王 輝, 劉 勝, 田 凱, 張波波， 于立君

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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心電測試儀開發(fā)及在教學(xué)中的應(yīng)用

王 輝, 劉 勝, 田 凱, 張波波， 于立君

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

心電信號屬于弱信號,在弱信號檢測中,包含大量傳感器知識及信號轉(zhuǎn)換理論。以人體心電信號為載體,設(shè)計開發(fā)了實驗用心電測試儀。測試儀采用模塊化設(shè)計思想,引入外界肢體信號進行檢測。學(xué)生可自行獨立設(shè)計每一模塊,焊接后接入系統(tǒng)調(diào)試,極大提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實踐動手能力?；谛碾姕y試儀開發(fā)的心電監(jiān)測系統(tǒng),工作穩(wěn)定、人機交互界面清晰友好、共模抑制比高、易于觀察及操作。

心電測試儀; 弱信號檢測; 模塊化設(shè)計; 自主創(chuàng)新; 心電監(jiān)測系統(tǒng)

隨著社會不斷發(fā)展,人們的生活節(jié)奏加快,心臟病已成為威脅人類健康的重要因素之一。信息技術(shù)為該疾病的診斷治療帶來了新方法——心電監(jiān)護系統(tǒng),心電監(jiān)護系統(tǒng)不僅為醫(yī)生提供有效輔助分析手段,更為心臟病患者的日常護理提供重要的參考依據(jù)。

人體體表的心電信號,是一種低頻率的微弱電壓信號,在采集傳輸過程中容易被外界信號干擾。如何處理采集到的心電信號,使其準(zhǔn)確無噪聲是心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。該檢測系統(tǒng)中包含的傳感器技術(shù)及典型信號調(diào)理電路的應(yīng)用,有助于學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)及信號檢測知識,讓學(xué)生更好認識各種電路在實際應(yīng)用中的功能和作用,將理論知識與實際有效結(jié)合。為了讓學(xué)生充分認識弱信號檢測的基本環(huán)節(jié)及注意事項,提高學(xué)生動手能力及創(chuàng)新能力,設(shè)計開發(fā)了實驗用心電測試儀。

1 心電測試儀總體設(shè)計思路

本心電測試儀從對典型電路認識和獨立創(chuàng)新兩方面入手,引導(dǎo)學(xué)生將理論知識應(yīng)用到實踐中。在學(xué)生充分掌握理論知識的基礎(chǔ)上,可以自行創(chuàng)新設(shè)計心電信號檢測系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié),并獨立動手完成電路的焊接調(diào)試,然后將設(shè)計的基本環(huán)節(jié)接入本心電測試儀實現(xiàn)心電信號的有效檢測。

根據(jù)總體設(shè)計思路,將模塊化設(shè)計思想應(yīng)用到心電測試儀的設(shè)計開發(fā)中,將心電信號檢測系統(tǒng)分成若干獨立環(huán)節(jié),且設(shè)置許多測試點,以便學(xué)生掌握整套測試儀的工作狀態(tài)，實驗中有利于學(xué)生將自行設(shè)計的模塊串聯(lián)到測試儀中。

心電測試儀主要基于單片機STC89C52和PC機進行設(shè)計開發(fā)。心電測試儀分為兩大部分,一部分是硬件電路,其中模擬部分完成信號的檢測及放大處理,數(shù)字部分完成模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及與上位機傳輸;另一部分是軟件界面實現(xiàn),主要完成對心電信號的實時觀察及對實驗數(shù)據(jù)的存儲。心電測試儀使用醫(yī)用級心電夾采集體表信號,體表信號為人體脈搏的微弱電信號,其電壓值約為0.01～0.03 V,很容易受到外界因素的干擾。因此選用雙芯同軸屏蔽導(dǎo)線傳輸信號,參考地線使用單芯屏蔽導(dǎo)線,這樣可以很好地抑制干擾。將模擬信號與后級采集電路在電氣上實現(xiàn)完全隔離,可增加安全性并減小電路干擾[1]。心電測試儀總體框圖見圖1。

圖1 系心電測試儀整體框圖

2 心電測試儀硬件設(shè)計

整套測試儀設(shè)計得成功與否,取決于硬件電路設(shè)計是否合適,以及PCB制作是否得當(dāng)[2]。人體心電信號的幅值一般在0.01～0.03 V之間,頻率一般為0.05～100 Hz之間[3],且信號不穩(wěn)定,有極強的隨機性,易受到外界環(huán)境干擾;而且測試儀采用醫(yī)用心電夾采集信號,各人身體狀況等造成信號源阻抗也存在差異,且在心電信號中會存在肌肉信號、呼吸波信號等干擾信號。為此，對心電檢測電路的設(shè)計提出了嚴(yán)格要求,需要從多方面綜合考慮進行電路設(shè)計。

2.1 模擬信號處理部分設(shè)計

心電測試儀的模擬信號處理部分主要包含6個模塊,每個模塊的輸入端及輸出端均有外部接口,方便外部信號的采集和輸出。每個模塊之間沒有PCB內(nèi)部走線連接,學(xué)生自行設(shè)計的功能模塊可通過外部導(dǎo)線接入系統(tǒng),并與相應(yīng)模塊連接達到實驗?zāi)康?。圖2為模擬部分的PCB板,相應(yīng)模塊用矩形框出。下面從增益、頻率響應(yīng)、共模抑制比、輸入阻抗、噪聲和漂移等方面論述每個模塊的設(shè)計過程。

2.1.1 前置放大模塊

通過肢體引入的心電信號具有不穩(wěn)定、高內(nèi)阻、信號微弱等特點,為減小信號源內(nèi)阻的影響,選用高輸入阻抗、拾取信號能力強、可以穩(wěn)定輸出信號的放大器[3-5];同時考慮人體攜帶的工頻干擾和其他生理作用的干擾,前置放大器應(yīng)該具有高共模抑制比的差動放大形式,綜合考慮選用放大器電路進行放大。輸入信號幅值約為0.05～25 mV,放大倍數(shù)約為150倍。調(diào)節(jié)圖2中的T1調(diào)節(jié)點使電路中電阻滿足對稱條件,使系統(tǒng)具有充分大的共模抑制比。

圖2 模擬部分PCB板

2.1.2 帶通濾波模塊

心電頻率一般在0.05～100 Hz之間,能量主要集中在17 Hz附近,因此需要對0.05～100 Hz之間的信號進行保護,把這個頻率帶以外信號全部濾除?；谶@些原因,應(yīng)用2個放大器構(gòu)成二階有源高通、低通電路,使通過信號頻率為0.05～100 Hz。通過示波器觀察信號通頻帶,調(diào)節(jié)T2調(diào)試點使該通頻帶的心電信號幅值增大。

2.1.3 光電隔離模塊

為防止電磁干擾信號與被測信號疊加而影響微小心電信號測量的準(zhǔn)確度,本設(shè)計使用光耦隔離器件TP521對信號進行隔離。TP521將電信號轉(zhuǎn)換成光信號進行信號傳輸,電路抗干擾能力大大增強。但由光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二極管與光敏三極管的伏安特性會導(dǎo)致非線性失真嚴(yán)重,為此本設(shè)計增加負反饋電路改善輸入輸出的線性度[6-7],實現(xiàn)了高精度的模擬信號隔離。在光耦后加電壓跟隨器使電路負載能力增加。

2.1.4 50 Hz陷波模塊

為減少或抑制50 Hz交流電噪聲干擾,經(jīng)常在輸入電路中加入陷波電路。在心電信號檢測中,在放大電路中對50 Hz干擾進行抑制是醫(yī)療界研究的一個重要的課題[8-11]。在本測試儀中對于電源工頻產(chǎn)生的50 Hz的噪聲,采用雙T帶阻濾波電路[12],通過調(diào)節(jié)T3調(diào)節(jié)點,達到最佳抑制并濾除市電中50 Hz噪聲的干擾。

2.1.5 后置放大模塊

要觀察到清晰的心電信號,需要對心電信號放大上千倍,而前置放大器增益只有100～250左右,因此后級還需要放大4～10倍左右。為此，通過調(diào)整T4調(diào)節(jié)點進一步放大采集信號,使其調(diào)整到5V左右。

2.1.6 電源模塊

在整套測試儀中,由于各器件所需電壓不同,需要設(shè)計多個電壓轉(zhuǎn)換擋位。即需要為放大器OP07、AD1674提供±12 V工作電壓,為光耦TLP521提供±9 V電壓，為51單片機、MAX232提供+5 V電壓。另外,為防止電壓干擾,采用多電源供電模式,光耦隔離前級電路的運算放大器U2、U3、U4、U7、U8、U9采用轉(zhuǎn)換電源VAR1212D供電,而光電隔離后級電路外部±12 V供電,從而保證光耦隔離電路的前后級無任何電聯(lián)系。

2.2 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分的主要任務(wù)是從模擬電路中獲得心電信號,再將心電信號轉(zhuǎn)化為計算機所能識別和處理的數(shù)字信號,即在本系統(tǒng)中計算機獲得心電信號。

基于數(shù)據(jù)采集的速度和精度以及數(shù)據(jù)傳輸速度的考慮,本測試儀信號轉(zhuǎn)換采用12位帶并行微機接口的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674;主控模塊選用超強抗干擾的STC89C52RC單片機;數(shù)據(jù)傳輸選用RS232。圖3為數(shù)字電路PCB板。在PCB板上已用矩形劃出數(shù)字部分包含的主要模塊。

圖3 數(shù)字部分PCB板

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個軟件設(shè)計流程如圖4所示,可以將整個系統(tǒng)軟件分為上位機軟件部分和單片機軟件部分。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3.1 單片機軟件部分設(shè)計

單片機軟件部分設(shè)計按照模塊化的設(shè)計原則進行。該部分軟件總體上可分為4大模塊,分別是主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波[6]及RS232通信程序。4大模塊由許多功能相對獨立的子程序構(gòu)成,方便程序的編寫與調(diào)試。

3.2 上位機軟件部分設(shè)計

此部分主要包含人際交互界面的開發(fā)和數(shù)據(jù)采集及顯示存儲數(shù)據(jù)兩部分。界面的主要功能是采集心電模擬電路部分輸出的數(shù)據(jù),通過串口傳送給上位機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形化。上位機系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 上位機系統(tǒng)界面

4 心電測試儀在教學(xué)中的應(yīng)用

在“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”理論教學(xué)中,分析了心電信號的測試原理,通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進行進一步驗證與創(chuàng)新性設(shè)計。

基于心電測試儀的實驗有兩種模式:一是驗證性實驗,在充分認識每個模塊功能的基礎(chǔ)上,通過接線與調(diào)試硬件電路,調(diào)試出波形較好的心電信號,然后將測試儀與上位機相連,在上位機界面上采集心電信號并存儲；二是創(chuàng)新性設(shè)計實驗,學(xué)生根據(jù)心電測試的要求,自行設(shè)計模塊并串接到測試儀中,替代測試儀中相應(yīng)的模塊,并調(diào)試、分析自己設(shè)計電路的優(yōu)缺點或者存在的問題。

4.1 實驗?zāi)Ｊ揭?/p>

在實驗初始,首先對心電信號監(jiān)測電路知識和測試儀包含的器件有清楚的認識,明確測試儀的使用方法。

(1) 接線。按實驗要求接線,連接各實驗?zāi)K時注意幾組電源的位置及信號引入和輸出的位置。為了方便學(xué)生將自己設(shè)計的模塊串聯(lián)到測試儀進行調(diào)試,在測試儀上提供電壓輸出端,因此在接線的過程中,首先需要注意外部電壓的接入端是否正確。

(2) 心電信號引入。在完成測試儀線路連接后,需要將人體體表心電信號接入到測試儀中,選用醫(yī)用級心電夾對信號的采集,但是考慮外部環(huán)境對心電信號的干擾,選用雙芯同軸屏蔽導(dǎo)線將心電信號導(dǎo)入測試儀中,同時為了盡可能降低干擾,將左右手和腳引導(dǎo)線的屏蔽層連接在一起并與腳上信號一起作為參考地信號引入測試儀。

(3) 硬件調(diào)試。通過對調(diào)試方法的總結(jié),獲得方便快捷的調(diào)試方法。首先進行工頻濾波,即通過調(diào)試T3調(diào)試點將圖6(a)顯示的市電的工頻干擾進行濾除,獲得如圖6(b)所示獲得的沒有工頻干擾的信號;其次進行帶通濾波,即通過調(diào)節(jié)T2調(diào)試點,獲得心電信號所在頻段的信號,如圖6(c)所示;最后通過調(diào)節(jié)T4調(diào)試點將獲得的心電信號放大,但是在放大心電信號的同時也將干擾信號放大,因此在此環(huán)節(jié)還需要調(diào)節(jié)T1調(diào)試點,對共模干擾進行濾除。在此過程中,有可能將信號放大得太大,使之前調(diào)節(jié)的50 Hz陷波電路無法完成工頻信號的濾除,出現(xiàn)以圖6(a)所示的工頻信號為主的波形,那么需要繼續(xù)調(diào)節(jié)T3調(diào)試點對工頻信號進行濾除,最終獲得圖6(d)所示的完美心電信號。

圖6 心電測試儀硬件調(diào)試過程中的幾種信號

4.2 實驗?zāi)Ｊ蕉?/p>

在完成測試儀基本調(diào)試,并充分認識和學(xué)習(xí)心電信號監(jiān)測的每個環(huán)節(jié)后,要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容及查閱資料,對部分模擬電路模塊進行創(chuàng)新設(shè)計,并獨立完成電路的焊接及調(diào)試。學(xué)生完成的部分模擬電路模塊見圖7,比較典型的調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

圖7 學(xué)生自行設(shè)計的部分模塊

圖8 學(xué)生設(shè)計模塊調(diào)試結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的實驗用心電測試儀是基于單片機的硬件開發(fā)與面向?qū)ο蟾呒壙梢暬绦蜍浖_發(fā)的有機結(jié)合。在強噪聲背景下,電路通過人體心電夾將微弱心電信號檢測并放大,具有低漂移高共模抑制比等特點,操作簡單使用方便,滿足實際要求。該測試儀性能穩(wěn)定,在滿足正常實驗教學(xué)需求的同時還具有一定的拓展空間,通過學(xué)生自行設(shè)計電路模塊,有助于學(xué)生綜合能力的提升。

References)

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Development of ECG tester and its application in teaching

Wang Hui, Liu Sheng, Tian Kai, Zhang Bobo， Yu Lijun

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001, China)

ECG signals are weak, which involve a number of sensors and an amount of signal conversion theory knowledge during the weak signal testing. Taking human ECG as the carrier, this paper designs and develops a kind of experimental teaching ECG tester.Tester’s concept is modular design,and the signal is detected based on the introduction of external limbs’ signal.Students can design every module,and weld innovative hardware,what’s more access system to debug by themselves.Admittedly,it contributes to greatly improve the students’ ability of independent innovation and practical ability.And an ECG monitoring system was developed based on the experimental ECG tester.The system is stable and has a high common-mode rejection ratio.And man-machine interface is clear and friendly.Also,the system observes and operates easily.

ECG tester; weak signal detection; modular design; independent innovation; ECG monitoring system

2014- 06- 20

黑龍江省教學(xué)改革項目“大類培養(yǎng)體系下兩案三型四環(huán)新課堂教學(xué)模式探索”(JG2014010666)；黑龍江省教學(xué)改革項目“人本”理念下的自動化大類人才培養(yǎng)模式探索(JG2014010663)；哈爾濱工程大學(xué)教學(xué)改革項目JG2013YB19；中央高校基金項目(HEUCF041404)

王輝(1976—)，女，黑龍江肇東，博士，副教授，主要研究方向為模式識別與智能系統(tǒng)及教學(xué)研究

E-mail：wangh@hrbeu.edu.cn

于立君(1975—)，女，黑龍江安達，博士，副教授，主要研究方向為船舶控制、智能控制、教學(xué)研究.

R197.39

A

1002-4956(2015)2- 0077- 05