基于心电的生物医学工程教学系统开发

摘要：针对当前生物医学工程专业在教学过程中未能充分体现交叉学科特点，学生不能在侧重学科上具备优势专业技能的不足，设计了一个心电检测和显示教学系统。该系统包括心电信号检测电路，模拟信号采集系统，PC上位机软件应用系统。该系统可应用于生物医学工程专业心电信号的检测显示的教学。

关键词：心电检测  数据采集 虚拟仪器  生物医学工程专业教学

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）09-0146-01

1 引言

当前，1生物医学工程专业作为一个典型的学科交叉型专业，很难在其侧重学科上具备优势专业技能[1]。如何在有限时间内培养知识面广、同时在侧重学科上有专业优势的学生是当前教学的重点。心电检测技术作为生物医学工程领域最具代表性的技术，本文设计了一个心电检测和显示教学系统，该系统可以实现心电信号的检测和显示，便于在教学过程中培养学生优势专业技能，激发学生的兴趣和学习积极性。

2 系统设计

本系统主要实现简单的心电信号检测，因此用双极肢体导联的方法来提取心电信号。用标准导联I来实现心电信号的提取。心电信号的前置放大电路：IC6A、IC6B、IC8A、IC8B、IC8C组成心电信号的前置放大电路。IC6A、IC6B利用电压跟随器来实现同向并联的前置电路，使前置放大电路满足高输入阻抗的要求。前置放大电路的放大倍数如公式（1）所示。

（1）其中：R10=20K，=1，=10.

电位器R37可调节差分放大器的放大倍数。电位器R38用于调节电路对称性，提高共模抑制比，抑制共模干扰信号。右腿驱动电路：把原始心电信号中的共模噪声提取出来，经过一级倒相放大再返回到人体，使它们相互叠加。从而减小人体共模干扰的绝对值，提高信噪比。本电路采用运算放大器LF353，由IC7A实现右腿驱动电路。电平抬升电路[2]的作用：心电信号是双极性，经前置放大电路放大之后依然为双极性，数据采集只能量化单极性信号，所以必须把双极性信号转化为单极性信号。电平抬升电路主要由稳压管TL431、电位器R4和IC91A来实现。调节电位器R4将基线电平抬升至2.5V的直流电位，使AI6输出直流电位在2.5V、交流信号在1V的信号。隔离电路[3]        的作用：主要是将系统的模拟部分和数字部分隔离开，另外对人体也具有一定的保护作用。隔离使用的器件为线性光电耦合器件。通过IC9实现隔离传输。电源设计：心电检测电路需要正负9V的直流电源供电。

LabJack u12的USB口可以与PC相连并进行通讯，用USB口为数据采集卡提供电源。有8个模拟输入信号的接口将模拟信号数字化，分别是AI0-AI7。选择输入接口的同时，需要对应用软件的通道进行配置，才能在应用软件界面显示输入信号。上位机安装虚拟仪器软件labview8.2，并且安装LabJack u12安装程序。其应用程序LJstream可以用来读取四个通道的模拟信号并且显示相应的信号，本文利用LJstream应用程序来观察心电信号的检测结果。利用Config Channels对话框来配置通道，本文利用4个通道来观察在心电信号采集过程中的信号变化。其中AI4输出端监控前置放大电路的输出，AI5输出端监控第三级放大的输出，AI6输出端监控基线抬高的信号，AI7监控最终检测的心电信号。

3 实验结果

根据心电信号检测系统的原理图，利用protell99se进行电路的设计和PCB电路板的设计，设计心电监测的电路板是双层板，最终硬件电路如图1所示。包括心电信号的前置放大电路，电平抬升和隔离电路。

利用心电电极来检测心电信号，利用标准导联I的方法来提取心电信号。左手接电阻R2，右手接电阻R10，右腿接地，两手平放在大腿上采集心电。调整电位器R38，提高前置放大电路的对称性，消除共模噪声，可以观察到较好的心电信号。最终利用标准导联I所提取的心电信号在PC机上的显示结果如图2所示，可以简单的将心电信号提取出来。

4 结语

本文设计了一个心电检测和显示系统用以观察心电信号，便于生物医学工程专业的教学。提高学生的学习兴趣和积极性的同时，有助于培养学生在侧重学科上的专业优势。

参考文献

[1]周宇，郑政.医学仪器设计原理课程构建的心电检测系统[J].实验室研究与探索，2012，31（2）：122-124.

[2]朱大缓，郭育华，汪公社.便携式心电检测放大电路设计[J].医疗卫生设备，2008.29（5）：21-23.

[3]徐志跃.隔离放大器及其应用[J].实验技术与管理，2011，28（6）：53-56.