心电信号采集及系统设计

精心整理微弱信号检测课题报告

心电信号采集

—噪声分析及抑制

【目录】

【摘要】 ........................................... 错误!未指定书签。

第一章 ............................................. 错误!未指定书签。

1.1人体生物信息的基本特点[1} ........................ 错误!未指定书签。

1.2体表心电图及心电信号的特征分析[4] ................ 错误!未指定书签。

1.3心电信号的噪声来源[7] ............................ 错误!未指定书签。

心脏是人体循环系统的核心，心脏的活动是由生物电信号引发的机械收

缩。在人体这个三维空间导体当中，这种生物电信号可以波及人体各个部分，

在人体体表产生规律性的电位变化。在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。

针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。设计一种用于心电信号采

集的电路，然后进行A/D转换，使得心电信号的频率达到采样要求。人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。为获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。运用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，采用前置差动放大+带通滤波器+50Hz陷波器(带阻滤波器)组成的模式，对心电信号进行测量。

关键词：心电信号采集，降噪，A/D转换放大，噪声分析

1．1

(1)

(2)

(3)

(4)

外，

我们把抗干扰和低噪声作为人体测量盼基本条件，不只是由于人体电子测量是处于强电磁场环境中，成为无法回避的客观事实；而且还由于抗干扰和低噪声本来就是电子设计开始时必须予以考虑的环节。

总之，人体生物医学信号的提取和处理，是自然科学领域中难度最大

的。生物电信号，如心电、脑电，通过电极用一定导联方式提取出来；非

电量参数，如心音、脉搏、体温、呼吸等，通过各种传感器，换能器变换

成电信号后被提取。常见的有脉波换能器，心音换能器，绑带式流量换能

器，张力换能器。

对于能够通过电极提取的体表生物电信号，其测量仪器的电路结构基本相同，不同的只是因信号的频率和幅度不同，对电路的性能要求不同。常见的生物电信号有心电(ECG)、脑电(EEG)、肌电(EMG)、视网膜电和眼电等。

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

1.2

分。

当心肌

“血

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。

1.3

而90％

起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基线干扰形状可认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通常为几十毫伏。

(4)肌电干扰(EMG)肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电势。EMG基线通常在很小电压范围内。所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时发生的零均值带限噪声，主要能量集中在30-300Hz范围内。

(5)基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率小于5Hz；其变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸频率同频率的

正弦分量，在O.015-O.3Hz处基线变化变化幅度的为ECG峰峰值的15％。

(6)信号处理中用电设备产生的仪器噪声心电信号是由人体心脏发出的极其精密、相当复杂并且有规律的微弱信号，外界干扰以及其它因素的存在都会使其变得更为复杂，要准确地对其进行自动检测、存储、分析却是一项十分艰巨的任务。例如，工频干扰信号对心电图的影响会使心电信号的特征点定位变得十分困难。因此，心电信号的监视、分析必须在建立在有效抑制各种干扰、检测出良好的心电信号的基础之上。

(7)共模信号(commonmodesignal)：从体表采集到的信号除了人体心脏产生的电信号外，还包含许

1.4

1.4.1

一个由

而

如果大

。氯

这种方法把直流漂移电位减小到与峰值相比非常小的程度。因此，这种电极移动导致的基线漂移比其他极化电极要小很多。