三导联心电图机总体设计方案

三导联心电图机总体设计方案

本章根据心电信号的生成和特点，提出三导联心电图机的设计要求，并且确定系统的实现功能。在此基础上，确定三导联心电图的总体设计方案，包括前端模拟电路的结构、处理器的应用和上位机程序的功能实现。

心电信号的产生机理

心电生理学资料表明，心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张运动。由心肌激动产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。在每个心动周期中，窦房结是心脏的最高起博点，即一级起搏点，它发出的激动命令经结间束首先传给房室结，也称第二级起搏点。

房室结向下发出一条传导路，称房室束，它位于室间隔内。房室束往下又不断发左右两个束支，越分越细，最后分别形成互相交织得像网一样的结构，称普肯耶纤维，终止于心肌内。此生物电传递变化十分复杂，呈混沌态，其有序结果通过周围组织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的电变化。

将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心电信号变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图(ECG)[6]。心脏典型的的各个标准对照波形与心脏的传导系统有着重大的关系。这种系统既可以产生兴奋，又可以传到兴奋，不断的搏动，从而使心脏不断跳动，维持着人体的正常运转。心脏的传导系统由特殊的心肌纤维构成的一个传导系统。包括窦房结，房室结，房室束，

以及封不到心室乳头肌和心室壁的许多细支；该系统的细胞类型有起搏细胞，移行细胞和普肯叶细胞三种；其中心肌兴奋的起搏点是起搏细胞，也叫P细胞。正常心脏兴奋的起源点在窦房结，位于右心房的上腔静脉入口处，该兴奋经心房内的结间束，包括前结间束、中结间束和后结间束，一面兴奋心房，

一面传至房室交界处(含房室结、房结区和结希区)，经过一定的传导延迟后，再沿希氏束、左右束支传至两心室的内膜下之浦肯野纤维网，

该网互相吻合，深入心室肌层，最终使整个心脏全部兴奋。心脏在静息状态下，细胞膜对钾通透性很高，故从高浓度的膜内向低浓度的膜外渗出；

当钾离子外渗时，负离子也随之外渗，但由于细胞膜本身带有阴性电荷，而阻碍负离子的外渗，故只能隔膜互相吸引，使钾离子不能远去，

从而在膜外产生了多余的正离子而带正电，膜内留下的负离子荷而带负电，因而造成膜内外的电位差，该电位差通常称为跨膜静息电位( transmembrane resting potential)，简称静息电位或膜电位。

不同类型心肌细胞的跨膜静息电位不等；心室肌细胞为—80～—90mV，清氏纤维为—90～—l00mV，窦房结细胞为—40～—70mV。

这种状态称为极化(polarization)状态。当极化膜的某点受到刺激(包括物理、化学、电流的刺激等)后，该处极化膜对各种离子的通透性立即发生变化，

大量钠离子迅速进入膜内，使膜内电位急速上升，膜内电位由负值变为正值(+20～+30mV)，这个过程称为除极过程(depolarization process)。

心肌细胞在除极后，由于细胞的代谢作用使细胞膜逐渐恢复为极化状态的过程，称为复极过程(re-polarization)。各部位心肌细胞的动作电位各有特点，

但都包括去极(除极)和复极(re-polarization)两个过程.

心电图波形分析

2-1 正常心电图的波形图

心电图信号的标准波形是由六个波峰和波谷用六个连续的字母标号P、Q、R、S、T、U表示。正常心电图波形如图2-1所示，整个周期由一个波群组成，各个波段描述如下：(1)P波：一开始的波就是P波，反映心房除极过程的电位变化，就是心房的除极过程。(2)PR间期：P -R 段（实为P-Q 段，传统称为P-R 段）反映心房复极过程及房室结、希氏束、束支的电活动；P 波与P-R 段合计为P-R 间期，反映自心房开始除极至心室开始除极的时间它是房室传导时间的一种时间的测量，也正是由于这个原因，临床上一般用它进行作为诊断依据。(3)QRS波群：幅度最大的QRS 波群，反映心室除极的全过程典型的QRS

波群是指三个紧密相连的波；第一个向下的波为Q波，这波不一定总是出现。QRS波的第一个向上的波为R波，继R波后第一个向下的波为S波，发生在S波后的向上的波称为R’。QRS是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个QRS 波群都具有Q、R、S三个波，一个单相的负QRS复合波被称为QS波。(4)ST 段：是在QRS波群以后，T波以前的一段平线。除极完毕后，心室的缓慢和快速复极过程分别形成了ST 段和T 波。(5)T波：代表心室肌复极过程引起的电位变化。(6)QT间期：Q-T 间期为心室开始除极至心室复极完毕全过程的时间。这个持续时间和心率的变化相反。但通常不采用QT，而采用修正QT，称为QTC，其中QTC=QT+1.75(心室率—60)。体表心电图反映的是心电信号的时域特性，经分析可以看出ECG信号的特征段的分界处是波形上的拐点。(7)U波:在T波后的一个很小的正向波，代表心肌激动的“负后电位”.

心电信号的特征

心电信号具有以下一些特征： 1.微弱性人体体表的心电信号很微弱，一般只有0.05~5mV。在测量中，对于如此微弱的信号，很难进行直接记录或处理，必须通过放大器适当放大，同时必须进行滤波等抗干扰处理。 2.低频特性人体心电信号的频谱范围在0.05~100Hz，频率比较低。 3.高阻抗特性作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几KΩ至几十KΩ。4.不稳定性人体和外界有密切的联系，内部的各种器官之间存在相互的影响。因此，来自内部或外部的刺激，都会使人体心电信号产生相应的变化。在对心电信号进行测量、分析和处理时，应按照其特性，考虑其不稳定性的影响。 5.随机性由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信号易受到外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。但是，这种随机现象服从统计规律。在心电检测中，即要注意到它的随机性，又不能忽略其内在的规律性。

心电信号的干扰

微弱的心电信号在采集过程中容易淹没在干扰中，检测过程中的常见干扰有如下几种： 1.噪声和漂移干扰噪声是指在心电信号采集中，遇到的是仪器本身器