医疗仪器接口

心电信号前置放大器
心电图机用于测量体表心电图需要的频响为 0.05 ~ 100Hz，因为骨骼肌信号在这范围内也比 较大， 所以在心电图内产生躯体的伪迹。 在诊断场合要求患者在几分钟内不动是办不 到的，但对长期受监护的病人则更难办到，病人 的肌电干扰就不可避免。 在监护时，往往把高频端限制在45 ~ 75Hz。 在心电图机中采用25Hz或35Hz肌电滤波器。
输入 （心电信号）
前放
主放
输出
（描记心电信号）
+12 +8 -8
控制
心电图机原理框图
电源
5.2.2

பைடு நூலகம்
数字式单道心电图机软件原理
1、单片机软件特点
ECG-6951D的控制核心使用的是16位单片机，单 片机设计包含硬件设计和软件设计，结合基于单 片机的应用软件，来完成一系列功能。如下页图 所示。 单片机的软件具有如下特点： (1)与硬件联系紧密，必须要对硬件有一定的了解。 (2)有自己特殊的指令和编译连接系统。 (3)软件具有个性，不同的芯片软件一般不能通用， 必须经过移植。

光电耦合接口电路
由于光电管选用的是配对器件，放大器的性能近于理想， 配对电阻近似相等，电路补偿效果可以很好，整个电路线 性度容易达到1％。
Vcc1 vI 电路的增益推导如下： i1 R1 R2 因光电管完全匹配，故： i1 i2
而：
若 Vcc1
Vcc 2 v0 i2 R5 R7 R8 Vcc1 Vcc2 R ，调 ，使 5 Vcc2 R2 R5

2R R
1
2
1
R R
5 4


2 200 100 1 20倍 AV 21 100 调节R144,可减小共模输出信号。
二、光电耦合接口电路


在病人与仪器设备之间必须有良好的隔离措施， 以免病人受到仪器漏电时的强电危害以及使用 除颤器时设备受到高电压冲击的损伤。因此， 隔离放大器是必不可少的。 目前用于这种隔离的器件有许多种，例如光电 耦合器、变压器、光敏电阻、磁敏电阻或霍尔 效应器件等。 下图为接口电路的工作原理
信号源与数据采集电路间的接口电路



为与数据采集电路适配，输出端输出阻抗要低， 幅度的动态范围、模拟信号的极性、状态信号的 电平等等都必须符合配接的规定。 有的还应有相应的校准电路(如血压定标电路)。 下面只就仪器中应用较多的生物电放大器和光电 隔离电路做些介绍。
信号源与数据采集电路间的接口电路
1．ECG-6951D主要特点



(1)采用16位微处理器。 (2) 采用热线阵打印技术，消除了非线性及过冲 问题，并可以打印记录心电波形、导联名称、 时标、走纸速度、增益、滤波器等数据。 (3)具有 3.2英寸黄绿模式液晶显示屏，能显示导 联的状态、走纸速度、滤波、灵敏度、手动 / 自 动状态，及缺纸及工作异常的显示。在工作状 态时能显示心电波形。 (4)具有手动/自动记录方式，自动方式下基线位 置自动控制、增益自动控制可手动移位控制。
三运放前置放大器图
心电信号前置放大器
抗共模干扰电路 共模干扰就是同时叠加在两条被测信号线上 的外界干扰信号，因屏蔽引线的分布电容不完全 相等而引起。 抑制共模干扰的措施： （1）利用双端输入的运放作为前置放大器，抑制 共模干扰。 （2）利用隔离放大器，变压器或光电耦合器将信 号源和仪器隔离，使两个地之间没有直接的导通 回路。 （3）利用浮地输入双层屏蔽放大器。


2．ECG-6951D主要技术指标
(1)ECG输入 导联: 标准12导联 输入方式: 浮地输入 输入回路电流： ≤0.1μA 极化电压： ≥±300mV 标准灵敏度： 10±0．2mm/reV 共模抑制比： ≥100 dB 频率响应：1～150Hz -3dB


CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）
传感器
信号检测 预处理
Ａ/D转换
并行接口
微处理机
5.1.2 信号源与数据采集电路间的接口电路


前置预处理接口电路应该具有很高的输入阻抗 和共模抑制比，其输入级应有必要的保护及隔 离措施； 为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范围， 应有足够的增益，电路既要滤除各种干扰，又 要频带合适，以便得到信号检出时的最大保真 度；
Vi1
+
三运放电路特点为: 高输入阻抗; 高共模抑制比CMRR; 改变RG 可调节放大倍数。
-
A
R1 R3 R5
+ RG R2 R4
-
A
V0
+
R6
Vi2
-
A
心电信号前置放大器

如图9-3所示三运放组成的放大器，是心电图机通常采 用的放大器。 当R2=R3，R4=R6，R5=R7 例：
A
V
CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）
CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）


(5)示波输出插口 灵敏度: 0.5V/mV 输出阻抗: ≤100Ω (6)外接输入插口 灵敏度 : 10mm/0.5V 输入阻抗: 对地≥100kΩ
CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）



(2)波形处理 交流滤波: 50Hz 肌电滤波: 35-45Hz 时间常数：≥3.2秒 波形状态检测: 电极异常 灵敏度选择: 5、10、20mm/mV



(3)记录器 打印方式: 高分辨率热打印头 打印密度: 200dpi (垂直方向) 记录宽度: 48mm 走纸速度: 25，50mm/s 记录纸: 50mm(宽)x 30mm(长)卷纸 (4)液晶显示屏 显示区域: 65 x 33mm 分辨率: 128点(列)x 64点(行)


(7)电源 交流电源: 220V/50Hz 输入功率: 约35VA 直流电源: 机内铅蓄电池, 连续工作时间≥2小时； 充电自动控制(带涓流充电)，有过充电保护 节电功能：直流状态下无键操作约 5 分钟后自动切 断电源。
3．心电图机方框图
心电图机主要由前置放大板、主放大板、 控制板、电源板四块板以及马达、记录器、热 笔等机械装置组成，框图如下图所示。

数字式单道心电图机工作原理


(2) 通用寄存器的数量远比一般 CPU 的寄存器数 量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部 变量指定专门的寄存器，节省了中断服务过程中 保护寄存器现场和恢复寄存器现场所需的软件工 作，方便了程序设计。 (3)有效率更高、执行速度更快的指令系统。 (4) 具有外设事务服务器 PTS ，专门用于处理外 设中断事务，和普通中断服务过程相比，PTS服 务大大减少了CPU的软件处理。


数字式单道心电图机软件原理
硬件
软件
单片机应用系统图
数字式单道心电图机软件原理


2、主控CPU特点
ECG-6951D控制核心使用的是Intel公司生产的高 性能 16位单片机 80C196MH，其特别适用于各类 自动控制系统，一般的信号处理系统及高级智能 仪器。因为这些系统通常要求实时处理、实时控 制。而Intel16位单片机具有的下述特点可以提高 系统的实时性： (1)CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结 构，改用寄存器－寄存器结构， CPU的操作直接 面向寄存器，消除了一般 CPU结构中存在的累加 器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。
心电信号前置放大器图
心电信号前置放大器



心电图具有很低的频率成分，诊断用 0.05Hz ； 但对监护仪来说，呼吸，电极偏置电位的变化， 环境温度的变化及身体移动都会引起基线漂移， 因而监护仪的低端频率为0.1~ 0.5Hz。心电图机 采用0.1Hz去漂移滤波器。 心电图机电极和皮肤接触时，有些电极可以产生 几百mV的极化电位。前置放大器的放大倍数不 宜太大，以避免造成电路饱和，前置放大器的增 益一般在100以下。为使心电信号推动记录机构， 需要主放大器将心电信号进一步放大。 前置放大器和主放大器之间可通过RC耦合，它 决定了心电图机的低频响应，低端频响常以RC 乘积（即时间常数来表示），如1.6秒，3.2秒。
一、心电信号放大器 为了给A／D转换提供一个低噪声、高灵敏 度和幅度足够大的ECG信号电压。 完整的心电信号放大器应由输入保护及屏蔽 电路、心电信号前置放大器、光电隔离电路、主 放大电路、灵敏度调节和 50Hz 陷波电路、抗干 扰滤波电路、外接输出电路以及限幅比较器、闭 锁电路、无效信号检测电路等组成。 以下重点介绍心电信号前置放大器，如后 页图所示。
5.2 CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）
5.2.1 概述


ECG-6951D 心电图机是上海光电医用电子仪器 有限公司开发的一种带有液晶显示屏幕的热线 阵打印和微处理器控制技术的普及型单道自动 心电图机。 该机小巧轻便，操作简便，记录清晰。 ECG-6951D 心电图机安全规格符合 GB9706.11995 标准要求，为 1 类 CF 型机器。可作腔内心 电图检查，极限漏电流<10uA。
数字化医疗仪器的共模干 扰
R1
H
En
I1
Rx Ex
R1
L Z2 Z1
R2
I2
数 字 化 医 疗 仪 器
ECM
~
RCM
IE
e
B
数字化
Ex Rx Vi en
医疗仪器
数字化医疗仪器的串模干扰
串模干扰 它是由外界条件引起的，叠加在被测电压上的干扰信 号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量 仪器而引起的测量误差。串模干扰主要来自于高压输电线 所产生的空间电磁场。 抑制串模干扰的措施： （1）采用滤波器 双T滤波器，低通滤波器等。 （2）选择器件 采用双积分型的 A/D 器件。积分周期要等于工频周 期的整数倍。 （3）电磁屏蔽 除进行电磁屏蔽外，应选用带有屏蔽层的双绞线或 同轴电缆作信号线。
v0 R7 R8 v1 v0 v1 ， R1 R7 R8 R1 v0 R7 R8 Av v1 R1



电路中的电容是为了扩大放大器工作的频率范 围而设置的。 由于电路具有线性和宽带等特点，常串接在生 物电放大器的前置输入和主放大器之间，有效 地避免了触电危险和设备损伤的可能，抑制了 微机系统与生物电放大器之间共地而产生的回 流干扰。 两组电源也需要隔离。
心电信号前置放大器





心电图机电极和皮肤接触时的接触电阻不平衡降 低抗干扰能力，故在每根导联线与缓冲放大器之 间都接有10k电阻以减少接触电阻不平衡的影响。 三运放前置放大器: 心电图机常采用三运放组成的仪用放大器，如下 页图所示。差分放大电路对经过导联选择电路选 择的心电信号进行放大。 差分电路的特点是抑制因静电或磁感应而引入的 50Hz交流共模干扰信号，使所需要的心电图信号 得到放大，其放大倍数约为20倍。 进一步去除50Hz干扰还装有50Hz滤波电路。
此外，80C196MH还具有丰富的外设。如下图所示：
ECG-6951D主要特点




(5)自动方式下，导联记录时间可设定。 (6)步进马达及高效传动系统，可靠性高，起动特性 好。 (7)有工作异常检测、指示和标记功能，缺纸检测和 指示。 (8)安全保护功能：输入除颤保护、热线阵打印缺纸 保护等。 (9)电池充电自动控制。
CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）


三运放电路特点为:
1、高输入阻抗; 2、高共模抑制比CMRR; 3、改变RG 可调节放大倍数。
公式计算：
设： R1=R2；R3=R4；R5=R6 Vo1-Vo2=IG（2R1+RG）； Vi1-Vi2=IGRG； 故： Vo1-Vo2=（Vi1-Vi2)(2R1+RG)/RG AV1=(2R1+RG)/RG=1+2R1/RG 而 ：AV2= - R5/R3 所以：总差模增益 AV=AV1*AV2= - ((1+2R1/RG)R5)/R3 而总共模增益AVM=AVM1*AVM2=1*0=0
数字化医疗仪器
第五章 数字化 医学仪器应用实例
5.1
5.1.1

传感采集接口的设计
数据传感采集接口概述
人体的各种物理量（生物电位，心音，体温，血 压等）需用传感器将其变成电信号，经由诸如放 大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号检测及预 处理电路，将模拟量的电压或电流送 A/D 转换， 变成数字量，供计算机处理。