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健康伴侣—完整移动医疗系统数字化管理解决方案(2)

健康伴侣—完整移动医疗系统数字化管理解决方案(2)

电源工频干扰主要是以共模形式存在,瞬时幅值可达几伏甚至几十伏,所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。电极移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压,最大可达300mV,因此,心电放大器的前级增益不能过大,或者需要采用超低频的交流放大器。由于人体信号源内阻可达几十千欧、乃至几百千欧,所以心电放大器的输入阻抗必须在兆欧以上。不仅要求输入阻抗,对CMRR 也要有80dB以上的共模抑制比。
根据心电信号的特点,前置级应该满足下述要求:
(1)高输入阻抗。提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减少信号源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗。一般情况下,信号源的内阻为100k,则放大器的输入阻抗应大于1M
(2)高共模抑制比CMRR。生物电放大器的CMRR 值一般要求60dB~80dB,高性能放大器的CMRR 达100dB,前级采用CMRR 高的差动放大形式,能减少共模干扰。两级放大电路的共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第二级的共模抑制能力。共模抑制比作为技术指标来衡量差分式放大电路指引共模信号的能力,其定义为放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压增益 之比的绝对值,即


差模电压增益越大,共模电压增益越小,则共模抑制能力越强,放大电路的性能越优良,因此希望的值越大越好。
(3)低噪声、低漂移。主要作用是使信号源的影响小,使采集信号能力强,使输出稳定。
由于人体心电信号的主要频率范围为0.05~100Hz ,同时心电信号中通常混杂有其它生物电信号,加之体外以50Hz工频干扰为主的电源干扰,使得心电噪声背景较强,测量条件比较复杂。为了滤除这些噪声,需要对采集的小信号进行滤波。滤波可以采用数字滤波器也可以使用模拟滤波器。本设计采用模拟滤波器中的有源滤波器,能够很有效地滤除与心电信号无关的直流、低频、高频噪声信号。较数字滤波器相比消耗很少的逻辑资源,仅仅使用普通单片机即可满足要求,成本低。较无缘滤波器相比,有源滤波器有着更好的滤波效果。最后对心电信号进行放大,可以得到较低噪声的心电信号。为了提高滤波的效果,采用两级滤波。将经过放大的心电信号送至由0.05 Hz 高通滤波器和100Hz 低通滤波器组成带通网络,并通过50Hz 陷波电路,达到滤除有效频带以外的信号的效果。
2.3.2心电电极

皮肤是不良导体,因此要获得电路和皮肤的良好接触,必须采用良好的电极。常见的电极有贴片电极、吸球电极和肢体夹,其中贴片电极是一次性的,而且检测时病人必须平躺,脱落后不可以再使用,成本性及环保性不高。吸球电极为胸部吸球,可多次利用,但是需要病人脱去上衣,比较麻烦。本设计采用肢体夹电极,只需要将肢体夹夹住手腕脚腕即可,使用方便,即使病人在户外行走都可以进行测量。

2.3.3心电导联

放在体表的电极所测出的ECG信号将随不同的位置而异,为了完整描述心脏的电兴奋活动状况,临床采用多导联方式。常用的有12导联(威尔逊导联)和5导联方式。这种导联检测心电信号虽然精细,但是检测十分繁琐,对场合要求高。因此本设计采用更为简单的3导联方式,在满足可以得到要求的心电信号的情况下,使检测更加方便。

2.3.4前级放大

要实现高输入阻抗和高共模抑制比,可采用仪用运算放大器可。因此我们选用AD620仪用运算放大器,它放大倍数可编程,只要用一个外部电阻就可以进行1-1000的放大倍数。功耗低,静态电流。


实验中发现单纯的线路高共模抑制比不是解决50Hz工频干扰问题的最好办法,采用体表“地”电极共模驱动才能有效地直接减少人体50Hz干扰。


为了进一步提高前置放大器的共模抑制比的同时一直50Hz的工频干扰,可设计运用通用算放大器OP07和R1、R2、R4、R5、R6和C15构成激励系统电路。人体的共模电压被R4、R5两个相等的电阻检测出,经过OP07将其倒向放大并反馈到人体上。这种负反馈可以使共模电压降低。人体的位移电流流不到地,而是流到运放的输出电路。就心电放大器来说,这样减小了共模电压的拾取,并且有效地使病人接地。

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