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1、单片机心电信号数据采集系统的设计(一)信摘 要心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用心电信号采集系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。首先，设计心电采集模块，包括心电前置放大器、带通滤波电路、线性光耦放大电路、50 Hz陷波电路、35 Hz陷波电路及电平抬升电路， A/D 转换电路输出显示电路等。其次，由于越来越多的研究者发现心电图中变化与大多数心血管疾病都有着紧密
2、的联系，因此，本课题设计了心电信号检测方法，包括心电信号的采集，放大以及波形的液晶显示。在当中，设计的电路能够有效的抑制了各种干扰，检测出良好的心电信号。论文的研究工作基本上达到了设计的要求，为进一步的产品开发打下了良好的基础。关键词： 心电信号；数据采集；心电放大；光电耦合；A/D转换；单片机；LCD第 1 章 绪论1.1 引言心电信号是人类较早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。自 1903 年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。当前，心
3、电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。1.2 本课题研究意义心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位，据统计，全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能及时发现病变从而延误了治疗，死于非命。在我国因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人数的 44%，可见心脏病己成为危害人类健康的多发病和常见病。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视。及时了解人类心脏病的状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死亡，具有十分重要的意义。国际上医学界人士已经可通过对心电信号的特征、规律的研究对部分相
4、关病变做出早期预测和及时诊断，因此，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用电子检测、监护系统近年来己经在临床中逐渐应用。目前，医生对心血管疾病的诊断基本上是以常规心电图或者心电向量图为主要手段，即通过判断病人心电波形的变化规律及不同时刻的波幅大小来推断心脏内病灶的部位或严重程度，在医学临床应用中十分普及。 中国大学排名 1.3 心电分析国内外历史与研究现状18 世纪下半叶，意大利波伦亚大学的解剖和外科学教授伽伐尼(LuigiGalVani，17371798)开始研究电对生物组织的作用。1781 年 1 月 26 日，在解剖青蛙的实
5、验中，注意到用电刺激青蛙的神经，会导致其肌肉的收缩。伽伐尼3认为：导致青蛙肌肉收缩的电来自动物体内，并称其为“动物电”(animal electric)。尽管后来证明伽伐尼所发现的电并不是来自动物的体内，但却由此认识到电可以导致生物神经冲动的传导，从而奠定了电生理学的基础。1887 年，英国生理学家沃勒3 ()5。TTM 系统是以微机为基础的心电传输/接收和心电数据库管理系统，通过线传输心电信息及计算机处理实现对病人的心电监护。病人应用记录发射器可随时、随地通过线向监测中心传输心电数据，医生根据心电信号改变和患者诉说的病情，向患者提供诊断与治疗意见，为院外心脏病人的长期心电监测和治疗提供了方便
6、。在此后的20 多年中，TTM 系统取得迅速地发展，而且与之相对应的患者随身携带的心电监护仪也取得了很大的发展。 （转载自中国评价网.nseac.） 八十年代以来，在改革开放的大潮中，我国医疗器械企业从我国国情出发，紧随时代前进的步伐，充分发挥自身潜力，走过了一条从代理到仿制，再到自主开发的道路。在这期间，涌现了北京精博电子仪器研究所生产的 JB-9100 等为代表的优良中央监护系统。随身携带的便携式心电监护仪在我国并未能够很好的普及，究其原因，有以下几个方面：(1)记录的心电信息极其有限，医生从中难以得到患者全面的心电信息，从而降低了医生对疾病诊断的正确率；(2)费用较为昂贵，动辄几千乃至上
7、万元，一般的患者难以承受；(3)实时性、体积、功耗、重量等都不尽如人意，给患者在使用过程中造成诸多不便。因此，心电检测系统的研制仍有重大深远的意义。1.4 本课题主要研究内容本课题是设计心电信号数据采集系统，利用单片机实现对心电信号的采集与处理，并通过液晶显示器显示心电波形。该心电信号采集系统主要有以下几个部分组成：前置放大电路，从强的噪声背景中提取心电信号。带通滤波电路，使频率为0.05-100Hz的心电信号通过，该范围以外的信号将大幅度衰减掉。主放大电路，将前级放大的心电信号进行再次放大。50Hz掐波电路，用于滤掉50Hz工频干扰。35Hz掐波电路，用于滤除肌电干扰。电平抬升电路，用于抬升
8、电平。A/D转换电路，将系统采集到的模拟信号转换为数字信号。单片机及液晶显示器输出电路，处理采集到的数据并输出。第 2 章 心电学基本概念与原理2.1 心电信号2.1.1 心电信号的形成心脏细胞除极和复极的电生理现象，是心脏运动的基础。心肌细胞在静止状态时，保持膜内外的电位差别，一般称为极化状态，在动作期电位开始的一瞬间，极化状态消失了，因而把这一极为迅速的过程称为除极过程；心肌细胞经过一次除极后，细胞内又能逐渐恢复其负电位，这一过程称为复极过程。因而采用微小电极可以在心肌细胞被激动时确切地测定细胞膜内外电位差的变化。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，
9、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中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时。在体表不同部位则形成电位差，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
10、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。心脏在收缩舒张之前，心肌首先发生电激动。在电激动的过程中，产生微弱的生物电流。正常情况下，心肌细胞在静息状态时，细胞内的电位为-80-90 mV，心肌细胞活动时，电位迅速增高，可达+30+40 mV；当细胞活动静止下来时，电位又逐渐降低，直至恢复到以前静息状态时那样，在正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和过程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间等，都有一定的规律。这种由大量心脏细胞有序活动产生的生物电变化通过心脏周
11、围的导电组织和体液，反映到身体表面上来，使具体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录下来的心脏电变化曲线就是目前临床上记录的心电图(体表心电图)。心电信号经过传导衰减，反映在身体表面时一般为毫伏量级(约 1 mV)的非常微弱低频电信号，正常人体体表心电图如图 2-1所示。 （转载自.中国评价网） 图2-1心电图典型波形2.1 心电信号的特性心电信号作为一种人体的电生理信号具有以下主要特征：微弱性：从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有 0.034mV。在测量中，对如此微弱的信号，很难进行直接观测和记录，必须通过放大器适当的放大，再输出给显示与记录装
12、置。不稳定性：人体电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。低频特性：人体心电信号的频谱范围主要集中在 0.05100Hz，分布的带宽范围有限，其频率是比较低的。随机性：人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从
13、而使心电信号表现出随机性。不过如果对心脏自发放电的时间空间构型进行统计分析，就可以发现其内在规律。因此，这种随机现象服从统计规律，在心电信号的测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性。2.1.2 心电图心肌细胞的生物电变化是心电图的，心电图反映的是一次心动周期中整个心脏的生物电变化，是很多心肌细胞电活动综合效应在体表的瞬时(电位)整体反映。通过心电图机将体表上这种电位差连续记录下来所得到的曲线，就是常规心电图(Electrocardiogram 简称 ECG)。心电图机就是由体表接触电极置于人体表面间接记录心脏生物电变化的仪器。正常的人体心电图可以反映心脏激动电位的变化，是由一系
14、列重复出现的下列各波、段和间期组成，如图 2-1 所示。 （转载自fV。(2)P-R 段 代表心房开始激动到心室受激动的时间，即 P 波开始处到 QRS 波群的开始处，P 波出现以后，心脏的激动沿结间束、房室结和房室束下传至心室。由于激动在房室结及房室束中传导较慢，所以在 P波出现后稍有间隙才发生心室的激动，这一段间隙称为 P-R 段。激动通过这段传导组织时所产生的电位影响极为微弱，因此这一段时间的体表电位几乎没有变化。P-R 段随年龄的增大而有加长的趋势，成年人的 P-R 段约为 0.12-0.2 s。(3)等电位线 一般取 P-R 段作为等电位线，但有时 P-R 段也不在基线上，欧共体心电
15、图标准化小组推荐使用 QRS 起始部作参考水平测量振幅。 (4)QRS 波群 代表左右两心室的电激动过程。典型的 QRS 波群有三个相连的波动：第一个向下的波为 Q 波，它反映了室间隔兴奋，并由左向右扩布；随后向上的狭窄尖脉冲被称为 R 彼，它反映了左右心室兴奋过程：第三个波是向下的 S 波，它反映了心底发生的兴奋。这三个被紧紧相连，而且反映的都是心室的激动，所以合称 QRS 群，其宽度一般小于0.1 s，最大振幅不超过 5 mV。(5)ST 段 指 QRS 波群终点到 T 波开始一段，是自心室肌全部受到激动(产生 QRS 被群)以后，至心室复原再度在体表产生明显的电位差(T波)之前
16、的一段平线。在正常范围的心电图中，ST 段可能较等位线稍高或略低。正常 ST 段压低(即向下偏移)不应超过 0.05 mV。(6)J 点 QRS 波群与 ST 段的结合点，也可以说是 QRS 波群的结束或S 波的结束。大多在等电位线上通常随 ST 段的偏移而发生移位；有时可因除极尚未完全结束，部分心肌已开始复极致使 J 点上移；也可由于心动过速等原因使心室除极与心房复极并存，导致心房复极波重叠于 QRS 波群的后段，从而发生 J 点下移。(7)T 波 T 波表示心室复极波，它是继 ST 段之后的一个幅度较低而占时较长的波。T 波由基线慢慢上升达到顶点，随即较快速下降，故上下两肢不对称，倒置的 T 波也是如此，但 T 波不应低于 R 波的 1/10。(8)U 波 在 T 波之后有时可以看到一个很小的正向波
