開放式心電圖機教學平臺的設計

張喜紅，王玉香 （亳州職業技術學院電子與電氣工程系，安徽 亳州236800）

心電圖機維修是醫用電子儀器與維護專業的學生必須掌握的重要技能之一，但目前大多數醫學院校對此項技能的教學以理論為主，即便是一些經濟條件相對較好的院校也只是采用心電圖機成品進行教學。由于心電圖機成品技術資料的保密性，使學生不能很好地掌握其工作原理，因而導致教學效果不佳［1］。針對上述情況，筆者設計了一種開放式心電圖機教學平臺，以便為學生掌握心電圖機維修技能提供幫助。

1 系統總體框圖

設計 印刷電路 板 （Printed Circuit Board，PCB）時在每個典型模塊的信號輸入輸出聯接都采用跳線方式，并留有測試點，以便滿足分模塊教學的需求。同時還在一些故障多發模塊處設有故障點。心電信號經心電電極采樣，輸入到緩沖放大電路完成阻抗變換，接著由威爾遜網絡與導聯選擇電路在MCU （微控制單元）的控制下完成導聯選擇，再送入前置放大電路進行初次放大。由于心電信號是弱信號，其易受到干擾，所以由高通濾波器和低通濾波器組成的一個帶通濾波器來完成心電信號的選取。同時，在工作過程中信號很容易受到50Hz的工頻干擾，所以首先將信號通過一個50Hz的陷波器，然后輸入到主放大電路和MCU（ADuC7020）。MCU內置的A／D器件可完成信號的采集，同時完成心率的計算，最后將計算結果與采樣數據通過串口總線送入上位機示波器來顯示心電圖。此外，為了消除各種干擾，還設計了右腿驅動電路與屏蔽層驅動電路。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 具體單元電路設計

2.1 輸入保護及緩沖放大電路

緩沖放大電路是心電采集輸入電路的一個重要部分，提高放大器的輸入阻抗和降低輸入噪聲［2］。輸入保護及緩沖放大電路設計如圖2所示。心電電極采集到的信號經過R1、C3、R2和C4組成的低通濾波器，先濾掉大約2kHz頻率的干擾信號，然后接到放大器OPA4277同相端，其作為電壓跟隨器將信號送下一級處理。F1是耐壓70V的氖管，接在導聯插座和平衡電阻之間，起到高壓去顫保護作用。從導聯輸入的高壓去顫時電壓可達5000V，通過放電管 （氖泡）的氣體放電，作為電壓限幅器限制輸入信號電壓在70V左右。二極管D1（1N4001）、D2（1N4001）反并聯跨接在緩沖放大器的輸入輸出端。在正常工作時，心電信號只有幾毫伏，二極管不導通，電路的輸入阻抗取決于緩沖放大器的輸入阻抗，由于U1是電壓跟隨器，輸入阻抗很高，對信號衰減很小。當有強干擾信號 （＞0.6V）時，二極管導通，此時的輸入阻抗主要由威爾遜網絡的輸入阻抗決定。由于威爾遜網絡的輸入阻抗很低，干擾信號在電極與皮膚接觸電阻、平衡電阻和威爾遜網絡之間分壓，使得在威爾遜網絡上分得的電壓降很小，從而起到了強干擾保護作用。輸入緩沖放大器是輸入電路中的一個重要部分，各電極引入信號，必須通過各自的緩沖放大器后才能傳輸到威爾遜網絡。系統中放大器選用高精度運算放大器OPA4277，其超低失調電壓10μV、偏置電流最大為lnA。緩沖放大器的集成電路OPA4277是一種具有高輸入阻抗低輸出阻抗的電壓跟隨器，采用同相放大器的電路形式，具有輸入阻抗高 （一般大于10MΩ）、輸出阻抗低的特點。緩沖器的輸入電流小，一般小于10μA，噪聲很小，各緩沖器增益為1的阻抗變換器起隔離作用，將人體和電阻網絡隔離，盡量減少由于電極接觸電阻的不平衡而產生的波形失真。

圖2 輸入保護及緩沖放大電路圖

2.2 右腿驅動電路及屏蔽層驅動電路

1）右腿驅動電路 在通常情況下，外部環境的共模干擾可通過各種渠道進入人體，這樣會在心電檢測時對信號形成交流干擾，該交流干擾一般在幾伏以上，為此采用右腿驅動電路消除這種干擾。右腿驅動電路如圖3所示。輸入信號INRF從前級放大電路的增益調節電阻處提取反饋干擾信號，并將反饋信號輸入反相放大器的負端，放大后接到人體右腿，這樣可以大大降低人體共模電壓的影響，其中D3、D4用于限制輸出幅度。

2）屏蔽層驅動電路 盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體，但由于元器件不可能完全對稱，這樣部分以共模形式存在的干擾噪聲會以差模信號的方式進入放大器，而放大器對差模信號的放大能力很強，最終導致信號發生畸變［3－4］。為此，采用屏蔽層驅動電路解決上述問題 （見圖4）。該電路設置在導聯屏蔽線和威爾遜網絡中心點之間，這樣可以減少導聯芯線和屏蔽線之間的泄漏電流，提高輸入阻抗和共模抑制比。此外，利用屏蔽線驅動電路不但能使屏蔽線通過U102接地，而且可以有效提高交流輸入阻抗，從而改善了抗干擾性能。

圖3 右腿驅動電路圖

圖4 屏蔽線驅動電路圖

2.3 導聯選擇電路

導聯選擇電路圖如圖5所示。由ADuC7020的I／O口控制2個ADG658八選一模擬開關的選通路線控制引腳 （A2、A1、A0），將來自威爾遜網絡的電極輸入信號，按導聯要求兩兩組合來實現各種導聯方式。導聯選擇的真值表如表1所示。

2.4 前置放大電路

前置放大電路是系統設計的關鍵。由于人體心電信號具有幅值小、頻率低、易受干擾、不穩定、隨機性強等特點，因而對前置放大電路的設計提出了嚴格要求，尤其是心電信號放大器的選擇十分重要。選擇放大器時需要從增益、頻率響應、輸入阻抗、共模抑制比、噪聲、漂移等方面加以綜合考慮。基于上述原因，心電信號放大器的前置級大多采用差動放大電路結構，其中使用最普遍的是同相并聯差動放大電路，可以選用AD公司的儀表放大器AD8221作為心電信號前置放大器的核心器件。前置放大電路如圖6所示。

表1 導聯選擇的真值表

圖5 導聯選擇電路圖

圖6 前置放大電路圖

2.5 濾波電路

心電信號直接取自人體，在心電采集的過程中不可避免地會混入一些干擾信號。由于人體心電信號是一種低頻率弱小信號，為了減少噪聲對心電信號的影響，需要對采集到的心電信號進行降噪處理。常規心電信號的頻帶范圍是0.05～100Hz，在此頻帶范圍內包含了心電信號的主要能量成分。正常心電信號為mV級信號，對于干擾環境而言屬于微弱小信號。因此，設計了通帶頻率為0.05～100Hz的濾波電路，這樣可以將心電信號的有用成分從采集到的信號中分離出來。濾波電路圖如圖7所示。

2.6 50Hz陷波電路

生物電信號尤其是心電信號的頻率主要集中在低頻段0.05～100Hz范圍內，信號幅值在10μV～4mV之間，且信號的源阻抗較高，因而容易受外界信號尤其是市電50Hz工頻的干擾。為此，采用“雙T帶阻濾波”電路解決上述問題，即利用等容值的雙電容并聯代替普通的單電容，使其在容值上更加匹配。50Hz工頻陷波電路如圖8所示。

2.7 1mV定標電路及1.25V基準電路

1）1mV定標電路 該電路的作用是產生1mv定標信號，以便為描記心電波作幅度定標，并檢查、校正放大器的工作狀態 （放大倍數、線性和時間常數等）（見圖9）。從ADUC7020處理器中得到2.5V電壓，通過R26、R292個電阻進行分壓得到1mV定標電壓，并通過ADG719控制產生2Hz的方波。

2）1.25V基準電路 心電信號幅值大約在10μV～4mV之間，該系統中心電信號經前置放大器放大6倍左右。采用MCU （ADuC7020）內置的A／D轉換器來完成采樣，其輸入電壓范圍是0～2.5V，由于采取電平抬升電路，將1.25V作為中間參考值，所以放大后的心電信號疊加參考電壓為0.25～2.45V，正好位于A／D轉換器的模擬輸入信號范圍內，此時已消除心電信號中的負值部分，這樣輸出信號即可傳入A／D轉換器進行轉換 （見圖10）。

圖7 濾波電路圖

圖8 50Hz陷波電路圖

2.8 MCU電路的設計

圖9 1mV定標電路圖

圖10 1.25V基準電路圖

MCU 單 元 采 用ADuC7020控制芯片設計，其為ADI公司基于ARM7TDMI 32bit RISC內核的精密模擬微控制器，集成了5通道12位的ADC（1MSPS）、4通道12位緩沖的DAC、電壓比較器、62Kbytes Flash ROM和8Kbytes SRAM，最高處理能力達40MIPS。其模擬外設包括多達10通道的采樣率為1MSPS、分辨率為12bit的精密模數轉換器 （ADC）、一個溫漂優于10ppm／℃的精密帶隙基準電壓源。其他外設包括片內可編程邏輯陣列 （PLA）、同步和異步串行接口等。串行接口包括UART、SPI和2個I2C，以及用于下載／調試的JTAG端口、4個定時器和14個通用I／O引腳。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括ADuC7020處理器下位機軟件和上位機示波軟件兩部分。以ADuC7020處理器下位機軟件為例，其程序設計主要包括如下內容：①串口中斷程序。該程序主要實現接收上位機發來的導聯選擇命令與模式選擇命令，并通過與相應的I／O口線完成導聯與模式變換，然后向上位機發送應答信號。②A／D轉換中斷程序。通過對ADuC7020編程，實現定時器定時5ms觸發A／D轉換中斷一次，從而實現符合最低采樣頻率200Hz的數據采集。每進入一次A／D中斷，將所采集到的12位數據按設定的算法完成心率計算，最終將12位數據分解為高、低2字節數據，連同心率打包組合為一幀數據并通過串口發送給上位機。

4 結 語

在查閱國內外心電檢測技術資料的基礎上，設計了心電圖機教學平臺。該教學平臺結構簡單、使用方便，受得了師生的好評。在下一步研究中，還可以在以下方面對該教學平臺加以改進：①添加上位機軟件數據庫存儲程序及心電信號分析程序。②采用無線通信技術，實現數據無線采集。

［1］孟麗婭 .心電信號實時檢測方法的研究 ［D］.重慶：重慶大學，2002.

［2］林家瑞 .微機式醫學儀器設計 ［M］.武漢：華中科技大學出版社，2004.

［3］劉克球 .生物醫學電子學 ［M］.北京：北京大學出版社，1988.

［4］周淑閣 .模擬電子技術 ［M］.北京：高等教育出版社，2004.