毕业设计《心电信号采集模块的设计与开发》.doc
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4、日 摘 要 心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计,心血管疾病是威胁 人类生命的主要疾病,世界上心脏病的死亡率仍占首位。因此,对心血管疾病 的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视,准确地进行心电信号提取,为医 生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展, 医用电子监护系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。 针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。 设计一种用于心电信号采集的电路,然后进行A/D转换,使得心电信号的频率达 到采样要求。人体的心电信号是一种低频率的微弱信号,由于心电信号直接取 自人体,所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰
5、信号。为获得含有 较小噪声的心电信号,需要对采集到的心电信号做降噪处理。目前对心电信号 的降噪有多种方法,本文主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。 关键词: 心电信号采集,降噪,A/D 转换放大,电源电路 ABSTRACT Heart disease has become the one of major disease,which does harm to human healthAccording to statistics,cardiovascular disease is the major disease of threatening human lifeThe death ra
6、te of heart disease still takes the first place around the world,so the diagnose and treatment for cardiovascular disease is paid much attention by the medical circle around the worldAccurately extracting ECG signal and providing effective method of auxiliary analyses is a very meaningful taskAlong
7、with quick development of electronics technique,Medical electron monitoring system has been applied to the clinical diagnosis in the recent years ECG signal acquisition, data conversion module design and development beyond the ECG characteristics. Design a circuit for ECG acquisition, and then do th
8、e A / D conversion, make the frequency of ECG sampling requirements to achieve. ECG signal is a low frequency signal, because ECG is taken directly from the human body, so the process of ECG acquisition inevitably mixed with a variety of interference signals. In order to obtain Low noise ECG signal,
9、 we need to do noise reduction of the collected ECG signal. Now, there are many ways to do the noise reduction of the ECG signal, this article introduce how to separate noise from signal using the filter. KEYWORDS: ECG signal acquisition, noise reduction, A / D conversion, power circuit 目 录 第一章 绪论1
10、1.1 心电信号采集和分析系统的发展历史1 1.2 心电信号采集分析系统的研究现状3 1.2.1 研究现状3 1.2.2 随身携带的便携式心电监护仪的发展现状4 1.2.3 心电远程监护系统的发展现状 5 第二章 研究基础.7 2.1 人体心电信号的产生机理7 2.2 体表心电图及心电信号的特征分析7 2.2.1 心脏电传导过程分析7 2.2.2 心电信号时域特征分析8 2.2.3 心电信号的电特性分析9 2.3 心电信号的噪声来源 9 2.4 心电电极和导联体系分析.10 2.4.1 系统电极选择 .10 2.4.2 心电信号导联体系分析.11 第三章 硬件电路设计.14 3.1 心电信号采
11、集电路的设计要求.14 3.2 心电采集电路总体框架.14 3.3 采集电路模块.16 3.3.1 前置放大电路设计 .16 3.3.3 滤波电路设计18 3.4 电平抬升电路 .20 3.5 心电信号的 50Hz 带阻滤波器设计21 3.6 A/D 转换模块电路设计 .22 3.6.1 ADC0809 简介 .22 3.6.2 ADC0809 的工作过程 .23 3.6.3 ADC0809 与单片机的接口 .24 3.7 电源电路设计 .25 3.8 本章小结.26 第四章 软件部分设计.27 4.1 开发软件 Keil C51 简介 27 4.2 软件总体设计框图.27 4.3 部分程序.
12、28 4.3.1 选择通道及启动 A/D 转换程序.28 4.3.2 检测忙碌及读写程序.29 4.3.3 设定坐标程序.29 4.3.4 画任意直线程序.30 第五章 展望与未来.32 结论 .33 致谢 .34 参考文献 .35 第一章 绪论 心脏是人体血液循环的动力泵,心脏搏动是生命存在的重要标志,心脏搏 动的节律也是人体生理状态的重要标志之一。心脏的基本活动包括电活动和机 械活动,每个心动周期都是电活动在前,机械活动在后。心电信号是心脏电活 动的一种客观表示方式,是一种典型的生物电信号,具有频率、振幅、相位、 时间差等特征要素,比其他生物电信号更易于检测,并具有一定的规律性。由 于心电
13、信号从不同方面和层次上反映了心脏的工作状态,因此在心脏疾病的临 床诊断和治疗过程中具有非常重要的参考价值。对心电信号的采集和分析一直 是生物医学工程领域研究的一个热点,是一项复杂的工程,涉及到降低噪声和 抗干扰技术,信号分析和处理技术等不同领域,也依赖于生命科学和临床医学 的研究进展1。自1903年心电图引入医学临床以来,无论是在生物医学方面, 还是在工程学方面,心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展, 并积累了相当丰富的资料。当前,心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程 界的重要研究对象之一。 1.1 心电信号采集和分析系统的发展历史 18世纪下半叶,意大利波伦亚大学的解剖和外科学
14、教授伽伐尼开始研究电 对生物组织的作用,在解剖青蛙的实验中,他注意到用电刺激青蛙的神经,会 导致其肌肉的收缩。伽伐尼认为:导致青蛙肌肉收缩的电来自动物体内,并称 其为“动物电”(animal electric)。尽管后来证明伽伐尼所发现的电并不是来 自动物的体内,但却由此认识到电可以导致生物神经冲动的传导,从而奠定了 电生理学的基础2。心电检测技术作为生物医学仪器研究的重点,它的发展与 电子技术的发展密切相关。 1887年,Willer用毛细管静电计首次描记出人体心电图波群,开创了人类 心电图记录的先河。开拓性工作的创建者是荷兰莱顿大学的生理学家 Einthoven,从改良沃勒的毛细管电流计入
15、手,对于仪器存在的反应速度慢、记 录的波动有较大误差的缺点进行了改进和校正;并对记录曲线的四个峰点做了 进一步分解和标定,采用P、Q、R、S、T标出心电图上的波峰和波谷,这一标准 一真延用至今。由于毛细管电流计记录的结果处理起来非常耗时,难以达到实 用的程度。经过数年的无数次试验,终于选中了一种直径只有0.002mm的镀银石 英丝,以取代原来笨重的线圈和反射镜,于1903年制成了弦线型心电流计,从 此将心电的记录引入到了临床3。 1932年,美国密西根大学教授Wilson根据Einthoven方程推论出肢体导联三 个电极上瞬间电位之和为0。从而创立了著名的零电位中心电端理论,建立了单 极导联记
16、录技术,并描记出单极肢体导联VL、VR、VF及单极胸前导联 V1V6。1942年,Goldberger改良了中心电位端,设计了肢体单极加压导联 aVR、aVL、aVF,使VR、VL、VF图形保持不变,而波幅增大了50,在实际工作 上使图形更加容易辨认,并由此形成了Einthovenwilson理论体系。1954年, 美国心脏学会提出用aVR、aVL、aVF代替VR、VL、VF。在此之后,国际心电学会 将三个单极加压导联、三个双极肢体导联和六个胸导联一起称之为“标准导联” ,这12导联心电图体系已经成为目前国际公认的基础,也即静态心电图。其他 心电信号技术都是在静态心电图技术的基础上发展起来的。
17、 1957年,美国物理学家Holter首创了一种用磁带记录器对正常活动状态下 的病人做长时间连续心电图记录的方法,开辟了时间全信息和环境全信息心电 记录和诊断的新领域,从而在某种程度上弥补了常规心电图的不足之处。这种 长时间连续记录的心电图称为动态心电图,它提供的长时间动态心电图记录对 心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心率失常治疗的评价以及心率失常和 生理关系的研究具有重要意义。1961年,美国最先将DCG技术应用到临床,以后 很快在发达国家得到普及。自1978年我国开始引进此项技术以来,临床应用逐 步深入,已从大医院逐步向中小医院普及,成为心血管疾病诊断领域中的实用、 高效、无创伤、安全
18、、准确及可重复性强的重要检查方法4。 在20世纪50年代以前,心电图仪的发展主要是解决了小型化和提高灵敏度 的问题。在这方面,德国的西门子和霍尔斯克公司做出了突出的贡献。50年代 中期以后,心电图仪的改进步入了一个更高的层次,即计算机化以及与其他检 测技术合成的阶段。美国在50年代首先开始研究用计算机处理心电图。1959年, 在华盛顿举行的一次关于心电图数据处理方法的会议上,鉴定了一个模拟转换 器和心电图分析的计算机程序。1960年,美国及加拿大的医疗中心相继开创了 冠心病监护病房(CCU)和加强护理病房(ICU),通过长时间的示波监护及血流动 力学监测对病人进行治疗5。但是,面对数量庞大、分
19、布环境复杂的院外患者, Holter和CCU等还是无法解决问题。20世纪70年代,美国研制成功了利用电话线 传送心电图的监测系统。TTM系统是以微机为基础的心电传输、接收和心电数据 库管理系统,通过电话线传输心电信息及计算机处理实现对病人的心电监护。 病人应用记录发射器可随时、随地通过电话线向监测中心传输心电数据,医生 根据心电信号改变和患者诉说的病情,向患者提供诊断与治疗意见,为院外心 脏病人的长期心电监测和治疗提供了方便。在此后的20多年中,TTM系统取得迅 速地发展,而且与之相对应的患者随身携带的心电监护仪也取得了很大的发展。 20世纪晚期又采用集成块代替晶体管,从而使原来庞大的心电检测
20、系统改革成 为一只精巧、美观、实用的心电仪器。 1.2 心电信号采集分析系统的研究现状 1.2.1 研究现状 随着电子与信息技术的不断发展及其在医疗系统中应用的深入,世界各地 尤其是欧美国家相继提出了心电检测设备的小型化、家用化要求和建立远程医 疗体系的设想。从1980年代开始,国外开始建立以电话线路传输心电信号的心 电图监测中心,随后又出现了以数字式电话传输心电图信号的研究。英国牛津 大学的Johnson教授采用远程监护的方法让孕妇和胎儿在放松的状态下在家中检 测血压、血氧、心电图等重要生理指标;德国的一个研究小组则通过宽带视频 通信远程监护家中老人的各种生理参数,以便在必要的时刻提供救治和
21、帮助。 进入21世纪后,美国和欧盟在20002005年期间各投入150亿美元和175亿美 元用来进行远程医疗的研究工作,与此同时,国外各大公司也纷纷跟进,进行 心电监护产品的研究开发工作;亚洲的日本在这方面也做了较大的投入,其中 SONY,东芝已有类似的监护设备上市,但都价格不菲。 国内在这方面的研究晚于西方国家,一个总的特点是起步晚,起点高。但 随着中国经济的快速发展,人们对健康的重视程度越来越高,对健康监护产品 的需求量也稳步提升,产品的应用范围从危重病人监护,发展到如今普通病房 的监护,目前,很多家庭对此也提出了一定的应用需求。国内早期在此方面研 究的一个比较典型的案例是清华大学在199
22、4年研制成功的家庭心电血压监护 网系统,该系统在病人不适时具有手动按键报警功能和类似Holter的心电图长 时间记录发送功能。 2005年6月,山东大学齐鲁医院建成了国内首家心脏远程监护中心,该中心 实行24小时监护,只要患者携带的微型发射机处于工作状态,就会将心电的异 常变化传输到该中心,监护中心便可以进行相应处理和预警。 目前,国内生产便携式心电监护设备的厂家有很多,产品也进入了实用化, 但是大多数是以OEM方式进行组装的,具有自主开发能力的较少。 总的来说,目前国内心电监护产品主要特点为:市场需求越来越大;技术 水平和产品质量在不断提高;生产厂家多,但核心技术掌握不足。随着中国经 济水平
23、的不断发展及与国际社会融入程度的不断加深,在这面有着巨大的发展 潜力。 综上所述,无论国内还是国外都对心电监护设备的研究投入了巨大的人力 与物力。伴随着电子技术的飞速发展,其前景必定相当广阔。 1.2.2 随身携带的便携式心电监护仪的发展现状 随身携带的便携式心电监护仪在我国并未能够很好的普及,究其原因,有 以下几个方面: (1)记录的心电信息极其有限,医生从中难以得到患者全面的心电信息,从 而降低了医生对疾病诊断的正确率; (2)费用较为昂贵,动辄几千乃至上万元,一般的患者难以承受; (3)实时性、体积、功耗、重量等都不尽如人意,给患者在使用过程中造成 诸多不便。 当前便携式心电图仪的设计主
24、要向智能化、系统化和集成化方向发展。目 前市面上常见的便携式心电仪多数是采用了前后端的实现方式,前端是以单片 机为核心的心电信号采集系统,后端多数采用的是处理性能较高的嵌入式微处 理器。这种处理器性能强大,它使得心电仪在心电数据采集、处理、存储和显 示等功能的基础上,还能够实现对心电数据的分析6。然而,这种心电仪在实 现多种功能的同时,也有一些缺点:结构比较复杂、功耗较大、成本也较高。 另一方面,在导联个数上,在相当长的一段时间内,心电导联系统一般仅仅具 有单导或三导联同步记录功能,市场上现在也还有很多这种产品。该类产品因 为只支持少数的导联,因而它的液晶屏幕比较小,用户观察起来很不方便,只
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