心电信号处理系统的设计与实现.docx

心电信号处理系统的设计与实现.docx

《心电信号处理系统的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《心电信号处理系统的设计与实现.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

心电信号处理系统的设计与实现

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

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）高输入阻抗

通过传感器提取的生理信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗。

信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，与传感器的安放位置，传感器本身的物理状态都有密切关系。

源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。

再者，理论上源阻抗是信号频率的函数，电极阻抗也是频率函数，变化规律都是随频率的增加而下降。

如果放大器输入阻抗不够高，就会造成信号低频分量的幅度减小，产生失真。

用于生理信号电位测量的放大器的输入阻抗高达1M欧姆量级。

（3）高共模抑制比

由于生理参数测量放大器一般具有高增益和高输入阻抗，因而各类干扰极易随信号进入放大器，尤其工频（50Hz）干扰，因为这种信号正好落在呼吸信号的频谱范围内。

强的干扰与有用信号叠加在一起，使显示与记录的信号的基线变宽，影响信号的观察与测量。

为此放大器必须有较好的抗干扰能力。

（4）低噪声

由于生物电信号十分微弱，因此要求生物电测量放大器具有低的内部噪声。

一般采用低噪声电阻和低噪声放大器。

仪器噪声可用等效噪声和信噪比来衡量。

（5）低漂移

由于生理信号为低频信号，放大器一般采用直接耦合方式，则前一级放大电路的温度漂移影响一级放大电路的工作点，导致后一级进入饱和而无法正常工作，所以要求用低漂移放大器。

1.2.2心电信号处理仪的生物学基础

心电信号是由心肌细胞产生的，由窦房结发出的兴奋，按照一定的途径和时程，一次向心房和心室扩布，引起整个心脏的循环兴奋，其各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定的规律。

由于人体为一个容积导体，这种电变化亦必然扩布到身体表面。

鉴于心脏在同一时间内产生大量心电信号，因此可以通过安放在身体表面的胸电极或四肢电极，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这种记录曲线称为心电图（ECG），其反应了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化[2]。

ECG波形由一个P波、一个QRS波群和一个T波组成，P波起因于心房收缩之前的心房除极时的电位变化，QRS波群起因于心室收缩之前的心室除极时的电位变化，T波为心室复极时的电位变化，其幅度不应低于同一导联R波的1/10，T波异常表示心肌缺血或损伤。

图2-1为典型心电图图解[3]。

图2-1典型的心电图图解

1.2.3心电导联

所谓心电导联就是心脏除极、复极过程中产生的心电向量，通过容积导电传至身体各部，并产生电位差，将两电极置于人体的任何两点与心电图机连接，就可描记出心电图，这种放置电极并与心电图机连接的线路，称为心电导联（lead）。

临床常用的导联方式有肢体导联和胸前导联，肢体导联又有标准导联和加压单极肢体导联之分。

临床中广泛应用的是标准十二导联系统，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个标准导联，aVR、aVL、aVF三个加压导联以及V1-V6六个胸极导联。

其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ主要是反应左手、右手以及左腿任两电极间的电压差，无探查电极和无关电极之分，是双极导联。

双极导联就是拾取两个测试点的电位差。

aVR-V6是单极导联，就是拾取某一点相对参考的电位。

由一个无关电极和探查电极所组成，其P波明显，利于诊断心律失常（V1）和左前壁心肌缺血（V5、V6）。

标准导联的特点广泛地反映了心脏的大概情况，如：

后壁心肌梗塞、心律失常等，往往Ⅱ、Ⅲ导联可以记录到清晰的波形[2]。

2虚拟仪器介绍

2.1概念及特点

随着微电子技术、计算机硬件技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器领域的应用，新的测量理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

低成本高性能的计算机技术引入仪器领域，数字化平台逐渐成为测量仪器的基础，计算机处于核心地位，仪器开始朝着智能化、数字化和网络化方向发展[4]。

80年代末，美国国家仪器公司（NationalInstruments，简称NI）研制成功第一台虚拟仪器，最早提出了虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）的概念[2]。

虚拟仪器是以通用计算机为核心的硬件平台，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由软件来实现的一种计算机仪器系统。

它的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统计算机仪器的控制面板，以多种表达方式输出检测结果。

使用者使用鼠标或键盘操作虚拟面板，将计算机资源和通用仪器硬件（插入式数据采集卡、数据通信接口、GPIB接口卡、VXI控制接口卡及其它接口卡）与用于数据采样、过程控制、数据分析处理及用户图形界面的计算机软件有效地结合起来，就组成了虚拟仪器。

虚拟仪器以特定的软件取代相应功能的电子线路，用计算机完成传统仪器的部分乃至全部功能，是传统仪器功能与外形的模块化和软件化。

虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。

用户借助通用的仪器硬件平台，调用不同的测试软件，就可以构成不同功能的仪器。

它的出现使测量仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代。

传统的测量仪器主要由三个功能块组成：

信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。

由于这些功能块基本上是以硬件和固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用，手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限于简单的模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。

2.2虚拟仪器的构成

虚拟仪器在通用计算机环境中，依托功能强大的处理单元和高速的数据总线，利用VC，VB，LabVIEW等虚拟仪器软件平台，在屏幕上构建与真实仪器类似的可视化软面板，通过软面板上的虚拟控件控制底层硬件，用功能强大的软件完成信号的采集（实时或事后）、分析、显示和存储，并给出检测结果。

虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。

由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成[4]。

一、虚拟仪器的硬件平台

构成虚拟仪器的硬件平台有两部分：

1、计算机：

一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。

2、I/O接口设备：

主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换等。

可根据不同的总线采用不同的I/O接口硬件设备。

I/O接口设备主要有五种方式：

a、PC总线一插卡型，指的是基于计算机标准总线（如ISA（IndustryStandardArchitecture）Bus或PCI（PeripheralComponentInterconnect）Bus等）的内置功能插卡，即PC-DAQ（DataAcquisition）数据采集卡。

插卡式仪器价格最便宜，且个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，特别适于教学部门和各种实验室使用。

本课题开发的虚拟仪器实验室系统就属于该类型，借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件（如LabVIEW）相结合，完成测试任务，并通过A/D变换将模拟信号采集并输入计算机进行分析、处理、显示，并可通过D/A转换实现反馈控制。

还可根据需要加入信号调理和实时DSP等硬件模块。

它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但A/D转换技术的好坏直接影响其测量精度。

b、GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用总线接口，GPIB技术是IEEE488标准早期的发展阶段。

GPIB测量系统的结构和命令简单，适合于要求高精确度的场合，但不适宜进行数据的高速传输。

c、VXI（VXIbusExtensionforInstruement）VXI是高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的电磁屏蔽是开放性仪器总线标准。

然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

d、PXI（PCIExtensionforInstrument）是PCI在仪器领域的扩展，是一种新的开放性、模块化仪器总线规范。

具有工业级的制造标准，更适应苛刻的工作环境。

e、远程总线数据接口（RS-232，USB，IEEE1394，Ethernet等）与前面几种总线相比，它的接口简单，使用方便。

随着数字化的发展，很多设备将信号转换成数字信号后进行传输。

这样可以保证数据的精度不丢失，且不易受干扰。

二、虚拟仪器的软件平台

硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。

开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。

目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具，比较常用的有：

1、文本式编程语言：

如基于传统语言的C，VisualC++，VisualBasic，LabWindows/CVI等，采用大家比较熟悉的语言，拥有众多函数和类库，适应面广，开发灵活多变，可以自己开发驱动程序等。

往往用来开发大型的、功能复杂的仪器软件，但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力。

2、图形化编程图形组态软件：

如LabVIEW，HP-VEE等。

可以不用管理内基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室部数据的分配等问题。

拥有逼真的仪器面板元件，图形化的常用模块，智能化的数据连线，简便易用、丰富多彩的函数库和工具包。

软件通过建立和连接图标来构成虚拟仪器工作程序并定义其功能，具有编程效率高，通用性强的特点。

适合对VC等大型开发软件不熟悉的人员，软件规模不很大的系统。

这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便与良好的开发环境。

2.3Proteus简介

Proteus软件是来自英国LabcenterElectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图，PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器，逻辑分析仪等，不需要别的，Proteus建立了完备的电子设计开发环境[6]。

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，可以仿真51 系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件等）。

当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器是最好选择。

所以当属于所用元件没有时，可以自主开发元器件。

本设计采用汇编语言，并且在proteus中，可以直接加载WAVE软件中经过编译形成的*.hex文件，进行仿真，用示波器观察输出电压波形。

3电子电路设计

3.1总体设计思路

因为人体生理信号非常微弱，不便于直接进行数据分析，所以要将这些信号进行加强，这里主要用到了放大电路。

其次，因为收集到的呼吸信号中掺杂有别的生理信号，会影响到目的信号的纯度给分析带来困难，所以要对收集到的信号进行滤波。

使这些信号分别通过预先设计好的滤波器就可以达到此目的。

由探测电极从体表采集的微弱心电信号经过放大、滤波等前置处理后，直接送入信号采集模块进行模数转换，转换后的数据暂存于89C51单片机。

整个系统主要由心电信号采集模块，心电信号的放大、滤波电路，数据的处理与存储模块及LCD显示模块组成。

3.2导联方式

采用肢体导联中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个标准导联方式，右胸上电极及左腹下电极为心电采样电极，右腹下电极为右腿驱动电极。

这种联接方式有效实用，有利于便携使用[7]。

3.3前置放大电路

3.3.1模块分析

主要由导联信号拾取、前置放大电路、带通滤波、工频陷波四部分组成。

从体表获得心电信号后，通过心电导联输入心电放大器。

心电信号首先经过前置放大器放大。

然后又经过滤波后。

送入A/D转换器变成数字信号，供计算机分析处理。

由于心电幅度只有mV量级，需要放大上千倍才能被观察到，并且人体的内阻比较大，因此一个高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。

放大级通常包括初级差分放大和运放构成的主放大级。

由于体表液体与电极之间可能形成原电池，致使电极之间存在固定的电位差，因此第一级差分放大的增益不能太高，否则容易饱和。

通常这一级增益选10左右。

在第一级和第二级之间必须进行直流隔离。

第二级采用同相放大电路，增益可以高达100倍，这样整个电路放大倍数可以达到1000倍。

由于信号中混有各种干扰噪声会影响有用信号，因此需要对这些噪声进行滤波。

噪声来源主要有两类，一类是各种电子设备辐射出的高频噪声，一种是市电的50Hz噪声，通常情况下后者影响尤为明显。

该模块结构如图