基于虚拟仪器的心电仪

1 引言

心脏病是严重威胁人类健康和生命的最主要疾病。心电仪可以获取患者的心电信息，从而发现基中的异常情况，采取相应的处理措施，是降低心脏病死亡率的有效手段之一。

心电图是在身体表面间接记录出来的心脏的电信号变化，心电信号但基本上都包括一个P波、一个QRS波群和一个T波，有时在T波后，还会出现一个小的U波，典型的心电波形见图1。人体心电信号的频率范围是0.5-100Hz，主要频率分量集中在0.5- 20Hz。电压为1mV,信号易受到干扰。心电信号等效内阻为30千欧，但经常发生变化。

图1 心电图波形

本项目所研究的心电仪由便携式心电采集模块与心电处理模块两大部分组成。便携式心电采集模块主要完成对心电信号的调理、采集和发送。心电处理模块主要用来接收、分析、存储、处理心电波形。

本项目的心电数据采集、传输的设计应用了当前己经比较成熟的单片机技术，在硬件上充分保证了整个系统的可靠性。而计算机软件采用了虚拟仪器技术。这就使整个设计更加突出仪器智能化，模块化，灵活化。采用单片机技术与虚拟仪器技术相结合，设计出操作简单，测试可靠，界面灵活，尤其适合于快速开发时的测试系统。心电仪总框图如图2所示。

图2 系统框图

2 信号处理及采集

硬件主要是进行信号处理、采集及发送。系统通过贴在人体表面的电极，将心电信号采集过来，经放大后通过无线模块发送到PC机，让PC进行显示及处理。硬件系统框图如图3所示。

图3 硬件系统框图

2.1 前置放大器的设计

心电信号属于低频的小信号，为了对心电信号进行各种处理、记录、显示，必须先将把信号放大到所要求的幅度。根据心电信号的特点，在选择信号放大器时，必须考虑以下几个参数：

高输入阻抗。心电信号源是高内阻的微弱信号源，通过电极提取由于极化特性又呈现不稳定的高内阻源特点。且源阻抗不稳定使放大器电压基线不稳定。所以输入阻抗要足够的高共模抑制比。由于人体活动在工频电源的环境中，为了抑制人体所携带的工频干扰，须用差动放大形式，因此CMRR值是放大器的主要指标。心电放大器的CMRR值一般要求60dB-80dB，高性能放大器的CMRR达l00dB。

低噪声、低漂移。由于心电信号仅在毫伏数量级，是低频心电信号，而且信号源为高阻抗，所以电路往往会产生漂移及一些热噪声。

考虑到以上各个方面的因素，选用AD620作为前置放大器，它的输入阻抗大，噪声低，漂移小。放大倍数取为10，这时的CMRR为93dB，这样共模抑制比较符合要求。前置电路如图4。

图4 前置放大电路

为了进一步提高共模抑制比，电路中采用了右腿驱动电路，如图5所示，由TL064以及R220, R221, R211, R223构成。人的共模电压被两个阻值相等的电阻R220检出，经辅助的反相放大器TL064放大后，反馈到右腿。人体的位移电流不再流入地而是流向辅助放大器的输出端。结果使得共模电压降低。

图5 右腿驱动电路

2.2 后级放大电路

后级放大电路由U16D和C36，R105，R107,R104组成，其放大倍数由R107,R104决定，即G= R107/R104。后级放大的倍率设计为20倍。

2.3 高通滤波器

为了抑制直流漂移、放大器通带外的低频噪声及由呼吸引起的基线漂移，设计了一个简单的RC高通滤波器用来滤除以上所提到的各种低频噪声，如图6所示，此滤波器是由R105和C36构成。滤波器的时间常数t=RC=2S，高通滤波器的截止频率为:

这个频率符合心电信号的频率范围。

图6 后级放大电路

2.4 低通滤波器

由于心电信号在150Hz以下，为了消除各种高频干扰，使用了低通滤波器。滤波器的截止频率为: