单片机心电信号数据采集系统的设计(二)

自身潜力，走过了一条从代理到仿制，再到自主开发的道路。在这期间，涌现了北京精博电子仪器研究所生产的 JB-9100 等为代表的优良中央监护系统。
 随身携带的便携式心电监护仪在我国并未能够很好的普及，究其原因，有以下几个方面：
 (1)记录的心电信息极其有限，医生从中难以得到患者全面的心电信息，从而降低了医生对疾病诊断的正确率；
 (2)费用较为昂贵，动辄几千乃至上万元，一般的患者难以承受；
 (3)实时性、体积、功耗、重量等都不尽如人意，给患者在使用过程
 中造成诸多不便。
 因此，心电检测系统的研制仍有重大深远的意义。
 1.4 本课题主要研究内容
 本课题是设计心电信号数据采集系统，利用单片机实现对心电信号的采集与处理，并通过液晶显示器显示心电波形。
 该心电信号采集系统主要有以下几个部分组成：
 前置放大电路，从强的噪声背景中提取心电信号。
 带通滤波电路，使频率为0.05-100Hz的心电信号通过，该范围以外的信号将大幅度衰减掉。
 主放大电路，将前级放大的心电信号进行再次放大。
 50Hz掐波电路，用于滤掉50Hz工频干扰。
 35Hz掐波电路，用于滤除肌电干扰。
 电平抬升电路，用于抬升电平。
 A/D转换电路，将系统采集到的模拟信号转换为数字信号。
 单片机及液晶显示器输出电路，处理采集到的数据并输出。
 
  
 
 第 2 章 心电学基本概念与原理
 2.1 心电信号
 2.1.1 心电信号的形成
 心脏细胞除极和复极的电生理现象，是心脏运动的基础。心肌细胞在静止状态时，保持膜内外的电位差别，一般称为极化状态，在动作期电位开始的一瞬间，极化状态消失了，因而把这一极为迅速的过程称为除极过程；心肌细胞经过一次除极后，细胞内又能逐渐恢复其负电位，这一过程称为复极过程。因而采用微小电极可以在心肌细胞被激动时确切地测定细胞膜内外电位差的变化。由心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律地舒张和收缩，从而实现“血液泵”的功能，维持人体循环系统的正常运转。心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，在一定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。每一个心脏细胞的除极和复极过程可以等效于一个电偶极子的活动。为了研究方便和简化分析，可以把人体看作是一个容积导体，心脏细胞的电偶极子在该容积导体的空间中形成一定方向和大小的电场，所有偶极子电场向量相加，形成综合向量，即心电向量。当它作用于人体的容积导体时。在体表不同部位则形成电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。当检测电极安放位置不同时，得到的心电信号波形也不同，于是产生了临床上不同的导联接法，同时也考虑有可能用体表心电电位分布图反推心脏外膜电位即心电逆问题的求解。心脏在收缩舒张之前，心肌首先发生电激动。在电激动的过程中，产生微弱的生物电流。正常情况下，心肌细胞在静息状态时，细胞内的电位为-80~-90 mV，心肌细胞活动时，电位迅速增高，可达+30~+40 mV；当细胞活动静止下来时，电位又逐渐降低，直至恢复到以前静息状态时那样，在正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和过程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间等，都有一定的规律。这种由大量心脏细胞有序活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，使具体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录下来的心脏电变化曲线就是目前临床上记录的心电图(体表心电图)。心电信号经过传导衰减，反映在身体表面时一般为毫伏量级(约 1 mV)的非常微弱低频电信号，正常人体体表心电图如图 2-1所示。
 
 图2-1心电图典型波形
 
 
 2.1 心电信号的特性[
 心电信号作为一种人体的电生理信号具有以下主要特征：
 ①微弱性：从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有 0.03~4mV。在测量中，对如此微弱的信号，很难进行直接观测和记录，必须通过放大器适当的放大，再输出给显示与记录装置。
 ②不稳定性：人体电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。
 ③低频特性：人体心电信号的频谱范围主要集中在 0.05~100Hz，分布的带宽范围有限，其频率是比较低的。
 ④随机性：人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。不过如果对心脏自发放电的时间空间构型进行统计分析，就可以发现其内在规律。因此，这种随机现象服从统计规律，在心电信号的测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性。
 
 
 2.1.2 心电图
 心肌细胞的生物电变化是心电图的来源，心电图反映的是一次心动周期中整个心脏的生物电变化，是很多心肌细胞电活动综合效应在体表的瞬时(电位)整体反映。通过心电图机将体表上这种电位差连续记录下来所得到的曲线，就是常规心电图(Electrocardiogram 简称 ECG)。心电图机就是由体表接触电极置于人体表面间接记录心脏生物电变化的仪器。正常的人体心电图可以反映心脏激动电位的变化，是由一系列重复出现的下列各波、段和间期组成，如图 2-1 所示。
 (1)P 波 代表左、右心房的电激动过程。窦房结发出的激动最先传导至心房，使之发生激动，引起心房除极，心电图上最先出现的就是 P 波。P 波的持续时间为兴奋在左、右心房扩布的时间，一般不超过 0.11 s，幅度小于 0.25 mV。
 (2)P-R 段 代表心房开始激动到心室受激动的时间，即 P 波开始处到 QRS 波群的开始处，P 波出现以后，心脏的激动沿结间束、房室结和房室束下传至心室。由于激动在房室结及房室束中传导较慢，所以在 P波出现后稍有间隙才发生心室的激动，这一段间隙称为 P-R 段。激动通过这段传导组织时所产生的电位影响极为微弱，因此这一段时间的体表电位几乎没有变化。P-R 段随年龄的增大而有加长的趋势，成年人的 P-R 段约为 0.12-0.2 s。
 (3)等电位线 一般取 P-R 段作为等电位线，但有时 P-R 段也不在基线上，欧共体心电图标准化小组推荐使用 QRS 起始部作参考水平测量振幅。
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