心電檢測技術在實驗教學中的應用

葛亞明， 呂淑平

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

“檢測與轉換技術”是我校測控技術與儀器、電氣工程及其自動化等專業(yè)的必修課程，課程通過講述傳感器技術、信號調理電路、信號轉換電路等內容，使學生了解檢測與轉換技術基本知識，和能合理選擇工業(yè)常用傳感器以及設計其專用信號轉換調理電路的能力。心電信號作為心臟活動在人體體表的信號比較微弱，并且存在著大量的噪聲，電路設計正確與否是得到正確心電波形的關鍵。為此，針對課程的講課重點，選擇更貼近于現(xiàn)實生活和學生自身的心電信號作為檢測對象[1]，通過放大電路、濾波電路的設計，在獲得清晰的心電波形的同時，更深入地理解相關的理論教學內容。

1 實驗開出的目的

本著理論與實踐相結合的理念，提出將心電檢測電路設計應用到該門課程的實驗教學中?！皺z測與轉換技術”理論教學為32學時[2]，實驗教學為16學時，其中基礎實驗教學為6學時，設計型實驗教學為10學時。信號放大技術、信號濾波技術以及信號轉換技術為該門課程的重點，心電信號檢測電路的設計涵蓋了課程的重點內容，便于學生對理論課程的深入理解。本實驗屬于設計型實驗，原本該實驗應該由模擬電路設計和數(shù)字電路設計兩大部分組成，但考慮到成本和學生的工作量原因，只設計模擬部分，學生可以在萬用板上焊接電路，無需制作PCB板。

2 心電檢測電路設計

心電信號的頻譜范圍是0.05～100 Hz，電壓幅值為0～5 mV[3]，信號源的阻抗為數(shù)千歐到數(shù)百千歐，并且存在著大量的噪聲。因此，首先要分析心電信號的組成及其易受到的干擾[4]。由電極采集到心電信號，通過儀用放大器將微弱的心電信號放大[5]，然后再通過四階低通濾波器及工頻50 Hz陷波器濾除干擾后，最后經(jīng)光電隔離和后置放大電路對心電信號進一步放大，最終得到幅值在±5 V左右的清晰的心電波形，供AD進行轉換。學生只設計模擬部分，然后將其接到實驗室中已有的數(shù)字部分，通過串口傳送數(shù)據(jù)到計算機。

2.1 放大電路設計

由于心電信號是毫伏級的微弱信號，為了防止引入更大的噪聲，應該適度地放大心電信號，故放大電路部分包括前置放大器和后置放大器[6]。前置放大器應選用高輸入阻抗、低溫漂并且具有高共模抑制比的集成運算放大電路。在微弱信號檢測中常用儀表放大器，該放大器采用三運放結構，采用OP07及電阻即可實現(xiàn)[7]，學生自己搭建此電路，比起市面上銷售的集成儀用放大器，性價比很高。根據(jù)式(1)計算，并結合儀用放大器的電路結構，選擇第一級放大倍數(shù)為180倍。其差動輸入端接手臂上的兩個電極，詳細的設計電路及阻值選擇如圖1所示，圖中可調電阻R10的作用是調節(jié)零位。輸出電壓Uo計算式[8]如下：

(1)

后置放大電路(見圖2)是對濾波后的心電信號進一步放大，使心電信號的幅值達到AD轉換器需要的電壓范圍，比如AD1674，雙極性電壓輸入要求電壓在±10 V之間，那么通過后置放大電路可達到此要求。

圖1 儀用放大電路

圖2 后置放大電路

后置放大電路之前，使用了工頻50 Hz陷波器，對市電工頻干擾進行濾除，如圖3所示。需要說明的是，在整個模擬電路調試過程中，首先調節(jié)的是陷波器[9]，其電路中有可調電阻，濾除工頻干擾，然后再調節(jié)儀用放大器，這樣會很快獲得清晰的心電圖。

圖3 陷波器電路

2.2 濾波電路設計

心電信號屬于低頻信號，為了去掉高頻干擾，在儀用放大器之后，需要通過低通濾波器濾去高頻信號。低通濾波采用歸一化設計的BUTTERWOETH四階低通濾波[10]，截止頻率為100 Hz，在頻率轉折處有足夠的陡度，避免高頻信號的干擾。設計的四階低通濾波電路見圖4。

圖4 四階低通濾波電路

2.3 隔離電路設計

隔離電路的作用主要是將該系統(tǒng)的模擬部分和數(shù)字部分隔離開[11]。另外，這種隔離對人體也具有一定的保護作用。隔離使用的器件為線性光電耦合器件[12]，其使用方法不同于光電開關，需調節(jié)相應的滑動變阻器將光電耦合器件的工作點調至線性區(qū)才可以正常工作。另外，這部分電路還包含了對心電信號的進一步放大，放大至8倍，此時信號的最大幅值可以達到5 V左右。隔離電路見圖5。

圖5 隔離電路

3 實驗結果分析

對設計的整個心電檢測模擬電路逐次地進行調試，調試次序是陷波器調試、儀用放大電路調試、低通濾波器調試、隔離電路調試，最后是綜合調試輸出結果，各部分波形均采用示波器顯示。

由圖6可見，儀用放大器輸出的心電波形疊加了很多干擾，是不干凈的波形，但心電圖QRS波還比較清晰。

圖7為濾波和隔離電路輸出結果，可以看出，疊加在心電波形上的雜波已經(jīng)很少，而且光電隔離器件已經(jīng)工作在線性區(qū)，如果不在線性區(qū)，此波形是不可見的。

圖6 儀用放大器輸出

圖7 濾波和隔離電路輸出

圖8為最后綜合調試各部分的可調電阻后得到的比較清晰的心電波形圖。圖9和圖10為學生自己焊接的電路實物圖。

圖8 最后的比較清晰的心電波形

圖9 學生焊接電路實物圖1

圖10 學生焊接電路實物圖2

4 結束語

本文將心電檢測技術應用于檢測與轉換技術課程的實驗教學中，完全涵蓋了該門課程中信號放大技術和信號濾波技術兩大教學內容，通過各部分電路調試和對輸出波形的分析，使學生更充分地理解這兩部分理論教學內容。學生獨立設計電路，焊接電路并調試電路，極大地鍛煉了學生的動手實踐能力。模擬電路的設計和調試是很磨煉學生嚴謹性的實踐教學活動，選擇心電為檢測對象，獲得的實驗結果更加貼近于學生自身，增強了學生創(chuàng)作的積極性。

[1] 張恒謙，侯震.檢測技術實驗室自主類實驗項目的設計與開發(fā)[J].實驗技術與管理，2010，27(2)：37-40.

[2] 狄長安.檢測技術綜合實驗的教學探索[J].實驗技術與管理，2005，22(12)：107-108，127.

[3] 周宇，鄭政.醫(yī)學儀器設計原理課程構建的心電檢測系統(tǒng) [J].實驗室研究與探索，2012，31(2)：122-124.

[4] 杜慧江，孫麗萍.高職遠程心電監(jiān)護實驗教學的探索[J].實驗室研究與探索，2012，30(7)：215-218.

[5] 蘇維嘉，齊洪濤.基于STM32和uC/OS-II的心電檢測系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2013，22 (2)：61-63，25.

[6] 朱大緩，郭育華.便攜式心電檢測放大電路設計[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生設備，2008，29 (5)：21-23.

[7] 董有爾，吳宏雷.基于Multisim10的心電檢測系統(tǒng)模擬濾波器的設計[J].山西大學學報，2011，34(2)：246-252.

[8] 肖連，楊瀚波.快速心電檢測系統(tǒng)的設計[J].電子元器件應用，2009，11(1)：51-53，56.

[9] 王立會，潘冬明.一種消除心電信號中工頻干擾的陷波器設計[J].醫(yī)療設備信息，2009，22(7)：18-20.

[10] 袁兆祥，鄭建勇.有源濾波器中新型檢測濾波器的設計[J].中國電機工程學報，2008，28(9)：18-20.

[11] 徐志躍.隔離放大器及其應用[J]. 實驗技術與管理，2011，28(6)：53-56.

[12] 何蘇勤，劉敏升.分析儀器光電檢測系統(tǒng)設計[J].實驗技術與管理，2011，28(10)：68-70，81.