胎兒心電信號(hào)電路設(shè)計(jì)論文

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1系統(tǒng)組成原理

對于正常人來說，心臟的興奮主要是通過這樣幾個(gè)步驟完成的，首先是竇心房產(chǎn)生興奮，然后經(jīng)過一定的時(shí)間和相關(guān)的圖形，將興奮傳遞給心室和心房，這樣就可以導(dǎo)致心臟興奮，所以，按照上述過程，心臟跳動(dòng)的完整周期應(yīng)該是包含一定的規(guī)律的，不僅僅是在次序以及時(shí)間上有規(guī)律，而且在電傳播的途徑與方向上都是有規(guī)律的。對于人體而言，生物電的變化終究會(huì)使得身體的各個(gè)部分隨著心跳的變化而發(fā)生很有節(jié)律的電變化，畢竟整個(gè)電變化的過程要隨著心臟的跳動(dòng)并通過體液反映到我們的身體上，也就是說從我們身體表面來看，只要距離不是太近，不管具體的數(shù)值有多小，任意兩個(gè)存在一定距離的點(diǎn)之間一定是會(huì)有電位差存在，那么身體表面上不同的點(diǎn)其電位也是客觀存在的，但是畢竟由于心臟是處于不斷跳動(dòng)的過程中，那么電位的分布就不可能是一成不變的，這種電位的分布要隨著心臟跳動(dòng)導(dǎo)致的電活動(dòng)而不斷的變化，所以電位差也不能是一個(gè)常數(shù)，必然是一種隨著心臟跳動(dòng)而變化的周期性變化曲線。在醫(yī)學(xué)治療的過程中，我們經(jīng)常會(huì)見到將幾個(gè)電極放到人身體的相應(yīng)位置，通過對心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電變化進(jìn)行記錄，這樣產(chǎn)生的圖形就是我們非常熟悉的常規(guī)心電圖（用ECG表示）。醫(yī)生可以通過觀察心電圖從而獲得患者的心臟的部分機(jī)能，對心臟有一定病變的患者來說，其心電圖一定和正常人會(huì)有所不同，從這個(gè)角度來看，心電圖對心臟疾病的初期診斷就有非常重要的作用，也是目前為止初步診斷心臟病的非常重要的手段，尤其是患者患有心律失常和心肌梗塞等常見心臟疾病，都可以通過心電圖進(jìn)行初步診斷。一個(gè)完整的心電圖包含如下幾個(gè)主要的特征波形：P波，P-R間期，QRS波群，S-T段，T波，Q-T間期，U波，每個(gè)波形代表了不同的意義。經(jīng)過對原始的電信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理以后，可以設(shè)計(jì)出圖2所示的原理圖，從圖中可知，采集到的胎兒的心電圖畢竟信號(hào)非常的微弱，而且還容易收到母體的干擾，所以必須要先經(jīng)過一次放大的操作，然后為了進(jìn)一步減少各種噪聲因素的影響，將此信號(hào)通過高通濾波器去除掉所有的低頻分量和直流分量，再經(jīng)過進(jìn)一步的放大，此時(shí)再次放大的作用就是為了滿足進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)候?qū)π盘?hào)幅度的要求，將此信號(hào)通過低通濾波器濾除掉高頻的分量，由于儀器設(shè)備使用的交流電頻率一般都是50HZ，為了消除這個(gè)頻率的干擾，特別的設(shè)計(jì)了兩個(gè)50HZ的雙T可調(diào)陷波器，為了進(jìn)一步的提高數(shù)據(jù)采集的精度，又設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路，這樣就可以保證利用相關(guān)的激勵(lì)降低相關(guān)的交流干擾，比如說人體本身的內(nèi)阻、皮膚的電阻等各種各樣可能產(chǎn)生的干擾，對醫(yī)護(hù)人員的要求也降低了許多，至少在操作上要簡單了很多。

2胎兒心電信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步的提高胎兒心電圖儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度，又設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路，這樣就可以保證利用相關(guān)的激勵(lì)降低相關(guān)的交流干擾，比如說人體本身的內(nèi)阻、皮膚的電阻等各種各樣可能產(chǎn)生的干擾，對醫(yī)護(hù)人員的要求也降低了許多，至少在操作上要簡單了很多。

3右腿驅(qū)動(dòng)電路

總體來看人體畢竟是導(dǎo)體，那就意味著人和電源線以及任何大地之間分別存在著兩個(gè)電容CP和CB，必然會(huì)導(dǎo)致50HZ的工頻干擾會(huì)耦合到人體當(dāng)中，而且放大電路部分和大地之間當(dāng)然也會(huì)存在電容CS，所以說人體內(nèi)流過的偏置電流就會(huì)使得人和大地之間存在這電勢Vp，心電檢測時(shí)兩個(gè)用來提取信號(hào)的電極和皮膚之間也存在著兩個(gè)未必完全相等的電阻，用Re1和Re2表示，這兩個(gè)電阻一般來看阻值可能有幾十千歐姆，特殊情況下可以達(dá)到幾百千歐姆，這樣就會(huì)將上文所述的Vp變成了兩個(gè)部分Vcm和Vim，前者表示的是人體與放大器之間的共模電壓，或者表示的是放大器和大地產(chǎn)生的差模電壓。前置放大電路U1,U2的兩個(gè)輸出端(TLC2652的6腳)，通過阻值相等的兩個(gè)電阻R56和R57取出共模電壓，送入如圖3所示的右腿驅(qū)動(dòng)電路,該電路由U20及C78和R59組成。檢出的共模信號(hào)經(jīng)過U20將其倒相，放大并反饋到人體上。這是個(gè)負(fù)反饋，促使共模電壓降低。人體的位移電流不流到地，而是流到運(yùn)放的輸出端。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路后，可將50Hz的共模干擾電壓降低到1％以下。就心電放大器來說，這樣就減小了共模電壓的拾取，并且有效地使病人接地。同時(shí)可有效的減少屏蔽層和信號(hào)線間分布電容的影響。為達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器所需信號(hào)幅度，經(jīng)由前置放大器放大后的信號(hào)，由后級放大電路進(jìn)一步放大及濾波。

本文基于胎兒心電信號(hào)的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了胎兒心電信號(hào)調(diào)理電路各部分的設(shè)計(jì)。包括由TLC2652AI構(gòu)成的前置放大器、右腿驅(qū)動(dòng)電路、后級放大及高通濾波等電路的設(shè)計(jì)。該心電信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的要求。為整個(gè)胎兒心電圖儀的研制成功，提供了一個(gè)良好的前提。

作者:郭銳強(qiáng)單位:長春工業(yè)大學(xué)