开放式心电图机教学平台的设计

2013-08-11张喜红王玉香亳州职业技术学院电子与电气工程系安徽亳州236800

长江大学学报(自科版) 2013年34期

张喜红，王玉香（亳州职业技术学院电子与电气工程系，安徽亳州236800）

心电图机维修是医用电子仪器与维护专业的学生必须掌握的重要技能之一，但目前大多数医学院校对此项技能的教学以理论为主，即便是一些经济条件相对较好的院校也只是采用心电图机成品进行教学。由于心电图机成品技术资料的保密性，使学生不能很好地掌握其工作原理，因而导致教学效果不佳［1］。针对上述情况，笔者设计了一种开放式心电图机教学平台，以便为学生掌握心电图机维修技能提供帮助。

1 系统总体框图

设计印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）时在每个典型模块的信号输入输出联接都采用跳线方式，并留有测试点，以便满足分模块教学的需求。同时还在一些故障多发模块处设有故障点。心电信号经心电电极采样，输入到缓冲放大电路完成阻抗变换，接着由威尔逊网络与导联选择电路在MCU （微控制单元）的控制下完成导联选择，再送入前置放大电路进行初次放大。由于心电信号是弱信号，其易受到干扰，所以由高通滤波器和低通滤波器组成的一个带通滤波器来完成心电信号的选取。同时，在工作过程中信号很容易受到50Hz的工频干扰，所以首先将信号通过一个50Hz的陷波器，然后输入到主放大电路和MCU（ADuC7020）。MCU内置的A／D器件可完成信号的采集，同时完成心率的计算，最后将计算结果与采样数据通过串口总线送入上位机示波器来显示心电图。此外，为了消除各种干扰，还设计了右腿驱动电路与屏蔽层驱动电路。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 具体单元电路设计

2.1 输入保护及缓冲放大电路

缓冲放大电路是心电采集输入电路的一个重要部分，提高放大器的输入阻抗和降低输入噪声［2］。输入保护及缓冲放大电路设计如图2所示。心电电极采集到的信号经过R1、C3、R2和C4组成的低通滤波器，先滤掉大约2kHz频率的干扰信号，然后接到放大器OPA4277同相端，其作为电压跟随器将信号送下一级处理。F1是耐压70V的氖管，接在导联插座和平衡电阻之间，起到高压去颤保护作用。从导联输入的高压去颤时电压可达5000V，通过放电管（氖泡）的气体放电，作为电压限幅器限制输入信号电压在70V左右。二极管D1（1N4001）、D2（1N4001）反并联跨接在缓冲放大器的输入输出端。在正常工作时，心电信号只有几毫伏，二极管不导通，电路的输入阻抗取决于缓冲放大器的输入阻抗，由于U1是电压跟随器，输入阻抗很高，对信号衰减很小。当有强干扰信号（＞0.6V）时，二极管导通，此时的输入阻抗主要由威尔逊网络的输入阻抗决定。由于威尔逊网络的输入阻抗很低，干扰信号在电极与皮肤接触电阻、平衡电阻和威尔逊网络之间分压，使得在威尔逊网络上分得的电压降很小，从而起到了强干扰保护作用。输入缓冲放大器是输入电路中的一个重要部分，各电极引入信号，必须通过各自的缓冲放大器后才能传输到威尔逊网络。系统中放大器选用高精度运算放大器OPA4277，其超低失调电压10μV、偏置电流最大为lnA。缓冲放大器的集成电路OPA4277是一种具有高输入阻抗低输出阻抗的电压跟随器，采用同相放大器的电路形式，具有输入阻抗高（一般大于10MΩ）、输出阻抗低的特点。缓冲器的输入电流小，一般小于10μA，噪声很小，各缓冲器增益为1的阻抗变换器起隔离作用，将人体和电阻网络隔离，尽量减少由于电极接触电阻的不平衡而产生的波形失真。

图2 输入保护及缓冲放大电路图

2.2 右腿驱动电路及屏蔽层驱动电路

1）右腿驱动电路在通常情况下，外部环境的共模干扰可通过各种渠道进入人体，这样会在心电检测时对信号形成交流干扰，该交流干扰一般在几伏以上，为此采用右腿驱动电路消除这种干扰。右腿驱动电路如图3所示。输入信号INRF从前级放大电路的增益调节电阻处提取反馈干扰信号，并将反馈信号输入反相放大器的负端，放大后接到人体右腿，这样可以大大降低人体共模电压的影响，其中D3、D4用于限制输出幅度。

2）屏蔽层驱动电路尽管大部分噪声以共模形式存在于人体，但由于元器件不可能完全对称，这样部分以共模形式存在的干扰噪声会以差模信号的方式进入放大器，而放大器对差模信号的放大能力很强，最终导致信号发生畸变［3－4］。为此，采用屏蔽层驱动电路解决上述问题（见图4）。该电路设置在导联屏蔽线和威尔逊网络中心点之间，这样可以减少导联芯线和屏蔽线之间的泄漏电流，提高输入阻抗和共模抑制比。此外，利用屏蔽线驱动电路不但能使屏蔽线通过U102接地，而且可以有效提高交流输入阻抗，从而改善了抗干扰性能。

图3 右腿驱动电路图

图4 屏蔽线驱动电路图

2.3 导联选择电路

导联选择电路图如图5所示。由ADuC7020的I／O口控制2个ADG658八选一模拟开关的选通路线控制引脚（A2、A1、A0），将来自威尔逊网络的电极输入信号，按导联要求两两组合来实现各种导联方式。导联选择的真值表如表1所示。

2.4 前置放大电路

前置放大电路是系统设计的关键。由于人体心电信号具有幅值小、频率低、易受干扰、不稳定、随机性强等特点，因而对前置放大电路的设计提出了严格要求，尤其是心电信号放大器的选择十分重要。选择放大器时需要从增益、频率响应、输入阻抗、共模抑制比、噪声、漂移等方面加以综合考虑。基于上述原因，心电信号放大器的前置级大多采用差动放大电路结构，其中使用最普遍的是同相并联差动放大电路，可以选用AD公司的仪表放大器AD8221作为心电信号前置放大器的核心器件。前置放大电路如图6所示。

表1 导联选择的真值表

图5 导联选择电路图

图6 前置放大电路图

2.5 滤波电路

心电信号直接取自人体，在心电采集的过程中不可避免地会混入一些干扰信号。由于人体心电信号是一种低频率弱小信号，为了减少噪声对心电信号的影响，需要对采集到的心电信号进行降噪处理。常规心电信号的频带范围是0.05～100Hz，在此频带范围内包含了心电信号的主要能量成分。正常心电信号为mV级信号，对于干扰环境而言属于微弱小信号。因此，设计了通带频率为0.05～100Hz的滤波电路，这样可以将心电信号的有用成分从采集到的信号中分离出来。滤波电路图如图7所示。

2.6 50Hz陷波电路

生物电信号尤其是心电信号的频率主要集中在低频段0.05～100Hz范围内，信号幅值在10μV～4mV之间，且信号的源阻抗较高，因而容易受外界信号尤其是市电50Hz工频的干扰。为此，采用“双T带阻滤波”电路解决上述问题，即利用等容值的双电容并联代替普通的单电容，使其在容值上更加匹配。50Hz工频陷波电路如图8所示。

2.7 1mV定标电路及1.25V基准电路

1）1mV定标电路该电路的作用是产生1mv定标信号，以便为描记心电波作幅度定标，并检查、校正放大器的工作状态（放大倍数、线性和时间常数等）（见图9）。从ADUC7020处理器中得到2.5V电压，通过R26、R292个电阻进行分压得到1mV定标电压，并通过ADG719控制产生2Hz的方波。

2）1.25V基准电路心电信号幅值大约在10μV～4mV之间，该系统中心电信号经前置放大器放大6倍左右。采用MCU （ADuC7020）内置的A／D转换器来完成采样，其输入电压范围是0～2.5V，由于采取电平抬升电路，将1.25V作为中间参考值，所以放大后的心电信号叠加参考电压为0.25～2.45V，正好位于A／D转换器的模拟输入信号范围内，此时已消除心电信号中的负值部分，这样输出信号即可传入A／D转换器进行转换（见图10）。

图7 滤波电路图

图8 50Hz陷波电路图

2.8 MCU电路的设计

图9 1mV定标电路图

图10 1.25V基准电路图

MCU 单元采用ADuC7020控制芯片设计，其为ADI公司基于ARM7TDMI 32bit RISC内核的精密模拟微控制器，集成了5通道12位的ADC（1MSPS）、4通道12位缓冲的DAC、电压比较器、62Kbytes Flash ROM和8Kbytes SRAM，最高处理能力达40MIPS。其模拟外设包括多达10通道的采样率为1MSPS、分辨率为12bit的精密模数转换器（ADC）、一个温漂优于10ppm／℃的精密带隙基准电压源。其他外设包括片内可编程逻辑阵列（PLA）、同步和异步串行接口等。串行接口包括UART、SPI和2个I2C，以及用于下载／调试的JTAG端口、4个定时器和14个通用I／O引脚。

3 系统软件设计

系统软件主要包括ADuC7020处理器下位机软件和上位机示波软件两部分。以ADuC7020处理器下位机软件为例，其程序设计主要包括如下内容：①串口中断程序。该程序主要实现接收上位机发来的导联选择命令与模式选择命令，并通过与相应的I／O口线完成导联与模式变换，然后向上位机发送应答信号。②A／D转换中断程序。通过对ADuC7020编程，实现定时器定时5ms触发A／D转换中断一次，从而实现符合最低采样频率200Hz的数据采集。每进入一次A／D中断，将所采集到的12位数据按设定的算法完成心率计算，最终将12位数据分解为高、低2字节数据，连同心率打包组合为一帧数据并通过串口发送给上位机。