心电测试仪开发及在教学中的应用

王 辉, 刘 胜, 田 凯, 张波波， 于立君

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)



心电测试仪开发及在教学中的应用

王 辉, 刘 胜, 田 凯, 张波波， 于立君

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

心电信号属于弱信号,在弱信号检测中,包含大量传感器知识及信号转换理论。以人体心电信号为载体,设计开发了实验用心电测试仪。测试仪采用模块化设计思想,引入外界肢体信号进行检测。学生可自行独立设计每一模块,焊接后接入系统调试,极大提高了学生的自主创新能力和实践动手能力。基于心电测试仪开发的心电监测系统,工作稳定、人机交互界面清晰友好、共模抑制比高、易于观察及操作。

心电测试仪; 弱信号检测; 模块化设计; 自主创新; 心电监测系统

随着社会不断发展,人们的生活节奏加快,心脏病已成为威胁人类健康的重要因素之一。信息技术为该疾病的诊断治疗带来了新方法——心电监护系统,心电监护系统不仅为医生提供有效辅助分析手段,更为心脏病患者的日常护理提供重要的参考依据。

人体体表的心电信号,是一种低频率的微弱电压信号,在采集传输过程中容易被外界信号干扰。如何处理采集到的心电信号,使其准确无噪声是心电监护系统设计的关键。该检测系统中包含的传感器技术及典型信号调理电路的应用,有助于学生学习传感器技术及信号检测知识,让学生更好认识各种电路在实际应用中的功能和作用,将理论知识与实际有效结合。为了让学生充分认识弱信号检测的基本环节及注意事项,提高学生动手能力及创新能力,设计开发了实验用心电测试仪。

1 心电测试仪总体设计思路

本心电测试仪从对典型电路认识和独立创新两方面入手,引导学生将理论知识应用到实践中。在学生充分掌握理论知识的基础上,可以自行创新设计心电信号检测系统的基本环节,并独立动手完成电路的焊接调试,然后将设计的基本环节接入本心电测试仪实现心电信号的有效检测。

根据总体设计思路,将模块化设计思想应用到心电测试仪的设计开发中,将心电信号检测系统分成若干独立环节,且设置许多测试点,以便学生掌握整套测试仪的工作状态，实验中有利于学生将自行设计的模块串联到测试仪中。

心电测试仪主要基于单片机STC89C52和PC机进行设计开发。心电测试仪分为两大部分,一部分是硬件电路,其中模拟部分完成信号的检测及放大处理,数字部分完成模拟信号转换为数字信号,实现数据采集及与上位机传输;另一部分是软件界面实现,主要完成对心电信号的实时观察及对实验数据的存储。心电测试仪使用医用级心电夹采集体表信号,体表信号为人体脉搏的微弱电信号,其电压值约为0.01～0.03 V,很容易受到外界因素的干扰。因此选用双芯同轴屏蔽导线传输信号,参考地线使用单芯屏蔽导线,这样可以很好地抑制干扰。将模拟信号与后级采集电路在电气上实现完全隔离,可增加安全性并减小电路干扰[1]。心电测试仪总体框图见图1。

图1 系心电测试仪整体框图

2 心电测试仪硬件设计

整套测试仪设计得成功与否,取决于硬件电路设计是否合适,以及PCB制作是否得当[2]。人体心电信号的幅值一般在0.01～0.03 V之间,频率一般为0.05～100 Hz之间[3],且信号不稳定,有极强的随机性,易受到外界环境干扰;而且测试仪采用医用心电夹采集信号,各人身体状况等造成信号源阻抗也存在差异,且在心电信号中会存在肌肉信号、呼吸波信号等干扰信号。为此，对心电检测电路的设计提出了严格要求,需要从多方面综合考虑进行电路设计。

2.1 模拟信号处理部分设计

心电测试仪的模拟信号处理部分主要包含6个模块,每个模块的输入端及输出端均有外部接口,方便外部信号的采集和输出。每个模块之间没有PCB内部走线连接,学生自行设计的功能模块可通过外部导线接入系统,并与相应模块连接达到实验目的。图2为模拟部分的PCB板,相应模块用矩形框出。下面从增益、频率响应、共模抑制比、输入阻抗、噪声和漂移等方面论述每个模块的设计过程。

2.1.1 前置放大模块

通过肢体引入的心电信号具有不稳定、高内阻、信号微弱等特点,为减小信号源内阻的影响,选用高输入阻抗、拾取信号能力强、可以稳定输出信号的放大器[3-5];同时考虑人体携带的工频干扰和其他生理作用的干扰,前置放大器应该具有高共模抑制比的差动放大形式,综合考虑选用放大器电路进行放大。输入信号幅值约为0.05～25 mV,放大倍数约为150倍。调节图2中的T1调节点使电路中电阻满足对称条件,使系统具有充分大的共模抑制比。

图2 模拟部分PCB板

2.1.2 带通滤波模块

心电频率一般在0.05～100 Hz之间,能量主要集中在17 Hz附近,因此需要对0.05～100 Hz之间的信号进行保护,把这个频率带以外信号全部滤除。基于这些原因,应用2个放大器构成二阶有源高通、低通电路,使通过信号频率为0.05～100 Hz。通过示波器观察信号通频带,调节T2调试点使该通频带的心电信号幅值增大。

2.1.3 光电隔离模块

为防止电磁干扰信号与被测信号叠加而影响微小心电信号测量的准确度,本设计使用光耦隔离器件TP521对信号进行隔离。TP521将电信号转换成光信号进行信号传输,电路抗干扰能力大大增强。但由光电耦合器内部发光二极管与光敏三极管的伏安特性会导致非线性失真严重,为此本设计增加负反馈电路改善输入输出的线性度[6-7],实现了高精度的模拟信号隔离。在光耦后加电压跟随器使电路负载能力增加。

2.1.4 50 Hz陷波模块

为减少或抑制50 Hz交流电噪声干扰,经常在输入电路中加入陷波电路。在心电信号检测中,在放大电路中对50 Hz干扰进行抑制是医疗界研究的一个重要的课题[8-11]。在本测试仪中对于电源工频产生的50 Hz的噪声,采用双T带阻滤波电路[12],通过调节T3调节点,达到最佳抑制并滤除市电中50 Hz噪声的干扰。

2.1.5 后置放大模块

要观察到清晰的心电信号,需要对心电信号放大上千倍,而前置放大器增益只有100～250左右,因此后级还需要放大4～10倍左右。为此，通过调整T4调节点进一步放大采集信号,使其调整到5V左右。

2.1.6 电源模块

在整套测试仪中,由于各器件所需电压不同,需要设计多个电压转换挡位。即需要为放大器OP07、AD1674提供±12 V工作电压,为光耦TLP521提供±9 V电压，为51单片机、MAX232提供+5 V电压。另外,为防止电压干扰,采用多电源供电模式,光耦隔离前级电路的运算放大器U2、U3、U4、U7、U8、U9采用转换电源VAR1212D供电,而光电隔离后级电路外部±12 V供电,从而保证光耦隔离电路的前后级无任何电联系。

2.2 数据采集部分设计

数据采集部分的主要任务是从模拟电路中获得心电信号,再将心电信号转化为计算机所能识别和处理的数字信号,即在本系统中计算机获得心电信号。

基于数据采集的速度和精度以及数据传输速度的考虑,本测试仪信号转换采用12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片AD1674;主控模块选用超强抗干扰的STC89C52RC单片机;数据传输选用RS232。图3为数字电路PCB板。在PCB板上已用矩形划出数字部分包含的主要模块。

图3 数字部分PCB板

3 系统软件设计

整个软件设计流程如图4所示,可以将整个系统软件分为上位机软件部分和单片机软件部分。

图4 系统软件设计流程图

3.1 单片机软件部分设计

单片机软件部分设计按照模块化的设计原则进行。该部分软件总体上可分为4大模块,分别是主程序、数据采集、数字滤波[6]及RS232通信程序。4大模块由许多功能相对独立的子程序构成,方便程序的编写与调试。

3.2 上位机软件部分设计

此部分主要包含人际交互界面的开发和数据采集及显示存储数据两部分。界面的主要功能是采集心电模拟电路部分输出的数据,通过串口传送给上位机,实现数据图形化。上位机系统界面如图5所示。

图5 上位机系统界面

4 心电测试仪在教学中的应用

在“检测与转换技术”理论教学中,分析了心电信号的测试原理,通过实验教学环节进行进一步验证与创新性设计。

基于心电测试仪的实验有两种模式:一是验证性实验,在充分认识每个模块功能的基础上,通过接线与调试硬件电路,调试出波形较好的心电信号,然后将测试仪与上位机相连,在上位机界面上采集心电信号并存储；二是创新性设计实验,学生根据心电测试的要求,自行设计模块并串接到测试仪中,替代测试仪中相应的模块,并调试、分析自己设计电路的优缺点或者存在的问题。

4.1 实验模式一

在实验初始,首先对心电信号监测电路知识和测试仪包含的器件有清楚的认识,明确测试仪的使用方法。

(1) 接线。按实验要求接线,连接各实验模块时注意几组电源的位置及信号引入和输出的位置。为了方便学生将自己设计的模块串联到测试仪进行调试,在测试仪上提供电压输出端,因此在接线的过程中,首先需要注意外部电压的接入端是否正确。

(2) 心电信号引入。在完成测试仪线路连接后,需要将人体体表心电信号接入到测试仪中,选用医用级心电夹对信号的采集,但是考虑外部环境对心电信号的干扰,选用双芯同轴屏蔽导线将心电信号导入测试仪中,同时为了尽可能降低干扰,将左右手和脚引导线的屏蔽层连接在一起并与脚上信号一起作为参考地信号引入测试仪。

(3) 硬件调试。通过对调试方法的总结,获得方便快捷的调试方法。首先进行工频滤波,即通过调试T3调试点将图6(a)显示的市电的工频干扰进行滤除,获得如图6(b)所示获得的没有工频干扰的信号;其次进行带通滤波,即通过调节T2调试点,获得心电信号所在频段的信号,如图6(c)所示;最后通过调节T4调试点将获得的心电信号放大,但是在放大心电信号的同时也将干扰信号放大,因此在此环节还需要调节T1调试点,对共模干扰进行滤除。在此过程中,有可能将信号放大得太大,使之前调节的50 Hz陷波电路无法完成工频信号的滤除,出现以图6(a)所示的工频信号为主的波形,那么需要继续调节T3调试点对工频信号进行滤除,最终获得图6(d)所示的完美心电信号。

图6 心电测试仪硬件调试过程中的几种信号

4.2 实验模式二

在完成测试仪基本调试,并充分认识和学习心电信号监测的每个环节后,要求学生根据所学内容及查阅资料,对部分模拟电路模块进行创新设计,并独立完成电路的焊接及调试。学生完成的部分模拟电路模块见图7,比较典型的调试结果如图8所示。

图7 学生自行设计的部分模块

图8 学生设计模块调试结果图

5 结束语

本文开发的实验用心电测试仪是基于单片机的硬件开发与面向对象高级可视化程序软件开发的有机结合。在强噪声背景下,电路通过人体心电夹将微弱心电信号检测并放大,具有低漂移高共模抑制比等特点,操作简单使用方便,满足实际要求。该测试仪性能稳定,在满足正常实验教学需求的同时还具有一定的拓展空间,通过学生自行设计电路模块,有助于学生综合能力的提升。

References)

[1] 唐金元,王翠珍,于潞.微小电压测量放大电路的抗共模噪声设计方法[J].中国测试,2012(4):83-85,109.

[2] 余学飞.现代医学电子仪器原理与设计[M].2版.广州:华南理工大学出版社,2007.

[3] 殷铸灵,许良军.小信号放大电路的噪声分析[J].机电元件,2011(6):18-21.

[4] 成清清.实时心电采集及分析系统的研究与实现[D].南京:南京邮电大学,2013.

[5] 董红生.心电波形检测与心率变异性分析方法研究[D].兰州:兰州理工大学,2012.

[6] 张雄星,王超,陈超,等.线性光电隔离电路的设计[J].现代电子技术,2010(24):189-190.

[7] 叶克江.基于光电耦合器的线性隔离方法及电路[J].现代电子技术,2011(3):188-190.

[8] 牛传莉.心电信号预处理和波形检测算法的研究[D].北京:北京交通大学,2009.

[9] 江峰,管庶安,孙莉红.一种抑制心电信号50Hz工频干扰的新方法[J].武汉工业学院学报,2012(1):55-58.

[10] 孙九菊,郭峰林,杨茜.一种滤除心电信号50Hz工频干扰的算法[J].武汉工业学院学报,2012(2):62-64.

[11] 周立波,梅大成,侯小凤,等.心电采集电路的设计与实现[J].信息技术,2011(10):130-132,135.

[12] 王立会,潘冬明.一种消除心电信号中工频干扰的陷波器设计[J].医疗设备信息,2007(7):18-20.

Development of ECG tester and its application in teaching

Wang Hui, Liu Sheng, Tian Kai, Zhang Bobo， Yu Lijun

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001, China)

ECG signals are weak, which involve a number of sensors and an amount of signal conversion theory knowledge during the weak signal testing. Taking human ECG as the carrier, this paper designs and develops a kind of experimental teaching ECG tester.Tester’s concept is modular design,and the signal is detected based on the introduction of external limbs’ signal.Students can design every module,and weld innovative hardware,what’s more access system to debug by themselves.Admittedly,it contributes to greatly improve the students’ ability of independent innovation and practical ability.And an ECG monitoring system was developed based on the experimental ECG tester.The system is stable and has a high common-mode rejection ratio.And man-machine interface is clear and friendly.Also,the system observes and operates easily.

ECG tester; weak signal detection; modular design; independent innovation; ECG monitoring system

2014- 06- 20

黑龙江省教学改革项目“大类培养体系下两案三型四环新课堂教学模式探索”(JG2014010666)；黑龙江省教学改革项目“人本”理念下的自动化大类人才培养模式探索(JG2014010663)；哈尔滨工程大学教学改革项目JG2013YB19；中央高校基金项目(HEUCF041404)

王辉(1976—)，女，黑龙江肇东，博士，副教授，主要研究方向为模式识别与智能系统及教学研究

E-mail：wangh@hrbeu.edu.cn

于立君(1975—)，女，黑龙江安达，博士，副教授，主要研究方向为船舶控制、智能控制、教学研究.

R197.39

A

1002-4956(2015)2- 0077- 05