開放式心電圖機(jī)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)

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，以便為學(xué)生掌握心電圖機(jī)維修技能提供幫助。

1 系統(tǒng)總體框圖

設(shè)計(jì) 印刷電路 板 （Printed Circuit Board，PCB）時(shí)在每個(gè)典型模塊的信號輸入輸出聯(lián)接都采用跳線方式，并留有測試點(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。由于心電信號是弱信號，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的選取。同時(shí)，在工作過程中信號很容易受到50Hz的工頻干擾，所以首先將信號通過一個(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

2 具體單元電路設(shè)計(jì)

2.1 輸入保護(hù)及緩沖放大電路

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，然后接到放大器OPA4277同相端，其作為電壓跟隨器將信號送下一級處理。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，對信號衰減很小。當(dāng)有強(qiáng)干擾信號 （＞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，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

2.2 右腿驅(qū)動(dòng)電路及屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路

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，這樣會在心電檢測時(shí)對信號形成交流干擾，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INRF從前級放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋干擾信號，并將反饋信號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稱，這樣部分以共模形式存在的干擾噪聲會以差模信號的方式進(jìn)入放大器，而放大器對差模信號的放大能力很強(qiáng)，最終導(dǎo)致信號發(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

2.3 導(dǎo)聯(lián)選擇電路

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，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。

2.4 前置放大電路

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?；谏鲜鲈颍碾娦盘柗糯笃鞯那爸眉壌蠖嗖捎貌顒?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

2.5 濾波電路

心電信號直接取自人體，在心電采集的過程中不可避免地會混入一些干擾信號。由于人體心電信號是一種低頻率弱小信號，為了減少噪聲對心電信號的影響，需要對采集到的心電信號進(jìn)行降噪處理。常規(guī)心電信號的頻帶范圍是0.05～100Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號的主要能量成分。正常心電信號為mV級信號，對于干擾環(huán)境而言屬于微弱小信號。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的有用成分從采集到的信號中分離出來。濾波電路圖如圖7所示。

2.6 50Hz陷波電路

生物電信號尤其是心電信號的頻率主要集中在低頻段0.05～100Hz范圍內(nèi)，信號幅值在10μV～4mV之間，且信號的源阻抗較高，因而容易受外界信號尤其是市電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。

2.7 1mV定標(biāo)電路及1.25V基準(zhǔn)電路

1）1mV定標(biāo)電路 該電路的作用是產(chǎn)生1mv定標(biāo)信號，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 心電信號幅值大約在10μV～4mV之間，該系統(tǒng)中心電信號經(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范圍內(nèi)，此時(shí)已消除心電信號中的負(fù)值部分，這樣輸出信號即可傳入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

2.8 MCU電路的設(shè)計(jì)

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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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。②A／D轉(zhuǎn)換中斷程序。通過對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)。

4 結(jié) 語

在查閱國內(nèi)外心電檢測技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了心電圖機(jī)教學(xué)平臺。該教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，受得了師生的好評。在下一步研究中，還可以在以下方面對該教學(xué)平臺加以改進(jìn)：①添加上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)庫存儲程序及心電信號分析程序。②采用無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線采集。

［1］孟麗婭 .心電信號實(shí)時(shí)檢測方法的研究 ［D］.重慶：重慶大學(xué)，2002.

［2］林家瑞 .微機(jī)式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì) ［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

［3］劉克球 .生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) ［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1988.

［4］周淑閣 .模擬電子技術(shù) ［M］.北京：高等教育出版社，2004.