心電檢測技術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)

“檢測與轉換技術”是我校測控技術與儀器、電氣工程及其自動化等專業的必修課程，課程通過講述傳感器技術、信號調理電路、信號轉換電路等內容，使學生了解檢測與轉換技術基本知識，和能合理選擇工業常用傳感器以及設計其專用信號轉換調理電路的能力。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，電路設計正確與否是得到正確心電波形的關鍵。為此，針對課程的講課重點，選擇更貼近于現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、濾波電路的設計，在獲得清晰的心電波形的同時，更深入地理解相關的理論教學內容。

1 實驗開出的目的

本著理論與實踐相結合的理念，提出將心電檢測電路設計應用到該門課程的實驗教學中。“檢測與轉換技術”理論教學為32學時[2]，實驗教學為16學時，其中基礎實驗教學為6學時，設計型實驗教學為10學時。信號放大技術、信號濾波技術以及信號轉換技術為該門課程的重點，心電信號檢測電路的設計涵蓋了課程的重點內容，便于學生對理論課程的深入理解。本實驗屬于設計型實驗，原本該實驗應該由模擬電路設計和數字電路設計兩大部分組成，但考慮到成本和學生的工作量原因，只設計模擬部分，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]，信號源的阻抗為數千歐到數百千歐，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進行轉換。學生只設計模擬部分，然后將其接到實驗室中已有的數字部分，通過串口傳送數據到計算機。

2.1 放大電路設計

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構，采用OP07及電阻即可實現[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。根據式(1)計算，并結合儀用放大器的電路結構，選擇第一級放大倍數為180倍。其差動輸入端接手臂上的兩個電極，詳細的設計電路及阻值選擇如圖1所示，圖中可調電阻R10的作用是調節零位。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，在整個模擬電路調試過程中，首先調節的是陷波器[9]，其電路中有可調電阻，濾除工頻干擾，然后再調節儀用放大器，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計的BUTTERWOETH四階低通濾波[10]，截止頻率為100 Hz，在頻率轉折處有足夠的陡度，避免高頻信號的干擾。設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 隔離電路設計

隔離電路的作用主要是將該系統的模擬部分和數字部分隔離開[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，需調節相應的滑動變阻器將光電耦合器件的工作點調至線性區才可以正常工作。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 實驗結果分析

對設計的整個心電檢測模擬電路逐次地進行調試，調試次序是陷波器調試、儀用放大電路調試、低通濾波器調試、隔離電路調試，最后是綜合調試輸出結果，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果，可以看出，疊加在心電波形上的雜波已經很少，而且光電隔離器件已經工作在線性區，如果不在線性區，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為最后綜合調試各部分的可調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 結束語

本文將心電檢測技術應用于檢測與轉換技術課程的實驗教學中，完全涵蓋了該門課程中信號放大技術和信號濾波技術兩大教學內容，通過各部分電路調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容。學生獨立設計電路，焊接電路并調試電路，極大地鍛煉了學生的動手實踐能力。模擬電路的設計和調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，獲得的實驗結果更加貼近于學生自身，增強了學生創作的積極性。

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