生物电放大器 - 心电图(ECG)前置放大器

昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告（2016 —2017 学年第一学期）课程名称：生物医学电子学开课实验室：信自111 实验日期：2016.12.28一、实验目的1、掌握三运算放大器组成差动放大器的原理；2、掌握元器件参数变化对放大器性能指标的影响；3、加深对生物电信号和生物电放大器的理解。

二、实验原理三运算放大器组成差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前最典型的生理参数测量用的前置放大器，且已在各类生物医学仪器中获得广泛应用。

图2-1 心电图（ECG）前置放大器原理图如图2-1所示，是典型的三运算放大器组成的差动放大器，根据A1、A2、A3的理想特性，R5、R6、R7中的电流相等，得到622721511R U U R U U R U U o i i i i o -=-=- 从而导出（R6=R5）)()(217511i i i o U U R R U U -=- )()(2175022i i i U U R R U U -=- 以上二式相加得))(21()(217521i i o o U U R R U U -+=- 由于)(21810o o o U U R R U --= 则其差模增益为)21(7581012R R R R U U U A i i o d +=-= 只要调节R7，就可改变三运算放大器的增益，而不影响整个电路的对称性。

三、实验内容及步骤1、用EWB 软件按图2-1三电极心电前置放大器电路图接线、设置各元器件参数、创建电路，接入示波器、，并保存电路。

2、激活仿真电路，用示波器、万用表，观察波形、读取实验数据，并记录于表2-1中。

模拟输入 输出示波器（波形） 万 用 表 交流档 直流档正弦波100μV/50H z2.2954mV 1.7997mV0V0 1.7998mV矩形波0.1mV/50H/90%0.6985mV0.2584mV 3模拟输入输出放大倍数放大倍数计算值正弦波100μV/50Hz2.2954mV22.95234；改变R11的数值使其零点漂移最小、记录下R11的数值；将三只运算放大器改设为理想运算放大器，记录有关数据、填入表2-3。

课后题库一：问答1.1 人体生理参数ECG 、EEG 和EMG 的测量范围是多少？1.3 何为宏电击？何为微电击？微电击的危害如何。

2.4 举例说明不同于工程测量的人体电子测量的特殊性2.5 根据电极与皮肤接触的等效电路，说明皮肤阻抗随电流频率的改变有何变化。

3.1 银-氯化银电极有哪些优点，它是如何制取的。

3.2 板状电极的阻抗与频率的关系如何，在阻抗法生理测量中应采用何种频率？3.3 金属丝微电极和玻璃微滴管式电极与放大器连接后呈现何种不同特性。

它们用途有何不同。

3.4 举例说明不同于工程测量的人体电子测量的特殊性3.5 用于测量体表两点电位差的两个电极，如何选取两种不同的材料制作，会有什么问题？3.6 用于心电监护的一对Ag-AgCl 电极中，有一个是脏的，于是某学生用钢棉把它擦亮，这种做法对吗？将如何影响信号的测量？4.1如图4.1所示，RC 低通滤波器接入是为了减少公共阻抗产生的干扰，说明其抑制干扰的原理。

4.2心脏监视仪上发现峰-峰值为1mv 的50Hz 干扰，用什么简单方法可区分是由于容性耦合图4.24.5 散粒噪声与热噪声的区别是什么？4.6 带宽加陪，对于白噪声来说其噪声功率如何变化？粉红噪声又将如何？4.11 分析电极本身的噪声对ECG 、EEG、EMG 造成的危害。

5.2 生物前置放大器的四条基本要求是什么？图4.15.3 输入端电极的不平衡，会造成何种危害？减少其危害的办法是什么？5.4 差动放大器的共模抑制比有哪两个因素决定？试写出其公式。

5.8 屏蔽驱动和浮地跟踪为何能提高共模抑制比？试给予说明，要求画出电路。

5.7 从提高上述放大器的共模抑制比的角度，应如何选择电路中的器件。

5.9 生物电放大器为何应采用电气隔离？常用的电器隔离有哪两种方式，各有什么特点。

5.10 试论述体表ECG 、EEG、EMG信号的形成，比较其幅度、频率特性。

5.11 说明体表标准12导联心电图中那些是单极导联、哪些是双极导联方式。

ECG监护仪前置放大电路的设计黄敏松;行鸿彦;刘建成【摘要】基于传统的仪用放大器基本框架,设计了一种新的可用于心电信号放大的前置放大器.在3 dB带宽范围内,该放大器的增益达到了48.3 dB.等效的输出噪声电压值为5.34 nV/√Hz.根据生物电信号采集的特点,通过增加右腿驱动电路,提高了放大器的共模抑制比,对被测的生物体具有更安全的保护作用.仿真结果表明该放大器在增益、频率响应特性、共模抑制比等性能参数方面符合美国心脏协会(AHA)的建议要求,确保了输出心电信号的低失真,可用于ECG监护仪中.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)016【总页数】3页(P187-189)【关键词】前置放大器;ECG监护仪;共模抑制比;增益【作者】黄敏松;行鸿彦;刘建成【作者单位】南京信息工程大学,电子与信息工程学院,江苏,南京,210044;南京信息工程大学,电子与信息工程学院,江苏,南京,210044;南京信息工程大学,电子与信息工程学院,江苏,南京,210044【正文语种】中文【中图分类】TN7221 引言随着科技的发展和进步，各种各样的便携式心电监护产品如雨后春笋般不断涌现，广泛地应用于临床诊断以及离院病人的监护当中。

本文介绍的前置放大器是各种便携式心电监护仪中不可或缺的一部分，他除了获取心电信号外，还对心电信号做了初步处理。

在心电处理过程中，前置放大器对心电信号的影响最大，因此有必要设计出高增益、通带宽、高共模抑制比与及低噪声的前置放大器，以应用于临床监护中。

传统的生物电信号放大器主要采用同相并联3运放电路或同相串联2运放电路。

采用缓冲放大作为输入级，对改善后的信号进行差动放大，消除共模干扰成分[1]。

本方案在传统的同相并联3运放电路的基础上新增了一右腿驱动电路和反相电路，提高了该放大器的增益，增大了共模抑制比，提高了安全性能，可用于便携式心电监护仪的设计中。

2 心电信号的特征及其对前置放大器的要求2.1 心电信号特征心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，一般比较微弱。

1．引言心脏是血液循环的动力器官。

心肌细胞的任何活动，都伴随着电的变化，这是一种生物电。

把特制的、有放大装置的电流计连接到体表，就可将每一心动周期内所发生的电位变化描记成连续的曲线，即心电图（简称ECG）。

由于各种病理原因引起的心脏疾病，几乎都和心脏的生物电活动相关，因此，心电图反映出心血管病人的许多病变信息，所以，它是心血管疾病诊断中十分重要的一种方法。

早期的ECG分析完全由医生用人工的方法完成。

这一过程不仅费时费力，且可靠性不高。

计算机辅助的ECG分析与诊断系统的研究始于五十年代末，在计算机辅助的ECG分析与诊断系统中，心电图中常存在由于各种干扰而造成的心电图的改变，这种改变称为心电图伪差。

伪差给心电图诊断带来一定的困难。

所以，从带有伪差的实际心电图中正确检测出我们需要的信息是很多科研工作者愿意研究的课题。

随着生活水平的提高，人们对健康的重视程度也愈来愈强。

心血管疾病是现代人患病率最高的疾病之一。

心电图能够反映出心血管病患者不少的病变信息，所以，对心电图的研究具有很重要的意义。

在心电图中，每一个周期波形代表一个心动周期，它是由以下各个波和时间段构成的（图1-1）：图1-1QRS波群：反映心室肌除极和最早复极过程的电位和时间的变化，但以心室肌除极化为主。

P波：反映心房肌除极过程的电位与时间的变化。

P—R间期：代表激动从窦房结通过心房、心室交界区到心室开始除极的时间。

S—T 间期：从QRS波群终点到T波起点间的线段。

它反映心室肌早期复极化过程的电位及时间变化。

T波：反映心室肌晚期复极化过程的电位与时间的变化。

Q—T 间期：从QRS波群起点到T波终点间的时间。

代表心室肌除极化与复极化的时间。

当心脏有病变时，将使相应的心电波形有所改变。

例如，QRS波群电压增高主要原因是心室肥大，S—T波段抬高有可能是心肌梗死，T波倒置有可能是心肌缺血等。

本设计中应用的标准心电信号ECG_X1是由UW DigiScope软件产生的，并以文本文件的形式存于Matlab的Work文件夹中。

心电图(ECG)设计面临的挑战及其应对措施工程师们可以利用ADI解决方案来应对心电图子系统设计的重大挑战，包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。

心电图(ECG)是一种常见的医疗记录，在许多恶劣的环境中，它也必须清晰可读并保持精确。

无论是医院、救护车、飞机、轮船、诊所还是家里，干扰源无处不在。

新一代高度便携式ECG技术使我们能够在更多的环境条件下测量心脏的电活动。

随着ECG子系统越来越多地投入医院外应用，制造商面临着持续的降低系统成本并缩短开发时间，同时保持或提高性能水平的压力，这就给ECG设计工程师提出了相当严苛的要求：实现一种安全有效、能够应对目标使用环境挑战的ECG子系统。

本文说明通常所认为的ECG子系统设计的主要挑战，并提供关于如何应对的各种方法建议。

本文讨论的挑战包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。

挑战1：达到最高安全标准，确保ECG子系统安全有效安全始终是ECG设计师的头号关注对象。

设计师必须严防来自交流电源的电涌或过压，以及经过ECG电极的任何可能超过10 μA rms推荐限值的电流路径影响到病人和操作人员。

在ECG子系统本身或其它与病人或操作人员相连的医疗设备发生故障时，可能出现危险电压或电流，ECG设计的终极目标就是确保病人和操作人员安全，不会受此类电压或电流伤害。

图1. 交流电源耦合简图开始ECG设计之前，工程师必须确定其临床应用及在哪里使用和存放设备。

工程师必须评估所有可能导致电流施加于病人的设备误用情况和潜在外部连接。

当施加的电流（吸入或流出）小于10 μA rms时，即使在单一故障条件下，操作人员和病人的安全也不会有问题。

必须防止病人意外触电，并且保护ECG设备不受紧急使用心脏除颤器所产生的极端电压影响。

ECG系统必须符合联邦法律、国际标准和相关国家/地区指令的要求。

心电图（ECG）用放大器的设计注意事项_______________________________________________________________________Kevin Tretter模拟和接口产品部主任产品营销工程师Microchip Technology Inc.多年以来，心电图（ECG）设备的普及程度已显著加深，技术进步使此类设备的检测结果日益实用。

在设计ECG时，必须考虑几点，其中之一是调理此类系统的信号所要使用的放大器。

心电图概述ECG用于监视心电活动。

随着心脏壁的收缩，生物电流遍布人体，产生变化的电压。

放置在皮肤上的电极可检测到这些电压，从而可监视心脏活动。

最简单的ECG提供了心脏运动的波形图，可显示在屏幕上或直接打印到纸上。

更先进的设备将提供其他功能，如存储波形、无线数据传输和各种级别的后信号处理。

图1显示了ECG的高级框图。

信号调理电路中使用的放大器在图的左下角以绿色突出显示。

User Interface 用户接口Power Source 电源Audio Alert 音频报警USB Connector USB连接器图1：ECG系统的框图1信号调理的挑战根据系统和所需的分析类型，最常见的配置是将3个、5个甚至10个电极连接到人体的不同部位。

在皮肤上检测到的电压范围为100 µV到3 mV。

不过，每个电极的直流电压可能接近于300 mV。

因此，前端检测电路必须能够在存在较大共模电压时检测到极小的电压。

另一个挑战是要应付各种噪声源，例如来自顶灯或监视器的50或60 Hz干扰、患者的移动以及来自设备其他部分的电磁干扰。

由于有用信号的幅值极小，因此使用放大器从共模电压和噪声中提取心电信号，并提供信号增益。

此类应用中一些重要的放大器参数包括共模抑制、输入失调电压和失调电压漂移、输出摆幅以及放大器噪声。

共模抑制如前文所述，放置在患者皮肤上的电极可能有大约数百毫伏的直流电压，而有用信号的电压通常小于一毫伏。

ecg电路原理ECG电路原理ECG（心电图）是通过电极将人体心脏的电活动信号放大并记录下来的医学检查方法。

ECG电路是实现这一过程的关键部分。

本文将从浅入深地介绍ECG电路的原理。

ECG信号的获取ECG信号是人体心脏的电活动信号，在进行测量之前需要将信号从人体获取并放大。

ECG电路主要包括以下几个部分：•心电电极：用于将心脏的电信号转化为可测量的电流信号。

通常采用贴在肢体和胸部的电极。

•导联线：将心电电极采集到的电信号传输到检测仪器。

•前置放大器：对心电信号进行放大，以增强信号的强度，方便后续处理。

ECG信号的处理ECG信号采集到后，还需要进行一系列的信号处理，以滤除噪声和提取特征，常见的处理方法有：滤波器由于ECG信号经常受到肌肉运动和电源干扰的影响，因此需要使用滤波器将这些噪声滤除。

•低通滤波器：去除高频噪声，只保留心脏活动的低频信号。

•高通滤波器：去除低频噪声，只保留心脏活动的高频信号。

去噪•移动窗口平均法：通过对ECG信号进行移动窗口平均，可以平滑信号并去除高频噪声。

•小波去噪法：利用小波变换，将ECG信号分解为不同尺度的频带，通过滤波去除噪声。

特征提取•R波检测：R波是ECG中最明显的特征波，可以通过峰值检测算法来识别。

•心率计算：根据R波的时间间隔，可以计算出心率。

ECG信号的显示与分析ECG信号处理完成后，最终需要将信号显示出来，并进行进一步的分析。

常见的方法有：•心率图显示：可通过绘制心率变化曲线来观察心率的变化情况。

•心律失常检测：通过对ECG信号进行特征提取和分析，可以检测到心律失常的存在。

•ST段检测：ST段变化可以反映心肌缺血情况，通过对ST段进行分析可以判断心脏健康状况。

总结ECG电路是心电图测量的核心部分，通过心电电极将心脏的电信号获取并放大，然后进行滤波、去噪和特征提取等处理，最后显示和分析信号。

ECG电路的原理涉及多个领域，包括电路设计、信号处理和算法等。

对于医学检测和健康监测来说，ECG电路起到了至关重要的作用。

心电信号前端放大器设计一、设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下：1、输入阻抗≥10MΩ。

2、共模抑制比≥80dB。

3、电压放大倍数1000倍。

4、频带宽度为0.5Hz~100Hz。

5、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≤200μV。

二、设计方案分析1、心电信号的特点及检测人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。

心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直观的规律性。

一般人体心电信号的幅值约20μV~5mV，频带宽度为0.05Hz~100Hz，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。

在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的，通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。

对于心电信号的检测，临床上为了统一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG）的电极和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。

目前国际上均采用标准导联，即将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。

标准导联有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

其具体联接方法如图。

LAⅠ导联Ⅱ导联Ⅲ导联图1 标准导联联线方法2、心电信号放大器设计要求及组成根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。

典型的心电信号放大器的组成如图所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz陷波器、电压放大等电路。

图2 心电信号放大器组成框图三、 主要单元电路参考设计 1.心电信号前置级放大电路由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻 抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。

填空：第一章：概述1. 医学仪器主要用于对人的疾病进行 ______________ 和 _________ 。

2. 共模抑制比定义为 _______________ 与________ 之比。

3. 信噪比定义为 _____________ 与 _________ 之比。

4. 频率响应是指仪器保持 _________________ 时，允许__________ 的范围，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺度。

5. 仪器的灵敏度是指 ___________ 与_________ 之比。

6. 从人体拾取的生物信号不仅 ____________________ 、而且 ___________ 。

常见的交流感应噪声和电磁感应噪声危害较大。

一般来说，__________________________ 更有意义。

7. 精密度是指指仪器对测量结果区分程度的一种度量。

用它可以表示在________ 条件下______________ 所得数值的接近程度。

8. 医用仪器的检测对象是人体。

应确保 ________________ 、_________ 、__________ 和________ ，有时因_______ 产生的危害也是不允许的。

9. 医学仪器按用途可分为两大类： ________________ 和 __________ 。

10. 生物信号一般为 ___________ 、 _________ 信号，常见的___________ 和________ 危害较大。

一般来说，_________ 更有意义。

11. 生物信号一般为 ___________ 、 ________ 信号，必须尽量采取各种措施，使噪声影响减至最小。

一般来说，___________ 更有意义。

12. 输入量 ________ 时，输出量__________ 而上、下漂动、缓慢变化的现象称为零点漂移。

13. 在医学仪器的临床应用中，操作者为医生或医辅人员，因此要求医学仪器必须___________ 、________ 、______ 。