心电信号处理系统的设计与实现大学毕业设计论文.docx

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心电信号处理系统的设计与实现大学毕业设计论文

心电信号处理系统的设计与实现

摘要

系统的研究心电信号处理对疾病的早期预测及家庭医疗保健具有十分重要的意义，一直是生物医学工程领域的研究热点。

心血管疾病是人类生命的最主要威胁之一，而心电（Electrocardiogram），ECG信号是诊断心血管疾病的主要依据，心电信号是心脏电生理活动在体表的表现，提供了心脏功能等生理状况的有重要价值的临床医学信息，是临床心脏病诊断的基础。

因此，设计心电信号处理系统具有重要意义。

本论文分析了国内外心电信号处理仪发展现状和趋势，介绍了设计过程中所涉及到的相关概念及资料。

整个前置级电路由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。

系统采用三运放组成的前置放大电路进行心电信号的初步放大，使用模拟低通和模拟高通组成的模拟带通滤波器对干扰信号加以滤除，同时使用陷波器对50Hz的工频干扰进一步滤除，得到比较纯净的心电信号，再对其实施A/D转换，通过单片机处理系统最终将检测结果用LCD显示出来。

关键词:

心电信号处理，放大，滤波，虚拟仪器

ECGSIGNALPROCESSINGSYSTEM

TheresearchofportableECGmanager,whichhasalwaysbeenthehotspotbiomedicalengineering,hassignificantmeaningfortheearly-stagepredictionofcardiovasculardiseaseandfamilymedicalhealthcare.Currently,withthedevelopmentofelectronic,communicativeandsoftwaretechnique,theECGmanagerhasgreatpromotiononsize,powerconsumption,anddatastorageanddatatransmission.Thepropertyandqualityofmedicalproductionshavegreatinfluenceonthelifesecurityofthepatients;therefore,researchesofrelatedtopicsbecomequiteimportantinmeaning.

ThispaperanalysesthecurrentsituationandtrendofthedevelopmentofECGmanagerdomesticallyandinternationally，introducedtherelativelyconceptandmaterialsinvolvedintheprocess.InadditionuseofthecompositionofthethreeopamppreampcircuittoenlargetheinitialECG,wealsouseanaloglow-passandanaloghigh-passanalogfilterjustlikecomponentsband-passtofilteroutsignalinterference,whiletheuseofactivenotchfilterfrequencyof50Hzcanfurtherfiltoutinterference,gettingamorepureECGsignal.AndthenthroughtheimplementationofA/Dconversion,single-chipprocessingsystem,thefinaltestresultswillbedisplayedbyLCD.TheECGanalyzerhasgoodcharacteristicssuchaslow-power,portableandreal-timeandsoon.

KEYWORDS:

ECGmanager,amplification,filtering,virtualinstrument

目录

1.1背景介绍1

1.2相关概念2

1.2.1心电信号的基本特征2

1.2.2心电信号处理仪的生物学基础3

1.2.3心电导联4

2.1概念及特点5

2.2虚拟仪器的构成5

2.3Proteus简介6

3.1总体设计思路8

3.2导联方式8

3.3前置放大电路8

3.3.1模块分析8

3.3.2电路实现9

3.3.3仪用放大器实现11

3.4滤波电路14

3.4.1模块分析14

3.4.2分块电路实现14

3.4.3放大滤波电路整体效果图17

3.5A/D转换模块18

3.5.1ADC0809引脚功能18

3.5.2A/D转换的主要技术指标19

3.5.3MCS-51系列单片机与ADC0809接口20

3.5.4A/D转换程序21

4心电信号分析方法22

4.1时域分析22

4.2频域分析22

4.3自相关函数分析22

1绪论

1.1背景介绍

心脏类疾病（如心肌梗死、心肌缺血、心房扑动和室性心动过速等）的发病具有突发性、高危险性的特点，不少患者在发病时没有任何症状，因此有必要设计一种能随身携带、长时间检测并实时分析病人心电信号的、具有报警功能的心电信号处理仪，以满足家庭保健的需要。

随着电子技术的迅速发展，大量微功耗、高精度器件的出现为便携式低功耗心电信号处理仪的设计带来了方便，特别是低功耗、大容量Flash单片机和计算能力强的ARM、DSP处理器的出现，使得心电信号处理仪能够同时具有低功耗和实时分析的特性成为可能[1]。

随着电子技术及软件技术的发展，心电信号处理仪在体积、功耗、自动分析方也有了长足发展。

20世纪70年代中期，记录器更趋于小型化，记录时间更长（24-48h），回放系统开始采用自动分析程序，能够准确计算心率、异位心搏和段改变。

20世纪80年代中后期，随着微型计算机和微处理器的应用，开始出具有实时分析功能的多通道多功能磁介记录器，且回放系统使用了计算机，使分析运算的准确性和速度均显著提升。

打印系统已普遍采用激光打印机，从而使分析报告和图形日趋完善。

20世纪90年代后，运用大规模集成电路、大容量固态数码记录等全新技使信号采集与数据分析质量方面得到极大改进，尤其是电子介质存储器的发展，已多采用闪光卡、电子硬盘，具有体积小、佩戴舒适、存储量大、心波形保真度高等特点。

近些年来，在心电信息处理方式方面由模拟式心电图机向智能化心电图机转变，目前在临床得到广泛应用的智能化心电图机是一种随身携带的记录仪，可连续检测人体24-72小时的心电变化。

经过50年的发展，动态心电图仪已经成为临床上一种不可缺少的医用电子仪器，它的主要价值在于发现并记录在通常短暂心电图检查是不易发现的、日常活动时发生的心图异常，为临床诊断提供依据。

其具有以下特点:

1、可随身携带，不受检测距离、体位变化及活动的影响。

2、信息量远远大于常规心电图，尤其对短暂性心律失常的捕捉及一过性肌缺血的检出有独到之处。

3、选择导联不能影响日常活动和防止由这种活动所产生的伪差和干扰。

4、分析系统不仅可分析显示监测期内心搏总数、最高心率、最低心率、平均心率和每小时平均心率，并能自动分析和测量每小时室上性、室性期前收缩，室上性和室性心动过速的次数、程度和形态以及持续时间，房室传导阻滞、心脏停搏的情况及P-R间期、QRS波群、ST-T变化的轨迹图、趋势图及全览图等，其结果可用不同方式输出，为临床提供有价值的资料。

目前，国内外临床应用的主要是3导联和12导联心电图仪。

近年来，第5-6代3导联心电仪和第2-3代12导联心电仪，不仅硬件先进，软件设计合理，而且自动分析功能越来越强大、全面。

除具有心率变异性、Q-T间期、Q-T离散度心室晚电位分析外，还具有T波分析、动态血压同步检测、心电监护和起搏分析等功能。

如Mortar公司的12导联心电图仪，ST段分析精确达到μV级，独有的ST与HRV相关分析与动态血压同步测定等，同时以人体工程学原理，用防弹衣材料制成树枝状“藤蔓式”12导联线，软件中房扑及房颤分析功能获得FDA认可；美国DMS公司的第二代高性能12联心电图仪，除具有各种心律失常软件外，独有P波分析功能，12导联ST段维彩色超视图，率先在Q-T间期离散度分析上提出具有实用性很高的色谱理论、高性能起搏分析功能，将心率变异性的时域、频率分析用于阻塞性睡呼吸暂停综合征的筛选和诊断；美国PreidealInstrument公司生产的3通心电图仪，能准确地对起搏信号加以识别，并能分析各种心率失常、ST-T改。

率变异性、Q-Td等。

远程心电监护利用了现代电子计算机及通信技术，在心律失常的检测方法上弥补了常规心电图与动态心电图的不足，使得患者能够和医生及时沟通，及时得到医生的健康指导。

近年来国内医疗仪器公司也纷纷转向12导联动态心电图仪分为以下几种类型：

1、国产化（自主研制开发）12导联AECG仪：

西安蓝港公司研制出具有自主知识产权的第一代3导联心电图以后，有心电图仪，记录器具有显示屏，可以观察心率失常及ST-T改变等情况。

2、与著名国外厂家共同研制：

美高仪公司和美国DMS导联心电图仪，具有透明视窗装置，以液晶屏显示动态心电警和录取功能，即把动态心电图与监护心电图有机的结合成显示12个导联的心电图。

可分别显示3个导联的动态心电图。

3、经销国外名牌产品：

这些产品都结合我国的国情，改和汉化处理，开发出中英文双界面，为基层医院提供了方便。

4、进口器件改进仪器：

长春时代数码有限公司，首家推出SDD系列心电图仪，使用windows2003，分析用1.5V中央处理器、最新电子U盘记录盒、USB2.0三大最新技术，仅用一节五号电池就能记录48乃至72h心电图。

1.2相关概念

1.2.1心电信号的基本特征

1、微弱性：

从人体体表检出的心电信号很微弱，一般只有0.05-5mV。

在测量中，对于如此微弱的信号，很难进行直接观察或记录，必须通过放大器适当的放大后再输给显示与记录装置。

2、不稳定性：

人体心电信号处于动态变化之中。

由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或内部的刺激，都会使人体因适应这一变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。

因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。

3、低频特性：

人体心电信号的频谱范围为0.05-100Hz，其频率是比较低的。

4、随机性：

人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。

由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。

不过，如果对心脏自发放电的时间空间构型进行统计分析，就可以发现放电的内在规律。

因此，这种随机现象服从统计规律。

在心电信号的测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性[2]。

综上所述，放大滤波部分的设计有如下五点要求：

（1）高增益

由于人体生理信号幅度非常小，为毫伏级。

只有高增益才能使信号放大到便于分析的程度。

通常选择增益在60db（1000倍）~120db（100万倍）之间。

（2