人体心电测试电路设计.docx
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人体心电测试电路设计.docx
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人体心电测试电路设计
中北大学
课程设计说明书
2011/2012学年第二学期
学生姓名:
陈杰学号:
1005084122
学院:
信息与通信工程学院
专业:
生物医学工程
课程设计题目:
医学电子电路实践课程设计
人体心电测试电路设计
课程设计地点:
201实验室,学院610,学院503室
指导教师:
侯宏花石海杰
系主任:
王浩全
2012年6月20日
中北大学
课程设计任务书
2011/2012学年第二学期
学院:
信息与通信工程学院—
专业:
生物医学工程—
学生姓名:
李金金学号:
1005084109
学生姓名:
李艺学号:
1005084113
学生姓名:
陈杰学号:
1005084122
课程设计题目:
医学电子电路实践课程设计
人体心电测试电路设计
起迄日期:
2012年6月4日〜2012年6月15日
课程设计地点:
201实验室,学院610,学院503室
指导教师:
侯宏花石海杰
系主任:
下达任务书日期:
2012年6月4日
课程设计任务书
1.设计目的:
学生通过自己动手设计制作,将电子技术相关理论知识与制作实践相结合,提高学生的动手能力,加深对电子技术原理的理解,增加学习电子技术的兴趣,为今后投入电子技术的开发应用打好基础。
2.设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):
设计要求:
熟悉人体心电信号特点,设计一人体心电信号的测试电路。
设计内容:
(1)输入电路设计,多道测量;
(2)放大电路设计,多级放大;
(3)滤波电路设计,去高低频干扰;
(4)控制电路设计
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、
实物样品等〕:
(1)计算元件参数,给出详细计算过程;
(2)给出完整的设计方案;
(3)画出完整电路图,并仿真,对仿真结果进行分析;
(4)写出设计说明书;
课程设计任务书
4.主要参考文献:
1•傅劲松•电子制作实例集锦•福州:
福建科学技术出版社,2006.
2.张庆双.实用电子电路200例.机械工业出版社,2003
3.刘修文.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社,2005
4.毕满清.电子技术实验与课程设计。
机械工业出版社,2006
5.中科院,医学电子教学仪器综合试验箱指导书。
5.设计成果形式及要求:
⑴课程设计说明书;
⑵电路原理图;
⑶仿真结果。
6.工作计划及进度:
2012年6月4日~6月6日资料调研
6月7日~6月13日方案论证,进行详细设计,电路仿真,
分析仿真结果
6月14日~6月15日完成设计总结报告(附完整电路图)
6月15日~答辩或成绩考核
系主任审查意见:
签字:
年月日
绪论1
一、设计报告1
1.1设计实验目的及意义1
1.2心电信号产生机理2
1.3人体心电信号的特征分析3
1.4人体心电信号的噪声来源4
二、测试报告…5
2.1硬件电路设计5
2.1.1信号输入及低通滤波电路5
2.1.2一级放大电路6
2.1.3二级放大电路6
2.1.4稳压电路7
2.1.5滤波电路7
2.2软件仿真及结果8
三、课程设计总结12
四、参考文献12
绪论
人体体表的一定位置安放电极,按时间顺序放大并记录这种电信号,可以得到连续有序的曲线,这就是心电图。
本文分析了体表心电信号的特征。
心电信号的各种生理参数都是复杂生命体(人体)发出的强噪声条件下的弱信号(除体温等直接测量的参数外),心电信号的幅度在10卩V-4mV之间,频率范围为0.01〜100Hz,淹没在50Hz的工频干扰和人体其他信号之中,检测过程及方法较复杂。
去除信号检测过程的干扰和噪声、进行心电信号的分析是心电仪器的重要功能之一,心电信号的放大质量直接影响着分析仪器的性能和对人体心脏疾病的诊断。
本文设计了一个心电信号检测放大电路,充分考虑了人体心电信号的特点,采用输入电路---放大电路---稳压电路---滤波电路组成的模式,并且利用软件对相应的电路进行仿真,实验结果表明,电路能够很好地完成人体心电信号的检测放大。
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,心脏搏动节律也是人体生理状态的重要标志之一。
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。
一、设计报告
1.1设计实验目的及意义本实验的目的即利用设计的仪器从人体采集心电信号,并进行放大滤波最终呈现在示波器上进行观察。
心肌是由无数个心肌细胞组成,由窦房结发出的兴奋,按一定的途径和时程,依次向心房和心室扩布,引起整个心脏的循环兴奋。
心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序、和时间均有一定的规律。
由于人体为一个容积导体,这种电变化也必须扩布到身体表面。
鉴于心脏在同一时间内产生大量的电信号,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,如下图所示。
心电图反
映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。
心肌细胞的生物电变化时心电图的来源,但是心电图曲线与单个心肌细胞的膜电位曲线有明显的区别。
ECG波形是由不同的英文字母统一命名的。
正常心电图由一个P波、一个QRS波群和一个T波等组成。
P波起因于心房收缩之前的心房极时的电位变化;QRS波群起因于心室收缩之前的心室除极时的收位变化;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。
ECG勺持续时间由:
P-R间期(或P-Q间期)为P波开始至QRSfe群开始的持续时间,也就是心房除极开始至心室除极开始的间隔时间,正常值为0.12〜0.20s,若P-R
期延长,则表示房室传导阻滞;Q-T间期为QRS波群的开始至T波的末尾的持续时间,意为心室除极和心室复极的持续时间,正常值为0.32〜0.44s;S-T段为
从QRS波群终末导T波开始之间的线段,此时心室全部处于除极状态,无电位差存在,所以正常时与基线平齐,称为等电位线,若S-T段偏离等电位线一定QRS波群持续时间正常值约为0.06〜0.11s。
范围,则提示心肌损伤或缺血等病变;因此,实时的检测心电信号,可以从所得出的心电图上观察心脏的变化,医生就可以从所测的心电图上判断心脏各个部位的功能是否正常,所以心电图是医生治疗心脏方面的疾病所不可或缺的依据。
因此心电检测就有了实际应用的意义。
1.2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初极和复极过程密不可分。
心肌细胞在静息状态下,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。
1.3人体心电信号的特征分析
1.3.1心电信号时域特征分析
U-xU
QRSQurjfton
图1.1典型的心电信号
如图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QRSfe变化比较集中,所以给出了分解图。
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0.08-0.12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^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RoQRS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QR、S三个波,一个单相的负QRS复合波被称为QS波。
(3)PR间期:
从P波开始到QRS复合波开始,它代表心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限。
正常间期是O12-2.O秒,测量是从P波的起点到QRS复合波的起点,不管初始波是Q波还是R波。
它是房室传导时间的一种度量,由于这个原因,它在临床诊断上很有用。
基线是由波的TP段建立的(T波末端到下一个P波开始)。
(4)ST段:
是在QRS波群以后,T波以前的一段平线。
代表左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。
该段在确定病理学上比如心肌梗塞(升高)和局部缺血(降低)上是很重要的。
在正常情况下,它用作测量其它波形幅度的等电势线。
(5)T波:
代表心室肌复极过程引起的电位变化。
(6)QT间期:
代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。
QT间期代表体现
了心室肌肉激活间期和恢复。
这个持续时间和心率的变化相反。
但通常不采用
QT,而采用修正QT称为QTCQTC=QT+175(心室率一60)。
体表心电图反映的是心电信号的时域特性,经分析可以看出ECG言号的特征段的分界处是波形上的拐点。
1.3.2心电信号的电特征分析
按照美国心电学会确定的标准,正常心电信号的幅值范围在10卩V-4mv之间,典型值为1mV频率范围在0.05-100HZ以内,而90%的ECG频谱能量集中O.25-35HZ之间,心电信号频率较低,大量的是直流成分,去掉直流,它的主要频率范围是0.05-100HZ,大部分能量集中在0.05-40HZ。
心搏的节律性和随机性决定了心电信号的准周期和随机时变特性。
从医学理论和实践可以理解,心电信号受人体生理状态和测量过程等多种因素的影响而呈现复杂的形态.
1.4人体心电信号的噪声来源
人体心电信号是一种弱电信号,信噪比低。
一般正常的心电信号频率范围为
0.05-100HZ,而90%的心电信号(ECG)频谱能量集中在0.25-35Hz之间。
采集一种电信号时,会受到各种噪声的干扰,噪声来
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- 人体 测试 电路设计
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