心电图数据采集系统设计

目录摘要 (2)第一章绪论 (3)1.1引言 (3)1.2 本课题研究意义 (3)第二章本课题主要硬件设计内容 (10)2.1心电信号采集 (11)2.1.1带通滤波电路 (13)2.1.2工频陷波电路 (14)2.1.3主放大电路 (15)2.1.4 A/D转换 (16)2.1.5 ADC0809内部功能与引脚介绍 (16)2.1.6 AT89C51与ADC0809的接口 (18)2.1.7 时钟源设计 (19)2.1.9 复位电路设计 (19)1.1.10 显示电路 (19)第三章系统主要程序设计 (20)第四章系统原理图 (26)总结 (27)参考文献 (28)摘要心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。

据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。

因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。

随着电子技术的迅速发展，医用心电信号采集系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。

首先，设计心电采集模块，包括心电前置放大器、带通滤波电路、线性光耦放大电路、50 Hz陷波电路、35 Hz陷波电路及电平抬升电路，A/D 转换电路输出显示电路等。

其次，由于越来越多的研究者发现心电图中变化与大多数心血管疾病都有着紧密的联系，因此，本课题设计了心电信号检测方法，包括心电信号的采集，放大以及波形的液晶显示。

在论文当中，设计的电路能够有效的抑制了各种干扰，检测出良好的心电信号。

论文的研究工作基本上达到了设计的要求，为进一步的产品开发打下了良好的基础。

关键词：心电信号；数据采集；A/D转换；单片机；LCD显示第1 章绪论1.1 引言心电信号是人类较早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。

自1903 年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。

当前，心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。

1.2 本课题研究意义心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一．据统计，世界上每年平均有几百万人死于心血管疾病，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病。

据统计全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能及时发现病变从而延误了治疗。

在我国因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人数的44％。

可见心脏病己成为危害人类健康的多发病常见病，因此心脏系统疾病的防治和诊断是当今医学界面临的首要问题。

国际上医学界人士能够通过对心电信号的特征、规律的研究，对部分相关病变做出早期预测和及时诊断；因此，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。

医学实践表明，对猝发性心律失常患者，如果能够及早发现心律失常先兆，及时采取抢救措旋，其中70％．80％的患者可以避免死亡。

随着电于技术的迅速发展，医用电子监测、监护系统，近年来己在临床中普遍应用。

这类仪器是以心电图作为首位监护参数的，所以也称为心电监护。

常规心电图是病人在医院静卧情况下由心电图仪记录下来的心电活动，一般有12个导联，反映了额面和横面上的心电变化，可以从多个角度观察到心脏的活动情况。

对心肌梗塞、早搏、左前支阻塞和左后分支阻塞等进行定位诊断，是心脏病诊断的重要手段之一，但是常规心电图仅记录6～100个心动周期，历时仅几秒～1分钟左右，只能获取较少有关心脏状态的信息。

一个正常人一天24小时心搏数达10万次以上，在有限的时间内，记录发生心率失常的概率相当低，尤其是一些阵发性心率失常，即使病人有自觉症状，但在做常规心电图检查时也往往难以捕获。

研究发现监测l rain心电图只能检出10％病人的心率失常，24h则可达到85%~90%。

在人的日常活动过程中进行心电监护，长时间不间断地记录得到的动态心电图，包含各种情况下的心电图形。

这样它就能发现常规心电图检查时不易发现的短暂心律失常和一过性的心肌缺血，并且还能进一步计算出它们发作的频率和分析引起它们发作的条件。

因此，动态心电图有助于诊断心律失常和心绞痛；有助于鉴别胸痛、心悸、头晕和昏厥是否由心脏原因所引起；可作为心肌梗塞病人康复期的监测；可用于细致研究抗心律失常和抗心绞痛药物的疗效；也用作观察人工心脏起搏器的治疗作用，从而大大提高临床心电图诊断的价值。

实践表明，应用动态心电监护进行长时间连续心电记录，其24小时动态心电图检查对冠心病心肌缺血的检出率为70%~90%。

对症状不典型、常规心电图检查正常或仅有轻微改变、运动实验阴性或可疑阳性的可疑冠心病人、不稳定性心绞痛的病人非常有用，对于冠状动脉痉挛引起的无症状性心肌缺血等症，尤其有效，而且，这些都是常规心电图检查难以发现的。

此外，由于动态心电图能比较不同生理或病理状态下的心电图变化，还可用于医学科学研究，例如取得正常情况下的各种心电图数据，与特定状态下的相应数据进行对比分析等等。

可见它的用途是相当广泛的。

动态心电图长时间的记录，不但使心电变化的检出率发生量的飞跃，还能使那些平静、仰卧状态下不会出现的心电变化揭示出来，并能了解这些变化与心率、日常生活、症状、体位等及其他心电活动变化之间的关系，使心电图的临床应用提高到一个新阶段。

由于心电监护能及时捕捉心律的各种异常变化，使医生能对病情了如指掌，一旦病兆出现就能及时采取治疗措施，从而有效地降低死亡率。

因此，能够记录分析病人24小时活动过程中的动态心电图，并对其分析，给医生提供具有诊断价值的资料，对于心脏功能的评估，心脏病的早期诊断非常有益。

由于动态心电监护仪其价格的高昂以及我国人口的众多，经济的落后，到目前为止，我国县级医院大多数仍没有配备动态心电监护仪，乡镇医院除少数经济条件特别好的外，其余一般医院均未配备动态心电监护仪，即使在部分城市中，人口密度大，患者数量不在少数，而医院中的动态心电监护仪数量有限，无法因而使得绝大多数人没条件使用这种仪器，错过了及早发现和治疗心血管疾病的时机。

需要一种既物美价廉，操作方便，又可满足临床要求，以适合我国广大家庭中使用的同类产品，同时可考虑与省级大医院的高档动态心电图相兼容，与之能配套使用。

随着微处理机技术、微电子技术的迅速发展，研制一种既能自动检测、存储心电信号，能对其进行实时监视，又可对其进行回放分析的低成本动态心电监测、监护及回放分析系统己经成为可能。

5前便携式心电图仪的设计主要向智能化、系统化和集成化方向发展。

目前市面上常见的便携式心电仪多数是采用了前后端的实现方式，前端是以单片机为核心的心电信号采集系统，后端多数采用的是处理性能较高的嵌入式微处理器。

这种处理器性能强大，它使得心电仪在心电数据采集、处理、存储和显示等功能的基础上，还能够实现对心电数据的分析[3]。

1.2 体表心电图及心电信号的特征分析[4]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除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。

[5]心电信号的电特性分析[6]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10μV-4mv之间，典型值为1mV。

频率范围在O.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O.05-100Hz，大部分能量集中在O.05-40Hz[12]。

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；同时，个体的差异也使心电信号千差万别。

阐述心电信号特征的相关文章和书籍很多，本人在认真阅读和分析的基础上，得出心电信号特征主要体现在以下四个方面：(1)微弱性：从人体体表获取的心电信号一般只有10μV-4mV，典型值为1mV。

(2)不稳定性：人体信号处于不停的动态变化当中。

(3)低频特性：人体心电信号的频率多集中在O.05-100Hz之间。

(4)随机性：人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部分，由于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干扰的变换而变化，具有一定的随机性。

1.3心电信号的噪声来源[7]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0.05-100 Hz，而90％的心电信号(ECG)频谱能量集中在0.25-35 Hz之间[13]。

采集一种电信号时，会受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种：(1)工频干扰 50 Hz工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由50 Hz的正弦信号及其谐波组成。

幅值通常与ECG峰峰值相当或更强。

(2)电极接触噪声电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良接触，即病人与检侧系统的连接不好。

其连接不好可能是瞬时的，如病人的运动和振动导致松动；也可能是检测系统不断的开关、放大器输入端连接不好等。

电极接触噪声可抽象为快速、随机变化的阶跃信号，它按指数形式衰减到基线值，包含工频成分。

这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始瞬态的幅值和工频成分的幅值、衰减的时间常数；其持续时间一般的1s左右，幅值可达记录仪的最大值。

(3)人为运动人为运动是瞬时的(但非阶跃)基线改变，由电极移动中电极与皮肤阻抗改变所引起。