心音心电数据采集仪信号调理电路设计

作者：云南大学 徐昆良

欢迎访问e展厅 展厅 4 医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ... 摘 要：心音、心电是人体重要的生理信号，针对这些信号一般比较微弱、且其采集过程也容易受外界干扰等特点，设计开发了一种能提取微弱心音、心电信号的电路。该电路采取了一系列滤波措施，在弱电信号与强电信号之间采用光电隔离技术，从而保证了采集过程中病人的安全。此电路较好地解决了外界干扰问题，具有采集数据准确可靠、噪声小、成本低等优点。 关键词：心音信号 心电信号 光电隔离 数据采集 0 引言 心音、心电是人体重要的生理信号，载有人体心血管系统的生理、病理信息。随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，对心音、心电信号的定量分析工作取得了很大进展，但对心音、心电信号的量化分析需要有大量可靠的数据样本，因此，准确、可靠的数据采集就显得十分重要。心音和心电信号均属于微弱的非平稳信号，且极易受外界干扰，为此，设计了一种能安全、有效地采集心音、心电信号的电路。该电路具有50 Hz 工频干扰陷波、集中在35 Hz 左右的人体肌电干扰陷波和精密的放大、滤波及光电隔离等环节，在保证了采集过程中病人安全的同时，较好地解决了外界干扰问题，具有采集数据准确可靠、噪声小、成本低等特点。 1 系统框图 心音心电采集电路分为心音和心电两个回路，每个回路分别由传感器、前置放大器、光电隔离电路、滤波电路、电平偏移电路、后置放大电路等部分组成，系统组成如图1 所示。 鉴于心音的频率范围为5～600 Hz[1]，要在提取微弱的心音信号的同时尽量避免外来的干扰信号，因此，我们将灵敏度较高、抗干扰能力较强的听诊器改装为心音传感器。由于心音是一种弱的机械振动，心音传感器接收到的信号很微弱且混有低频（50 Hz 工频干扰、35 Hz 左右的人体肌电干扰等）、外界高频干扰等信号，要获取干净的心音信号，需要高精度放大、带通滤波（5～1 500 Hz）、陷波（35～50Hz）等电路以滤除干扰信号。同时，我们增加了后置放大电路，便于调整心音信号的幅度。 人体心电信号是频率范围约为0.05～150 Hz、幅度约为0～4 mV 的微弱信号[1]，由专用电极拾取。心电回路处理与心音回路类似，只是带通滤波范围为0.05～150 Hz。 2 主要电路结构 2.1 前置放大电路 前置放大具体电路如图2 所示。由于人体心音心电信号比较微弱，其噪声背景却较强，故测试条件比较复杂。为不失真地检测出有临床价值的干净心音心电信号，往往要求心音心电采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。 前置放大电路是心音心电数据采集的关键环节，本设计采用AD 公司仪用放大器AD620 作为前置放大器。AD620 输入端采用超β处理技术，具有低输入偏置电流、低噪声、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，共模抑制比可达130 dB，非常适用于医疗仪器放大器使用，其增益可调（范围约1～10 000 倍）并可由公式 G = 1 + 49.4/Rg (1) 来确定。 2.2 带通滤波电路 带通滤波电路由低噪声双运算放大器NE5532 构成，将图3 所示有源低通滤波电路和图4 所示有源高通滤波电路组合成带通滤波电路，图3 中电阻R42=R43= R44=R45=10 kΩ并与电容C42、C43、C44、C45 构成截止频率f = 5 kHz 的4 阶巴特沃斯低通滤波器。该滤波电路转移函数为 式中：b1=0.765；b2=1.848。 若选择电容值满足：，即 C42=2.61 F，C43=0.38 F，C44=1.08 F，C45=0.924 F，选取R42=R43=R44=R45=1 kΩ，则构成了一个截止频率为1 rad/s 的4 阶巴特沃斯滤波器。取比例系数，使截止频率移到5 kHz，取幅度比例系数10 000 m k = ，就可使用10 kΩ，而不用1 Ω电阻，由此得比例元件值为：R42=R43=R44=R45=10 kΩ，C42=8 300 pF，C43=1 200 pF，C44=3 400 pF，C45=2 900 pF。同样，采用比例法可得如图4 所示高通滤波器元件值。由实验知该带通滤波器通带频率范围约为4.82 Hz～4.91 kHz，不会造成心音频率成份的丢失。心电回路处理与心音回路类似，只是带通滤波器通带频率范围约为0.03～160 Hz。 2.3 50Hz陷波电路 工频干扰是心音心电的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用，但有部分干扰是以差模方式进入电路的，且频率处于心音心电信号的频率范围内，因此，前级电路输出的心音心电信号仍然存在很大的工频干扰，必须专门滤除。如图5 所示，由R61、R62、R63、C61、C62、C63、U25A、U25B 构成50 Hz 陷波电路，选C=0.068 μF，则R 的阻值可由 fo =1/2π RC = 50Hz 计算得R=47 kΩ。经实验调试，该电路中心频率在49.9～50 Hz 之间，陷波深度为80 dB，而3 dB 带宽约为1.7Hz，陷波效果比较理想。 2.4 光电隔离电路 考虑到采集过程中病人的安全及外界电气干扰，该电路在强电信号（220 V 交流电）与弱电信号（心音心电信号）之间都采用了光电隔离技术。使用DCP010512DP 5V 输入DC/DC变换器给信号放大电路部分供电，隔离了强电信号与人体的直接接触。使用芯片ISO175P 切断了信号放大电路和后级电路的直接联系，借助光信号实现了弱电信号的隔离传输。图6、图7所示为芯片典型连线图。 3 结束语 该电路采用人体心音心电进行实调，输出使用泰克（Tektronix）公司TDS210 进行监视，信号功率放大由末端电位器控制。50 Hz 陷波电路由Tektronix 公AFG310 提供信号源。现该电路已经投入使用，并已采集了大量可靠病例和正常心音心电数据。图8 所示为基LabVIEW 自行开发的心音心电采集程序界面，上半部分为心音采集实图，下半部分为心电采集实图。使用表明，该电路稳定可靠，结果非常理想。 参考文献 1 董承琅, 陶寿淇, 陈灏珠. 实用心脏病学[M]. 上海: 上海科技出版社, 1994. 2 黄贤武, 郑筱霞. 传感器原理与应用[M]. 第6 版. 成都: 电子科技大学出版社, 2001. 3 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 第2 版. 北京：高等教育出版社, 1988. 4 (美)尼尔森（Nilsson. J. W）著, 洗立勤, 等译. Electric Circuits sixth Edition 电路[M]. 第6 版. 北京: 电子工业出版社, 2002. 5 AD620: Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier Data Sheet [EB/OL]. [1999-03-10] http://www.analog.com. 6 DCP0105512 Series: Miniature 5V Input, 1W Isolated UNREGULATED DC/DC CONVERTERS [EB/OL]. [1999-02-23] http://www.ti.com. 7 ISO175: Precision, Isolated INSTRUMENTATION AMPLIFIER [EB/OL]. http://www.ti.com.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/31/2010)