心电信号处理系统的设计与实现.doc
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1、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
2、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 ECGSIGNALPROCESSINGSYSTEMThe research of portable ECG manager, which has always been the hot spot biomedical engineering, has significant meaning for the
3、 early-stage prediction of cardiovascular disease and family medical health care. Currently, with the development of electronic, communicative and software technique, the ECG manager has great promotion on size, power consumption, and data storage and data transmission. The property and quality of m
4、edical productions have great influence on the life security of the patients; therefore, researches of related topics become quite important in meaning.This paper analyses the current situation and trend of the development of ECG manager domestically and internationally,introduced the relatively con
5、cept and materials involved in the process. In addition use of the composition of the three op amp preamp circuit to enlarge the initial ECG, we also use analog low-pass and analog high-pass analog filter just like components band-pass to filter out signal interference, while the use of active notch
6、 filter frequency of 50Hz can further filt out interference, getting a more pure ECG signal. And then through the implementation of A/D conversion, single-chip processing system, the final test results will be displayed by LCD. The ECG analyzer has good characteristics such as low-power, portable an
7、d real-time and so on. KEY WORDS: ECG manager, amplification, filtering, virtual instrument目录1.1 背景介绍11.2 相关概念21.2.1 心电信号的基本特征21.2.2 心电信号处理仪的生物学基础31.2.3 心电导联42.1 概念及特点52.2 虚拟仪器的构成52.3 PROTEUS简介63.1 总体设计思路83.2 导联方式83.3 前置放大电路83.3.1 模块分析83.3.2 电路实现93.3.3 仪用放大器实现113.4 滤波电路143.4.1 模块分析143.4.2 分块电路实现143.
8、4.3 放大滤波电路整体效果图173.5 A/D转换模块183.5.1 ADC0809引脚功能183.5.2 A/D转换的主要技术指标193.5.3 MCS-51系列单片机与ADC0809接口203.5.4 A/D转换程序214 心电信号分析方法224.1 时域分析224.2 频域分析224.3 自相关函数分析22231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
9、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
10、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
11、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
12、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V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
13、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Preideal Instrument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
14、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
15、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
16、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
17、(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
18、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
19、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
20、,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、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、主
21、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、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
22、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(National Instruments,简称NI)研制成功第一台虚拟仪器,最早提出了虚拟仪器(Virtual Instrument,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
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- 电信号 处理 系统 设计 实现
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