基于心電采集電路制作的醫用電子儀器綜合實訓項目設計

周天綺

摘要 針對醫療器械專業學生目前普遍存在的電子技術實踐能力不強，缺乏工作崗位技能訓練等問題，設計基于心電采集電路制作和心電波形顯示的醫用電子儀器綜合實訓項目，包括心電信號采集電路PCB板的設計、繪制、焊接、測量、調試，單片機編程，工藝文件的編制等工作技能訓練，通過本項目實訓可有效提高學生的生產實踐能力和職業素養，實現教學與工作崗位技能的有效銜接。

【關鍵詞】心電采集 電路制作 綜合實訓

1 引言

《醫用電子儀器生產綜合實踐》課程是是醫療器械專業一門職業綜合技能實踐課程，使學生掌握醫療器械生產制造質量控制、檢驗基本知識與基本技能基礎之上，設計制版、焊接、組裝，生產出一個實用的醫療器械電子產品，對其進行調試、檢驗，并能應用醫療器械生產質量管理規范的相關知識和有關標準要求對產品的質量、性能進行較為全面的控制，使學生具備生產加工能力和質量控制的管理能力，以適應醫用電子儀器設備生產企業的崗位需求。

基于心電采集電路原理及制作為基礎，設計醫用電子儀器綜合實訓項目，涵蓋心電信號采集電路PCB板的設計繪制、心電信號采集電路的焊接、測量、調試，單片機測量程序的編制，測量電路焊接、組裝工藝文件的編制等整個工作流程。加強學生的工程實踐能力，提高動手能力，培養學生的綜合實踐能力和創新意識，提高學生的綜合素質，與將來的實習和就業銜接。

2 基本原理

心電信號頻率低，幅值微弱，常常混雜其它的生理信號。心電信號的電壓范圍為0.5～4mv，頻率范圍為0.05-100Hz。50Hz工頻干擾在測量頻率范圍內，易引入;人體是電的良導體，其它電生理信號也會進入測量系統人體運動偽差帶來電極接觸的位置改變也會影響測量系統。因此心電信號采集裝置需要有較高的靈敏度。

綜合實訓項目的心電信號采集電路根據愛氏標準雙極性肢體導聯（I、II、III）方法，使用四個平板電極，分別連接右手、左手、左腳、右腳，如圖1所示。通過左手（+）、右手（-）電極之間的電壓差采集心電信號，然后再通過信號的分析處理得到心電波形。

3 項目總體設計

心電采集電路由模擬電路部分和單片機部分組成，如圖2所示。

平板電極采集到人體四肢的心電信號后，經導聯線傳輸至心電采集電路的輸入接口，經前置放大電路（電壓跟隨器+緩沖放大電路+右腿驅動電路）后，通過高通濾波電路濾去信號中的直流分量送第一級放大電路進行放大，隨后工頻濾波濾除50Hz工頻干擾信號，得到比較“干凈”的（模擬）心電信號，再送入二級放大電路。信號通過二級放大后經A/D轉換送入STC單片機，由單片機處理之后在LCD屏顯示檢測到的心電波形。

3 項目模塊設計

3.1 模擬電路設計

3.1.1 前置放大器設計

前置放大電路由電壓跟隨器、緩存放大電路、右腿驅動電路3部分組成。

（1）電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點是輸入阻抗高，而輸出阻抗低。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。

（2）緩沖放大電路。緩沖放大電路如圖3所示。緩沖放大電路的三路電信號來自右手（RA）、左手（LA）和左腿（LL）的電極信號。三路電信號經TLC084集成運算放大器輸出連接到同一點（ Wi）后作為右腿驅動電路的輸入。心電采集電路處理的實際上是右手和左手之間的電信號差值。

（3）右腿驅動電路。右腿驅動電路常用于生物信號放大器，用于減少人體共模信號的干擾。心電信號很微弱，由于人體容易受到電磁干擾，特別是50Hz工頻電干擾，這種干擾會掩蓋心電信號，使得信號難以測量。需要通過添加右腿驅動電路來消除噪聲干擾。右腿驅動電路如圖4所示。人體三個肢體采集到的心電信號之和（Wi）作為U2D同相輸入端的輸入，然后經UID反相放大后再送回右腿（RL），使信號互相抵消，從而減小人體共模信號的干擾。

在前置放大電路施加一個幅值為400mv、頻率為1KHz的正弦波信號，Multisim仿真結果如圖5所示。

3.1.2 高通和低通濾波器、50Hz陷波器設計

由于心電電極具有一定的直流電壓，如果該直流電壓直接送入后級放大器，將會使后級放大器的靜態工作點發生偏移，可能會導致信號失真。因此需要設計高通濾波電路，其原理是利用電容“隔直”的特性，將直流電壓在前置放大器輸出端濾除，而允許心電信號通過。高通濾波器如圖6所示，截止頻率設計為0.05HZ。

心電信號頻率范圍為0.05～100Hz，為了去掉高頻干擾，需要經過低通濾波。低通濾波電路如圖7所示，采用BUTTERWORTH二階低通濾波，截止頻率fH為100 Hz，在頻率轉折處有足夠的陡度。通過高通濾波和低通濾波電路讓頻率范圍在0.05～100Hz的心電信號通過，過濾掉其它頻率的干擾噪聲。

前置放大電路雖然對共模干擾具有較強的抑制作用，部分工頻信號還是會以差模信號方式進入放大電路，加上電極和輸入回路不穩定等因素，經過前面的一級放大后輸出仍然存在較強的工頻干擾，擬采用“雙T帶阻濾波”電路來濾除工頻干擾。50Hz工頻陷波電路如圖8所示，放大器采用低功耗低噪聲的運算放大器LM358。

雙T陷波器施加一個幅值400mv、頻率為50Hz的正弦電壓信號，Multisim仿真結果如圖9所示。

3.1.3 一級放大和二級放大設計

第一級放大電路一方面要對微弱的心電信號進行有限度的放大，另外還要濾除一些共模信號的干擾，電路如圖10所示。由緩沖放大電路輸出的心電信號（RA IN和LA IN）送入第一級放大電路，通過調節R13的阻值可調整整個電路的增益，一級放大電路的增益為：

經過低通濾波器后的信號如果直接送入單片機進行處理幅值太低，還需經過二級放大，電路如圖11所示，便于單片機處理和顯示。第二級放大在濾波電路之后，不受極化電壓的影響，增益可以較大，如圖11所示，通過反相比例運算放大，第二級放大電路的增益為20。

3.1.4 光電耦合電路

從人體的安全角度、信號的防干擾角度出發，設計光電耦合電路如圖12所示，采用光電耦合器4N25和LM358作為主要芯片，實現其光電耦合與放大的作用。

3.2 單片機電路設計

單片機電路主要包含A/D轉換和LCD模塊。AD0832是8位逐次逼近模數轉換器，可支持兩個單端輸入通道和一個差分輸入通道。經過電路處理后的ECG信號通過A/D轉換送入單片機進行處理。LCD模塊采用PG160128A，為一個128行160列的點陣液晶屏，能顯示各種字符、圖形、漢字，基于T6963C內核控制，自帶字符庫，同時用戶也可以自己建立漢字、圖形庫。LCD顯示如圖13所示。

4 結論

通過基于心電采集電路制作的醫用電子儀器綜合實訓，可有效提高醫療器械專業學生的電路設計、繪制、焊接、測量、調試、工藝文件編制等一系列崗位技能，實現課程實訓與工作崗位技能的有效對接，下一步將通過強化學生單片機的編程實訓，改變醫療器械專業學生硬件強軟件弱的現狀。

參考文獻

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