心电图仪设计报告分析

课程设计报告

小组成员于立秋于惠吕苗洁方瑶

班级研 1404 题目胎儿心电图仪的设计

指导老师刘国忠

目录

1设计背景与目的 (3)

2心电基础理论 (3)

2.1引言 (3)

2.2 胎儿心电信号相关知识 (4)

2.2.1 胎儿心电信号的产生机理及特征 (4)

2.2.2 胎儿心电导联配置 (5)

2.3系统干扰噪声 (6)

3系统方案设计 (7)

3.1总体概述 (7)

3.2系统整体框图 (7)

4硬件系统设计 (8)

4.1模拟电路模块设计 (8)

4.1.1设计要求 (9)

4.1.2高频滤波电路 (10)

4.1.3前置放大和右腿驱动电路 (11)

4.1.4隔离电路 (13)

4.1.5高通滤波电路 (14)

4.1.6主放大电路 (14)

4.1.7低通滤波电路 (16)

4.1.8陷波滤波电路 (16)

4.2数字控制模块设计 (18)

4.2.1模数转换电路 (18)

4.2.2数据存储电路 (19)

4.2.3 DSP芯片选型及分析 (19)

5系统软件设计 (19)

5.1软件设计流程图 (19)

5.2 DSP程序设计 (21)

5.2.1 TMS320VC5509A的编程资源 (21)

5.2.2模数转换的控制与实现 (21)

5.2.3数字陷波器设计 (22)

5.3胎儿心电信号分离算法 (22)

5.3.1自适应滤波算法原理 (22)

5.3.2小波分析原理 (23)

胎儿心电图仪设计报告

1设计背景与目的

为了消除母体心电活动和其他噪声的干扰，获得较为理想的FECG，处理孕妇腹部信号的主要困难在于以下几个方面：

（1）心电信号本身就是一种低频、微弱的复杂生理信号。ECG信号频谱为0.05—1OOHz，幅值一般只有0.01—5mV。

（2）测得的ECG中包含母体心电图MECG信号通常是FECG信号的几倍到几十倍，FECG信号经常被MEC信号和噪声所淹没。在时域中，FECG信号约有10%—30%与MECG信号重合；在频域中，FECG信号频谱与MECG信号频谱大部分重叠。

（3）母亲的呼吸噪声、肌电噪声、工频干扰和各种电子噪声等干扰的影响。（4）ECG信号是非平稳的随机信号，这些因素都严重影响着对孕妇腹部ECG 信号的检测和FECG信号的提取。

本课题研究的主要内容是设计一个实用的胎儿心电分离系统，能够实时采集记录孕妇腹部ECG信号，并能够在PC机上利用非线性PCA算法实现FECG 信号与MECG信号的分离。

2心电基础理论

2.1引言

基于DSP的胎儿心电图仪系统所要完成的工作是胎儿心电信号的采集和存储，为此必须对胎儿心电信号有一个完整的认识，主要包括胎儿心电信号及其主要干扰的特点，这样才能有针对性的设计合理的采集方案，既能够实现胎儿心电信号的完整准确清晰采集。通过在孕妇体表放置若干电极测得ECG数据，然后对这些数据进行处理，从而实现对FECG和MECG的分离。

2.2 胎儿心电信号相关知识

胎儿心电信号是孕妇子宫内胎儿心脏活动产生的电生理现象，了解其产生的机理，能够全面的分析得到胎儿心电信号的特点，也能得到在胎儿心电信号传导的过程中掺杂进来的干扰信号，这对于如何设计系统方案具有重要作用。

2.2.1 胎儿心电信号的产生机理及特征

胎儿心脏在机械功能上与成人心脏有区别，但是它们的心脏电活动却是极其相似的。心脏不断地进行着有节奏的收缩和舒张活动，心脏在机械性的收缩之前，首先产生电激动，产生生物电流，并经各种肌层组织传导至体表，在体表不同部位产生不同的电位变化，从而形成体表电位差，即动态的心电信号。每一次心搏都历经一次完整的心房去极化/复极化和心室去极化/复极化过程，这也代表了正常 ECG 的一个周期。图 2.1 所示是典型的 ECG 波形图，由 P 波、P-R 间期、QRS 综合波群、ST 段和 T 波组成，这种字母表示法是由Einthoven 在 1895 年创造的。

图2.1典型心电图

P 波：P 波是左右心房除极过程产生的波形，前半部分波形由右心房除极产生，后半部分波形则由左心房除极产生。胎龄达到 17 周后心房开始发育，P 波出现，随后逐渐增宽。临床后 P 波振幅减小，时限也稍有缩短。

P-R 间期：P-R 间期是指自心房除极开始至心室除极开始的时间。随着胎龄的增长，P-R 间期将延长。但在第二产程中，P-R 间期会逐渐缩短，可能是因为胎儿处于应急状态导致的。

QRS 综合波群：QRS 综合波群代表心室肌除极过程中的综合电位变化，随着胎龄的增长，QRS 波群将展宽，并且与胎儿心脏的重量是相平行的。正常胎儿心电图的 QRS 波群时限为 0.02~0.05s，若超过 0.06s 则视为异常。

ST 段：ST 段是 QRS 综合波群终点到 T 波起点间的电位线，代表心室除极结束到复极开始的电位变化，正常 ST 段的电位线是等电位的。若 ST 段抬高或降低5uV 则视为异常。

T 波：T 波是心室的复极波形。具有振幅低而时限长的特点，有时会缺失。其方向通常与 QRS 综合波群的主波方向相同，极少见到方向相反的现象。若严重缺氧时，则可能导致 T 波倒置，T 波高尖或双向波等现象。

2.2.2 胎儿心电导联配置

医学上是根据孕妇和胎儿的心电场向量位置来决定测量电极的安放位置的，同时考虑到胎儿心电分离算法的研究，需要采集八路孕妇体表ECG信号。如图2.2所示，显示了孕妇的心电场向量及八路导联的位置。八路测量电极中的三路放置在孕妇的胸部，由于胎儿本身心电信号很微弱，而且电极位置远离胎儿心脏，所以在孕妇的胸部测量的心电信号几乎不含MECG。其它五路电极放置在孕妇的腹部，测得混合的ECG，它是母体心电号、胎儿心电信号及各种干扰的混合信号。