心电信号采集模块的设计与开发毕业设计论文.docx

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心电信号采集模块的设计与开发毕业设计论文

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毕业论文（设计）

心电信号采集模块的设计与开发

姓名

学号

学院

专业

年级

指导教师

2010年5月30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AD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，AD转换放大，电源电路

ABSTRACT

Heartdiseaselife．Thedeathrateofbythemedicalcirclearoundtheworld．AccuratelyextractingECGsignalandprovidingeffectivemethodofauxiliaryanalysesisaverymeaningfultask．Alongwithquickdevelopmentofelectronicstechnique，Medicalelectronmonitoringsystemappliedtotheclinicaldiagnosisintherecentyears．

ECGsignalacquisition,dataconversionmoduledesignanddevelopmentbeyondtheECGcharacteristics.DesignacircuitforECGacquisition,andthendotheADconversion,makethefrequencyofECGsamplingrequirementstoachieve.ECGsignalisalowfrequencysignal,becauseECGistakendirectlyfromthebody,sotheprocessofECGacquisitioninevitablymixedwithavarietyofinterferencesignals.InordertoobtainLownoiseECGsignal,weneedtodonoisereductionofthecollectedECGsignal.Now,therearemanywaystodothenoisereductionoftheECGsignal,thisarticleintroduce,noisereduction,ADconversion,powercircuit

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”（animalelectric）。

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，建立了单极导联记录技术，并描记出单极肢体导联VL、VR、VF及单极胸前导联V1～V6。

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Einthoven—wilson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。

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、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帮助。

进入21世纪后，美国和欧盟在2000～2005年期间各投入150亿美元和17．5亿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1994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要向智能化、系