摘 要：心臟病是威脅人類健康的主要疾病之一，而心電圖是其診斷的重要依據(jù)。臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)于心臟病的防治，最有效的手段是利用心電監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行預(yù)防和保健，設(shè)計(jì)人體心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)十分重要。心電信號(hào)調(diào)理電路作為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)心電信號(hào)調(diào)理電路，包括心電前置放大器，右腿驅(qū)動(dòng)電路，高通濾波器，低通濾波器和可變Q值50Hz雙T陷波電路。設(shè)計(jì)完成的人體心電信號(hào)調(diào)理電路操作方便，成本低廉，設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值

關(guān)鍵字：心電信號(hào)；單片機(jī)；生理信號(hào)；放大器

1 引言

伴隨人類物質(zhì)生活水平的提高，當(dāng)代疾病的流行趨勢(shì)發(fā)生了顯著的變化，與人們社會(huì)生活方式密切相關(guān)的疾病和突發(fā)性公共衛(wèi)生疾病已成為危害人們健康的主要疾病，由此已造成政府與個(gè)人醫(yī)療開支不斷增長(zhǎng)的巨大壓力。而心血管疾病又是影響人類健康的第一大殺手。在我國(guó)心臟病患者約有七千萬人，死亡原因主要是致命性心率失常和急性心梗。據(jù)北京急救中心統(tǒng)計(jì)，70%以上病發(fā)于家中或工作現(xiàn)場(chǎng)，大部分人因失去搶救時(shí)間死于院外，此外，多數(shù)人的心臟病發(fā)作往往是短暫與隨機(jī)的，患者難以趕到醫(yī)院進(jìn)行心電圖掃描，從而影響診斷。因此，為患者贏取搶救時(shí)間，為所有的監(jiān)護(hù)對(duì)象提供24小時(shí)醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)，保健咨詢的醫(yī)療診斷系統(tǒng)有著極其重要的實(shí)際意義。而心電信號(hào)調(diào)理電路作為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)主要是由五部分構(gòu)成。

（1）前置放大電路。其中前置放大器是硬件電路的關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)的好壞直接影響信號(hào)的質(zhì)量，從而影響到儀器的特性；

（2）共模抑制電路。在設(shè)計(jì)中使用了右腿驅(qū)動(dòng)電路、屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，它們可以消除信號(hào)中的共模電壓，提高共模抑制比，使信號(hào)輸出的質(zhì)量得到提高；

（3）低通濾波電路及時(shí)間常數(shù)電路。

（4）工頻50Hz的陷波電路。

（5）主放大電路。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 前置放大電路

由于人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，加上背景噪聲較強(qiáng)，采集信號(hào)時(shí)電極

與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大，這就對(duì)前級(jí)（第一級(jí)）放大電路提出了較高的要求，即要求前級(jí)放大電路應(yīng)滿足以下要求：高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線性度??；合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍。

3.2 右腿驅(qū)動(dòng)電路

體表驅(qū)動(dòng)電路是專門為克服50Hz共模干擾，提高CMRR而設(shè)計(jì)的， 原理是采用人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)反饋，其方法是取出前置放大中的共模電壓，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路倒相放大后再加回體表上，一般的做法是將此反饋共模信號(hào)接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅(qū)動(dòng)。

3.3 低通濾波放大電路

由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)。

3.4 0.05Hz高通濾波器電路

設(shè)計(jì)使用反相的二階巴特沃茲高通濾波器，其中放大倍數(shù)設(shè)置為1，截止頻率為0.05Hz。

3.5 50Hz陷波電路

工頻干擾時(shí)心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有一定的抑制作用，但是有部分工頻干擾是以差模方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定的因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾波。

4 仿真

4. 1前置放大電路仿真

前置放大電路仿真結(jié)果如圖7所示，從仿真結(jié)果看出，實(shí)際前置放大倍數(shù)為K1=46.8mA/4.7mA=9.9，與預(yù)期放大結(jié)果相同。

4.2 低通濾波電路仿真

（1）輸入f=60Hz時(shí)，輸出波形圖如圖8所示，輸出和輸入基本上一致，信號(hào)沒有被衰減。

（2）輸入f=250Hz時(shí)，輸出波形圖如圖9所示，輸出結(jié)果衰減為：323uV/4.9Mv=6.5%，250Hz頻率的輸入雜波濾除了93.5%。

（3）輸入f=1KHz時(shí)，輸出波形圖如如圖10所示，1kHz頻率的輸入雜波基本上被濾除。

4.3 50Hz陷波電路仿真

50Hz陷波電路仿真結(jié)果如圖11所示，由圖可知，當(dāng)輸入信號(hào)為50Hz的工頻干擾信號(hào)時(shí)，雜波基本上被濾除。

4.4 次級(jí)放大電路仿真

次級(jí)放大電路仿真結(jié)果如圖12所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，放大倍數(shù)G2=2.65V/27.6mV=96，與預(yù)期的設(shè)計(jì)相符合。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)采用以AD620及OP07為核心的信號(hào)放大器來實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的放大，電路功耗小，靈敏度高，最低只需3 V的電源，可由外接電池提供，容易實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)式設(shè)備為核心的心電信號(hào)采集及處理，是一種實(shí)用的心電信號(hào)前端采集放大電路。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

胡岸，男，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器2008級(jí)學(xué)生，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀表方面的研究工作。