心电放大器的设计毕业论文Word格式.docx

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如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机（即精密的电流计）的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图（简称ECG）。

图0.1标准心电图

基本心电图如上所示，包含如下几个波段：

P波―― 

两心房除极时间

P-R间期 

―― 

心房开始除极至心室开始除极时间

QRS波群 

全心室除极的电位变化

ST段 

――心室除极刚结束尚处以缓慢复极时间

T波 

――快速心室复极时间

ECG是检查心脏情况的一个重要方法，其应用范围包括以下几个方面：

（1）分析与鉴别各种心律失常。

（2）查明冠状动脉循环障碍。

（3）指示左右房窜肥大的情况，协助判别心瓣膜病、高血压病、肺源性及先天性心脏病的诊断。

（4）了解洋地黄中毒、电解质紊乱等情况。

（5）心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。

临床上，ECG是医生诊断心脏疾病的主要依据之一。

第一章心电放大器系统概述

第一节心电放大器系统简介和基本原理

一、心电放大器总体简介

心电信号是一种十分微弱的信号，常见的心电频率一般在0—100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，大约在10uV（胎儿）～5mV（成人）之间，所需放大倍数大约为500-1000倍。

心电电极阻抗较大，一般在几十千欧以上。

在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极极化电压引起基线漂移，电源工频干扰（50Hz），肌电干扰（几百Hz以上），临床上还存在高频电刀的干扰。

电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。

电极极化电压引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此心电放大器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的RC常数电路。

由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上，而且共模抑制比（CMRR）也要在60dB以上（目前的心电图机共模抑制比一般均在89dB）。

同时要在无源、有源低通滤波器中有效地滤除与心电信号无关的高频信号，通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰的心电信号。

心电放大器在人体心电图以及各种生物信号提取中有种要的作用。

人体心电信号是微弱的生物电信号，需要较大的放大倍数和较高的共模抑制比，因此设计三运放放大电路使信号两端尽量对称，将抑制共模干扰。

另外，本设计只讨论和研究心电放大器的模块，另外若采用交流供电，为防止出现电源电流泄露对病人造成伤害，还必须在心电放大器和信号采集设备间光电隔离保护电路。

大致的电路框图如下：

图1.1心电图仪的结构图

二、心电放大器的基本参数

心电放大器的主要系统参数有，输入阻抗，输入噪声，输出阻抗。

除去系统参数外，每个部分还有其不同的衡量性能的参数，为了不显累赘将在第三章测试中一一详细介绍。

1　输入阻抗

测量方法：

接好电源，将输出接地，用万用表测量两输入端之间的阻抗，即输入阻抗。

测量结果：

测得输入阻抗大于200MΩ。

2　输入噪声

接好电路，将两输入端接，测量其输出信号幅度的大小。

系统性能最好的时候，输出信号为0.1V，反算到输入端，可得输入噪声为45uV。

3　输出阻抗

接好电路，输入小直流信号，分别测其直接输出电压和加1Ω负载后的电压输出，通过分压公式，可求得输出阻抗。

输出阻抗为0.4Ω

三、心电放大器的组成部分

本电路设计主要是由五部分构成。

1、放大电路。

其中前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性；

2、共模抑制电路。

在设计中使用了右腿驱动电路、屏蔽驱动电路，它们可以消除信号中的共模电压，提高共模抑制比，使信号输出的质量得到提高

3、低通滤波电路及时间常数电路。

常见的心电频率一般在0.05--100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度微小，大概为5mV，临床监护有用频率为0.5～30几Hz，因此设计保留40Hz以下的信号。

时间常数电路实现一阶无源高通，截止频率为0.05Hz，时间常数为3.6s。

4、工频50Hz的陷波电路。

本设计采用了双T带阻滤波电路，它能够对某一频段的信号进行滤除，用它能有效选择而对电源工频产生的50Hz的噪声进行滤除。

第二章的内容也会大致根据这几个部分划分成不同小节。

第二节心电图监测的历史与未来趋势

一、心电监测的历史

心电图（electrocardiogram，ECG）作为心血管疾病诊断中的一种重要的方法，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客观指标，在临床上得到了广泛应用。

ECG是一种重要的心电信号检测技术，它反映心脏兴奋地产生、传导和恢复过程ELECTR0NICTEST中的生物电变化。

危重患者易发生各种心律失常和不同程度心肌缺血，特别是恶性心律失常和无症状心肌缺血。

如透析治疗过程中，血液中各种成分在短期内发生很大变化，从而导致人体内环境发生很大变化，这些变化对心脏有着直接的刺激作用，造成心电发生改变。

因此，检测心电信号，及时的为医生提供信息，准确地反映心脏方面的变化，可有效地提高血液净化治疗中的安全性。

1887年，法国著名的电生理学家ADWaller应用Lippman毛细管静电计描记出人类史上第一份心电图，开创了心电图记录的先河。

1901年，荷兰生物学家莱顿大学教授WillemEmoven首次描记出比较满意的P-QRS-T波群，于1903年发明了世界上第一台采用弦线电流计和光学记录的方法制成的心电图机，记录出每个心动周期的心脏变化曲线，1912年Waller将心电变化曲线命名为“心电图"

（Electrocardiogram，ECG）。

弦线型心电流计，其结构是把极细的铂丝或镀金的石英纤维支撑在强磁场的空气隙中，当心电电流通过弦时，引起弦在磁场垂直方向上的移动，再用光学投射系统放大，投射在移动的胶卷或纸上，从而真实的记录了心电图，这种方法确定了心电图测量的标准导联。

1905年心电图正式应用到临床，从而奠定了临床心电图学的基础。

至今，心电图已经历了100多年的发展，为临床心脏疾病的，特别是心律失常的诊断做出了巨大贡献。

心电图记录技术的发展经历了模拟心电图、数字心电图和自动心电图三个阶段。

单导模拟心电图仪以单导联记录为标志，由前置放大器放大由记录电极获取的某一导联的心电图信号，再通过热笔记录系统将波形描记在记录纸上。

该方法属于人工操作，导联的切换、量程的切换以及走纸速度的切换均由人工操作实现，在一段时间内只能记录一个导联的心电图波形，各导联的波形不能同时获取。

该方法属于心电图的经典记录方法，至今仍在临床广泛应用。

数字心电图阶段以基于微处理器的多导联心电图波形同步数据采集为标志，目前有三导联同步记录和12导联同步记录两种。

其特征是导联的切换、量程的切换以及走纸速度的切换实现了数字控制，波形的记录在前置放大之后采用了数字化技术将模拟心电波形变换为数字波形，实现了心电波形的数字记录、数字存储为心电信号的自动分析奠定了基础。

自动心电图阶段以心电信号的自动处理、自动分析和自动诊断为标志，该阶段是迄今为止心电图技术的最高阶段。

自动心电图在模拟心电图、数字心电图技术的基础上，在获取了心电图数字信号的前提下，采用各种算法对信号进行预处理、特征波形（P波、QRS波、T波和ST段）识别、特征参数检测并实现心电图自动分析与自动诊断，其核心技术在于算法。

目前，算法有多种，具有代表性的算法有：

数字滤波算法、小波算法、神经网络算法、模糊控制算法、形态学算法等，早期的自动诊断算法采用某一种算法，现代自动诊断算法将多种算法加以融合取长补短，以实现高准确率的自动诊断。

目前，心电图的自动诊断技术仍处于发展阶段，由于ECG信号的变异性较大，实现高准确率的自动诊断以取代人工诊断仍然是人们最求的目标，当今自动诊断的最高水平大致在准确率70％左右。

在心电图技术不断发展的同时，针对心电图不能长时间连续看记录的缺陷，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（Ambulator，Electrocardiogram，AEGC），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、抗心律失常治疗的评价以及心律失常和生理关系的研究具有重要意义，它是常规心电图的重要补充与发展。

早期的Holter系统中，马达变速、定期保养和更换是磁带记录的一大难题，1985年后出现了固态Holter系统，它把心电信号转换成数字信号后存储在芯片上，避免了马达引起的一些问题。

目前各大、中型医院已经采用了以RAM作缓冲、磁光记录的Holter系统。

90年代以来，国外多导同步心电检测技术日趋成熟，这是心电检测系统的重大发展和进步。

进入21世纪，心电产品正向着数据检测多样化，数据处理中心化以及设备小型化等方面发展。

心电图自动诊断还未广泛普及应用于临床，从国内外目前的发展水平来看，ECG自动分析准确率还远达不到可以完全替代医生的水平，仅可以为临床医生提供辅助信息。

其主要原因是心电波形的变异性大，算法存在缺陷等。

因此，探索新的算法以提高波形识别的准确率，是提高心电图自动诊断准确率，扩大其应用范围的根本途径。

这也是相当长的时间内ECG检测与诊断技术的发展方向。

二、心电信号检测技术的发展与展望

仪器小巧化，采集同步化：

随着集成电路技术的发展，心电检测仪器趋于小型化和便携化，便携式心电监护仪，Hoter系统和心脏BP机等都代表了此发展趋势。

分析自动化：

ECG自动诊断技术应用范围并不十分广泛，主要是目前还缺乏一套完全令人满意的算法。

因此在ECG自动分析领域还需要作大量的研究工作。

信息综合化，网络化：

建立心电工作站和完善的心电检测数据库，完善心电分析内容，结合临床提供的其他信息资料进行综合化信息分析判断。

心电检测设备与互联网相连以实现心电信号的现场采集，即时传输和远程诊断将是未来发展的一个重要方向。

标准统一化：

建立国际上统一的心电信息资料传输标准，使得不同类型得心电检测设备采集的心电图信息能够相互传输和交流。

第三节本章小结

本章节主要介绍了心电放大仪器的设计思路，并着重介绍了本论文讨论的心电放大器部分的内容，基本上都是理论的简单了解。

不过从总体上来说，本论文研究的问题也更偏重于实际运用，所以本章显得略微简洁明了，只求为后续章节提供理论的依据。

第二章心电放大器方案论证及电路

第一节前置放大电路的设计

一、备选方案

前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性。

除了要求精度高稳定之外，根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：

（1）高输入阻抗。

被提取的心电信号是不稳定的高内阻的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。

一般情况下，