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    心电图电路与PicoScope示波器

                 心电图简称ECG(也叫EKG, 取自德语Electrode-Kardiographie)记录的是心脏的电信号亚愽APP软件亚愽APP软件,是检查心脏疾病的重要手段亚愽APP软件。本文使用英国比克科技Pico Technology的数据记录仪DrDAQ亚愽APP软件,来读取并记录心电图数据亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,以下所有的测量和记录操作使用PicoScope示波器也能实现亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    英国生理学家奥古斯都.D.沃勒是心电检查的先驱人物,早在1887年他就发布了世界上第一张人体心电图。然而在1911年亚愽APP软件亚愽APP软件,沃勒消极地预测:“我无法想象心电图会在医院深入使用,它最多在一些偶然情况下用来印证一些罕见的心脏病变”亚愽APP软件亚愽APP软件。戏剧性的是亚愽APP软件,仅仅13年后亚愽APP软件,诺贝尔奖就授予而了德国生理学家威廉厄姆.埃因霍芬亚愽APP软件亚愽APP软件,他把这个神奇生理现象变成了一种临床上不可或缺的检测仪器亚愽APP软件,它到今天仍然被广泛使用。

     

    什么是心电图(ECG/EKG)

     

    就是心脏组织产生的电活动反应在体表的电位亚愽APP软件。离子的形式电流表征了心肌纤维的收缩活动亚愽APP软件亚愽APP软件,即心脏的泵血功能亚愽APP软件。自从1913年埃因霍芬发明弦式电流计并将它应用在临床诊断上,ECG就成了一种有价值的亚愽APP软件亚愽APP软件、无损的诊断工具亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    最简单的记录方式也被称为三导ECG(现在更多的有六导亚愽APP软件亚愽APP软件、十二导)亚愽APP软件亚愽APP软件,也就是从身体的三个部位获取电流(被称为埃因霍芬三角亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,这是一个以心脏为中心的等边三角形)亚愽APP软件,L1和L2两个点的电位差随时间变化的曲线,就是ECG心电图亚愽APP软件。而L3则是作为一个共地点亚愽APP软件,把人体和记录设备共地亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    把ECG曲线和心脏中的电信号事件对应起来是一个公认的逆向难题,其中的难点在于把心电信号和体表的其他杂波电信号区分开来。

     

    关于ECG应用

    本文所实践的ECG设备基于肖恩.卡尔森于2000年6月发表在《科学美国人》的《科学家自画像》一文。这篇文章描述了一种电路结构亚愽APP软件亚愽APP软件,基于仪器放大器来测量ECG信号亚愽APP软件亚愽APP软件。

    下图中的实际电路基于此略有修改亚愽APP软件,然后用Pico Technology 比克科技的一块DrDAQ采集卡来读出并记录数据亚愽APP软件亚愽APP软件。

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    图1: ECG连接原理图

    采样结果

    下图展示了采样曲线亚愽APP软件亚愽APP软件,就是按照埃因霍芬的三导ECG法连接并测得的亚愽APP软件。

                                                                                                       

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    图2:L1和L2连接在胸部

                                       

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    图3:L1和L2连接在腕部

     

    ECG 电子电路介绍

    特别提醒:强电伤人亚愽APP软件,实际操作前请阅读相关安全说明。

     

    之前提过亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,ECG应用的电路和肖恩.卡尔森在《科学美国人》上发表的文章里提及的类似亚愽APP软件亚愽APP软件。具体电路如下图所示亚愽APP软件,核心是一枚AD624AD仪器放大器(美国Analog Devices公司出品)

                                                                                             

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    图4:ECG电路图

    输入线缆和连线

    放大器从一个贴在人体上的自粘式电极获得电信号输入亚愽APP软件,由于信号的幅度非常小亚愽APP软件,放大器很容易受不同噪声源的影响亚愽APP软件,因此连接电极和电路之间的线缆必须尽可能的短亚愽APP软件亚愽APP软件,尽可能屏蔽良好亚愽APP软件亚愽APP软件。本文选取的是带有Lemo接头的RG-174 50欧姆同轴线亚愽APP软件亚愽APP软件,这些线缆很适合实验测试亚愽APP软件,因为它们不但坚固耐用,而且又轻又薄亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。而且Lemo接口能很方便地在固定在封装电路板的铝钣金外壳上,容易拔插亚愽APP软件亚愽APP软件。


    考虑到安全因素亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,这个测试要把人体和一个带有强电的电子设备相连接,所以在放大器的输入端同时并入了毖菒鯝PP软件;ざ苎菒鯝PP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。本实验中的ECG电路用的是两节9V电池供电,本身还在安全电压以下亚愽APP软件。但是一旦后面和示波器亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件、记录仪亚愽APP软件亚愽APP软件、计算机等通过市电供电的设备相连亚愽APP软件,就不得不考虑用电安全了。在极端情况下亚愽APP软件,如果由于某种原因亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,电源供电出现了浪涌亚愽APP软件,导致一些灾难性的后果,可以想象市电的电压也许会传导到放大器的输入端亚愽APP软件。虽然亚愽APP软件,这种情况不太可能发生亚愽APP软件亚愽APP软件,但是一旦出现了亚愽APP软件亚愽APP软件,放大器的输入级最大电压也可以被二极管限定在0.6V亚愽APP软件,大电流直接短路到地了亚愽APP软件。这对测试结果不会产生严重的影响亚愽APP软件,因为实测的心电信号远小于0.6V亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。并且亚愽APP软件,必须用一对双向二极管亚愽APP软件,来限制正负两个方向的浪涌亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。此外亚愽APP软件,还有一种方法来提高安全性是重新设计电路亚愽APP软件亚愽APP软件,利用光隔离式器件亚愽APP软件,从根本上隔离高压供电电源和电极(一般能承受几千伏)亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    输出线缆与电路

    对于输出信号亚愽APP软件亚愽APP软件,金属外壳上安装的是一个带毖菒鯝PP软件亚愽APP软件;ぬ譈NC连接器亚愽APP软件,这样输出信号就能经由50欧姆匹配的同轴线缆直接连到示波器上。

    电路的输出部分相比《科学美国人》文章里面的略有差别亚愽APP软件,为的是让它能方便的连接DrDAQ,满足它输入0-5V的限制范围亚愽APP软件亚愽APP软件。当然这样还是不能很好地与ECG信号匹配,因为它是正负双极性的脉冲亚愽APP软件亚愽APP软件。于是,我们在电路的输出端再串联一个1uF的隔直电容亚愽APP软件,来实现AC耦合亚愽APP软件亚愽APP软件,然后用一个上拉电阻把直流电平上拉到2V左右亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。供电电源是9V亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,而测得ADC的输出电阻是180K欧姆亚愽APP软件,因此上拉电阻阻值选取了680K欧姆亚愽APP软件。

     

    供电问题

    供电电源是两块9V的电池亚愽APP软件,它们给放大器和上拉输出供电。电池的两极通过一个便于开关的装置输出到电路里面亚愽APP软件亚愽APP软件,并且在此处放置了去耦电容亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    接地与降噪

    电路的地,输入和输出端的线缆都连接到了屏蔽金属壳上亚愽APP软件。这是出于如下考虑:电路的输出能够经由任何一个与其相连的设备接地亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,不论是示波器还是计算机亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。这些外围设备都会通过市电连接到地亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    不过亚愽APP软件,在后面的安全须知中还会提到亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,这种自制的电路一旦上电工作亚愽APP软件亚愽APP软件,务必万分小心。从原理上说亚愽APP软件,用一台电池供电的笔记本电脑来读取数据会更加安全亚愽APP软件,然而这会让电脑处于浮地状态亚愽APP软件亚愽APP软件,在没有良好接地的情况下,会有非常大的噪声亚愽APP软件,很有可能会淹没ECG信号本身。如果电路能有其他路径良好接地亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,那么使用电池供电的笔记本电脑会是一个不错的选择亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    即使是笔记本电脑插入市电电源亚愽APP软件,仍然会有很可观的噪声产生亚愽APP软件。实践中最好的办法就是把连接电路和被测物的线缆尽量缩短亚愽APP软件,从而减少感性噪声耦合亚愽APP软件亚愽APP软件。


    关于这类电路中的降噪手段,可以单独作为一个专题来讨论亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    安全须知

    任何想要实际进行本文所述操作的人亚愽APP软件亚愽APP软件,都必须认真的阅读和理解安全准则。

    在上一节曾经提到过,当人体和任何带电设备连接亚愽APP软件亚愽APP软件,必须比平常更加小心在意亚愽APP软件亚愽APP软件。

    因为一个不留神就可能引发严重的甚至致命的后果亚愽APP软件。

    连接到身体的电极亚愽APP软件亚愽APP软件,形成了一个很好地电流通路亚愽APP软件亚愽APP软件,L1和L2两极之间的阻值大约只有50K欧姆亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    专业级的医疗设备,都会有严格的过压毖菒鯝PP软件;ご胧┭菒鯝PP软件,保证强电的波动不会对人体产生伤害。本文中的毖菒鯝PP软件亚愽APP软件亚愽APP软件;ご胧┚褪且欢韵扪苟苎菒鯝PP软件亚愽APP软件。为了更好地进行毖菒鯝PP软件亚愽APP软件亚愽APP软件;亚愽APP软件亚愽APP软件亚愽APP软件,就需要用到光隔离器件了亚愽APP软件,把弱电电路和强电电源完全隔离开亚愽APP软件。

     

    在雷雨天气,不建议使用ECG设备亚愽APP软件亚愽APP软件。

     

    确保只有在你有足够的知识,并能够熟练操作电路时才进行以上实验亚愽APP软件,否则请不要轻易尝试,请不要轻易尝试,请不要轻易尝试。

     

    参考文献

    · Mathematical Physiology, by J. P. Keener and J. Sneyd, Springer-Verlag.

    · The Initiation of the Heartbeat, by D. Nobel, Oxford.

    · Physics with Illustrative Examples from Biology and Medicine: Electricity and Magnetism (Vol. 3), by G. B. Benedek and F. M. H. Villars, Addison-Wesley, Chapter 2.

    · The Electrocardiogram as an Example of Electrostatics, by R. K. Hobbie, Am. J. Phys. 42, 824 (1973).


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