心电图机灵敏度及滤波电路的设计与分析
作者：刘 静
单位：青岛大学机电学院 (266071)
关键词：灵敏度；滤波；RC双T网络
中国医疗器械杂志990607 提要 介绍一种心电图机的灵敏度选择电路及滤波电路
The Design and Analysis of Sensitivity ＆ Filter Circuits in the Electrocardiograph
Liu Jing
Mech. ＆ Elec Engin. College, Qingdao University,ABSTRACT This paper introduces a sensitivity selection circuit and a filter circuit in the electrocardiograph.
, 百拇医药
KEY WORDS Sensitivity Filter R C double T network.
1 灵敏度选择电路
心电图机中设计的灵敏度分三个档次：0.5cm/mV；1cm/mV；2cm/mV。为病人作心电检测时，以1cm/mV作为标准档，而0.5cm/mV和2cm/mV两档可将心电图机内部设有的1mV方波及由机器打印的心电信号缩小一倍或放大一倍，使热笔打印病人不同幅度的心电波形时，可对心电信号做不同幅度的处理，更加方便大夫观察波形诊断病情。这就要求每档次的灵敏度输出必须精度很高，否则，会严重影响打印的心电波形，造成误诊。
图1所示的可选择三种状态的灵敏度选择电路，能达到三个档次的灵敏度的精度要求，并使心电图机能打印出标准心电信号。
, 百拇医药
图1 灵敏度及滤波选择电路
当sensikey触发一个正脉冲时，经过电阻R7后到数字块D12(4584)的与非门13腿后变成负脉冲，又输入到双加法计数器D12(4520)的2腿(CE)，作为D12触发工作的脉冲信号；当sensikey按键触发一个正脉冲时，使D12(4520)的2腿(CE)端也触发一个脉冲，在D12的1、2两腿分别输出如表1信号。
表1 D12(3腿)
sensiA
0
1
0
D12(4腿)
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sensiB
0
0
1
图1线路设计中，电容C2=0.1μF，为的是减少来自触膜开关的误动作，如在操作中有小脉冲，IC2会瞬间短路，避免了类似的小脉冲进入D12(4520)，造成线路的混乱。 表1中输出的sensiA、sensiB是灵敏度选择的开始，将该信号通过插座送到图2所示的电路中，再进行灵敏度三个档次的不同选择。由数字块D5(4053)的9、10两腿分别与图1中输出的sensiB、sensiA相连，4053相当于一个开关，由9、10两腿信号变化控制着D5(4053)中的1、2、3腿的输出。而在设计三个档次的灵敏度选择电路时，最关键的是对电阻R96-98的选值，要求非常精确，全选用金属膜精密电阻。R96选4.02kΩ，R97、R98选2kΩ，假设D5(4053)的3(Z1)腿电压为V3=2V，根据公式可计算出不同灵敏度选择的输出电压。数字块D5(4053)的2(YO)腿电压：
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V2=(R97+R98)/(R96+R97+R98)×V3
=(2+2)/(2+2+4.02)×2
=0.5×2=1V
D5(4053)的1(Y1)腿电压：
V1=R98/(R96+R97+R98)×V3
=2/(2+2+4.02)×2=0.5V
图2 灵敏度及滤波电路
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2 滤波电路：
心电图机在设计时，常采用差分放大器和“右腿”驱动电路等来提高机器的抗干扰能力，但在某些特定情况下，50Hz的干扰仍和心电信号一起输入并放大。另外电极与皮肤接触时，也会产生肌电信号，而肌电信号和50Hz交流信号都不是在作心电检测时所需的信号，故称干扰信号，如果不对它进行抑制，由心电图机的热笔打印出的心电波形ECG有干扰，大夫无法根据波形进行诊断，所以必须采取抑制措施。
2.1 滤波器选择电路
图1设计的滤波器选择电路采用多种不同功能的数字集成块，将不同性能要求的心电线路设计得无可挑剔。D12(4520)是双4位二进制同步计数器，当D12的15腿=1和7腿=1时，D12内有的两个触发器都由Filterkey触发一个正脉冲，通过电阻R5到D2(4584)的与非门11、12腿后，变成负脉冲作为双四位二进制同步计数器D12(4520)的脉冲触发信号(即2腿和10腿的CE端)，在D12(4520)的11、12腿输出正负电平之后又进入D20(4071)的或门12、13腿，在D20的11腿输出最后的翻转信号再经电阻R65(10k)后，作为交流滤波，送到图2的滤波电路中。在D12(4520)的12腿输出的信号，作为肌电滤波，也送到图2的滤波电路中作滤波选择。
, 百拇医药
图1中双四位二进制同步计数器D12(4520)的7端和15端是利用了双上升沿触发器D16(4013)的Q输出电平进入或门D5(4071)的5、2两腿，在D5(4071)的4腿和3腿输出信号，使D12(4520)的7端和15端清0后，D12(4520)才开始工作。
2.2 50Hz及肌电干扰抑制方法
我们设计的滤波器电路，包括交流滤波器(复式带阻滤波器f=50Hz)和肌电滤波器(EMG)。肌电干扰信号，一般在10～3000Hz之间。在心电检测时，常用一个35Hz(-3dB)的高截滤波器，将高于35Hz的肌电干扰抑制。50Hz及肌电干扰抑制电路的幅频特性曲线，如图3所示。当为病人做心电检测时，电阻R90与电容C34组成高截RC滤波器，取R90=4kΩ，C34=1μF，f=1/(2πRC)=35Hz(-3dB)；由电阻R83-R86电容C30～C33组成RC双T选频网络。
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图3 肌电及50HZ干扰抑制电路的幅频特性
因为f=1/(2πRC)中电阻R83～R86全部选用金属膜精密电阻67kΩ；电容C30～C33全选用0.047μF值，由于每种电容的误差很大，所以在选值时，必须进行严格的筛选配对，对电阻R83～R86和电容C30～C33严格把关后，可由公式计算出f=1/(2π×67×0.047)=50Hz。当为病人作心电检测时，则图1线路输出的EMG通过插座接到图2线路中的CMOS块D5(4053)的11腿，由图1线路输出的HUM与电阻R91相连，通过D5(4053)内部线路控制，由D5(4053)的12腿与RC双T网络相连，这样通过图1滤波选择电路的输出送到图2的滤波电路中，完全可以把肌电干扰与50Hz交流干扰进行抑制，打印出标准的心电波形。
我们所设计的滤波、灵敏度电路，滤波、灵敏度选择电路均经过了整机的试制，检验，已批量生产出心电图机，销售到全国大中小医院，是一种可靠的医疗专用线路，受到专家的好评。
参考文献
1 甘心照.医用电子技术基础及其应用.人民卫生出版社.1992
2 蔡建新.生物医学电子学.北京大学出版社.1991
3 康华光.电子技术基础.北京高等教育出版社.1989, 百拇医药
单位：青岛大学机电学院 (266071)
关键词：灵敏度；滤波；RC双T网络
中国医疗器械杂志990607 提要 介绍一种心电图机的灵敏度选择电路及滤波电路
The Design and Analysis of Sensitivity ＆ Filter Circuits in the Electrocardiograph
Liu Jing
Mech. ＆ Elec Engin. College, Qingdao University,ABSTRACT This paper introduces a sensitivity selection circuit and a filter circuit in the electrocardiograph.
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KEY WORDS Sensitivity Filter R C double T network.
1 灵敏度选择电路
心电图机中设计的灵敏度分三个档次：0.5cm/mV；1cm/mV；2cm/mV。为病人作心电检测时，以1cm/mV作为标准档，而0.5cm/mV和2cm/mV两档可将心电图机内部设有的1mV方波及由机器打印的心电信号缩小一倍或放大一倍，使热笔打印病人不同幅度的心电波形时，可对心电信号做不同幅度的处理，更加方便大夫观察波形诊断病情。这就要求每档次的灵敏度输出必须精度很高，否则，会严重影响打印的心电波形，造成误诊。
图1所示的可选择三种状态的灵敏度选择电路，能达到三个档次的灵敏度的精度要求，并使心电图机能打印出标准心电信号。
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图1 灵敏度及滤波选择电路
当sensikey触发一个正脉冲时，经过电阻R7后到数字块D12(4584)的与非门13腿后变成负脉冲，又输入到双加法计数器D12(4520)的2腿(CE)，作为D12触发工作的脉冲信号；当sensikey按键触发一个正脉冲时，使D12(4520)的2腿(CE)端也触发一个脉冲，在D12的1、2两腿分别输出如表1信号。
表1 D12(3腿)
sensiA
0
1
0
D12(4腿)
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sensiB
0
0
1
图1线路设计中，电容C2=0.1μF，为的是减少来自触膜开关的误动作，如在操作中有小脉冲，IC2会瞬间短路，避免了类似的小脉冲进入D12(4520)，造成线路的混乱。 表1中输出的sensiA、sensiB是灵敏度选择的开始，将该信号通过插座送到图2所示的电路中，再进行灵敏度三个档次的不同选择。由数字块D5(4053)的9、10两腿分别与图1中输出的sensiB、sensiA相连，4053相当于一个开关，由9、10两腿信号变化控制着D5(4053)中的1、2、3腿的输出。而在设计三个档次的灵敏度选择电路时，最关键的是对电阻R96-98的选值，要求非常精确，全选用金属膜精密电阻。R96选4.02kΩ，R97、R98选2kΩ，假设D5(4053)的3(Z1)腿电压为V3=2V，根据公式可计算出不同灵敏度选择的输出电压。数字块D5(4053)的2(YO)腿电压：
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V2=(R97+R98)/(R96+R97+R98)×V3
=(2+2)/(2+2+4.02)×2
=0.5×2=1V
D5(4053)的1(Y1)腿电压：
V1=R98/(R96+R97+R98)×V3
=2/(2+2+4.02)×2=0.5V
图2 灵敏度及滤波电路
, 百拇医药
2 滤波电路：
心电图机在设计时，常采用差分放大器和“右腿”驱动电路等来提高机器的抗干扰能力，但在某些特定情况下，50Hz的干扰仍和心电信号一起输入并放大。另外电极与皮肤接触时，也会产生肌电信号，而肌电信号和50Hz交流信号都不是在作心电检测时所需的信号，故称干扰信号，如果不对它进行抑制，由心电图机的热笔打印出的心电波形ECG有干扰，大夫无法根据波形进行诊断，所以必须采取抑制措施。
2.1 滤波器选择电路
图1设计的滤波器选择电路采用多种不同功能的数字集成块，将不同性能要求的心电线路设计得无可挑剔。D12(4520)是双4位二进制同步计数器，当D12的15腿=1和7腿=1时，D12内有的两个触发器都由Filterkey触发一个正脉冲，通过电阻R5到D2(4584)的与非门11、12腿后，变成负脉冲作为双四位二进制同步计数器D12(4520)的脉冲触发信号(即2腿和10腿的CE端)，在D12(4520)的11、12腿输出正负电平之后又进入D20(4071)的或门12、13腿，在D20的11腿输出最后的翻转信号再经电阻R65(10k)后，作为交流滤波，送到图2的滤波电路中。在D12(4520)的12腿输出的信号，作为肌电滤波，也送到图2的滤波电路中作滤波选择。
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图1中双四位二进制同步计数器D12(4520)的7端和15端是利用了双上升沿触发器D16(4013)的Q输出电平进入或门D5(4071)的5、2两腿，在D5(4071)的4腿和3腿输出信号，使D12(4520)的7端和15端清0后，D12(4520)才开始工作。
2.2 50Hz及肌电干扰抑制方法
我们设计的滤波器电路，包括交流滤波器(复式带阻滤波器f=50Hz)和肌电滤波器(EMG)。肌电干扰信号，一般在10～3000Hz之间。在心电检测时，常用一个35Hz(-3dB)的高截滤波器，将高于35Hz的肌电干扰抑制。50Hz及肌电干扰抑制电路的幅频特性曲线，如图3所示。当为病人做心电检测时，电阻R90与电容C34组成高截RC滤波器，取R90=4kΩ，C34=1μF，f=1/(2πRC)=35Hz(-3dB)；由电阻R83-R86电容C30～C33组成RC双T选频网络。
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图3 肌电及50HZ干扰抑制电路的幅频特性
因为f=1/(2πRC)中电阻R83～R86全部选用金属膜精密电阻67kΩ；电容C30～C33全选用0.047μF值，由于每种电容的误差很大，所以在选值时，必须进行严格的筛选配对，对电阻R83～R86和电容C30～C33严格把关后，可由公式计算出f=1/(2π×67×0.047)=50Hz。当为病人作心电检测时，则图1线路输出的EMG通过插座接到图2线路中的CMOS块D5(4053)的11腿，由图1线路输出的HUM与电阻R91相连，通过D5(4053)内部线路控制，由D5(4053)的12腿与RC双T网络相连，这样通过图1滤波选择电路的输出送到图2的滤波电路中，完全可以把肌电干扰与50Hz交流干扰进行抑制，打印出标准的心电波形。
我们所设计的滤波、灵敏度电路，滤波、灵敏度选择电路均经过了整机的试制，检验，已批量生产出心电图机，销售到全国大中小医院，是一种可靠的医疗专用线路，受到专家的好评。
参考文献
1 甘心照.医用电子技术基础及其应用.人民卫生出版社.1992
2 蔡建新.生物医学电子学.北京大学出版社.1991
3 康华光.电子技术基础.北京高等教育出版社.1989, 百拇医药