心电采集电路的设计与实现毕业设计论文(编辑修改稿)

心电采集电路的设计与实现毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

然而在 刺激发生的时候，心肌细胞的极化状态转变为另一个极，并带有正电荷。 这个过程称为去极化。 去极化的结果是导致心脏的肌肉纤维缩短，以至心脏肌肉发生收缩。 然而在收缩的过程中，心肌细胞所带的电荷慢慢恢复为负电荷，与此同时 ， 心电脉冲沿着传导系统向下传导，并且使心脏肌肉放松。 这一过程称为复极 化。 去极化和复极化过程中， 心肌细胞带电性质发生改变，这种变化造成在体表特定部位产生不同的电位 ，并且体表电位变化具有规律性。 因此 可以通过对皮肤表面的电极 活动 进行 检测。 记录上述过程 中特定体表 电位活动， 并且将其绘制成二维图像 —— 心电信号 (Electrocardiogram)，简称 ECG[7]。 重庆邮电大学本科毕业论文 5 二、 ECG 信号的特点 ECG 信号属于人体生理信号的一种，具有生理信号所共有的特点。 生理信号是强噪声下的低频弱信号， ECG 也是如此。 由于心电信号的特点，这也给 ECG信号的提取带来很大难度。 ① 强噪声背景 人处于非常复杂的环境中，所测得的 ECG 信号不仅包含外界的噪声，还有来自人体自身的干扰。 外界的噪声最典型的代表就是工频噪声，如果不对其测得的信号进行工频陷波，那么有用信号会完全湮没在工频噪声当中。 来自人体自身的干扰比如体位变化、肌电、体温变化等，都会造成所测得的 ECG 信号发生微弱的变化。 ② 频率低 ECG 信号的 频率范围为 ~100Hz， 而大多数 的 信号 频谱能量都集中在35Hz 以下。 由此可见， ECG 信号是低频信号。 ③ 信号微弱 由于心脏只产生微弱的兴奋来控制心肌细胞产生规律的收缩与舒张，且我们不能用直接法进行测量，故心电信号到达体表时只有微伏到毫伏级的电压，给测量带来很大的难度。 三、信号特征分析 对 ECG 信号特征波形的分析与了解，是研究 ECG 信号采集的基础。 ECG信号 一般 包 括 QRS 波群、 P 波 及 T 波，并 且可大致分出 RR 间期、 PR 间期、QT 间期 及 ST 间期等几个分析心脏状态 的重要参数，图 所示为正常 人的一个完整周期 的 ECG 信号。 在 ECG 信号中， QRS 波群是 ECG 信号中最 为 重要的特征波， 该波群 携带着 关于 心脏状 态 的重要信息， 另外 QRS 波群的准确定位是获取其它间期值的重要前提。 ECG 信号主要特征波形 及特征参数 描述如下 [8]： 重庆邮电大学本科毕业论文 6 图 正常 ECG 信号波形特征分析示意图 表 特征波形 特征波形 具体描述 P 波 它代表左右心房兴奋过程中的电位变化。 波形时间宽度一般为~，电压不超过 ，幅值较低，波形一般圆钝光滑，在心电信号上不易辨认。 当其时间宽度和振幅超出以上范围时，常表示心房肥大。 PR 段 其产生于心房的复极过程，来源于房室结和房室束电活动，电位变化极弱。 在 ECG 图形中，其是从 P 波的终点到 QRS 波起点之间的曲线，在体表较难检测。 QRS 波群 其表示两心室去极化过程中的电位变化，正常的 QRS 波群，时间宽度在 ~ 之间，幅度一般为 10μv~4mv。 其由向下的 Q 波、尖高向上的 R 波以及与 R 波相联并向下的 S 波组成。 波群的时间宽度超出范围时，是心室肥厚的表现， R波的检测常用来判断是否心率失常。 ST 段 其表示为心室缓慢的复极过程，正常时接近于基线。 波形时间宽度为 ~。 当其偏离基线范围 ~ 时候，会有心肌梗死或冠状动脉供血不足等情况的发生。 T 波 其反映的是心电再极化的过程，与心肌代谢相关。 正常情况下，波形方向与 QRS 波方向相同。 T 波的时间宽度为 ~，幅度不应低于同导联 R 波的 1/10。 当其倒置时，可表示为心肌缺血和低血钾等症状。 U 波 在 T 波后，其方向一般与 T 波一致，由心室复极化形成。 波形的时间宽度一般为 ~，平均幅值电压为 ，在胸导联中较清晰。 其在 ECG 图形中的呈现与心率相关，心率较快时比较明显，慢时较难辨认。 重庆邮电大学本科毕业论文 7 ① 特征波形描述如 上 表 所示： ② 主要特征参数描述如表 所示： 表 ECG 信号特征参数 ECG 信号 特征参数 具体描述 RR 间期 当前 R 波与下一个 R 波之间的间隔，它是心率的倒数。 PR 间期 代表心房激动传导至心室的时间间期长。 正常心率情况下， PR间期在 ～ 秒之间。 如果心动过缓，其 PR 间期会略长 (如 秒 )，长期如此，则表明存在心室传导阻滞。 ST 间期 ST间期为心室去极后至复极开始时间的间期长。 其始于 QRS波群的终点，并以 T波起点为结点，正常情况下电位接近于电位线。 QT 间期 代表心室从去极开始至复极结束的时间间期长。 其间期长度随心率快慢不同有所不同。 正常的 QT 间期在 ～ 秒之间。 某些疾病会使 QT 间期明显延长，因此 QT 间期具有重要的诊断意义。 第二节 ECG 信号所包含噪声分类及处理方法 ECG 信号滤噪的必要性： ECG 信号 是一种非常微弱的体表电信号，幅值约为 ～ 4mV，频谱能量主要集中在 ～ 100Hz， 属于低幅值、低频率信号。 由于人体所处的复杂的环境， 在 从人体体表提取到的信号 中 不免 会 参杂 着 较强的干扰噪声， 这些噪声甚至会完全淹没 ECG 信号，使得到的信号失去原有的波形。 因此需要采用具体 有效 的 去噪 方法，使干扰噪声得到 十分 有效的抑制， 并且 更加突出 QRS 波 群 特征 波 ， 这 便于后期 对 ECG 信号 采集模块进行拓展。 可见 去噪处理对于 ECG 信号的 提取具有十分 重要 的 意义。 图 所示为 MITBIH 数据库中 的 100 心电数据的频谱图， 它的 频率范围为 ～ 100Hz。 其中 QRS 波 群能量 主要集中在 8～ 25Hz 内， 属于 ECG 信号 高频区， 并且占据信号能量中 的主要部分。 然 而 P 波 及 T 波分布于 频率 相对 较 低频区，即 ～ 10Hz。 运动伪迹 与 基线漂移 都 属于低频噪声， 它们的 频带低于 7Hz。 因为 MITBIH 中的数据来自 于 美国， 所以在 使用此类数据 的 时候，工频噪声在60Hz 及其倍频处。 肌电噪声的频率一般在 l0～ 300Hz 之间。 以下是对心电信号中主要存在的一些噪声进行 的 介绍 [9]。 重庆邮电大学本科毕业论文 8 图 心电信号频谱图 ① 基线漂移 基线漂移一般是由人体呼吸 及肢体 运动 等所 引起 的 ， 其会 导致心电信号出现不规律的漂动，或上下摇曳等现象。 因此将导致心电信号失真严重，以至影响心脏类疾病诊断，故滤除这类噪声是十分必要的。 图 ECG信号。 由于 基线漂移 能量主要集中在 ，故可以设计一个高通滤波器来将此滤除。 图 受基线漂移干扰的 ECG信号 ② 工频噪声 工频噪声 是 来自人体及其周围环境的电源频率及其谐波成分。 图 频噪声干扰的 ECG信号。 由于我国所使用的大多数电器都是用的 220V交流电，其 频率 点是 50Hz，稳定范围一般 在 48Hz到 52Hz之间，故所测得的 ECG信号含有大量 50Hz的噪声。 由于此噪声为 50Hz左右，故可以设计一个陷波器来达到滤除的效果。 图 受工频干扰 ECG信号 重庆邮电大学本科毕业论文 9 ③ 肌电噪声 人体处于活动状态或者身体的某一部位在受到刺激的时候将会产生动作电位，即肌电干扰。 图 ECG信号。 这种干扰会和心电波形叠加，使心电波形产生不规则的变化。 肌电干扰的频率范围 非常广泛， 一般 在 10～300Hz， 大部分能量集中在 100Hz以上， 幅值处于毫伏 级， 是 高频干扰。 如果不能 较 好的抑制， 那么得到的 ECG信号会出现很多毛刺，使得到的信号不清晰。 由于肌电噪声属于高频信号，故可以设计一个低通滤波器达到滤除肌电噪声的目的。 图 受肌电噪声干扰 ECG信号 第三节 本章小结 本章首先对心电信号的形成 生物机理、 波形特征 、信号特点做了简要的介绍，使对 ECG 信号有一个初步的了解，为采集 ECG 信号做理论准备。 然后分析了ECG 信号包含的噪声种类，提出了解决思路。 重庆邮电大学本科毕业论文 10 第三章 心电采集硬件电路设计 第一节 心电采集模块的总体硬件设计 硬件电路设计是本课题的精髓，它在很大程度上决定了整个系统的整体性能。 根据应用环境与系统功能的要求，本文将硬件电路分为 拾取 部分、预处理部分及显示部分。 由于 ECG 信号十分微弱，频率低，噪声强烈，并且设备还要直接与人体接触，这就要求本课题所设计的电路必须考虑到以上诸多因素，既要求取得较好地提取信号的效果，又不能对人体造成伤害。 综上考虑，分析思路如下。 一、系统硬件电路设计原则 本课题的目的是将从人体体表提取到的含有大量噪声的 ECG 信号进行预处理，得到比较干净完整的信号。 考虑到 ECG 信号本身的特征和作用对象的特殊性 ，所以研究开发过程中在考虑硬件 滤波 设计基本要求的同时必须 考虑到人体的安全。 实验的成功与否关系到最终检测是否正确，会不会出现误判，甚至关系到人身安全。 所以在设计硬件 滤波 系统 时必须遵循如 下原则 [10]： ① 安 全性原则 本课题所设计的设备是用来采集心电信号，属于简易的医疗仪器，故 系统 在设计 制作要符合 医疗仪器设备的安全规定，保证其 电气性能安全。 为了达到此要求，本课题选用 5V低压电源，并且做到隔墙，这样即使漏电了也不会对人身安全造成伤害，保证了电气安全。 ② 低 通性 原则 在精密医疗 仪 器信号 提取过程 中 ，必须使用模拟低通滤波器，并且要滤除低频与直流干扰。 低通滤波器的具体 作用 有两个方面：首先防止信号“混迭”也即是滤噪；其次提高系统精度，以免信号失真。 假如，心电提取系统没有硬件滤波电路，而仅有数字滤波，当所需频带外的噪声信号足够强时，其也将进入 A/D转换器，信号的信噪比下降，进一步降低了 A/D 转换器的精度 [11]。 ③ 适用性原则 本课题主要是为了采集 ECG 信号，考虑到后续工程的需要，为今后实现便携做准备，尽量做到低功耗。 重庆邮电大学本科毕业论文 11 ④ 准确性原则 系统应 该 能够准确测量人体微弱的心电信号，并 且尽量减少信号 受 到 环境感应电 与周围设备静电 的干扰，这些在 元 器件选择、去耦滤波 及 PCB 板布局布线时都应 当 考虑到。 ⑤ 可靠性原则 系统在设计时 首先考虑使用 典型电路，为硬件系统的模块化 及 标准化 作铺垫 ，并且在硬件设计过程中 参考标准心电信号对硬件电路设计进行优化 ， 最终 使系统 性能达到最优。 最后 保证系统能够 长期稳定可靠地运行。 二、系统建模 基于本课题所研究的 ECG 的特点，综合以上几点考虑，将系统框图初步设计如图 所示。 图 系统模型框图 由系统模型框图 得知， ECG 采集节点完成从拾取电极拾取人体 ECG 信号，最终完成 ECG 信号的 显示 ，主要完成以下工作 [12]： ① ECG 数据 拾取 ECG 模块通过拾取节点与人体相连，拾取人体体表微弱生理信号并转换成电信号输入到输入端。 其中，拾取电极有多种连接方法，当拾取电极与人体接触位置不同时心电信号形将有相应变化。 本课题所用的信号是来自心电信号发生器，其产生的信号和从人体体表直接拾取的信号特点几乎是一样的，故与该设备直接作用于人体理论上是一致的。 重庆邮电大学本科毕业论文 12 ② ECG 数据 放大滤波 该部分包括一级放大电路即前置放大、 高通、 100Hz 低通、 50Hz 陷波和二级放大。 主要完成对 ECG 原始信号的预处理，放大滤波，让得到的信号满足我们的要求。 由于 ECG 信号非常微弱 ， 峰值最高只有十个毫伏级， 且含有大量噪声，为了能使信号正常的显示，并且方便以后对该设备的完善，为后续工作做好准备，故要尽量让所得到的 ECG 信号更加干净，并且峰值达到伏级以上。 ③ ECG 信号显示 本课题所用的显示装置是示波器。 为了方便地检测所得到的 ECG 信号的效果，故需要对 ECG 信号进行实时显示，这也给调试电路带来很大的参考价值。 如何证明本课题所设计的硬件电路能够对 ECG 信号进行处理，达到了什么样的效果，以及进行怎样的调试，示波器所显示的波形都是一把很好的标尺。 故显示部分对本课题也是必不可少的。 三、系统前置放大电路的设计要求 ECG 信号 是低频、微弱信号，为了获得能够清晰显示且达到最优精度要求的 ECG 信号，。