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1、1、心电图机概述1.1 医学仪器概述医学仪器主要用于对人的疾病进行诊断和治疗，其作用对象是复杂的人体，在医学仪器没有大量出现之前，医生主要凭经验通过手和五官来获取诊断信息，现在随着电子信息等技术的发展，医学仪器可以将人体的各种信息提供给医生观察和诊断。由于生理信号均是微弱的信号，加之人体结构的复杂性和个体差异性，医学仪器在检测研究生物信息时，必须考虑到生物信息的特点，针对不同的生理参量采用不同的方法。检测一些十分微弱的信息时，必须用高灵敏度的传感器或者电机，对于一些变化极为缓慢的生物信息，要求其检测系统具有很好的频率响应特性。同时，对于检测到的信号，需要进行必要的处理，才能成为医生诊断的依据，
2、现在能检测到的生理信号十分丰富，到了不用计算机就很难处理的地步。所以对任何检测到的信号必须进行模/数转换，对不同的生理信息还要采用一些数学方法，如对非线性的生物信息，可通过拉普拉斯变换的办法，将其按线性处理；又如欲将检测到的以时间域表示的信息转换到频率域上，就得采用傅立叶变换的方法。在生物信息处理过程中，当需要作信号波形分析时，又要用到模拟式频谱分析法（即滤波）和数字式频谱分析法。另外，对于处理好的生理信号，必须以某种方式显示出来如打印在记录纸上或显示在显示屏幕上等。图 1.1从上述可以看到，医学仪器与其他仪器相比具有其特殊性。一台完整的医学仪器一般由以下几部分构成：信息检测系统、信息处理系统
3、、记录显示系统以及其他的辅助系统（如图 1.1 所示） 。检测系统主要包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪器的信号源；信息处理系统的作用是对信息检测系统传送过来的信号进行处理，包括放大、识别（滤波） 、变换等各种处理和分析，它也被认为是医学仪器的核心，因为仪器性能的优劣、精度的高低、功能的多少主要取决于它，可以说医学仪器自动化、智能化的发展完全取决于信息处理系统技术进步的程度；信息记录与显示系统的作用是将处理后的生物信息变为人们可以直接观察的形式。医学仪器对记录显示系统的要求是记录显示的效果明显、清晰、便于观察和分析、正确反映输入信号的变化情况；辅助系统的配置、复杂程度及结构均随医学仪器的用
4、途和性能变化。比如有的医学仪器含有大量信息的数据，一般用存储装置加以保留，既方便诊断和研究又可重复使用，有的仪器为了远距离调用，还需要有数据传输设备，这就需要设置专用线路等。1.2 心电图及其心电图机基础心电图是从体表记录的心脏点位变化曲线，它反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。由于心脏的生理功能与心电图之间存在着密切的对应关系，当心脏生理功能发生失常时，均可以从心电图的波形变化上反映出来。通过用肉眼观察或通过波形分析技术判读，诊断出心脏生理功能失常的情况与变化趋势，这对医学研究和临床都有重要意义。心电图典型波形如图 1.2 所示：（以下所述的心电图各波形的参数值，是在心电图
5、机处于标准记录条件下，即：走纸速度为 25mm/s、灵敏度为 10mm/mV 时记录得出的值。 ）关于心电图形中波形的命名和划分作如下简单描述：P 波：由心房的激动所产生。前一半主要由右心房所产生，后一半主要由左心房所产生。正常 P 波的宽度不超过 0.11s，最高幅度不超过 2.5mm。QRS 波群：反映左、右心室的电激动过程，称 QRS 波群的宽度为 QRS 时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间。正常人最高不超过 0.10s。T 波：代表心室激动后复原时所产生的电位。在 R 波为主的心电图上，T 波不应低于 R 波 1/10。U 波：位于 T 波之后，可能是反映心肌激动后电位与时间的变
6、化。人们对它的认识仍在探讨之中。图 1.2关于心电图的典型间期和典型段我们应作一些基本的了解：P-R 间期：是从 P 波起点到 QRS 波群起点的相隔时间。它代表从心房激动开始到心室开始激动的时间。这一期间随着年龄的增长而有加长的趋势。QRS 间期：从 Q 波开始至 S 波终了的时间间隔。它代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。S-T 段：从 QRS 波群的终点到 T 波起点的一段。正常人的 S-T 段是接近基线的，与基线间的距离一般不超过 0.05mm。P-R 段：从 P 波后半部分起始端至 QRS 波群起点。同样，正常人的这一段也是接近基线的。Q-T 间期：从 QRS 波群开始到
7、T 波终结相隔的时间。它代表心室肌除极和复极的全过程。正常情况下，Q-T 间期的时间不大于 0.04s。正常人的心电图典型值分别如下：P 波：0.2mV；Q 波：0.1mV；R 波：0.51.5mV；S 波：0.2mV；T 波：0.10.5mV；P-R 间期：0.120.2S；QRS 间期：0.060.1s；S-T 段：0.120.16s ；P-R段：0.040.8s。目前，通过对心电波形的分析，可以发现心脏的各种心律失常、期前收缩、心肌梗塞部位及其发展过程、心脏异位搏动、高血压、先天性心脏缺损、病人代谢率及其他心脏综合病症等。心电图机从最早的弦线电流计式发展到现在的微控制式，经历了电子技术变
8、革的几个阶段，但是心电图机的主体结构基本没有改变。现在广泛应用的心电图机虽然种类和型号繁多，主要都由信号输入部分、信号放大部分、记录器部分、显示部分和电源部分几个部分构成。其结构框图如下：图 1.3 对于各个部分的原理及其在心电图机中的作用将在后面讲述本项目设计原理时作具体阐述。2、JLC-6A 型心电图机的总体设计要求2.1 基本功能支持标准导联，具有节律导联功能，便于观察异常心搏。十二导心电波形同步采集，保证波形时间同步，为准确的临床诊断提供真实的依据。采用数字化隔离技术，有效克服温度、时间漂移，具备较高的环境适应性。采用数字信号处理技术，有效抑制基线漂移、交流、肌电干扰，并进行心率检测及
9、常见病型的自动分析诊断。中英文操作面板，中英文两种语音心电图打印报告。采用精密热阵打印系统，波形描记清晰、准确，并提供适当的文字注释。液晶采用 320*240 点阵液晶，同时显示中/英文菜单及系统工作状态和 12 导全导联波形。具备数据管理功能，实现单个病人记录波形的记忆/存储，拷贝打印。交/直流两用，内置可充电电池和充电电路，具备完善的电池过流和过压保护电路。安全类别属 I 类 CF 型设备，安全可靠。整机小巧精致、结构合理、操作方便2.2 主要技术指标技术指标主要参考国家标准单导和多导心电图机 YY 1139-2000中的相关规定，主要内容如下：耐极化电压：加300mV 的直流极化电压，灵
10、敏度变化范围5% 最小检测信号：对 10Hz、20uV （峰峰值）偏转的正弦信号能检测 系统采样率：1KHz噪声电平：输入端与中性电极之间接入 51k 电阻与 0.047uF 电容并联阻抗，在1HZ-75HZ 范围内折合到输入端的噪声电平不大于 15uV(峰峰值 )共模抑制比：各导联的大于 60dB50HZ 干扰抑制滤波：20dB幅度频率特性：以 10HZ 为基准， 1HZ-75HZ 范围为+0.4dB-3.0dB低频特性：时间常数应不小于 3.2s基线稳定性：电源电压稳定时，基线的漂移不大于 1mm；电源电压瞬态波动时，基线的漂移不大于 1mm；灵敏度变化时（无输入信号）其位移不超过 2mm
11、温度漂移：在 5-40温度范围内，基线漂移平均不超过 0.5mm3、系统设计3.1 总体框图在第一章中我们讨论了医学仪器的基本构成，心电图机作为常见的医学诊断仪器，主要由电源模块、信号采集部分、信号处理部分、信号输出部分以及其他辅助部分等几个部分构成。其构成总框图如下：图 3.1框图中电源部分负责对各个功能模块供电；信号采集部分主要包括心电极到导联线、导联选择器、输入保护、高频滤波、信号放大以及 A/D 转换部分，从信号采集板送给信号处理部分的信号即是心电各导联的数字信号；信号处理部分主要由中央处理单元来完成，它负责将信号采集模块送来的数字信号进行必要的滤波处理（比如工频滤波、去基线漂移滤波、
12、肌电干扰滤波等）和自动诊断分析等算法处理（如对 QRS 波群的识别、对心率失常的判断等） ，使采集到的信号变为有价值的诊断信息；信号输出部分则主要负责将经过处理的信号以及诊断信息通过液晶显示屏显示或者打印机打印出来供医务人员参考；辅助部分包括心电图机的人机操作接口、参数设置，外部定标信号的输入以及在必要的时候将获得的数据存储到 SD 卡存储器或通过网络口、USB口传输到外部。其中除了一些仪器操作必备的辅助部分以外，其他辅助部分可以作为选配件，也可以预留接口，方便以后产品升级。在后面各章节中将详细介绍各个功能模块的设计思路和原理图结构，并讨论各个部分之间的相互连接关系，将整个系统的设计思路体现出
13、来。3.2 信号采集部分电路设计3.2.1 信号采集部分总体结构图信号采集部分也叫输入部分，其主要功能是将人体心脏活动产生的电位信号通过适当的方式采集出来，经过导联组合和一系列运算，送 A/D 变换，最后得到各路心电数字信号，以便送信号处理部分处理。心电图信号采集部分的主体结构示意图如图 3.2所示： 图 3.23.2.2 有关导联及导联选择将两个电极置于人体表面上不同的两点，通过导线与心电图机相连，就可以描出一种心电图波形。描记心电图时的电极安放位置及导线与放大器的联接方式称为心电图导联。对单导心电图机来说，心电图是通过多个导联而得出的体表电位差的不同时间的记录。临床诊断上，为便于统一和比较
14、，对常用的导联做出了严格的规定。现在广泛应用的是标准十二导联，分别记为 I、 、 aVR、aVL、aVF 、V1 V6。其中 I、为双极导联，aVR、aVL、aVF 为单极肢体加压导联，V1V6 为单极胸导联。获取两个测试点的电位差时，用双极导联；获取某一点相对于参考点的电位时，用单极导联。在 JLC-6A 型心电图机设计中，我们采用十二导联，以便为医生提供各导联实时同步的诊断信息。3.2.2.1 标准双极导联I、为标准双极肢体导联，简称标准导联。它是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电。其导联组合方式如图 3.3 所示。电极安放位置以及与放大器的连接为：I 导联：左上肢（L）接放大器正输入端
15、，右上肢（R）接放大器负输人端；导联：左下肢（F）接放大器正输入端，右上肢（R）接放大器负输入端；导联：左下肢（F）接放大器正输入端，左上肢（L）接放大器负输人端。使用标准导联时，右下肢（RF）应直接接地，也可以接右脚电极驱动器的输出端，间接接地。图 3.3 上图中以 UL、 UR 、U F 分别代表左上肢、右上肢、左下肢的电位 ，可以得到以下四个式子：I=UL-UR (1)=U F-UR (2)=U F-UL (3)= I + (4)当输入到放大器正输入端的电位比输入到负输入端的电位高时，得到的波形向上；反之，波形向下。3.2.2.2 单极胸导联和单极肢体导联 探测心脏某一局部区域电位变化时
16、，用一个电极安放在靠近心脏的胸壁上（称为探查电极），另一个电极放置在远离心脏的肢体上（称为参考电极），探查电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化。使参考电极在测量中始终保持为零电位，称这种导联为单极性导联。威尔逊最早将单极性导联的方法引入到了心电检测技术。在实验中发现，当人的皮肤涂上导电膏后，右上肢、左上肢和左下肢之间的平均电阻分别为1.5k、2k、2.5k。如果将这三个肢体连成一点作为参考电极点，在心脏电活动过程中，这一点的电位并不正好为零。单极性导联法就是设置一个星形电阻网络，即在三个肢体电极（左手、右手、左脚）上各接入一个等值电阻（称为平衡电阻），使三个肢端与心脏间的电阻数值互相接近，三个电阻的另一端接在一起，获得一个接近零值的电极电位端。称它为威尔逊中心点，如图 3.4 左边所示。图 3.4 威尔逊中心点的连接图及
