原理與設(shè)計實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器ExperimentsinthePrinciplesandDesignofModernMedicalInstrumentation第6講心電測量電路設(shè)計實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“6.1

①心電參數(shù)的醫(yī)學(xué)臨床意義及心電信號特點(diǎn)②心電測量原理和電路設(shè)計原理③心電測量電路理論推導(dǎo)④心電測量電路仿真⑤心電測量電路實(shí)測心電測量原理“6.2

醫(yī)學(xué)臨床意義心電信號來源于心臟的周期性活動。在每個心動周期中，心臟竇房結(jié)細(xì)胞內(nèi)外首先產(chǎn)生電位的急劇變化（動作電位），而這種電位的變化通過心肌細(xì)胞依次向心房和心室傳播，并在體表不同部位形成一次有規(guī)律的電位變化。將體表不同時期的電位差信號連續(xù)采集、放大，并連續(xù)實(shí)時顯示，就形成心電圖（ECG）。參考資料：/video/BV174411K7MZ/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=010e73d4840b025bbced0d27e30ca530/video/BV1qx411e7NT/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click醫(yī)學(xué)臨床意義心電測量主要功能：記錄人體心臟的電活動，可以診斷是否存在心率失常的情況；可以診斷出心肌梗死的部位、范圍和程度，有助于預(yù)防冠心病；判斷藥物或電解質(zhì)情況對心臟的影響，有房顫的患者，在服用胺碘酮藥物后，應(yīng)定期去做心電測量，這樣便于觀察療效；判斷人工心臟起搏器的工作狀況。心電圖心電圖記錄紙上有長和寬均為1mm的小方格。通常將心電圖機(jī)的靈敏度和走紙速度分別設(shè)置為1mV/cm和25mm/s，故縱向每一小格相當(dāng)于0.1mV，橫向每一小格相當(dāng)于0.04s。波形名稱電壓幅度/mV時間/sP波0.05～0.250.06～0.10Q波小于R波的1/4小于0.04R波0.5～2.0—S波—0.06～0.11T波0.1～1.50.05～0.25PR段與基線同一水平0.06～0.14PR間期—0.12～0.20ST段水平線0.05～0.15QT間期—小于0.44心電圖導(dǎo)聯(lián)在人體體表任意兩點(diǎn)放置電極都能描記心電圖，因此，在心電圖發(fā)展史上曾出現(xiàn)過多種心電導(dǎo)聯(lián)體系。目前，廣泛應(yīng)用的是國際標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)體系參考資料：/video/BV1cR4y1Z7Ux/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=010e73d4840b025bbced0d27e30ca530/video/BV1G14y1n79z/?spm_id_from=333.788&vd_source=010e73d4840b025bbced0d27e30ca530各導(dǎo)聯(lián)的垂直和水平面觀：肢體導(dǎo)聯(lián)從垂直面觀察心臟，胸導(dǎo)聯(lián)從水平面觀察心臟心電圖導(dǎo)聯(lián)心電圖導(dǎo)聯(lián)肢體導(dǎo)聯(lián)電極位置及極性發(fā)生變化時，所描記出的心電圖波形也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化標(biāo)準(zhǔn)雙極導(dǎo)聯(lián)導(dǎo)聯(lián)Ⅰ：記錄左上肢（正極）與右上肢（負(fù)極）電極間的電壓差；導(dǎo)聯(lián)Ⅱ：記錄左下肢（正極）與右上肢（負(fù)極）電極間的電壓差；導(dǎo)聯(lián)Ⅲ：記錄左下肢（正極）與左上肢（負(fù)極）電極間的電壓差；心電圖導(dǎo)聯(lián)加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)將探查電極放在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的任一肢體上，而將其余二肢體上的引導(dǎo)電極分別與5000歐姆電阻串聯(lián)在一起作為無關(guān)電極。這種導(dǎo)聯(lián)記錄出的心電圖電壓比單極肢體導(dǎo)聯(lián)的電壓增加50％左右，故名加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)。導(dǎo)聯(lián)aVR：正極為右上肢，負(fù)極為左上肢+左下肢導(dǎo)聯(lián)aVL：正極為左上肢，負(fù)極為右上肢+左下肢導(dǎo)聯(lián)aVF：正極為左下肢，負(fù)極為右上肢+左上肢心電導(dǎo)聯(lián)線心電導(dǎo)聯(lián)線放置位置肢體導(dǎo)聯(lián)三導(dǎo)聯(lián)放置圖胸導(dǎo)聯(lián)放置圖心電信號特點(diǎn)（1）信號弱，信噪比低。心電信號是一種源于人體內(nèi)部的微弱電信號，信號幅度非常小，通常為0.05～5mV，屬于毫伏級的電信號。心電信號的信噪比低。（2）信號源阻抗大。心電信號由皮膚電極取自人體表面，因此信號源內(nèi)阻會非常大，約有100kΩ。不同人體或者同一人體自身的差異，導(dǎo)致皮膚與電極之間的阻抗也會有很大差異，因此放大器的輸出結(jié)果也存在很大的不穩(wěn)定因素。為此，放大器必須有極高的輸入阻抗，才能使其引起的失真和誤差減小到可以忽略不計。心電信號特點(diǎn)（3）電磁干擾大。在人體周圍存在著非常大的電磁干擾，如50Hz工頻干擾和空中的其他電磁干擾等，干擾信號比信號源要強(qiáng)得多，從而使有用信號被干擾信號淹沒。為此，在放大有效信號時必須消除強(qiáng)大的干擾信號，才能使有效信號正常放大。（4）信號頻率低。心電信號的頻率成分主要集中在0.05～100Hz，其中90%的心電信號頻譜能量集中在0.25～35Hz之間。心電放大器要求（1）高增益針對心電信號弱、信噪比低的問題，要求放大器具有高增益的特點(diǎn)。（2）高輸入阻抗信號源阻抗大，提高放大器的輸入阻抗可以提高信號拾取的比例。提高輸入阻抗也能提高信噪比。（3）高共模抑制比為了抑制人體所帶的各種電磁干擾，通常選用具有高共模抑制比特性的儀器儀表放大電路，因?yàn)樾盘栐词遣钅Ｐ盘?，而干擾源大多是共模信號，儀器儀表放大電路的對稱性可以提高放大器輸入阻抗，也可以減小由于不對稱性造成共模向差模的轉(zhuǎn)化。心電放大器要求（4）合適的通頻帶合適的通頻帶通常是利用濾波器來完成的。高通濾波器可以用來消除電極電位漂移；低通濾波器可以用來消除各種高頻噪聲，尤其是工頻噪聲及其諧波，也能用于限制信號的頻寬以防采樣時造成信號混疊。不同信號源的頻率范圍不同，放大器的頻率響應(yīng)范圍也是不同的。（5）低噪聲、低漂移由于信號弱小，放大器本身的噪聲幅度必須遠(yuǎn)低于信號幅度，尤其是信號的前級放大器噪聲，它會與信號一起經(jīng)后級放大器放大，因此，前級放大器的元器件要盡量采用低噪聲的。心電測量電路設(shè)計“6.3

心電測量電路設(shè)計思路無源低通濾波電路二階無源低通濾波電路，截止頻率為12.6kHz，濾除高頻電刀干擾。如何計算截止頻率？二極管1N4148用于保護(hù)后級電路，以防損壞元器件。1N4148運(yùn)放跟隨器電路緩沖隔離作用，同時提高了輸入阻抗儀器儀表放大電路信號放大濾波電路雙向模擬開關(guān)電路雙向模擬開關(guān)電路無開關(guān)控制導(dǎo)聯(lián)電極脫落無開關(guān)控制接入導(dǎo)聯(lián)電極有開關(guān)控制導(dǎo)聯(lián)電極脫落有開關(guān)控制接入導(dǎo)聯(lián)電極雙向模擬開關(guān)電路ZERO信號變化：單片機(jī)控制ZERO引腳上位機(jī)單擊“開始采樣”按鈕前，ZERO為高電平（3.3V）；上位機(jī)單擊“開始采樣”按鈕后，ZERO為低電平。開始采樣前開始采樣后獲取基線雙向模擬開關(guān)電路正常顯示心電信號，基線1.65V上疊加心電信號用鑷子短路R222電阻（1MΩ），沒有心電信號，顯示基線1.65V放開鑷子，回歸正?；鶞?zhǔn)電壓電路右腿驅(qū)動電路從前置放大電路的兩個相等的偏置電阻R4、R5中取出人體的共模電壓，該電壓經(jīng)反相比例運(yùn)算電路后，再經(jīng)過電阻R7反饋到人體（通常反饋電極放置在右腿，故名右腿驅(qū)動電路）。右腿驅(qū)動電路將共模電壓反饋回參考電極并與原來的共模信號極性相反，適當(dāng)選擇電阻值可使得反饋電平抵消共模信號，從而在輸入端實(shí)現(xiàn)對共模信號的抑制，大大提高整個電路的共模抑制比。本質(zhì)上，它是一個共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，起到快速放電、有效衰減人體所帶共模電壓的作用。右腿驅(qū)動電路右腿驅(qū)動電路導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路電壓比較器為什么是1.9V？心電測量電路仿真“6.4

無源低通濾波電路無源低通濾波電路運(yùn)放跟隨器電路儀器儀表放大電路儀器儀表放大電路儀器儀表放大電路儀器儀表放大電路儀器儀表放大電路右腿驅(qū)動電路信號放大濾波電路基準(zhǔn)電壓電路雙向模擬開關(guān)電路導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路心電測量實(shí)測分析“6.5

電源電路實(shí)測分析1、心電電路板插入LY-E501醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)平臺插槽2、將心電導(dǎo)聯(lián)線接入設(shè)備的ECG接口3.將心電導(dǎo)聯(lián)線的RA、LA和LL電極接到心電模擬器對應(yīng)的端口，設(shè)置心電模擬器的心率為804、用B型USB連接線將設(shè)備與計算機(jī)連接5、通過DC12V/2A電源適配器給設(shè)備供電6、觀察心電電路板上的發(fā)光二極管3V3_LED和5V_LED是否正常點(diǎn)亮電源電路實(shí)測分析6、通信模式選擇USB通信7、用萬用表測量測試點(diǎn)+5V、-5V、3V3和1.65V心電電路板電源電壓序號1234測試點(diǎn)+5V-5V3V31.65V電壓值/VLY-E501醫(yī)學(xué)信號采集軟件（心電模塊）1、運(yùn)行LY-E501醫(yī)學(xué)信號采集軟件2、選擇串口號并打開串口數(shù)據(jù)存儲單擊“數(shù)據(jù)存儲”按鈕，選擇數(shù)據(jù)存儲路徑和勾選保存數(shù)據(jù)，然后單擊“確定”按鈕獲取基線單擊“獲取基線”按鈕，在彈出獲取基線數(shù)據(jù)成功對話框中，單擊“確定”按鈕開始采樣單擊“開始采樣”按鈕，在波形顯示窗口中顯示設(shè)備采集到的心電信號計算心率獲取所需數(shù)據(jù)量后，單擊“停止采樣”按鈕，每次保存的數(shù)據(jù)會存放在一個Excel表格中，利用心電數(shù)據(jù)繪制折線圖并計算心率。放大濾波電路測量測試點(diǎn)TP4和TP3，信號放大了2.125倍。相鄰兩個波峰之間的間距約為250ms×3=750ms=0.75s，那么心率值為80。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電