十二导联心电信号放大器设计摘要：本文介绍了心电图机及标准十二导联，根据“YY 1139-2000 单道和多道心电图机行业标准”，提出了心电信号放大的技术指标。
并采用以AD620及OP2335为核心的信号放大器来实现心电信号的放大，还设计了右腿驱动电路、低通滤波放大电路、0.05Hz高通滤波器电路及50Hz陷波电路，是一种实用的心电信号前端采集放大电路。
关键词：心电图；前置放大；YY1139-2000 标准1 引言1.1心电图介绍在当今社会中,心脏病等心血管已经成为了世界范围内常见的疾病,号称“头号杀手”。
由于心脏病有突发性以及长久性，对心脏病人也需要长期的治疗和监护。
心脏是循环系统中重要的器官。
由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。
心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。
心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。
如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图。
图2.1 标准的心电图心电图是检查心脏情况的一个重要方法，其应用范围包括以下几个方面：1) 分析与鉴别各种心律失常。
2) 查明冠状动脉循环障碍。
3) 指示左右房窜肥大的情况，协助判别心瓣膜病、高血压病、肺源性及先天性心脏病的诊断。
4) 了解洋地黄中毒、电解质紊乱等情况。
5) 心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。
心电图机是诊断心脏病的重要仪器之一，能够为医生提供最直观的心电波形。
欧美国家已经普遍使用十二导心电图机。
十二导联心电图同步记录能客观表达各波、段和间期，可以对早博、心动过速、预激综合征、束支阻滞及分支阻滞等进行定位诊断与鉴别诊断；将心电数据存入数据库，可以进行各种电参数的统计学处理，为临床医疗和科研工作带来了极大便利。
根据目前的微电子、单片机和计算机技术成功研制出一种便携式心电图机，它可通过液晶显示器显示心电图，同时将数据在计算机上显示并通过网络实现信息远传，是一种新颖的临床和家庭兼用的心电图机。
1.2标准十二导联简介人体是一个导体，心脏壁收缩引起的动作电势使电流由心脏传播至整个人体，所传播的电流在人体的不同部位产生不同的电势，可以通过电极在皮肤表层感应得出。
为了完整地记录心脏的电活动状况，常用水平和垂直方向的十二种不同导联作记录，称为标准十二导联，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1、V2、V3、V4、V5、V6导联。
测量时须在人体上安放10个电极，分别为：右手电极VR、左手电极VL、右腿电极RL、左腿电极VF、胸部6个电极C1~C6。
根据国家标准，由这些电极可以合成标准12导联心电图，合成方式如下：1) 标准肢体导联：导联I=VL－VR；导联II=VF－VR；导联III=VF－VL；2) 加压单极肢体导联：aVR=VR-(VL+VF)/2；aVL=VL-(VR+VF) /2；aVF=VF-(VL+VR)/2；3) 常用的胸导联：胸导Vi=Ci-(VR+VL+VF)/3，式中，VR、VL、VF和Ci(i=1~6)表示右臂、左臂、左腿和胸壁的电位。
2 设计要求与技术指标2.1 具体要求总体设计要求由于心电信号的微弱、干扰大、低频等特性，所以心电数据采集预处理系统的总体设计目标是：1）高输入阻抗心电信号本身是高阻抗的微弱信号源，而测量电极也呈现很大的阻抗，并且因人而异，和放置的方法有很大的关系；而且信号源电阻和电极电阻是频率的函数，都是随着频率的增加而下降；如果放大器相比信号的电阻太小，会出现输入信号小而且不稳定的情况。
2）高共模抑制比人体携带有50HZ 的工频干扰，在提取心电信号时，又有其他生理信号的干扰，加上外界的电磁干扰和系统本身的噪声，这些都表现为共模干扰。
为了抑制这些共模干扰，必须要求放大器有很高的共模抑制比。
3）低噪声、低漂移高阻抗的心电信号会产生很大的热噪声，这对于毫伏级的测量系统必须是低噪声的。
基线漂移和零点漂移会给测量带来很严重的后果，甚至造成无法正常工作。
4）设置保护电路作为生物医学测量的生物电放大器还必须考虑设计保护电路，以防止医护人员和病人在使用过程中受到电击。
本设计根据医疗仪器的特点，采用隔离电源、光电隔离传输方式。
2.2 主要技术指标根据YY 1139-2000 单道和多道心电图机行业标准提出以下技术指标1）输入阻抗：≥5MΩ2）偏置电流：<2nA3）输入噪声：<10uV4）共模抑制比：≥100dB5）耐极化电压：±300mV6）漏电流：<10uA7）频带：0.05～250Hz3系统设计3.1设计思路心电信号十分微弱，常见的心电频率一般在0—100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，心电电极阻抗较大，一般在几十千欧以上。
在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极极化电压引起基线漂移，电源工频干扰(50Hz)，肌电干扰(几百Hz以上)，临床上还存在高频电刀的干扰。
电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。
电极极化电压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，而且要有去极化电压的RC常数电路。
由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上，而且CMRR也要在60dB以上（目前的心电图机共模抑制比一般均在89dB）。
同时要在无源、有源低通滤波器中有效地滤除与心电信号无关的高频信号，通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰的心电信号。
3.2结构框图本电路设计主要是由五部分构成。
1、前置放大电路。
其中前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性；2、共模抑制电路。
在设计中使用了右腿驱动电路、屏蔽驱动电路，它们可以消除信号中的共模电压，提高共模抑制比，使信号输出的质量得到提高；3、低通滤波电路及时间常数电路。
常见的心电频率一般在0.05--100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度微小，大概为5mV，临床监护有用频率为0.5～30几HZ，因此设计保留40HZ以下的信号。
时间常数电路实现一阶无源高通，截止频率为0.05HZ，时间常数为3.6s。
4、工频50Hz的陷波电路。
本设计采用了双T带阻滤波电路，它能够对某一频段的信号进行滤除，用它能有效选择而对电源工频产生的50Hz的噪声进行滤除；5、主放大电路：心电信号需要放大上千倍才能观测到，前置放大增益只有100~250左右，在这一级还需要放大4~10倍左右。
总体电路框图如图图3.1 总体电路框图3.3电路设计3.3.1 前置放大电路由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围。
为此，选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大(预放)。
AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放)，其内部结构如图3.2所示。
图3.2 AD620 放大器内部结构图该放大器有较高的共模抑制比(CMRR)，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。
根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。
图3.3 前级放大电路参数选择：由于AD620的增益与之间关系如下：G=1+(R1+R2)/R3，选取R21=R22=27K,R23=6.2K, C21=39pF, C22=200pF,C23=39Pf,前置放大倍数：G1=1+(R1+R2)/R3=9.7。
3.3.2 右腿驱动电路体表驱动电路是专门为克服50Hz共模干扰，提高CMRR而设计的，原理是采用人体为相加点的共模电压并联反馈，其方法是取出前置放大中的共模电压，经过驱动电路倒相放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体的右腿上，所以称为右腿驱动，通常，病人在做正常的心电检测时，空间电场在人体产生的干扰电压以及共模干扰时非常严重。
而使用右腿驱动电路就能很好的解决上述问题，下图就是右腿驱动的电路图。
其反馈共模电压可以消除人体共模电压产生的干扰，还可以抑制工频干扰。
图 3.4 右腿驱动电路图参数选择：如上图上标示，C41=0.01Uf,R41=10K,C42=1M.3.3.3 低通滤波放大电路由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定的频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的（如图3.5虚线）。
只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的特性。
常用的方法是巴特沃斯（Butterworth）逼近和切比雪夫（Chebysher）逼近，为保证心电信号原形，采用较平坦的巴特沃思有源滤波。
如图所示，滤波器的阶数N越高，幅频特性衰减的速度越快，就越接近于理想幅频特性。
图3.5 巴特沃斯幅频特性图3.6 实用二阶低通巴特沃思滤波器参数选择：要滤除250Hz的频率，经过Mulisim仿真选择阻值，如图上图中各元件的标注，R41=R42=R=6.8k,C41=C42=0.1uf,f=1/(2πRC)=258Hz，基根据二阶低通巴特沃思滤波器公式：截止频率为H本上符合设计要求。
3.3.4 0.05Hz高通滤波器电路此次设计用的是反相的二阶巴特沃兹高通滤波器，其中放大倍数设置为1，截止频率为0.05Hz。
如图3.7所示，各个电阻以及电容的参数值在电路中已标明。
图3.7 巴特沃兹二阶反相高通滤波电路3.3.4 50Hz陷波电路工频干扰时心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有一定的抑制作用，但是有部分工频干扰是以差模方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定的因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤波。
采用如下图所示的有源双T带阻滤波器，该电路的Q值随着反馈系数β(0<β<1)的增高而增高，Q值与β关系如下Q=1/(1-β),调节下图中的R64和R64可以改变Q值。
图3.8 50HZ双T陷波电路参数选择：实验中选用陷波效果很好的经验参数。
即R61=R62=R=33 KΩ，R64=2KΩ，R4=148KΩ,R63=1/2 R=15KΩ。