張喜紅,王玉香 (亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程系,安徽 亳州236800)
心電圖機(jī)維修是醫(yī)用電子儀器與維護(hù)專業(yè)的學(xué)生必須掌握的重要技能之一,但目前大多數(shù)醫(yī)學(xué)院校對(duì)此項(xiàng)技能的教學(xué)以理論為主,即便是一些經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較好的院校也只是采用心電圖機(jī)成品進(jìn)行教學(xué)。由于心電圖機(jī)成品技術(shù)資料的保密性,使學(xué)生不能很好地掌握其工作原理,因而導(dǎo)致教學(xué)效果不佳[1]。針對(duì)上述情況,筆者設(shè)計(jì)了一種開放式心電圖機(jī)教學(xué)平臺(tái),以便為學(xué)生掌握心電圖機(jī)維修技能提供幫助。
設(shè)計(jì) 印刷電路 板 (Printed Circuit Board,PCB)時(shí)在每個(gè)典型模塊的信號(hào)輸入輸出聯(lián)接都采用跳線方式,并留有測(cè)試點(diǎn),以便滿足分模塊教學(xué)的需求。同時(shí)還在一些故障多發(fā)模塊處設(shè)有故障點(diǎn)。心電信號(hào)經(jīng)心電電極采樣,輸入到緩沖放大電路完成阻抗變換,接著由威爾遜網(wǎng)絡(luò)與導(dǎo)聯(lián)選擇電路在MCU (微控制單元)的控制下完成導(dǎo)聯(lián)選擇,再送入前置放大電路進(jìn)行初次放大。由于心電信號(hào)是弱信號(hào),其易受到干擾,所以由高通濾波器和低通濾波器組成的一個(gè)帶通濾波器來完成心電信號(hào)的選取。同時(shí),在工作過程中信號(hào)很容易受到50Hz的工頻干擾,所以首先將信號(hào)通過一個(gè)50Hz的陷波器,然后輸入到主放大電路和MCU(ADuC7020)。MCU內(nèi)置的A/D器件可完成信號(hào)的采集,同時(shí)完成心率的計(jì)算,最后將計(jì)算結(jié)果與采樣數(shù)據(jù)通過串口總線送入上位機(jī)示波器來顯示心電圖。此外,為了消除各種干擾,還設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路與屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
緩沖放大電路是心電采集輸入電路的一個(gè)重要部分,提高放大器的輸入阻抗和降低輸入噪聲[2]。輸入保護(hù)及緩沖放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。心電電極采集到的信號(hào)經(jīng)過R1、C3、R2和C4組成的低通濾波器,先濾掉大約2kHz頻率的干擾信號(hào),然后接到放大器OPA4277同相端,其作為電壓跟隨器將信號(hào)送下一級(jí)處理。F1是耐壓70V的氖管,接在導(dǎo)聯(lián)插座和平衡電阻之間,起到高壓去顫保護(hù)作用。從導(dǎo)聯(lián)輸入的高壓去顫時(shí)電壓可達(dá)5000V,通過放電管 (氖泡)的氣體放電,作為電壓限幅器限制輸入信號(hào)電壓在70V左右。二極管D1(1N4001)、D2(1N4001)反并聯(lián)跨接在緩沖放大器的輸入輸出端。在正常工作時(shí),心電信號(hào)只有幾毫伏,二極管不導(dǎo)通,電路的輸入阻抗取決于緩沖放大器的輸入阻抗,由于U1是電壓跟隨器,輸入阻抗很高,對(duì)信號(hào)衰減很小。當(dāng)有強(qiáng)干擾信號(hào) (>0.6V)時(shí),二極管導(dǎo)通,此時(shí)的輸入阻抗主要由威爾遜網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗決定。由于威爾遜網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗很低,干擾信號(hào)在電極與皮膚接觸電阻、平衡電阻和威爾遜網(wǎng)絡(luò)之間分壓,使得在威爾遜網(wǎng)絡(luò)上分得的電壓降很小,從而起到了強(qiáng)干擾保護(hù)作用。輸入緩沖放大器是輸入電路中的一個(gè)重要部分,各電極引入信號(hào),必須通過各自的緩沖放大器后才能傳輸?shù)酵栠d網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中放大器選用高精度運(yùn)算放大器OPA4277,其超低失調(diào)電壓10μV、偏置電流最大為lnA。緩沖放大器的集成電路OPA4277是一種具有高輸入阻抗低輸出阻抗的電壓跟隨器,采用同相放大器的電路形式,具有輸入阻抗高 (一般大于10MΩ)、輸出阻抗低的特點(diǎn)。緩沖器的輸入電流小,一般小于10μA,噪聲很小,各緩沖器增益為1的阻抗變換器起隔離作用,將人體和電阻網(wǎng)絡(luò)隔離,盡量減少由于電極接觸電阻的不平衡而產(chǎn)生的波形失真。
圖2 輸入保護(hù)及緩沖放大電路圖
1)右腿驅(qū)動(dòng)電路 在通常情況下,外部環(huán)境的共模干擾可通過各種渠道進(jìn)入人體,這樣會(huì)在心電檢測(cè)時(shí)對(duì)信號(hào)形成交流干擾,該交流干擾一般在幾伏以上,為此采用右腿驅(qū)動(dòng)電路消除這種干擾。右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。輸入信號(hào)INRF從前級(jí)放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋干擾信號(hào),并將反饋信號(hào)輸入反相放大器的負(fù)端,放大后接到人體右腿,這樣可以大大降低人體共模電壓的影響,其中D3、D4用于限制輸出幅度。
2)屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路 盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體,但由于元器件不可能完全對(duì)稱,這樣部分以共模形式存在的干擾噪聲會(huì)以差模信號(hào)的方式進(jìn)入放大器,而放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力很強(qiáng),最終導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變[3-4]。為此,采用屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路解決上述問題 (見圖4)。該電路設(shè)置在導(dǎo)聯(lián)屏蔽線和威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)之間,這樣可以減少導(dǎo)聯(lián)芯線和屏蔽線之間的泄漏電流,提高輸入阻抗和共模抑制比。此外,利用屏蔽線驅(qū)動(dòng)電路不但能使屏蔽線通過U102接地,而且可以有效提高交流輸入阻抗,從而改善了抗干擾性能。
圖3 右腿驅(qū)動(dòng)電路圖
圖4 屏蔽線驅(qū)動(dòng)電路圖
導(dǎo)聯(lián)選擇電路圖如圖5所示。由ADuC7020的I/O口控制2個(gè)ADG658八選一模擬開關(guān)的選通路線控制引腳 (A2、A1、A0),將來自威爾遜網(wǎng)絡(luò)的電極輸入信號(hào),按導(dǎo)聯(lián)要求兩兩組合來實(shí)現(xiàn)各種導(dǎo)聯(lián)方式。導(dǎo)聯(lián)選擇的真值表如表1所示。
前置放大電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于人體心電信號(hào)具有幅值小、頻率低、易受干擾、不穩(wěn)定、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn),因而對(duì)前置放大電路的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求,尤其是心電信號(hào)放大器的選擇十分重要。選擇放大器時(shí)需要從增益、頻率響應(yīng)、輸入阻抗、共模抑制比、噪聲、漂移等方面加以綜合考慮。基于上述原因,心電信號(hào)放大器的前置級(jí)大多采用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu),其中使用最普遍的是同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路,可以選用AD公司的儀表放大器AD8221作為心電信號(hào)前置放大器的核心器件。前置放大電路如圖6所示。
表1 導(dǎo)聯(lián)選擇的真值表
圖5 導(dǎo)聯(lián)選擇電路圖
圖6 前置放大電路圖
心電信號(hào)直接取自人體,在心電采集的過程中不可避免地會(huì)混入一些干擾信號(hào)。由于人體心電信號(hào)是一種低頻率弱小信號(hào),為了減少噪聲對(duì)心電信號(hào)的影響,需要對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行降噪處理。常規(guī)心電信號(hào)的頻帶范圍是0.05~100Hz,在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號(hào)的主要能量成分。正常心電信號(hào)為mV級(jí)信號(hào),對(duì)于干擾環(huán)境而言屬于微弱小信號(hào)。因此,設(shè)計(jì)了通帶頻率為0.05~100Hz的濾波電路,這樣可以將心電信號(hào)的有用成分從采集到的信號(hào)中分離出來。濾波電路圖如圖7所示。
生物電信號(hào)尤其是心電信號(hào)的頻率主要集中在低頻段0.05~100Hz范圍內(nèi),信號(hào)幅值在10μV~4mV之間,且信號(hào)的源阻抗較高,因而容易受外界信號(hào)尤其是市電50Hz工頻的干擾。為此,采用“雙T帶阻濾波”電路解決上述問題,即利用等容值的雙電容并聯(lián)代替普通的單電容,使其在容值上更加匹配。50Hz工頻陷波電路如圖8所示。
1)1mV定標(biāo)電路 該電路的作用是產(chǎn)生1mv定標(biāo)信號(hào),以便為描記心電波作幅度定標(biāo),并檢查、校正放大器的工作狀態(tài) (放大倍數(shù)、線性和時(shí)間常數(shù)等)(見圖9)。從ADUC7020處理器中得到2.5V電壓,通過R26、R292個(gè)電阻進(jìn)行分壓得到1mV定標(biāo)電壓,并通過ADG719控制產(chǎn)生2Hz的方波。
2)1.25V基準(zhǔn)電路 心電信號(hào)幅值大約在10μV~4mV之間,該系統(tǒng)中心電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大6倍左右。采用MCU (ADuC7020)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器來完成采樣,其輸入電壓范圍是0~2.5V,由于采取電平抬升電路,將1.25V作為中間參考值,所以放大后的心電信號(hào)疊加參考電壓為0.25~2.45V,正好位于A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號(hào)范圍內(nèi),此時(shí)已消除心電信號(hào)中的負(fù)值部分,這樣輸出信號(hào)即可傳入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換 (見圖10)。
圖7 濾波電路圖
圖8 50Hz陷波電路圖
圖9 1mV定標(biāo)電路圖
圖10 1.25V基準(zhǔn)電路圖
MCU 單 元 采 用ADuC7020控制芯片設(shè)計(jì),其為ADI公司基于ARM7TDMI 32bit RISC內(nèi)核的精密模擬微控制器,集成了5通道12位的ADC(1MSPS)、4通道12位緩沖的DAC、電壓比較器、62Kbytes Flash ROM和8Kbytes SRAM,最高處理能力達(dá)40MIPS。其模擬外設(shè)包括多達(dá)10通道的采樣率為1MSPS、分辨率為12bit的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、一個(gè)溫漂優(yōu)于10ppm/℃的精密帶隙基準(zhǔn)電壓源。其他外設(shè)包括片內(nèi)可編程邏輯陣列 (PLA)、同步和異步串行接口等。串行接口包括UART、SPI和2個(gè)I2C,以及用于下載/調(diào)試的JTAG端口、4個(gè)定時(shí)器和14個(gè)通用I/O引腳。
系統(tǒng)軟件主要包括ADuC7020處理器下位機(jī)軟件和上位機(jī)示波軟件兩部分。以ADuC7020處理器下位機(jī)軟件為例,其程序設(shè)計(jì)主要包括如下內(nèi)容:①串口中斷程序。該程序主要實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)發(fā)來的導(dǎo)聯(lián)選擇命令與模式選擇命令,并通過與相應(yīng)的I/O口線完成導(dǎo)聯(lián)與模式變換,然后向上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。②A/D轉(zhuǎn)換中斷程序。通過對(duì)ADuC7020編程,實(shí)現(xiàn)定時(shí)器定時(shí)5ms觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換中斷一次,從而實(shí)現(xiàn)符合最低采樣頻率200Hz的數(shù)據(jù)采集。每進(jìn)入一次A/D中斷,將所采集到的12位數(shù)據(jù)按設(shè)定的算法完成心率計(jì)算,最終將12位數(shù)據(jù)分解為高、低2字節(jié)數(shù)據(jù),連同心率打包組合為一幀數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給上位機(jī)。
在查閱國(guó)內(nèi)外心電檢測(cè)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了心電圖機(jī)教學(xué)平臺(tái)。該教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,受得了師生的好評(píng)。在下一步研究中,還可以在以下方面對(duì)該教學(xué)平臺(tái)加以改進(jìn):①添加上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)程序及心電信號(hào)分析程序。②采用無線通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線采集。
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