心電檢測技術(shù)在實驗教學中的應用

葛亞明， 呂淑平

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”是我校測控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動化等專業(yè)的必修課程，課程通過講述傳感器技術(shù)、信號調(diào)理電路、信號轉(zhuǎn)換電路等內(nèi)容，使學生了解檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)基本知識，和能合理選擇工業(yè)常用傳感器以及設(shè)計其專用信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路的能力。心電信號作為心臟活動在人體體表的信號比較微弱，并且存在著大量的噪聲，電路設(shè)計正確與否是得到正確心電波形的關(guān)鍵。為此，針對課程的講課重點，選擇更貼近于現(xiàn)實生活和學生自身的心電信號作為檢測對象[1]，通過放大電路、濾波電路的設(shè)計，在獲得清晰的心電波形的同時，更深入地理解相關(guān)的理論教學內(nèi)容。

1 實驗開出的目的

本著理論與實踐相結(jié)合的理念，提出將心電檢測電路設(shè)計應用到該門課程的實驗教學中?！皺z測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”理論教學為32學時[2]，實驗教學為16學時，其中基礎(chǔ)實驗教學為6學時，設(shè)計型實驗教學為10學時。信號放大技術(shù)、信號濾波技術(shù)以及信號轉(zhuǎn)換技術(shù)為該門課程的重點，心電信號檢測電路的設(shè)計涵蓋了課程的重點內(nèi)容，便于學生對理論課程的深入理解。本實驗屬于設(shè)計型實驗，原本該實驗應該由模擬電路設(shè)計和數(shù)字電路設(shè)計兩大部分組成，但考慮到成本和學生的工作量原因，只設(shè)計模擬部分，學生可以在萬用板上焊接電路，無需制作PCB板。

2 心電檢測電路設(shè)計

心電信號的頻譜范圍是0.05～100 Hz，電壓幅值為0～5 mV[3]，信號源的阻抗為數(shù)千歐到數(shù)百千歐，并且存在著大量的噪聲。因此，首先要分析心電信號的組成及其易受到的干擾[4]。由電極采集到心電信號，通過儀用放大器將微弱的心電信號放大[5]，然后再通過四階低通濾波器及工頻50 Hz陷波器濾除干擾后，最后經(jīng)光電隔離和后置放大電路對心電信號進一步放大，最終得到幅值在±5 V左右的清晰的心電波形，供AD進行轉(zhuǎn)換。學生只設(shè)計模擬部分，然后將其接到實驗室中已有的數(shù)字部分，通過串口傳送數(shù)據(jù)到計算機。

2.1 放大電路設(shè)計

由于心電信號是毫伏級的微弱信號，為了防止引入更大的噪聲，應該適度地放大心電信號，故放大電路部分包括前置放大器和后置放大器[6]。前置放大器應選用高輸入阻抗、低溫漂并且具有高共模抑制比的集成運算放大電路。在微弱信號檢測中常用儀表放大器，該放大器采用三運放結(jié)構(gòu)，采用OP07及電阻即可實現(xiàn)[7]，學生自己搭建此電路，比起市面上銷售的集成儀用放大器，性價比很高。根據(jù)式(1)計算，并結(jié)合儀用放大器的電路結(jié)構(gòu)，選擇第一級放大倍數(shù)為180倍。其差動輸入端接手臂上的兩個電極，詳細的設(shè)計電路及阻值選擇如圖1所示，圖中可調(diào)電阻R10的作用是調(diào)節(jié)零位。輸出電壓Uo計算式[8]如下：

(1)

后置放大電路(見圖2)是對濾波后的心電信號進一步放大，使心電信號的幅值達到AD轉(zhuǎn)換器需要的電壓范圍，比如AD1674，雙極性電壓輸入要求電壓在±10 V之間，那么通過后置放大電路可達到此要求。

圖1 儀用放大電路

圖2 后置放大電路

后置放大電路之前，使用了工頻50 Hz陷波器，對市電工頻干擾進行濾除，如圖3所示。需要說明的是，在整個模擬電路調(diào)試過程中，首先調(diào)節(jié)的是陷波器[9]，其電路中有可調(diào)電阻，濾除工頻干擾，然后再調(diào)節(jié)儀用放大器，這樣會很快獲得清晰的心電圖。

圖3 陷波器電路

2.2 濾波電路設(shè)計

心電信號屬于低頻信號，為了去掉高頻干擾，在儀用放大器之后，需要通過低通濾波器濾去高頻信號。低通濾波采用歸一化設(shè)計的BUTTERWOETH四階低通濾波[10]，截止頻率為100 Hz，在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度，避免高頻信號的干擾。設(shè)計的四階低通濾波電路見圖4。

圖4 四階低通濾波電路

2.3 隔離電路設(shè)計

隔離電路的作用主要是將該系統(tǒng)的模擬部分和數(shù)字部分隔離開[11]。另外，這種隔離對人體也具有一定的保護作用。隔離使用的器件為線性光電耦合器件[12]，其使用方法不同于光電開關(guān)，需調(diào)節(jié)相應的滑動變阻器將光電耦合器件的工作點調(diào)至線性區(qū)才可以正常工作。另外，這部分電路還包含了對心電信號的進一步放大，放大至8倍，此時信號的最大幅值可以達到5 V左右。隔離電路見圖5。

圖5 隔離電路

3 實驗結(jié)果分析

對設(shè)計的整個心電檢測模擬電路逐次地進行調(diào)試，調(diào)試次序是陷波器調(diào)試、儀用放大電路調(diào)試、低通濾波器調(diào)試、隔離電路調(diào)試，最后是綜合調(diào)試輸出結(jié)果，各部分波形均采用示波器顯示。

由圖6可見，儀用放大器輸出的心電波形疊加了很多干擾，是不干凈的波形，但心電圖QRS波還比較清晰。

圖7為濾波和隔離電路輸出結(jié)果，可以看出，疊加在心電波形上的雜波已經(jīng)很少，而且光電隔離器件已經(jīng)工作在線性區(qū)，如果不在線性區(qū)，此波形是不可見的。

圖6 儀用放大器輸出

圖7 濾波和隔離電路輸出

圖8為最后綜合調(diào)試各部分的可調(diào)電阻后得到的比較清晰的心電波形圖。圖9和圖10為學生自己焊接的電路實物圖。

圖8 最后的比較清晰的心電波形

圖9 學生焊接電路實物圖1

圖10 學生焊接電路實物圖2

4 結(jié)束語

本文將心電檢測技術(shù)應用于檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)課程的實驗教學中，完全涵蓋了該門課程中信號放大技術(shù)和信號濾波技術(shù)兩大教學內(nèi)容，通過各部分電路調(diào)試和對輸出波形的分析，使學生更充分地理解這兩部分理論教學內(nèi)容。學生獨立設(shè)計電路，焊接電路并調(diào)試電路，極大地鍛煉了學生的動手實踐能力。模擬電路的設(shè)計和調(diào)試是很磨煉學生嚴謹性的實踐教學活動，選擇心電為檢測對象，獲得的實驗結(jié)果更加貼近于學生自身，增強了學生創(chuàng)作的積極性。

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