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金联机械网 2023-11-30 01:25:13

心音心电数据采集仪信号调理电路设计

摘 要:心音、心电是人体重要的生理信号,针对这些信号一般比较微弱、且其采集过程也容易受外界干扰等特点,设计开发了一种能提取微弱心音、心电信号的电路。该电路采取了一系列滤波措施,在弱电信号与强电信号之间采用光电隔离技术,从而保证了采集过程中病人的安全。此电路较好地解决了外界干扰问题,具有采集数据准确可靠、噪声小、成本低等优点。

关键词:心音信号 心电信号 光电隔离 数据采集

0 引言

心音、心电是人体重要的生理信号,载有人体心血管系统的生理、病理信息。随着计算机技术和数字信号处理技术的发展,对心音、心电信号的定量分析工作取得了很大进展,但对心音、心电信号的量化分析需要有大量可靠的数据样本,因此,准确、可靠的数据采集就显得十分重要。心音和心电信号均属于微弱的非平稳信号,且极易受外界干扰,为此,设计了一种能安全、有效地采集心音、心电信号的电路。该电路具有50 Hz 工频干扰陷波、集中在35 Hz 左右的人体肌电干扰陷波和精密的放大、滤波及光电隔离等环节,在保证了采集过程中病人安全的同时,较好地解决了外界干扰问题,具有采集数据准确可靠、噪声小、成本低等特点。

1 系统框图

心音心电采集电路分为心音和心电两个回路,每个回路分别由传感器、前置放大器、光电隔离电路、滤波电路、电平偏移电路、后置放大电路等部分组成,系统组成如图1 所示。

鉴于心音的频率范围为5~600 Hz[1],要在提取微弱的心音信号的同时尽量避免外来的干扰信号,因此,我们将灵敏度较高、抗干扰能力较强的听诊器改装为心音传感器。由于心音是一种弱的机械振动,心音传感器接收到的信号很微弱且混有低频(50 Hz 工频干扰、35 Hz 左右的人体肌电干扰等)、外界高频干扰等信号,要获取干净的心音信号,需要高精度放大、带通滤波(5~1 500 Hz)、陷波(35~50Hz)等电路以滤除干扰信号。同时,我们增加了后置放大电路,便于调整心音信号的幅度。

人体心电信号是频率范围约为0.05~150 Hz、幅度约为0~4 mV 的微弱信号[1],由专用电极拾取。心电回路处理与心音回路类似,只是带通滤波范围为0.05~150 Hz。

2 主要电路结构

疲劳试验机这三个常见问题你有没有遇到2.1 前置放大电路

前置放大具体电路如图2 所示。由于人体心音心电信号比较微弱,其噪声背景却较强,故测试条件比较复杂。为不失真地检测出有临床价值的干净心音心电信号,往往要求心音心电采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。

前置放大电路是心音心电数据采集的关键环节,本设计采用AD 公司仪用放大器AD620 作为前置放大器。AD620 输入端采用超β处理技术,具有低输入偏置电流、低噪声、高精度、较高建立时间、低功耗等特性,共模抑制比可达130 dB,非常适用于医疗仪器放大器使用,16、自动校准:对负荷、伸长可用电标定值自动标定其增益可调(范围约1~10 000 倍)并可由公式 G = 1 + 49.4/Rg (1) 来确定。

2.2 带通滤波电路

带通滤波电路由低噪声双运算放大器NE5532 构成,将图3 所示有源低通滤波电路和图4 所示有对求取各种材料的实验数据方便实用源高通滤波电路组合成带通滤波电路,图3 中电阻R42=R43= R44=R45=10 kΩ并与电容C42、C43、C44、C45 构成截止频率f = 5 kHz 的4 阶巴特沃斯低通滤波器。该滤波电路转移函数为

式中:b1=0.765;b2=1.848。

若选择电容值满足:,即 C42=2.61 F,C43=0.38 F,C44=1.08 F,C45=0.924 F,选取R42=R43=R44=R45=1 kΩ,则构成了一个截止频率为1 rad/s 的4 阶巴特沃斯滤波器。取比例系数,使截止频率移到5 kHz,取幅度比例系数10 000 m k = ,就可使用10 kΩ,而不用1 Ω电阻,由此得比例元件值为:R42=R43=R44=R45=10 kΩ,C42=8 300 pF,C43=1 200 pF,C44=3 400 pF,C45=2 900 pF。同样,采用比例法可得如图4 所示高通滤波器元件值。由实验知该带通滤波器通带频率范围约为4.82 Hz~4.91 kHz,不会造成心音频率成份的丢失。心电回路处理与心音回路类似,只是带通滤波器通带频率范围约为0.03~160 Hz。

2.3 50Hz陷波电路

工频干扰是心音心电的主要干扰,虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用,但有部分干扰是以差模方式进入电路的,且频率处于心音心电信号的频率范围内,因此,前级电路输出的心音心电信号仍然存在很大的工频干扰,必须专门滤除。如图5 所示,由R61、R62、R63、C61、C62、C63、U25A、U25B 构成50 Hz 陷波电路,选C=0.068 μF,则R 的阻值可由

fo =1/2π RC = 50Hz

计算得R=47 kΩ。经实验调试,该电路中心频率在49.9~50 Hz 之间,陷波深度为80 dB,而3 dB 带宽约为1.7Hz,陷波效果比较理想。

2.4 光电隔离电路

考虑到采集过程中病人的安全及外界电气干扰,该电路在强电信号(220 V 交流电)与弱电信号(心音心电信号)之间都采用了光电隔离技术。使用DCP010512DP 5V 输入DC/DC变换器给信号放大电路部分供电,隔离了强电信号与人体的直接接触。使用芯片ISO175P 切断了信号放大电路和后级电路的直接联系,借助光信号实现了弱电信号的隔离传输。图6、图7所示为芯片典型连线图。

3 结束语

该电路采用人体心音心电进行实调,输出使用泰克(Tektronix)公司TDS210 进行监视,信号功率放大由末端电位器控制。50 Hz 陷波电路由铝模Tektronix 公AFG310 提供信号源。现该电路已经投入使用,并已采集了大量可靠病例和正常心音心电数据。图8 所示为基LabVIEW 自行开发的心音心电采集程序界吊车面,上半部分为心音采集实图,下半部分为心电采集实图。使用表明,该电路稳定可靠,结果非常理想。

参考文献

1 董承琅, 陶寿淇, 陈灏珠. 实用心脏病学[M]. 上海: 上海科技出版社, 1994.

2 黄贤武, 郑筱霞. 传感器原理与应用[M]. 第6 版. 成都: 电子科技大学出版社, 2001.

3 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 第2 版. 北京:高等教育出版社, 1988.

4 (美)尼尔森(Nilsson. J.爬宠巢窝 W)著, 洗立勤, 等译. Electric Circuits sixth Edition 电路[M]. 第6 版. 北京: 电子工业出版社, 2002.

5 AD620: Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier Data Sheet [EB/OL]. [] .

6 DCP Series: Miniature 5V Input, 1W Isolated UNREGULATED DC/DC CONVERTERS [EB/OL]. [] .

7 ISO175: Prec开水炉ision, Isolated INSTRUMENTATION AMPLIFIER [EB/OL]. .(end)

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