胎儿心电信号电路设计论文

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1系统组成原理

对于正常人来说，心脏的兴奋主要是通过这样几个步骤完成的，首先是窦心房产生兴奋，然后经过一定的时间和相关的图形，将兴奋传递给心室和心房，这样就可以导致心脏兴奋，所以，按照上述过程，心脏跳动的完整周期应该是包含一定的规律的，不仅仅是在次序以及时间上有规律，而且在电传播的途径与方向上都是有规律的。对于人体而言，生物电的变化终究会使得身体的各个部分随着心跳的变化而发生很有节律的电变化，毕竟整个电变化的过程要随着心脏的跳动并通过体液反映到我们的身体上，也就是说从我们身体表面来看，只要距离不是太近，不管具体的数值有多小，任意两个存在一定距离的点之间一定是会有电位差存在，那么身体表面上不同的点其电位也是客观存在的，但是毕竟由于心脏是处于不断跳动的过程中，那么电位的分布就不可能是一成不变的，这种电位的分布要随着心脏跳动导致的电活动而不断的变化，所以电位差也不能是一个常数，必然是一种随着心脏跳动而变化的周期性变化曲线。在医学治疗的过程中，我们经常会见到将几个电极放到人身体的相应位置，通过对心脏跳动时产生的电变化进行记录，这样产生的图形就是我们非常熟悉的常规心电图（用ECG表示）。医生可以通过观察心电图从而获得患者的心脏的部分机能，对心脏有一定病变的患者来说，其心电图一定和正常人会有所不同，从这个角度来看，心电图对心脏疾病的初期诊断就有非常重要的作用，也是目前为止初步诊断心脏病的非常重要的手段，尤其是患者患有心律失常和心肌梗塞等常见心脏疾病，都可以通过心电图进行初步诊断。一个完整的心电图包含如下几个主要的特征波形：P波，P-R间期，QRS波群，S-T段，T波，Q-T间期，U波，每个波形代表了不同的意义。经过对原始的电信号进行一定的调理以后，可以设计出图2所示的原理图，从图中可知，采集到的胎儿的心电图毕竟信号非常的微弱，而且还容易收到母体的干扰，所以必须要先经过一次放大的操作，然后为了进一步减少各种噪声因素的影响，将此信号通过高通滤波器去除掉所有的低频分量和直流分量，再经过进一步的放大，此时再次放大的作用就是为了满足进行模数转换的时候对信号幅度的要求，将此信号通过低通滤波器滤除掉高频的分量，由于仪器设备使用的交流电频率一般都是50HZ，为了消除这个频率的干扰，特别的设计了两个50HZ的双T可调陷波器，为了进一步的提高数据采集的精度，又设计了右腿驱动电路，这样就可以保证利用相关的激励降低相关的交流干扰，比如说人体本身的内阻、皮肤的电阻等各种各样可能产生的干扰，对医护人员的要求也降低了许多，至少在操作上要简单了很多。

2胎儿心电信号调理电路设计

为了进一步的提高胎儿心电图仪系统数据采集的精度，又设计了右腿驱动电路，这样就可以保证利用相关的激励降低相关的交流干扰，比如说人体本身的内阻、皮肤的电阻等各种各样可能产生的干扰，对医护人员的要求也降低了许多，至少在操作上要简单了很多。

3右腿驱动电路

总体来看人体毕竟是导体，那就意味着人和电源线以及任何大地之间分别存在着两个电容CP和CB，必然会导致50HZ的工频干扰会耦合到人体当中，而且放大电路部分和大地之间当然也会存在电容CS，所以说人体内流过的偏置电流就会使得人和大地之间存在这电势Vp，心电检测时两个用来提取信号的电极和皮肤之间也存在着两个未必完全相等的电阻，用Re1和Re2表示，这两个电阻一般来看阻值可能有几十千欧姆，特殊情况下可以达到几百千欧姆，这样就会将上文所述的Vp变成了两个部分Vcm和Vim，前者表示的是人体与放大器之间的共模电压，或者表示的是放大器和大地产生的差模电压。前置放大电路U1,U2的两个输出端(TLC2652的6脚)，通过阻值相等的两个电阻R56和R57取出共模电压，送入如图3所示的右腿驱动电路,该电路由U20及C78和R59组成。检出的共模信号经过U20将其倒相，放大并反馈到人体上。这是个负反馈，促使共模电压降低。人体的位移电流不流到地，而是流到运放的输出端。采用右腿驱动电路后，可将50Hz的共模干扰电压降低到1％以下。就心电放大器来说，这样就减小了共模电压的拾取，并且有效地使病人接地。同时可有效的减少屏蔽层和信号线间分布电容的影响。为达到A/D转换器所需信号幅度，经由前置放大器放大后的信号，由后级放大电路进一步放大及滤波。

本文基于胎儿心电信号的特点，详细介绍了胎儿心电信号调理电路各部分的设计。包括由TLC2652AI构成的前置放大器、右腿驱动电路、后级放大及高通滤波等电路的设计。该心电信号调理电路的设计，实现了高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声的要求。为整个胎儿心电图仪的研制成功，提供了一个良好的前提。

作者:郭锐强单位:长春工业大学