MSP430F5525单片机亚健康状态监测用心电信息采集器设计(4)

菜单

2.1.2 心电信号的特征

心电信号是由心脏规律性收缩与舒张交替运动产生的，呈现出以下几个典型特征：

1）微弱性：利用测量电极测得的表皮心电信号非常微弱，通常仅有0.05~5mV[12]。由于信号非常微弱，难以进行直接观测与记录，所以应当借助放大器对测量的微弱信号进行放大后，再将测量的结果传送到显示或者记录装置进行显示与记录。

2）不稳定性：众所周知，人体与外界存在联系，外界环境的变化将会对人体产生影响，同时人体内部各个器官的状态对人体也具有突出影响作用。所以，不管是上述哪种刺激干扰都将导致人体出现变化，进而影响人体表皮电信号的输出。所以，在进行人体表皮电位信号测量时必须认识到这种信号属于时变信号，要结合信号频谱特性来确定放大器的放大系数以及显示装置的相关参数信息。

3）低频特性：人体心电信号的频谱范围为0.05~100Hz，主要集中在17Hz[13]。心电信号的分布带宽范围较窄，其频率较低，测量心电信号时需加入滤波电路，以滤除有效频带范围之外的信号。

4）随机性：人体心电信号是由心脏周期性舒张与收缩运动而产生的，信号的强弱能够表征人体的机能，是人体系统信息的重要组成部分。受到人体内部与外部因素的干扰，心电信号具有随机性[14]。然而，对心电信号进行统计分析可知其遵循统计规律，所以，在进行心电信号测量时，不仅要清楚信号具有随机性，还要认识到心电信号服从统计规律。

2.1.3 心电信号的干扰

心电信号通常非常微弱，所以利用心电测量装置进行信号采集时干扰较强，难度较大。在心电信号采集过程中，常见的干扰类型有：

1)噪声和漂移干扰

在心电信号采集过程中，遇到的比较典型的噪声干扰有电阻热噪声和三极管散粒噪声等，这些都是由于仪器自身与电路装置产生的[15]。除此以外，信号也经常会出现偏离正常基线上下移动的现象，就是所谓的漂移。在心电信号采集过程中，引起漂移的因素主要有三个：第一，放大器零点没有进行调整，出现零点漂移；第二，电极和皮肤之间呈现出的极化电压产生变化；第三，电极和皮肤之间的阻值出现变化[16]。

2)50Hz工频干扰

50 Hz工频干扰属于心电检测过程中的典型干扰。磁场感应会导致50Hz工频干扰出现。不仅如此，由于我国电器采用了220V 50Hz的电压，所以这种工频干扰分布相当广泛。

3)肌电干扰文献综述

在进行心电测量时，被测对象心理状态或者运动状态均会导致被测心电信号出现误差，降低测量精度。肌电干扰频率一般为10~1KHz，属于高频干扰范畴。这种干扰影响较强，幅值较大，最高为5mV。

2.2 心电信息采集器的设计要求

2.2.1 心电信号放大器设计要求

根据上文的叙述可知，心电信号具有微弱、不稳定与随机性的典型特征。心电信号的这些特点就决定了放大器选择参数的严格性。心电信号放大器必须满足以下几点要求：

1）高增益

人体表皮测量得到的心电信号比较微弱，通常只有0．05～5mV，而一般的心电输入为1mV，要得到1V的输出电压，则选用的心电放大器电压放大倍数约为一千倍。要想进一步降低放大器零点漂移，增加共模抑制比，心电放大电路应当由两级构成。第一级放大电路放大增益达到十倍即可，则第二级放大电路放大增益要达到一百倍。这种设计遵循常用的ECG放大器设计原则。