模拟心电信号发生器的研制.docx
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模拟心电信号发生器的研制
本科生毕业论文(设计)
题目:
便携式模拟心电信号发生器的研制
姓名黄福霞
指导教师程广斌
二级学院基础学院
专业生物医学工程
年级2006级
学号2006102014
2010年5月11日
中文摘要……………………………………………………………………
(1)
英文摘要……………………………………………………………………
(2)
第一章.前言……………………………………………………………(3)
第二章.心电信号的基础知识……………………………………………(4)
2.1心电信号产生的过程…………………………………………………(4)
2.2心电信号各波形的意义………………………………………………(4)
2.3心电信号波形的特点…………………………………………………(5)
第三章.模拟心电信号发生器的功能模块…………………………………(5)
3.1主功能电路的选择………………………………………………………(5)
3.2方案3单片机的引脚参数及功能………………………………………(8)
3.3电源电路…………………………………………………………………(11)
第四章.调试和维修…………………………………………………………(11)
4.1调试…………………………………………………………………(11)
4.2维修…………………………………………………………………(12)
第五章.结论及展望…………………………………………………(12)
5.1结论…………………………………………………………………(12)
5.2展望…………………………………………………………………(13)
参考文献…………………………………………………………………(14)
致谢…………………………………………………………………(15)
诚信声明…………………………………………………………………(16)
便携式模拟心电信号发生器的研制
学生:
黄福霞
指导教师:
程广斌
摘要
在心电图机、监护仪的测试或一些医学教学研究场合中,模拟心电信号发生器是重要的测试设备之一。
模拟心电信号发生器可以模拟出人的心电信号。
当连接到监护仪和心电图机上,能够提供典型的心电信号。
它主要用于心电图机,监护仪的维修、报警设置的检验和电缆的测试。
本论文通过对3个方案的对比。
最终选择采用两块芯片CD4017和CD4521以及少量的晶振,电阻,电容组成的简单模拟心电信号发生器电路,简单而且实用。
关键词:
心电信号发生器;心电图机;模拟心电信号
Theportablesimulationheartelectricalsignalgeneratordevelopment
ABSTRACT
Intheelectrocardiogrammachine,theguardianshipmeter'stestorsomemedicineteachingresearchsituation,simulatestheheartelectricalsignalgeneratorisoneofimportanttestfacilities.Theportablesimulationheartelectricalsignalgeneratormaysimulateperson'sheartelectricalsignal.Whenconnectstheguardianshipmeterandelectrocardiogrammachine,itcanprovidethemodelheartelectricalsignal.Itmainlyusesintheelectrocardiogrammachine,guardianshipmeter'sservice,warningestablishmentexaminationandelectriccable'stest.Thepaperoncomparisonofthreeprograms.UltimatelychoosetwochipCD4017andCD4521,andasmallamountofcrystal,resistors,capacitorscomposedofsimpleanalogECGsignalgeneratorcircuit,simpleandpractical.
Keywords:
Heartelectricalsignalgenerator,Electrocardiogrammachine,Simulationheartelectricalsignal
前言
模拟心电信号发生器是一种常用的低频信号源,广泛应用于医疗仪器维修、测试、演示和教学实验等领域。
在医院,监护仪、心电图机等是临床最常用的急救和生命的支持设备。
心电图机、监护仪是直接使用在患者身上,直接联系到患者的身体健康和生命安全。
当心电图机、监护仪出现故障进行维修后。
为了保证监护仪、心电图机参数的准确性,一般都要检查一下各导联上工作是否正常。
这时可用模拟心电信号发生器来代替人体进行初步检查,以进行调试。
这样做既安全又保险,避免了用人体来做检查产生的不安全隐患。
目前我国使用的模拟心电信号发生器,大部分是进口的,价格昂贵,对小医院和一些不发达的地区来说,购置这种模拟器是一种经济上的负担。
而且当这种模拟器出现故障时,维修起来麻烦,且费用相对高。
而国内生产的大都由分立元件组成,其体积大,功能少,精度不高,最重要的一点是不具有通用性。
基于上述原因,我们通过3个方案的对比,选择一种电路简单,精度高的,价格便宜的模拟心电信号发生器。
这种模拟心电信号发生器只用到很少的廉价的常见的电子元件。
电路中没有用到特殊的或外来的集成电路。
所有的元件都可以在电子商店或可在旧电路板上找到。
这个电路由很少的器件及一个稳定的石英晶体来模拟30,60和120三种心率信号。
本论文的目的:
详细介绍模拟心电信号发生器的研制过程。
为了使模拟心电信号发生器廉价,实用的目的,我们通过比较研究,采用最简单的电路,最少的器件。
这样小医院和不发达地区医院都能承担得起。
以此提高医院心电图机、监护仪的使用寿命及安全性。
从而使医院的效益也提高。
第二章心电信号的基础知识
2.1心电信号的产生过程
心电信号是由心脏有节律搏动而产生的。
具体的过程是:
心脏在搏动之前,心肌首先发生兴奋,在兴奋的过程中产生微弱的电流,该电流首先从窦房结出发,然后流经心房内的结间束,包括前对结间束、中间束和后结间束,一面兴奋心房,一面传至房室交界处(含房室结、房结区和结希区),经过一定的传导延迟后,再沿希氏束、左右不支传至两心室的内膜下之浦肯纤维,该网互相吻合,深入心室肌层,最终使整个心脏全部兴奋。
心肌兴奋产生的微弱电流经人体组织向各部分传导,由于身体各部分的组织不同,各部分与心脏的距离不同,所以在人体的体表各部分产生不同的电位变化,形成了动态曲线,即心电信号波形[1]。
2.2心电信号各波形的意义
图1心电信号的各个波段
1.心电信号图(图1所示)波形参数的分析心电图是从体表纪录的心脏电位变化曲线,它反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。
其频率在0-120Hz之间[2]。
2.心电图典型波形心电图波形是由不同的英文字母统一命名,正常心电图由一个P波、一个QRS波群和T波组成。
其中:
1)、P波代表左右心房兴奋过程所产生的电位变化,起点表示窦房结开始激动,终点表示两心房激动结束,P波可以间接反映心房的波形改变[2]。
P波时间:
成年<0.12S,16岁以下一般<0.09S;P波电压:
肢体导联<0.25mV,胸前导联<0.20mV[3]。
2)、P-R期间代表激动从窦房结发出,经结间束、房室交接区至心室兴奋所需要的时间[2],其正常值成年人P-R间期0.12S~0.21S之间,儿童不超过0.19S[3]。
3)、QRS波代表室间隔与左右两心室肌除极过程所产生的电压变化,第一个向下的波叫Q波,向上的波叫R波,接着向下的波是S波。
QRS波群起点至Q波的顶点垂直与基线交点的时间为激动从心室的内膜到外膜所需的时间[2]。
QRS波群时间正常成年人通常为0.06S~0.10S,最长不>0.12S,儿童为0.04S~0.08S。
电压值为Q波为0.1mV,R波为0.5mV-1.5mV,S波为0.2mV[3]。
4)、ST段代表心室除极后缓慢复极化过程所形成的微弱电压变化,这时心室肌处于动作电位的状态中,呈等电位线,S-T段的时间为0.05s-0.12ss[2]。
5)、T波代表心室肌迅速复极化过程的电压变化[2]。
胸前导联,T波可高达1.2mV~1.5mV,但同一导联T波不应低于R波高度的1/10[3]。
综上分析心电信号图的波形构成,可知心电信号图的波形都属于低频信号。
因此现选择不同心律的标准心电波形作为信号源,模拟输出I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF心电信号,心率分别为60bpm、120bpm,幅值为lmV(监护仪处在导联Ⅱ测试状态)。
2.3人体心电信号波形的特点
心电信号属生物医学信号,具有如下特点:
(1)信号具有近场检测的特点,离开人体表微小的距离,就基本上检测不到信号;
(2)心电信号通常比较微弱,至多为mV量级;
(3)属低频信号,且能量主要在几百赫兹以下;
(4)干扰特别强。
干扰既来自生物体内,如肌电干扰、呼吸干扰等;也来自生物体外,如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等;
(5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。
第三章硬件各单元方案设计与选择
3.1主功能电路的选择
通过对心电信号波形的分析,心电信号图的波形都属于低频信号。
因此要模拟出心电信号波形,首先电路中要有信号源产生信号,然后放大。
由于模拟心电电路是由电路本身产生的,则需要有振荡器。
要实现这个功能,有很多种途径。
通过对几种方案的实验分析,从中选出一种最佳最实用的方案。
方案1:
此方案的原理图如图2所示:
图2分立元件原理图
工作原理:
此发生器可产生模拟人体心电动态信号,顺序产生P波,RS
波,T波等正常人的连续心电信号(图1)。
由BG4、BG5、C6、C7、R38、R39组成非对称的自激多谐振荡器,振荡周期T=0.7(C7*R38+C6*R39),改变充电电路的时间常数,就可以改变其振荡周期。
通常设T=60次/分(即普通人心率)。
当自激多谐振荡器通电起振后,BG5c极送出的负脉冲信号经C8、R42微分后至BG6倒相放大,通过C10、R31、R28、R29、R30、C11等阻容网络形成P波。
改变C8容量,P波宽度发生变化,改变R31、R30阻值,P波幅度发生变化。
与此同时,BG5b极输出负跳信号,经C9、R40微分;BG7倒相放大,及阻容网络形成RS波,适当改变C9、R40的值可改变RS波的宽度和幅度。
BG7c极对地的C12为积分电容,此电容容量的选择可使RS波的幅值改变并使之较为平滑。
BG2、BG3、为另一组自激多谐振荡器,当主振荡器送出的负脉冲信号经R36、C4加到BG2b极,因为C4电容两端的电压不能突变,BG2由导通变为截止;BG3由截止变为导通。
C4通过R33、BG3充电,在BG3截止瞬间BG4仍然处于导通状态;在BG3转为截止后,BG2转为导通。
BG2c极的负脉冲信号又经C3、R9微分。
BG1倒相放大后在
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