1、最新版心电信号采集模块的设计与开发毕业设计论文优秀论文 审核通过未经允许 切勿外传毕 业 论 文（设 计） 心电信号采集模块的设计与开发姓 名 学 号 学 院 专 业 年 级 指导教师 2010年5月30日摘 要心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用电子监护系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。设计一种
2、用于心电信号采集的电路，然后进行AD转换，使得心电信号的频率达到采样要求。人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。为获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。目前对心电信号的降噪有多种方法，本文主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。关键词： 心电信号采集，降噪，AD转换放大，电源电路ABSTRACTHeart disease lifeThe death rate of by the medical circle around the worldAccurately extracting ECG si
3、gnal and providing effective method of auxiliary analyses is a very meaningful taskAlong with quick development of electronics technique，Medical electron monitoring system applied to the clinical diagnosis in the recent yearsECG signal acquisition, data conversion module design and development beyon
4、d the ECG characteristics. Design a circuit for ECG acquisition, and then do the A D conversion, make the frequency of ECG sampling requirements to achieve. ECG signal is a low frequency signal, because ECG is taken directly from the body, so the process of ECG acquisition inevitably mixed with a va
5、riety of interference signals. In order to obtain Low noise ECG signal, we need to do noise reduction of the collected ECG signal. Now, there are many ways to do the noise reduction of the ECG signal, this article introduce , noise reduction, A D conversion, power circuit第一章 绪论 11.1 心电信号采集和分析系统的发展历史
6、 11.2 心电信号采集分析系统的研究现状 31.2.1 研究现状 31.2.2 随身携带的便携式心电监护仪的发展现状 41.2.3心电远程监护系统的发展现状 5第二章 研究基础 72.1 人体心电信号的产生机理 72.2 体表心电图及心电信号的特征分析 72.2.1 心脏电传导过程分析 72.2.2 心电信号时域特征分析 82.2.3 心电信号的电特性分析 92.3心电信号的噪声来源 92.4 心电电极和导联体系分析 102.4.1系统电极选择 102.4.2 心电信号导联体系分析 11第三章 硬件电路设计 143.1 心电信号采集电路的设计要求 143.2 心电采集电路总体框架 143.3
7、 采集电路模块 163.3.1前置放大电路设计 163.3.3 滤波电路设计 183.4电平抬升电路 203.5 心电信号的50Hz带阻滤波器设计 213.6 AD转换模块电路设计 223.6.1 ADC0809简介 223.6.2 ADC0809的工作过程 233.6.3 ADC0809与单片机的接口 243.7电源电路设计 253.8 本章小结 26第四章 软件部分设计 274.1开发软件Keil C51简介 274.2 软件总体设计框图 274.3 部分程序 284.3.1 选择通道及启动AD转换程序 284.3.2 检测忙碌及读写程序 294.3.3 设定坐标程序 294.3.4 画任
8、意直线程序 30第五章 展望与未来 32结论 33致谢 34参考文献 35第一章 绪论心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动是生命存在的重要标志，心脏搏动的节律也是人体生理状态的重要标志之一。心脏的基本活动包括电活动和机械活动，每个心动周期都是电活动在前，机械活动在后。心电信号是心脏电活动的一种客观表示方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时间差等特征要素，比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。由于心电信号从不同方面和层次上反映了心脏的工作状态，因此在心脏疾病的临床诊断和治疗过程中具有非常重要的参考价值。对心电信号的采集和分析一直是生物医学工程领域研究的一个热点，是一项复
9、杂的工程，涉及到降低噪声和抗干扰技术，信号分析和处理技术等不同领域，也依赖于生命科学和临床医学的研究进展1。自1903年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。当前，心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。1.1 心电信号采集和分析系统的发展历史18世纪下半叶，意大利波伦亚大学的解剖和外科学教授伽伐尼开始研究电对生物组织的作用，在解剖青蛙的实验中，他注意到用电刺激青蛙的神经，会导致其肌肉的收缩。伽伐尼认为：导致青蛙肌肉收缩的电来自动物体内，并称其为“动物电”(animal el
10、ectric)。尽管后来证明伽伐尼所发现的电并不是来自动物的体内，但却由此认识到电可以导致生物神经冲动的传导，从而奠定了电生理学的基础2。心电检测技术作为生物医学仪器研究的重点，它的发展与电子技术的发展密切相关。1887年，Willer用毛细管静电计首次描记出人体心电图波群，开创了人类心电图记录的先河。开拓性工作的创建者是荷兰莱顿大学的生理学家Einthoven，从改良沃勒的毛细管电流计入手，对于仪器存在的反应速度慢、记录的波动有较大误差的缺点进行了改进和校正；并对记录曲线的四个峰点做了进一步分解和标定，采用P、Q、R、S、T标出心电图上的波峰和波谷，这一标准一真延用至今。由于毛细管电流计记录
11、的结果处理起来非常耗时，难以达到实用的程度。经过数年的无数次试验，终于选中了一种直径只有0.002mm的镀银石英丝，以取代原来笨重的线圈和反射镜，于1903年制成了弦线型心电流计，从此将心电的记录引入到了临床3。1932年，美国密西根大学教授Wilson根据Einthoven方程推论出肢体导联三个电极上瞬间电位之和为0。从而创立了著名的零电位中心电端理论，建立了单极导联记录技术，并描记出单极肢体导联VL、VR、VF及单极胸前导联V1V6。1942年，Goldberger改良了中心电位端，设计了肢体单极加压导联aVR、aVL、aVF，使VR、VL、VF图形保持不变，而波幅增大了50，在实际工作上
12、使图形更加容易辨认，并由此形成了Einthovenwilson理论体系。1954年，美国心脏学会提出用aVR、aVL、aVF代替VR、VL、VF。在此之后，国际心电学会将三个单极加压导联、三个双极肢体导联和六个胸导联一起称之为“标准导联”，这12导联心电图体系已经成为目前国际公认的基础，也即静态心电图。其他心电信号技术都是在静态心电图技术的基础上发展起来的。1957年，美国物理学家Holter首创了一种用磁带记录器对正常活动状态下的病人做长时间连续心电图记录的方法，开辟了时间全信息和环境全信息心电记录和诊断的新领域，从而在某种程度上弥补了常规心电图的不足之处。这种长时间连续记录的心电图称为动态
13、心电图，它提供的长时间动态心电图记录对心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心率失常治疗的评价以及心率失常和生理关系的研究具有重要意义。1961年，美国最先将DCG技术应用到临床，以后很快在发达国家得到普及。自1978年我国开始引进此项技术以来，临床应用逐步深入，已从大医院逐步向中小医院普及，成为心血管疾病诊断领域中的实用、高效、无创伤、安全、准确及可重复性强的重要检查方法4。在20世纪50年代以前，心电图仪的发展主要是解决了小型化和提高灵敏度的问题。在这方面，德国的西门子和霍尔斯克公司做出了突出的贡献。50年代中期以后，心电图仪的改进步入了一个更高的层次，即计算机化以及与其他检测技术合成的阶段
14、。美国在50年代首先开始研究用计算机处理心电图。1959年，在华盛顿举行的一次关于心电图数据处理方法的会议上，鉴定了一个模拟转换器和心电图分析的计算机程序。1960年，美国及加拿大的医疗中心相继开创了冠心病监护病房(CCU)和加强护理病房(ICU)，通过长时间的示波监护及血流动力学监测对病人进行治疗5。但是，面对数量庞大、分布环境复杂的院外患者，Holter和CCU等还是无法解决问题。20世纪70年代，美国研制成功了利用电话线传送心电图的监测系统。TTM系统是以微机为基础的心电传输、接收和心电数据库管理系统，通过电话线传输心电信息及计算机处理实现对病人的心电监护。病人应用记录发射器可随时、随地
15、通过电话线向监测中心传输心电数据，医生根据心电信号改变和患者诉说的病情，向患者提供诊断与治疗意见，为院外心脏病人的长期心电监测和治疗提供了方便。在此后的20多年中，TTM系统取得迅速地发展，而且与之相对应的患者随身携带的心电监护仪也取得了很大的发展。20世纪晚期又采用集成块代替晶体管，从而使原来庞大的心电检测系统改革成为一只精巧、美观、实用的心电仪器。1.2 心电信号采集分析系统的研究现状1.2.1 研究现状随着电子与信息技术的不断发展及其在医疗系统中应用的深入，世界各地尤其是欧美国家相继提出了心电检测设备的小型化、家用化要求和建立远程医疗体系的设想。从1980年代开始，国外开始建立以电话线路
16、传输心电信号的心电图监测中心，随后又出现了以数字式电话传输心电图信号的研究。英国牛津大学的Johnson教授采用远程监护的方法让孕妇和胎儿在放松的状态下在家中检测血压、血氧、心电图等重要生理指标；德国的一个研究小组则通过宽带视频通信远程监护家中老人的各种生理参数，以便在必要的时刻提供救治和帮助。进入21世纪后，美国和欧盟在20002005年期间各投入150亿美元和175亿美元用来进行远程医疗的研究工作，与此同时，国外各大公司也纷纷跟进，进行心电监护产品的研究开发工作；亚洲的日本在这方面也做了较大的投入，其中SONY，东芝已有类似的监护设备上市，但都价格不菲。国内在这方面的研究晚于西方国家，一个
17、总的特点是起步晚，起点高。但随着中国经济的快速发展，人们对健康的重视程度越来越高，对健康监护产品的需求量也稳步提升，产品的应用范围从危重病人监护，发展到如今普通病房的监护，目前，很多家庭对此也提出了一定的应用需求。国内早期在此方面研究的一个比较典型的案例是清华大学在1994年研制成功的家庭心电血压监护网系统，该系统在病人不适时具有手动按键报警功能和类似Holter的心电图长时间记录发送功能。2005年6月，山东大学齐鲁医院建成了国内首家心脏远程监护中心，该中心实行24小时监护，只要患者携带的微型发射机处于工作状态，就会将心电的异常变化传输到该中心，监护中心便可以进行相应处理和预警。目前，国内生
18、产便携式心电监护设备的厂家有很多，产品也进入了实用化，但是大多数是以OEM方式进行组装的，具有自主开发能力的较少。总的来说，目前国内心电监护产品主要特点为：市场需求越来越大；技术水平和产品质量在不断提高；生产厂家多，但核心技术掌握不足。随着中国经济水平的不断发展及与国际社会融入程度的不断加深，在这面有着巨大的发展潜力。综上所述，无论国内还是国外都对心电监护设备的研究投入了巨大的人力与物力。伴随着电子技术的飞速发展，其前景必定相当广阔。1.2.2 随身携带的便携式心电监护仪的发展现状随身携带的便携式心电监护仪在我国并未能够很好的普及，究其原因，有以下几个方面：(1)记录的心电信息极其有限，医生从
19、中难以得到患者全面的心电信息，从而降低了医生对疾病诊断的正确率；(2)费用较为昂贵，动辄几千乃至上万元，一般的患者难以承受；(3)实时性、体积、功耗、重量等都不尽如人意，给患者在使用过程中造成诸多不便。当前便携式心电图仪的设计主要向智能化、系统化和集成化方向发展。目前市面上常见的便携式心电仪多数是采用了前后端的实现方式，前端是以单片机为核心的心电信号采集系统，后端多数采用的是处理性能较高的嵌入式微处理器。这种处理器性能强大，它使得心电仪在心电数据采集、处理、存储和显示等功能的基础上，还能够实现对心电数据的分析6。然而，这种心电仪在实现多种功能的同时，也有一些缺点：结构比较复杂、功耗较大、成本也
20、较高。另一方面，在导联个数上，在相当长的一段时间内，心电导联系统一般仅仅具有单导或三导联同步记录功能，市场上现在也还有很多这种产品。该类产品因为只支持少数的导联，因而它的液晶屏幕比较小，用户观察起来很不方便，只能通过自带的打印机将心电图打印出来之后才能较好的观察分析。另外，这种产品往往不适合复杂心脏疾病的诊断。目前很多厂商也在竞相开发支持多导联的心电仪产品。深圳迈瑞电子就是其中之一，它在便携式监护仪领域做出了带头作用，典型的产品如PM-9000Express、PMS000等等。随着集成电路技术、计算机和网络技术在医学领域的进一步深入，今后心电仪的研究和发展趋势主要包括以下几个方面：(1)仪器小
21、巧化。随着集成电路技术的发展，心电检测仪器趋于小型化和便携化。Hoter系统和心脏BP机等代表了这一发展趋势。(2)多导同步心电检测系统。尤其是十二导同步心电检测系统将逐步占领更多的市场份额。(3)界面友好化。心电仪产品会越来越体现人性化的思想，以方便使用为设计目标之一。(4)网络化。单个独立的心电仪系统可以通过网络连接，和心电检测数据库互联，提高对疾病的监测效率。(5)性能更高。随着微处理器和微控制器运算速度的进一步提高，心电仪的处理能力也会不断得到增强。1.2.3心电远程监护系统的发展现状随着因特网和移动通讯网等宏观基础设施的普及和发展，通信技术与手段的不断进步，近年来心电远程监护系统正沿
22、着网络化和无线移动监护两个方向快速发展7。(1)基于因特网的远程心电监护系统基于因特网的远程心电监护系统是指利用心电监护客户端采集患者的心电信号，通过互联网将心电信号传输至监护中心服务器，由医护人员对患者心电图进行处理并做出相应诊断。整个系统一般由三个部分组成：分别是客户终端、因特网和管理中心工作站。客户终端是由心电信号采集器和可连接因特网的工作站构成，它具有对患者进行心电信号采集、进行简单数据处理以及将数据上传至因特网等功能。根据接入因特网的方式不同，系统有不同的设计方案。主要方式有PSTN、ISDN、以太网等几种。PSTN(Public Switched Telephone Network
23、，公用电话交换网)覆盖面最广、接入方式实现方便，但受其带宽限制，信息传输速不高；ISDN(Integrated Services Digital Network，综合服务数字网)将传输过程数字化，使得传输速度很高，并可同时实现语音、数据、图像等的传送；以太网是目前使用最广泛的局域网技术，由于其低成本、可扩展性强、与IP网结合性强等优势，现在很多系统普遍采用以太网接入方式。而远程心电监护管理中心工作站一般配备有高性能的服务器，可实现实时的接收患者心电数据、存储并分析处理数据、管理患者基本资料及心电数据、网络安全管理等。通过因特网技术，可将心电图监护从病房监护拓展到社区或家庭，监护中心的医护人员可
24、以及时分析患者的心电数据，并可根据需要随时将医嘱发送到患者的监护仪上。无线通信与因特网相结合的心电监护系统。(2)基于无线通信的心电无线监护系统采用可携带式的实时监控心电信号的监护仪，利用无线通信技术与监护中心进行数据通讯。由于无线传输无需线缆介质，使用者可以不受时间、地点的限制，随时随地得到监护中心的监护。目前，市场上运用蓝牙、GSM、GPRS(无线分组业务)、CDMA等无线移动通信技术实现的心电无线监护系统应用非常广泛，但由于受到传输距离、无线传输频率等制约，仍未能形成完善可靠的远程在线实时监护产品。将无线通信技术与因特网技术相结合成为近年来心电远程监护系统研究的又一热点，这两种技术的结合
25、，可以弥补单纯依靠因特网时造成监测环境相对固定的不足，同时，也可弥补单纯依靠无线技术时只能将受测者的数据在移动监护终端之间传递从而造成传输成本高、数据处理分析手段单一等不足8。主要有以下几种形式：1、基于蓝牙技术的监护系统。蓝牙作为一种短程无线通信技术，由于体积小、功耗低等特点，已成为无线嵌入式医疗设备所考虑采用的基本无线通信技术之一。蓝牙设备能够支持点对点、点对多点的通信，支持的接口一般包括UART、USB和PC卡等，而USB支持在同一个物理通道上处理多个逻辑通道，因此控制、数据和语音通道不再需要额外的物理接口，从而使得蓝牙心电无线监护能够实现数据和语音的实时传输。基于蓝牙技术的监护系统是将
26、家庭心电监护系统通过蓝牙模块与中心工作站进行无线通讯而组成的监护网络。蓝牙模块通常是由两个芯片构成一个芯片组，一块是射频芯片，另一个是基带控制芯片，再加上外加的Flash、天线和电源芯片就可以构成一个蓝牙模块。心电信号经过AD转换后经蓝牙射频发送给固定接入端，再将接收到的心电数据转换成IP数据包，并送到因特网。2、基于GPRS技术的心电监护系统。GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突
27、发性的和频繁少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS可以发挥永远在线、快速登陆、按流量计费等优势，无线心电监护系统无须使用信号电缆，因而简化了结构，降低了成本，具有一定的市场潜力。3、基于CDMA的心电监护系统。CDMA是基于码分多址技术的数字移动电话系统，它是在数字扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术，与使用时分多路的GSM技术不同，CDMA并不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信者都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线频率。CDMA系统为每个用户分配各自特定的地址码，彼此之间是相互独立、互相不影响的，由于有不同的地址码来区分用户，所以对频率、时问和
28、空间没有特定的限制，利用公共信道来传输信息。CDMA的优点在于：系统容量大、建网成本低、配置灵活、频率规划简单、保密性好、发射功耗小、无线辐射能量低。CDMA-1X标准是CDMA2000的第一阶段，可支持308kbits的数据传输，网络部分引入分组交换，支持移动业务，具有较快传输速率，适合应用于远程实时心电监护。目前市场上的CDMA模块有很多，如MG801A收发模块，Bellwave公司的BCM860无线通信模块，WAVECOM Q2358C模块等。第二章 研究基础2.1 人体心电信号的产生机理 心电是心脏的无数心肌细胞电活动的综合反映，心电的产生与心肌细胞的除极和复极过程密不可分。心肌细胞在
29、静息状态下，细胞膜外带有正电荷，细胞膜内带有同等数量的负电荷，此种分布状态称为极化状态，这种静息状态下细胞内外的电位差称为静息电位，其值保持相对的恒定。当心肌细胞一端的细胞膜受到一定程度的刺激(或阈刺激)时，对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引起膜内外的阴阳离子产生流动，使心肌细胞除极化和复极化，并在此过程中与尚处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电偶，此变化过程可用置于体表的一定检测出来。由心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律地舒张和收缩，从而实现“血液泵”的功能，维持人体循环系统的正常运转。心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，在一
30、定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。每一个心脏细胞的除极和复极过程可以等效于一个电偶极子的活动。为了研究方便和简化分析，可以把人体看作是一个容积导体，心脏细胞的电偶极子在该容积导体的空间中形成一定方向和大小的电场，所有偶极子电场向量相加，形成综合向量，即心电向量。当它作用于人体的容积导体时。在体表不同部位则形成电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。当检测电极安放位置不同时，得到的心电信号波形也不同，于是产生了临床上不同的导联接法，同时也考虑有可能用体表心电电位分布图反推心脏外膜电位即心电逆问题的求解9。2.2 体表心电图及心电信号的特征分析2.2
31、.1 心脏电传导过程分析心电生理学资料表明，心脏不断的进行有节奏的收缩和舒张运动。由心肌激动产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。在每个心动周期中，窦房结是心脏的最高起博点(也叫一级起搏点)，它发出的激动命令经结间束首先传给房室结(也称第二级起搏点)。房室结向下发出一条传导路，称房室束，它位于室间隔内。房室束往下又不断发左右两个束支，越分越细，最后分别形成互相交织得像网一样的结构，称普肯耶纤维，终止于心肌内。此生物电传递变化十分复杂，呈混沌态，其有序结果通过周围组织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的电
32、变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心电信号变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图(ECG)10。2.2.2 心电信号时域特征分析图2.1 典型的心电信号如图2.1所示的正常心电图由一系列波群组成，各段波群反映不同阶段的心电信号变化，由于QRS波变化比较集中，所以给出了分解图11。下面对每个波形点作详细的介绍：(1)P波：最初产生的偏离的波被命名为P波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极。(2)QRS波群：心室的激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化。正常间隔0.08-O.12秒。典型的QRS波群是指三个紧密相连的波；第一个向下的波为Q波，这波不一定总是出现。QRS波的第一个向上的波为R波，继R波后第一个向下的波为S波，发生在S波后的向上的波称为R。QRS是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个QRS波群都具有Q、R、S三个波，一个单相的负QRS复合波被称为QS波。(3)P R间期：
