心电信号采集及系统设计【荟萃内容】

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1、谷风书苑#1 微弱信号检测课题报告微弱信号检测课题报告 心电信号采集心电信号采集 噪声分析及抑制噪声分析及抑制 指导老师：指导老师： 宋俊磊 院院 系：系： 机电学院测控系 班班 级：级： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 谷风书苑#2 【目录】 【摘 要】.3 第一章.4 1.1 人体生物信息的基本特点1.4 1.2 体表心电图及心电信号的特征分析4.5 1.3 心电信号的噪声来源7.6 1.4 心电电极和导联体系分析.7 1.4.1 系统电极选择8.7 第二章 硬件电路设计.8 2.1 心电信号采集电路的设计要求.8 2.2 心电采集电路总体框架.9 2.3 采集电路模块 .11 2.4 A

2、D620 引入的误差 .11 2.4.1 电子元件内部噪声.11 2.4.2 集成运放的噪声模型：.13 2.4.3 AD620 的噪声计算 .14 2.4.4 前置放大电路改进措施.15 2.5 滤波电路设计.17 2.6 电平抬升电路14.20 2.7 心电信号的 50Hz 带阻滤波器（50Hz 陷波）设计15.20 结论.22 附录：参考文献.23 谷风书苑#3 【摘摘 要要】 心脏是人体循环系统的核心，心脏的活动是由生物电信号引发的机械收 缩。在人体这个三维空间导体当中，这种生物电信号可以波及人体各个部分， 在人体体表产生规律性的电位变化。在人体体表的一定位置安放电极，按时间 顺序放大

3、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。 针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。 设计一种用于心电信号采集的电路，然后进行A/D转换，使得心电信号的频率达 到采样要求。人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取 自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。为获得含有 较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。运用一个心电信 号检测放大电路，充分考虑了人体心电信号的特点，采用前置差动放大+带通滤 波器+50Hz陷波器(带阻滤波器)组成的模式，对心电信号进行测量。 关键词：关键词： 心电信号采集，降噪，A/D 转换放

4、大，噪声分析 谷风书苑#4 第一章 1 11 1 人体生物信息的基本特点人体生物信息的基本特点1 1 人体的生物信号测量的条件是很复杂的。在测量某种生理参数的同时，存在 着其它生理信号的噪声背景；此外，生物信号对来自测量系统(包括人体)之外 的干扰十分敏感，这是因为： (1)被测生物医学信号的提取信号微弱：如心电信号幅度一般在10u V4mV：要 求测试系统具有较高的灵敏度。而灵敏度越高，对干扰也就越敏感，即极易把 干扰信弓引入测试系统； (2)频率低：一般在0.05Hz200Hz，频带范围不宽；工频50Hz干扰和人体其它 信号几乎落在所有生物电信号的频带范围内，而50Hz干扰又是普遍存在的；

5、 (3)生命体为发出不稳定自然信号的信号源：人体内阻、检测电极与皮肤的接触 电阻等为信号源内阻，其阻值较大，一般为几十千欧； (4)人体相当于一个导体，将接受空间电磁场的各种干扰信号；除了外界环境对 被测信号的干扰之外，微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中。抗干 扰和低噪声，构成生物信号测量的两个基本条件。 本文的目的是在分析的基础上，得到生物信号测量系统的强抗干扰能力 和低噪声电子设计方法，我们把抗干扰和低噪声作为人体测量盼基本条件，不 只是由于人体电子测量是处于强电磁场环境中，成为无法回避的客观事实；而 且还由于抗干扰和低噪声本来就是电子设计开始时必须予以考虑的环节。 总之，人体生物

6、医学信号的提取和处理，是自然科学领域中难度最大 的。生物电信号，如心电、脑电，通过电极用一定导联方式提取出来；非 电量参数，如心音、脉搏、体温、呼吸等，通过各种传感器，换能器变换 成电信号后被提取。常见的有脉波换能器，心音换能器，绑带式流量换能 器，张力换能器。 对于能够通过电极提取的体表生物电信号，其测量仪器的电路结构基本 相同，不同的只是因信号的频率和幅度不同，对电路的性能要求不同。常见的 生物电信号有心电(ECG)、脑电(EEG)、肌电(EMG)、视网膜电和眼电等。 谷风书苑#5 前便携式心电图仪的设计主要向智能化、系统化和集成化方向发展。目前 市面上常见的便携式心电仪多数是采用了前后端

7、的实现方式，前端是以单片机 为核心的心电信号采集系统，后端多数采用的是处理性能较高的嵌入式微处理 器。这种处理器性能强大，它使得心电仪在心电数据采集、处理、存储和显示 等功能的基础上，还能够实现对心电数据的分析3 3。 1.2 体表心电图及心电信号的特征分析4 4 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除 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

8、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

9、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。5 5 谷风书苑#6 心电信号的电特性分析6 6 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10V-4mv之间， 典型值为1mV。频率范围在O.05-100HzO.05-100Hz以内，而90的ECG频谱能量集中O.25-O.25- 3

10、5Hz35Hz之间，心电信号频率较低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要频率 范围是O.05-100Hz，大部分能量集中在O.05-40Hz12。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；同时， 个体的差异也使心电信号千差万别。阐述心电信号特征的相关文章和书籍很多， 本人在认真阅读和分析的基础上，得出心电信号特征主要体现在以下四个方面： (1)微弱性：从人体体表获取的心电信号一般只有10V-4mV，典型值为 1mV。 (2)不稳定性：人体信号处于不停的动态变化当中。 (3)低频特性

11、：人体心电信号的频率多集中在O.05-100Hz之间。 (4)随机性：人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部 分，由于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干 扰的变换而变化，具有一定的随机性。 1.3 心电信号的噪声来源7 7 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0.05-100 Hz，而90的心电信号(ECG)频谱能量集中在0.25-35 Hz之间13。 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50 Hz的正弦信号及其谐

12、波组成。幅值通常与ECG峰峰值相当或更强。 (2)电极接触噪声 电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良接 触，即病人与检侧系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，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等。 谷风书苑#7 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。

13、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基线通常在很小电压范围内。所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时 发生的零均值带限噪声，主要能量集中在30-300 Hz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O.015-O.3Hz处基线变化 变化幅度的为ECG峰峰

14、值的15。 (6)信号处理中用电设备产生的仪器噪声 心电信号是由人体心脏发出的极 其精密、相当复杂并且有规律的微弱信号，外界干扰以及其它因素的存在都会 使其变得更为复杂，要准确地对其进行自动检测、存储、分析却是一项十分艰 巨的任务。例如，工频干扰信号对心电图的影响会使心电信号的特征点定位变 得十分困难。因此，心电信号的监视、分析必须在建立在有效抑制各种干扰、 检测出良好的心电信号的基础之上。 (7)共模信号(commonmode signal)：从体表采集到的信号除了人体心脏产 生的电信号外，还包含许多与心电无关的电信号。由于体表各个导联均可看到 这些信号，故称为共模信号。共模信号强度可以远远

15、大于心电信号，从而干扰 心电图分析。 谷风书苑#8 1.4 心电电极和导联体系分析 1.4.11.4.1 系统电极选择系统电极选择8 8 心电信号检测一般采用体表电极，随着时代的发展金属电极已经成为了体 表的连接器。一个由盐溶液和胶组成的电极层成为了金属电极和皮肤的接触面。 身体内部电流是由离子运动产生的，而在导线中的电流是由电子的运动产生的。 电极系统可完成离子电流到电子电流的转换。 当病人身体的运动会导致电极电位的变化，当用两个电极分别引导生物体 两点的电位时，如果两个电极本身的电位不同则会造成记录中的伪差(又称极化 电压)。这个小失调电压会随心电信号放大1000倍，因此小信号的变化也会导

16、致 信号的基线漂移。极化电压在心电信号检测系统中属于干扰因素，应尽量避免 极化噪声的影响。因此在心电测量系统中要求采用非极化或极化电压微弱的电 极。可采用表面镀有表面镀有Ag-AgClAg-AgCl的可拆卸的一次性软电极，并在电极上涂有优质导 电膏，使它更接近非极化电极，有效地抵消极化电压引起的干扰。该电极漂移 电位非常小，它在Ag层上镀了一层AgCl。氯离子将在体内、电极内以及在AgCl 层内运动，在这里转换成在Ag中的电子运动并传导到导线中。这种方法把直流 漂移电位减小到与峰值相比非常小的程度。因此，这种电极移动导致的基线漂 移比其他极化电极要小很多。 第二第二章章 硬件电路设计硬件电路设计 2.1 心电信号采集电路的设计要求 心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号的普遍特征，如幅度小、 频率低并且易受外界环境干扰，为采集和测量带来了难度。所以： (1)对微弱的心电心电信号进行放大和滤波等必要的信号调理 a)设计合理的导联系统，选择合适的传感器。 b)设计合理的有源滤波器，能够进行005-100Hz的带通滤波，50Hz陷波。 谷风书苑#9 c)实现1000倍的信号放大。