单片机心电信号数据采集系统的设计(一)

 摘 要
 心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用心电信号采集系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。
 首先，设计心电采集模块，包括心电前置放大器、带通滤波电路、线性光耦放大电路、50 Hz陷波电路、35 Hz陷波电路及电平抬升电路， A/D 转换电路输出显示电路等。其次，由于越来越多的研究者发现心电图中变化与大多数心血管疾病都有着紧密的联系，因此，本课题设计了心电信号检测方法，包括心电信号的采集，放大以及波形的液晶显示。在范文当中，设计的电路能够有效的抑制了各种干扰，检测出良好的心电信号。范文的研究工作基本上达到了设计的要求，为进一步的产品开发打下了良好的基础。
关键词： 心电信号；数据采集；心电放大；光电耦合；A/D转换；单片机；LCD
 
  
 第 1 章 绪论
 1.1 引言
 心电信号是人类较早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。自 1903 年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。当前，心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。
 1.2 本课题研究意义
 心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位，据统计，全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能及时发现病变从而延误了治疗，死于非命。在我国因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人数的 44%，可见心脏病己成为危害人类健康的多发病和常见病。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视。及时了解人类心脏病的状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死亡，具有十分重要的意义。国际上医学界人士已经可通过对心电信号的特征、规律的研究对部分相关病变做出早期预测和及时诊断，因此，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用电子检测、监护系统近年来己经在临床中逐渐应用。目前，医生对心血管疾病的诊断基本上是以常规心电图或者心电向量图为主要手段，即通过判断病人心电波形的变化规律及不同时刻的波幅大小来推断心脏内病灶的部位或严重程度，在医学临床应用中十分普及。
 1.3 心电分析国内外历史与研究现状
 18 世纪下半叶，意大利波伦亚大学的解剖和外科学教授伽伐尼(LuigiGalVani，1737~1798)开始研究电对生物组织的作用。1781 年 1 月 26 日，在解剖青蛙的实验中，注意到用电刺激青蛙的神经，会导致其肌肉的收缩。伽伐尼[3]认为：导致青蛙肌肉收缩的电来自动物体内，并称其为“动物电”(animal electric)。尽管后来证明伽伐尼所发现的电并不是来自动物的体内，但却由此认识到电可以导致生物神经冲动的传导，从而奠定了电生理学的基础。1887 年，英国生理学家沃勒[3] (Waller)用毛细管静电计描记出了人类的第一幅心电图，开创了心电记录的先河。随后，荷兰生理学家 Einthoven[5]从改良沃勒的毛细管电流计入手，对于仪器存在的反应速度慢、记录的波动有较大误差的缺点进行了改进和校正；并对记录曲线的四个峰点做了进一步分解和标定，采用 P、Q、R、S、T 标出心电图上的波峰和波谷，这一标准一直延用至今。由于毛细管电流计记录的结果处理起来非常耗时，难以达到实用的程度。经过数年的无数次试验，终于选中了一种直径只有0.002 mm 的镀银石英丝，以取代原来笨重的线圈和反射镜，于 1903 年制成了弦线型心电流计，从此将心电的记录引入到了临床。1932 年，美国密西根大学教授 Wilson[3]根据 Einthoven 方程推论出肢体导联三个电极上瞬间电位之和为 0。从而创立了著名的零电位中心电端理论，建立了单极导联记录技术，并描记出单极肢体导联 VL、VR、VF及单极胸前导联 V1~V6。1942 年，Goldberger 改良了中心电位端，设计了肢体单极加压导联 aVR、aVL、aVF，使 VR、VL、VF 图形保持不变，而波幅增大了 50%，在实际工作上使图形更加容易辨认，并由此形成了Einthoven-wilson 理论体系。1954 年，美国心脏学会提出用 aVR、aVL、aVF 代替 VR、VL、VF。在此之后，国际心电学会将三个单极加压导联、三个双极肢体导联和六个胸导联一起称之为“标准导联”，这 12 导联心电图体系已经成为目前国际公认的基础，也即静态心电图。其他心电信号技术都是在静态心电图技术的基础上发展起来的。
 1957 年，美国物理学家 Holter[3]首创了一种用磁带记录器对正常活动状态下的病人做长时间连续心电图记录的方法，开辟了时间全信息和环境全信息心电记录和诊断的新领域，从而在某种程度上弥补了常规心电图的不足之处。这种长时间连续记录的心电图称为动态心电图(Dynamicelectrocardiogram 简称 DCG)，它提供的长时间动态心电图记录对心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心率失常治疗的评价以及心率失常和生理关系的研究具有重要意义。1961 年，美国最先将 DCG 技术应用到临床，以后很快在发达国家得到普及。自 1978 年我国开始引进此项技术以来，临床应用逐步深入，已从大医院逐步向中小医院普及，成为心血管疾病诊断领域中的实用、高效、无创伤、安全、准确及可重复性强的重要检查方法。
 在 20 世纪 50 年代以前，心电图仪的发展主要是解决了小型化和提高灵敏度的问题。在这方面，德国的西门子和霍尔斯克公司做出了突出的贡献。50 年代中期以后，心电图仪的改进步入了一个更高的层次，即计算机化以及与其他检测技术合成的阶段。美国在 50 年代首先开始研究用计算机处理心电图。1959 车，在华盛顿举行的一次关于心电图数据处理方法的会议上，鉴定了一个模拟转换器和心电图分析的计算机程序[4-5]。1960理病房(ICU)，通过长时间的示波监护及血流动力学监测对病人进行治疗。但是，面对数量庞大、分布环境复杂的院外患者，Holter 和 CCU 等还是无法解决问题。20 世纪 70 年代，美国研制成功了利用电话线传送心电图的监测系(TTM)[5]。TTM 系统是以微机为基础的心电传输/接收和心电数据库管理系统，通过电话线传输心电信息及计算机处理实现对病人的心电监护。病人应用记录发射器可随时、随地通过电话线向监测中心传输心电数据，医生根据心电信号改变和患者诉说的病情，向患者提供诊断与治疗意见，为院外心脏病人的长期心电监测和治疗提供了方便。在此后的20 多年中，TTM 系统取得迅速地发展，而且与之相对应的患者随身携带的心电监护仪也取得了很大的发展。
 八十年代以来，在改革开放的大潮中，我国医疗器械企业从我国国情出发，紧随时代前进的步伐，充分发挥

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