，而90的頻譜能量集中在025HZ35HZ之間。不穩(wěn)定性人體電信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化之中。由于人體是一個(gè)與外界有密切關(guān)系的開放系統(tǒng)，加之內(nèi)部存在著器官間的相互影響，所以，無論來自外部或者內(nèi)部的刺激，都會(huì)使人體因適應(yīng)這種變化，而從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)，從而使人體信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析和處理時(shí)，應(yīng)該注意到它是隨時(shí)間變化的信號(hào)，應(yīng)按其頻譜特性，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)和顯示記錄裝置。隨機(jī)性人體心電信號(hào)是反映人體機(jī)能的信號(hào)，它是整個(gè)人體系統(tǒng)信息的一部分。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信息易隨外界干擾而變化，從而使心電信號(hào)表現(xiàn)出隨機(jī)性。42心電信號(hào)的干擾心電信號(hào)具有微弱、低頻、和高阻抗等特性，極其容易受到干擾，所以分析干擾的來源，以便采取相應(yīng)的濾除措施，是數(shù)據(jù)采集重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。常見干擾有如下幾種1、電源工頻干擾（50HZ）。電源工頻干擾主要是以共模形式存在，普遍存在于供電網(wǎng)絡(luò)中，是心電信號(hào)的主要干擾來源。它主要通過人體和測(cè)量系統(tǒng)的輸入導(dǎo)線的電容性耦合，以位移電流的形式引入，幅值可達(dá)幾是MV甚至幾百M(fèi)V，其強(qiáng)度足以淹沒有用的心電信號(hào)。所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比。2、極極化干擾引起基線漂移（一般小于1HZ）。心電的獲取是通過在人體體表放置電極來進(jìn)行的。與電極接觸的是電解質(zhì)溶液導(dǎo)電膏、汗液或組織液等，從而會(huì)構(gòu)成一個(gè)金屬電解質(zhì)溶液界面，因電化學(xué)的作用，在二者之間會(huì)產(chǎn)生一定的電位差，稱之為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當(dāng)兩電極狀態(tài)不能保持對(duì)稱時(shí)，極化電壓就會(huì)產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重。3、電干擾（幾百HZ以上）。興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，肌肉機(jī)械性活動(dòng)并伴隨有生物電活動(dòng)。這些生物電活動(dòng)產(chǎn)生的電位差隨時(shí)間變化的曲線即為肌電圖。肌電通常是一種快速的電變化，其頻率范圍為205000HZ。4、量設(shè)備本身的干擾。信號(hào)處理所采用的電子設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生儀器噪聲。這類干擾一般具有較高的頻率特性，容易通過低通濾波加以濾除。鑒于心電信號(hào)的特點(diǎn)、對(duì)信號(hào)的采集以及在后續(xù)的處理，查閱相關(guān)資料得到如下電路的設(shè)計(jì)流程圖圖1心電放大電路設(shè)計(jì)流程圖5、實(shí)驗(yàn)要求心電信號(hào)的特點(diǎn)和各種干擾的存在對(duì)采集電路提出了最基本的一些要求，從而可確定一些采集電路的指標(biāo)。電源工頻干擾主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾是MV甚至幾百M(fèi)V，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比。電極極化電壓引起基線漂移是由于測(cè)量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300MV，因此心電放大器的前級(jí)增益不能過大，而且要有去極化電壓的RC常數(shù)電路。由于信號(hào)源內(nèi)阻可達(dá)幾十K、乃至幾百K，所以，心電放大器的輸入阻抗必須在幾M以上，而且CMRR也要在60DB以上。主要技術(shù)指標(biāo)1輸入阻抗5M2共模抑制比100DB3耐極化電壓300MV4頻響005100HZ6、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和流程框圖分別對(duì)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、焊接、測(cè)試，并最終給出電路的樣板。61前置放大的設(shè)計(jì)心電采集及分析系統(tǒng)要求在心電信號(hào)頻率范圍內(nèi)不失真地放大所采集的微弱心電信號(hào)。這要求所采用的放大器必須具有低噪聲、低漂移、低失調(diào)參數(shù)、高共模抑制比、高輸入阻抗、非線性度小等特點(diǎn)。比較常用于心電前置放大的幾種儀表放大器主要指標(biāo)如下表所示表1幾種儀用放大器主要性能參數(shù)的比較（輸入噪聲單位）NVHZ由于對(duì)心電信號(hào)特殊性對(duì)前置放大器的輸入阻抗、輸入噪聲、輸入失調(diào)電壓等要求比較高，所以由表可知，AD620的主要技術(shù)指標(biāo)最理想，共模抑制比達(dá)120DB（最小值，G10），它是根據(jù)典型的三運(yùn)放改進(jìn)而成的一種單片儀表放大器，該器件具有很高的性能，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。AD620為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護(hù)增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供簡(jiǎn)單的差分雙極輸入，并獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻上。AD620的增益方程式為GRGR491另外，由于要取平均共模電壓給右腿驅(qū)動(dòng)電路。電路的電阻選取兩個(gè)24K串聯(lián)后再與一個(gè)51K的電阻并聯(lián)，接到AD620腳1和腳8之間。AD620放大電路圖如圖2所示圖2前置級(jí)放大和右腿驅(qū)動(dòng)電模塊內(nèi)部電路由上圖可知，放大倍數(shù)G的結(jié)果如下512/49135RG62濾波電路的設(shè)計(jì)由于心電信號(hào)信號(hào)頻率范圍為在005到100HZ，為了去掉低于005HZ和高于100HZ的干擾，須分別采用高通、低通濾波電路對(duì)前置級(jí)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。另外50HZ的工頻干擾對(duì)心電信號(hào)的影響十分強(qiáng)烈，工頻干擾取去除的好壞對(duì)心電信號(hào)提取的質(zhì)量起到了很大的決定作用。需要精心設(shè)計(jì)50HZ陷波器以濾除工頻干擾。621高通濾波電路的設(shè)計(jì)電極與人體表面接觸形成的半電池產(chǎn)生的直流電壓信號(hào)（極化電壓），其幅值可達(dá)到幾毫伏甚至幾百毫伏。同時(shí)，由于人體體表各部位電位差的影響，在前級(jí)放大電路的輸入端總會(huì)存在比心電信號(hào)大幾倍的直流信號(hào)，最大可達(dá)300MV左右，因此該高通濾波器主要用于抑制此類低頻的干擾。這里設(shè)計(jì)一個(gè)較為簡(jiǎn)單的二階高通濾波器，電路如圖3所示。圖3高通濾波電路622低通濾波電路的設(shè)計(jì)為了去除肌電信號(hào)和等高頻干擾信號(hào)，要通過低通濾波對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。本實(shí)驗(yàn)采用二階低通濾波器，電路圖見圖4。圖4低通濾波電路其中電阻R5和R6可用滑動(dòng)電阻來實(shí)現(xiàn)，這樣可以使高通截止頻率常選為100HZ。62350HZ陷波電路的設(shè)計(jì)由于人體耦合引入的50HZ工頻干擾信號(hào)很強(qiáng)，且心電信號(hào)頻帶基本不含50HZ的成分，所以濾波電路中還要設(shè)計(jì)一個(gè)陷波電路來衰減50HZ頻段的信號(hào)，以濾除心電信號(hào)中的工頻干擾。這里采用雙T網(wǎng)絡(luò)有源濾波器設(shè)計(jì)50HZ陷波電路，初始參數(shù)設(shè)定為增益G1，中心截止頻率F050HZ，設(shè)計(jì)的50HZ陷波電路如圖25所示。該電路通過放大器引入正反饋，以減小阻帶寬度，使阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大，品質(zhì)因數(shù)Q可通過變阻器來調(diào)節(jié)。而中心頻率F0和Q值的計(jì)算公式為0HL1F2RC其中AVF由電路中的電位器R4決定VFLF3為了方便計(jì)算，在本次設(shè)計(jì)中直接使用100NF的電容。具體電路設(shè)計(jì)如圖5圖550HZ陷波電路此外，如果為了取得更好的效果，可以將4個(gè)等值電阻替換為3個(gè)可調(diào)電阻。R3與R4可以用一個(gè)可調(diào)電阻代替，這樣做的目的是為了得到精確的電阻值，減少測(cè)量誤差。而本次實(shí)驗(yàn)中只是將改變Q值的電阻用滑動(dòng)變阻器替代。63后級(jí)放大電路心電信號(hào)經(jīng)過125倍增益的前級(jí)放大電路和通帶增益為1的低通濾波器后，共經(jīng)過了125倍的放大其幅值還較小，AD轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為05V，因此還必須設(shè)計(jì)后級(jí)放大電路，使放大后的心電信號(hào)滿足AD轉(zhuǎn)換器的輸入電壓要求。這里設(shè)計(jì)了對(duì)處理后的心電信號(hào)可以最大放大10001倍的二級(jí)放大電路，充分滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果的要求。圖6即后級(jí)放大電路。圖6后級(jí)放大電路7、數(shù)據(jù)測(cè)試71部分電路仿真測(cè)試711、濾波電路的仿真測(cè)試（圖7）在仿真過程中，黃色線為輸入信號(hào)，綠色線為輸出信號(hào)。圖7濾波電路仿真712、50HZ限波電路仿真測(cè)試（圖8）圖850HZ限波仿真713、二級(jí)放大電路的仿真測(cè)試（圖9）圖9二級(jí)放大仿真根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算得放大倍數(shù)約為500倍。72電路測(cè)試圖10電路實(shí)物圖721、輸入阻抗輸入阻抗采用間接法測(cè)量。在輸入端串聯(lián)一個(gè)1M的測(cè)試電阻，輸入5V交流電壓，使用萬用表的交流檔測(cè)定測(cè)試電阻上的電壓，間接計(jì)算出電路的輸入阻抗。通過測(cè)量得到測(cè)試電阻上的電壓為301V，計(jì)算后得到輸入阻抗為066M。722、前置放大器共模抑制比采用信號(hào)發(fā)生器輸出通帶頻率范圍內(nèi)的任意頻率正弦信號(hào)，心電信號(hào)主要集中在20HZ，故采用20HZ正弦信號(hào)輸入模擬心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)分別采用差模和共模方式輸入，然后測(cè)量輸出端信號(hào)，分別計(jì)算共模輸入和差模輸入情況下的輸出放大倍數(shù)。再計(jì)算共模抑制比。測(cè)試結(jié)果記錄如下表3。表3共模抑制比測(cè)試結(jié)果輸入信號(hào)輸出信號(hào)增益差模輸入5MV320MV320564共模輸入4V17MV174000000425共模抑制比8356DB20LOG20LOG64000425723、頻帶范圍測(cè)試使用1V的輸入信號(hào)對(duì)頻帶進(jìn)行測(cè)試。表4頻帶測(cè)試輸入頻率/HZ輸出電壓/V輸入頻率/HZ輸出電壓/V00507401040080765010116009603104700920510480088110490084510410008101041100762010412007230104圖11帶通頻帶測(cè)試724、陷波電路測(cè)試使用1V的輸入信號(hào)對(duì)頻帶進(jìn)行測(cè)試。表5限波測(cè)試輸入頻率/HZ輸出電壓/V輸入頻率/HZ輸出電壓/V2015301443008454019240054550244702460048848027006884901280076650004290079251005610008520096圖12限波測(cè)試725、使用電路最終采集得到的心電信號(hào)本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩個(gè)人的心電信號(hào)電極分別接左右手和右腿，用示波器測(cè)量信號(hào)輸出。8、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析1、根據(jù)兩級(jí)放大電路測(cè)試得到的結(jié)果可以知道，電路總的放大倍數(shù)為3400倍。2、根據(jù)通帶測(cè)試得到的結(jié)果可以知道，本電路的截止頻率為005120HZ，基本符合設(shè)計(jì)要求。3、根據(jù)陷波電路測(cè)試結(jié)果可以知道，本電路設(shè)計(jì)的陷波電路在50HZ的陷波功能比較良好，但是品質(zhì)因數(shù)還有待提高。4、根據(jù)電路的共模抑制比測(cè)試結(jié)果可以知道，計(jì)算出來的共模抑制比為83DB，還不能滿足實(shí)驗(yàn)提出的要求100DB。5、輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求5M。6、通過電路采集到的心電信號(hào)可以看到，基線漂移較小，信號(hào)較穩(wěn)定，心率周期捕捉正常，有較明顯的QRS波，工頻干擾噪聲的濾除比較徹底，說明電路可以正常工作。7、由于耐極化電壓不知道怎么測(cè)量，所以沒有測(cè)量。9、實(shí)驗(yàn)小節(jié)本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、焊接了心電信號(hào)的電路，基本上完成了對(duì)心電信號(hào)的采集，接在人體上，在示波器上能很好的顯示出心電信號(hào)；在對(duì)每個(gè)模塊的調(diào)試上也基本上滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量的要求。但是，在電路中還是存在著問題1）首先，由于電容、電阻存在這一定的誤差，所以實(shí)物測(cè)量的結(jié)果不能達(dá)到仿真的效果