心电采集系统相关电路介绍PPT课件.ppt

心电采集系统相关电路介绍1-主要内容1、基础知识 1.1 简介 1.2 导联方式2、硬件电路 2.1并联差动放大器 2.2共模驱动 2.3右腿驱动3、数据处理方式 自适应相干模板法滤波2-生物生物电是一种最重要生物医学信息是一种最重要生物医学信息，反映了人体或生物的重要的状态信息。但生物电信号具有低幅低幅值、低、低频率、伴率、伴随着随着强2 24 4个数量个数量级的干的干扰，因此，在常规的生物电检测仪器中需要高倍的放大器和复杂的滤波器等电路，使得整个系统复杂、昂贵和工艺性差。目前，物物联网网的研究和应用正在方兴未艾，物联网可望在对个人健康信息的检测中发挥超出想象的作用，如正在出现的体域网、医联网等服务健康、医学的多种网络。但物联网中的两个关键技术之一是短距无线网络，短距无线网络对另外一个关键技术传感的要求就是微小体微小体积和功和功耗耗。综上所述，能否实现物联网在医学和健康中应用的关键在于能否实现微功耗、小体积的情况下对人体信息的高可靠高可靠和准确地和准确地检测。3-u心电、呼吸、心输出量等生理参数是人体最重要、最基本的生命指征u心电信号是一种较微弱的体表电信号，其幅值约为0.5mV4mV，频率主要分布在0.05Hz75Hz 的范围内。在心电检测中，极化电压、50Hz工频、肌电信号干扰影响检测波形。4-1.1心电图简介 心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。典型的心典型的心电图各波、段及各波、段及间期的名称期的名称 心脏的生理功能与心电图之间存在着密切的对应关系，当心脏生理功能发生失常时，均可以从心电图的波形变化上反映出来。5-1.2导联方式2、加压单极肢体导联连线方式1、标准导联 将人体看成是一个具有长，宽，厚三维空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反应到体表。在体表很多点之间存在电位差，因此在不同导联方式下所得到的心电图也不一样。6-3、单级胸导联7-差分放大差分放大右腿右腿驱动共模共模驱动低通低通滤波波高通高通滤波波8-信号检测硬件设计电路特点u结构简单，成本低，功耗低u不需要进行任何调试工作，对元器件参数的精度和匹配要求也相对较低u解决以往信号采集在放大、饱和等方面的多种困扰，省略了后级放大、模拟滤波、陷波等多个环节u不仅可以实现对人体心电、呼吸或心输出量的检测，也可以应用于多种其他类型的信息检测，如血压等。9-2.1 放大电路 放放大大电路路部部分分分分为两两级，高高通通滤波波电路路和和并并联差差动放放大大电路路。电路的共模抑制比路的共模抑制比为：高通高通并并联并并联差差动放大放大电路路 输出出仅仅包包含含差差模模信信号号，因因此此，当当两两个个放放大大器器参参数数完完全全对称称的的话，CMRRCMRRB B趋近近于于无无穷大大。但但是是实际放放大大器器参参数数是是不不能能完完全全对称称的的，因因此此，要增加放大倍数。要增加放大倍数。电路路中中直直流流电压的的存存在在影影响响放放大大倍倍数数的的提提高。高。10-高通高通滤波波电路路 高通滤波器的截止频率为0.05Hz，以消除极化电压对后面放大倍数的影响。为了保证较高的CMRRF，应该使电阻电容达到较高的匹配精度。若使CMRRT达到80dB，CMRRF要大于80dB，要求两个高通滤波电路中的参数误差小于1/10000。此时，需要设计共模驱动电路，以避免由于电路中参数的不匹配造成的共模信号向差模信号的转变。11-2.2共模驱动电路 共模驱动电路的工作原理是采用两个相等阻值的电阻从两个输入端取得共模信号（两个输入端的差模信号在运放A1的输入端叠加的结果为0），因而运放A1构成的跟随器的输出也为共模信号，用共模信号去驱动高通滤波器原来接地的一端，使得高通滤波器的输出也为共模信号（但对差模信号却依然起到高通滤波作用）。因而，有了共模驱动电路，就可以在并联差动放大器的前端加接高通滤波器而不影响电路总的共模抑制比，进而为提高并联差动放大器的差模增益提供了条件，最终大幅度提高了电路的共模抑制比。UC为共模信号。对于差模信号，UAO=UAi=0。对于并联差动放大电路的输出，仅含有差模信号。12-总结：共模共模驱动电路的路的设计，在，在电路参数不匹配的情路参数不匹配的情况下，也能况下，也能够保保证整个整个电路具有路具有较高的共模抑制比。高的共模抑制比。但是，在但是，在实际电路中，也会有其它的干路中，也会有其它的干扰阻止阻止放大放大电路的放大倍数，如工路的放大倍数，如工频干干扰，此，此时，可以采，可以采用右腿用右腿驱动电路，以路，以进一步的减小共模干一步的减小共模干扰。13-2.3右腿驱动电路14-在不丢失心电信息的前提下，右腿驱动电路是抑制工频干扰的有效方法，更重要的是右腿驱动电路将人体与检测电路连接，形成一个闭环回路，以增加电路的稳定性。此外，为了保证ADC的分辨率，在运放的同向输入端加一基准电压，将电压抬高到ADC的输入范围内。为了评价右腿驱动电路的抗噪声能力，将电路进行了等效人体的共模信号可以等效成一个电压源加内阻的形式。R为几K到几十K欧姆的接触阻抗，K为放大器A4的放大倍数，ZS 为107欧姆，K为102-103，（1）式可以等效为：（1）15-A AC C大大约为1010-5-5-10-10-6-6，因因此此，右右腿腿驱动电路路能能够有有效效的的降降低共模信号。低共模信号。总之之，通通过共共模模驱动电路路，高高通通滤波波电路路，差差分分放放大大电路路和和右右腿腿驱动电路路的的合合理理设计，心心电信信号号检测的的前前端端电路可以达到路可以达到较高的共模抑制比。高的共模抑制比。ADCADC之之前前的的低低通通滤波波电路路也也称称之之为抗抗混混叠叠滤波波器器，是是滤处电路路中中的的高高频干干扰，其其截截至至频率率一一般般设计为采采样频率率的的一半。一半。16-整体电路图17-在生物信号采集系统中，通常会引入各种噪声干扰，其中的工工频干干扰及基及基线漂移尤漂移尤为普遍普遍。相对于待分析信号，这两类干扰通常可看做窄带信号。许多研究人员进行了这类于扰抑制的专题研究并取得了较好的效果，但多数方法的计算或实现电路较为复杂。由李刚教授等提出的自适自适应相干模板法相干模板法，可同时抑制工频干扰及基线漂移。该方法根据工频干扰的特点，从原始信号中得到工频干扰的模板，再从原始信号中减去工频干扰的模板，达到滤除工频干扰的目的。算法仅通过采样数据的累加、移位及减法操作即可实现，较为简便，适合于在普通微处理器上的实现。自适应相干模板法滤波18-基本原理 自适应相干模板法的基本原理是根据工频干扰的特点，从原始信号中得到工频干扰的模板，再从原始信号中减去该模板，达到滤除工频干扰的目的。19-假设X(n)为原始输入信号，其中S(n)为有用信号，N(n)为工频干扰信号，即：X(n)=S(n)+N(n)，则可定义模板信号T(n)为：(1)式中，fs是信号的采集频率，fg是工频干扰的频率(50Hz)。在自适应模板法中，要求fs为fg的整数倍，即：fs=50kHz（k为正整数）。N(n)为周期信号，且以k为周期，有：若S(n)为零均值信号，当M足够大时，有：20-将式(2)、(3)带入到1中，则有：因此，只要从X(n)中减去T(n)就能得到S(n),达到滤除工频干扰的目的，即：21-22-