生理信号同步采集系统

1. 课程简要信息

电子技术，48 学时，生物医学工程、电子科学与技术，3 年级

2. 实验内容与任务

完成心电脉搏信号同步检测系统的设计、制作及调试，实现心电信号的检测及显示。

（1） 基本内容

1）以人体心电和脉搏信号为检测对象，选择合适的传感器。2）以单元电路设计心电和脉搏检测系统的各级电路，将微弱的心电和脉搏信号放大合理幅值范围，同时设计各种滤波电路对信号进行预处理。3）根据设计好的电路借助 mutsilm 软件进行仿真。4）在万用板上合理布置元器件，实现检测系统的设计、制作及调试，并借助LabVIEW软件设计简单采集界面，观测心电和脉搏信号波形。（2） 扩展内容1）实用MSP430单片机自带的A/D转换器实现对心电和脉搏信号的采集，并借助液晶显示其波形。2）借助 LabVIEW 和 MATLAB 建立采集及分析系统，对采集的脉搏和心电信号进行分析和特征提取。

3. 实验过程及要求

（1） 根据心电和脉搏信号的特点、环境的干扰及频率的高低等因素，选择合适的运算放大器。
（2） 根据实验要求，设计放大电路，并选择合适的元器件设计电路并进行仿真分析。
（3） 根据设计电路原理图，在万用板上进行元件排布、焊接、调试，并采集学生心电和脉搏信号，借助示波器观察输出波形，通过对系统仿真及实验数据的误差分析，找出设计中存在的问题，给出相应的解决途径。

（4） 学习 LabVIEW 采集界面的设计，显示心电和脉搏信号波形。（5） 学习 MSP430 单片机系统，熟悉设计方法；实现单片机对心电和脉搏信号的数据采集，并完成对心率和脉率的显示。（6） 撰写实验报告，通过小组讨论、交流获得更多电路设计的经验。

4. 相关知识及背景

心电和脉搏信号包含着丰富的人体生理病理信息，是传递和窥视人体健康状态的窗口。对心电和脉搏变化进行准确的检测和分析一直是生物医学工程领域一个重要方向。心电和脉搏信号同步检测系统就是运用模拟电子和数字电子技术解决工程实际的典型案例，同时也是学生能够体会到自身信号采集与分析过程，进而增强学生的兴趣，学生运用放大器，设计电路将信号放大、模数转换、数据显示及分析等相关知识制成微装置的同时，也掌握了一些工程设计方法和技巧，学生针对具体问题提出具体的可行性方案。

5. 教学目标与目的

本实验所检测的信号取自学生生理信号，学生通过简易设计制作，掌握基本电子电路的设计方法，同时将学生所学电路基础知识应用于工程实践，进而激发学生的学习兴趣，培养学生工程设计的思维方式、创新精神及团队精神。

6. 教学设计与指导

本实验是一个较完整的电子工程实践，学生需要了解心电和脉搏信号的特点，分别论证实验方案，完成具体电路设计、制作、调试及总结等过程。

（1） 要求学生掌握心电和脉搏信号的特点，根据其微弱性、不稳定性、随机性、低频性等特点，设计合适的检测电路方案。
（2） 合适选择放大器类型。运算放大器种类较多，适用范围也有较大差别，如掌握 AD620、OP07、LM324等运放的特点，并根据集体信号的特征来设计电路。
（3） 了解脉搏和心电传感器的特点，选择合适传感器并掌握其使用方法及注意事项。
（4） 介绍心电和脉搏信号的干扰因素及特点，引导学生确定噪声干扰源及

其消除方法。

（5） 介绍 USB 接口数据采模块卡 MP425 工作原理和使用注意事项，引导学生设计同步检测电路，进而实现脉搏和心电信号同步检测。
（6） 按照检测电路设计方案，制作和测试检测系统，并借助示波器和LabVIWE 采集界面验证电路系统的准确性。
（7） 在实验完成后，组织学生答辩、互评的形式进行交流，了解不同的解决方案及其优点，拓展知识面。

7. 实验原理及方案

（1） 心电和脉搏信号的特点

1）微弱性。从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有 $0 . 0 5 \mathsf { m V } { \sim } 5 \mathsf { m V } .$ 。
2）不稳定性。人体电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。
3）低频特性。人体心电信号的频谱范围主要集中在 $0 . 0 5 { \sim } 1 0 0 { \ H z }$ ，分布的带宽范围有限，其频率是比较低的。
4）随机性。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。

（2）心电和脉搏信号噪声

心电信号具有微弱、低频、和高阻抗等特性，极其容易受到干扰，所以分析干扰的来源，以便采取相应的滤除措施，是数据采集重点考虑的一个问题。常见干扰有如下几种：

1）工频干扰。由于供电网络无所不在，因此 $5 0 \mathrm { H z }$ 的工频干扰是最普遍的，也是心电信号的主要干扰来源。
2）呼吸引起的基线漂移。呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率，其频率约是从 $0 . 1 \mathrm { H z } \longrightarrow 0 . 3 \mathrm { H z }$ 。
3）高频电磁场干扰。随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、电视发射台、通讯设备、雷达等的工作使空中的电磁波大量增加。

4）肌电干扰。兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，在神经系统的控制下，肌肉机械性活动并伴随有生物电活动。这些生物电活动产生的电位差随时间变化的曲线即为肌电图。肌电通常是一种快速的电变化，其频率范围为 20—5000Hz。

5）测量设备本身的干扰。信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器噪声。

（3）系统方案

本次所设计采集系统其工作过程如图 1所示，采用两路分别接心电、脉搏信号输入，通过MP425 数据采集卡进行同步采集，最后送到计算机用 LabVIEW虚拟仪器设计好的界面显示心电、脉搏波形和相关的数据。该监护仪功耗低、体积小，实时的记录和分析人体心电脉搏信号。

图 1.生理信号同步采集系统

1） 心电信号检测电路

典型心电信号如图 2所示。根据心电信号特点设计调理电路如图 3所示，表面电极提取的心电信号经导联传送到前置放大器，进行前置放大，经带通滤波滤除直流信号及低频基线干扰后，由后级放大器放大，再经滤波器进一步滤除 $5 0 \mathrm { H z }$ 工频干扰后得到 $0 . 1 { \sim } 1 0 0 \mathrm { H z }$ 的有用心电信号，由 A/D转换后送至计算机。

图2.典型心电信号波形

图3.心电信号调理电路

2） 脉搏信号检测电路

典型脉搏信号如图 4所示，其频率范围在 $0 { \sim } 4 0 \mathrm { H z }$ ，但 $9 0 %$ 的以上都在 $3 0 \mathrm { H z }$ 以内，属于低频信号。为了提高脉搏波信号的分辨率，要求脉搏波的放大器应具有千倍左右的放大倍数。脉搏信号调理电路如图 5 所示，采用一个 $3 0 \mathrm { H z }$ 低通滤波器，可消除 $5 0 \mathrm { H z }$ 工频干扰，同时也可以抑制其他高频噪声。另外，由于脉搏波信号极易受到低频干扰，所以电路中应设计截止频率为 0．16Hz 的高频滤波器，来抑制低频干扰。

图4.典型脉搏信号波形

图5.脉搏信号调理电路

8. 教学实施进程

1）任务安排

将学生分成若干小组，每个小组由 3 名同学组成，按照全国大学生电子设计大赛思路，协调完成资料查询、方案设计、电路焊接与调试、试验报告撰写。

2）预习自学

预习生理信号相关特征、电路器件等相关资料，并按照每位同学的具体分工完成相应的知识准备。

3）现场教学

通过演示以往同学的作品，让同学大概了解任务的目标及达到采集效果，并对任务进行详细讲解，并详尽介绍电路开发过程经验。

4）分组研讨

分成不同阶段的讨论，包括心电脉搏信号特点及噪声来源、采集电路各模块设计方案、测试方案及准确性评估。教师在讨论中积极鼓励和表扬学生，进而调动其积极性和主动性，并让学生相互评论及指导。

5）现场操作

脉搏和心电信号特点及噪声来源的分析，让学生通过查找资料和文献，每个小组总结其特点，相互交流获得最终的生理信号认识，教师总结及补充。方案论证及讨论。每个小组根据前期的知识储备确定相应的方案，并阐述理由，各个小组相互交流并给予论证，教师采用问题式引导。

6）总结

各个小组按照设计的电路模块，统一验收实验结果，各组以自身脉搏和心电信号为采集对象展示电路功能，其他小组相互点评及提问，教师总结指出优缺点。

9. 实验报告要求

1） 简述心电脉搏信号采集系统的发展与研究现状；
2） 提出心电脉搏信号采集系统的方案论证及可行性分析；
3） 写出采集电路中理论依据；
4） 列出元器件选择方案及依据；
5） 分析电路测试的结果；
6） 记录电路系统中的各模块输出实验数据；
7） 对测试数据进行处理分析，对出现的问题提出解决方案和办法；
8） 撰写实验报告。

10.考核要求与方法

1）实物验收：每组学生合作完成实物验收，以学生为测试对象采集其心电脉搏信号，并借助示波器和 LabVIEW 采集界面验证实验结果。

2）实验质量：针对学生测试结果，评价实验方案合理性，电路系统制作质量。

3）自主创新：各个电路模块单元的功能构思、电路设计新颖性，自主思考与独立实践能力。4）团队合作能力：团队成员对自己负责模块完成程度及整过系统的贡献，遇到问题合作意识。5）实验数据：是否有测试数据、输出波形以及测量误差分析。6）实验报告：以论文的形式书写实验报告，让学生尽早掌握科学论文的书写规范。

11. 项目特色或创新

1） 项目和生活密切相关，能够激发学生设计的兴趣和热情。
2） 培养学生在知识综合应用、设计、工程实践等方面分析问题、
解决问题的能力。
3） 项目在实现上可有多种设计方案。
4） 在此项目的基础上，学生有进一步的创新和发挥空间。

实验案例信息表

典型实例图片