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智能h3输入法8.0:基于心电采集电路制作的医用电子仪器综合实训项目设计

时间: 2019-03-14阅读:

摘要 针对医疗器械专业学生目前普遍存在的电子技术实践能力不强,缺乏工作岗位技能训练等问题,设计基于心电采集电路制作和心电波形显示的医用电子仪器综合实训项目,包括心电信号采集电路PCB板的设计、绘制、焊接、测量、调试,单片机编程,工艺文件的编制等工作技能训练,通过本项目实训可有效提高学生的生产实践能力和职业素养,实现教学与工作岗位技能的有效衔接。

【关键词】心电采集 电路制作 综合实训

1 引言

《医用电子仪器生产综合实践》课程是是医疗器械专业一门职业综合技能实践课程,使学生掌握醫疗器械生产制造质量控制、检验基本知识与基本技能基础之上,设计制版、焊接、组装,生产出一个实用的医疗器械电子产品,对其进行调试、检验,并能应用医疗器械生产质量管理规范的相关知识和有关标准要求对产品的质量、性能进行较为全面的控制,使学生具备生产加工能力和质量控制的管理能力,以适应医用电子仪器设备生产企业的岗位需求。

基于心电采集电路原理及制作为基础,设计医用电子仪器综合实训项目,涵盖心电信号采集电路PCB板的设计绘制、心电信号采集电路的焊接、测量、调试,单片机测量程序的编制,测量电路焊接、组装工艺文件的编制等整个工作流程。加强学生的工程实践能力,提高动手能力,培养学生的综合实践能力和创新意识,提高学生的综合素质,与将来的实习和就业衔接。

2 基本原理

心电信号频率低,幅值微弱,常常混杂其它的生理信号。心电信号的电压范围为0.5~4mv,频率范围为0.05-100Hz。50Hz工频干扰在测量频率范围内,易引入;人体是电的良导体,其它电生理信号也会进入测量系统人体运动伪差带来电极接触的位置改变也会影响测量系统。因此心电信号采集装置需要有较高的灵敏度。

综合实训项目的心电信号采集电路根据爱氏标准双极性肢体导联(I、II、III)方法,使用四个平板电极,分别连接右手、左手、左脚、右脚,如图1所示。通过左手(+)、右手(-)电极之间的电压差采集心电信号,然后再通过信号的分析处理得到心电波形。

3 项目总体设计

心电采集电路由模拟电路部分和单片机部分组成,如图2所示。

平板电极采集到人体四肢的心电信号后,经导联线传输至心电采集电路的输入接口,经前置放大电路(电压跟随器+缓冲放大电路+右腿驱动电路)后,通过高通滤波电路滤去信号中的直流分量送第一级放大电路进行放大,随后工频滤波滤除50Hz工频干扰信号,得到比较“干净”的(模拟)心电信号,再送入二级放大电路。信号通过二级放大后经A/D转换送入STC单片机,由单片机处理之后在LCD屏显示检测到的心电波形。

3 项目模块设计

3.1 模拟电路设计

3.1.1 前置放大器设计

前置放大电路由电压跟随器、缓存放大电路、右腿驱动电路3部分组成。

(1)电压跟随器。电压跟随器的显著特点是输入阻抗高,而输出阻抗低。在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。

(2)缓冲放大电路。缓冲放大电路如图3所示。缓冲放大电路的三路电信号来自右手(RA)、左手(LA)和左腿(LL)的电极信号。三路电信号经TLC084集成运算放大器输出连接到同一点( Wi)后作为右腿驱动电路的输入。心电采集电路处理的实际上是右手和左手之间的电信号差值。

(3)右腿驱动电路。右腿驱动电路常用于生物信号放大器,用于减少人体共模信号的干扰。心电信号很微弱,由于人体容易受到电磁干扰,特别是50Hz工频电干扰,这种干扰会掩盖心电信号,使得信号难以测量。需要通过添加右腿驱动电路来消除噪声干扰。右腿驱动电路如图4所示。人体三个肢体采集到的心电信号之和(Wi)作为U2D同相输入端的输入,然后经UID反相放大后再送回右腿(RL),使信号互相抵消,从而减小人体共模信号的干扰。

在前置放大电路施加一个幅值为400mv、频率为1KHz的正弦波信号,Multisim仿真结果如图5所示。

3.1.2 高通和低通滤波器、50Hz陷波器设计

由于心电电极具有一定的直流电压,如果该直流电压直接送入后级放大器,将会使后级放大器的静态工作点发生偏移,可能会导致信号失真。因此需要设计高通滤波电路,其原理是利用电容“隔直”的特性,将直流电压在前置放大器输出端滤除,而允许心电信号通过。高通滤波器如图6所示,截止频率设计为0.05HZ。

心电信号频率范围为0.05~100Hz,为了去掉高频干扰,需要经过低通滤波。低通滤波电路如图7所示,采用BUTTERWORTH二阶低通滤波,截止频率fH为100 Hz,在频率转折处有足够的陡度。通过高通滤波和低通滤波电路让频率范围在0.05~100Hz的心电信号通过,过滤掉其它频率的干扰噪声。

前置放大电路虽然对共模干扰具有较强的抑制作用,部分工频信号还是会以差模信号方式进入放大电路,加上电极和输入回路不稳定等因素,经过前面的一级放大后输出仍然存在较强的工频干扰,拟采用“双T带阻滤波”电路来滤除工频干扰。50Hz工频陷波电路如图8所示,放大器采用低功耗低噪声的运算放大器LM358。

双T陷波器施加一个幅值400mv、频率为50Hz的正弦电压信号,Multisim仿真结果如图9所示。

3.1.3 一级放大和二级放大设计

第一级放大电路一方面要对微弱的心电信号进行有限度的放大,另外还要滤除一些共模信号的干扰,电路如图10所示。由缓冲放大电路输出的心电信号(RA IN和LA IN)送入第一级放大电路,通过调节R13的阻值可调整整个电路的增益,一级放大电路的增益为:

经过低通滤波器后的信号如果直接送入单片机进行处理幅值太低,还需经过二级放大,电路如图11所示,便于单片机处理和显示。第二级放大在滤波电路之后,不受极化电压的影响,增益可以较大,如图11所示,通过反相比例运算放大,第二级放大电路的增益为20。

3.1.4 光电耦合电路

从人体的安全角度、信号的防干扰角度出发,设计光电耦合电路如图12所示,采用光电耦合器4N25和LM358作为主要芯片,实现其光电耦合与放大的作用。

3.2 单片机电路设计

单片机电路主要包含A/D转换和LCD模块。AD0832是8位逐次逼近模数转换器,可支持两个单端输入通道和一个差分输入通道。经过电路处理后的ECG信号通过A/D转换送入单片机进行处理。LCD模块采用PG160128A,为一个128行160列的点阵液晶屏,能显示各种字符、图形、汉字,基于T6963C内核控制,自带字符库,同时用户也可以自己建立汉字、图形库。LCD显示如图13所示。

4 结论

通过基于心电采集电路制作的医用电子仪器综合实训,可有效提高医疗器械专业学生的电路设计、绘制、焊接、测量、调试、工艺文件编制等一系列岗位技能,实现课程实训与工作岗位技能的有效对接,下一步将通过强化学生单片机的编程实训,改变医疗器械专业学生硬件强软件弱的现状。

参考文献

[1]邓亲恺,现代医学仪器设计原理[M].北京:科学出版社,2005:15-18.

[2]王保华,生物医学测量与仪器[M].上海:复旦大学出版社,2003: 68-71.

[3]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京:化学工业出版社,2005:154-156.

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