心电图机原理及电路超详细讲解 |
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心电图机原理及电路超详细讲解
心电图主要器件导联单极导联和双极导联威尔逊中心端加压导联胸导联
心电图机的结构电路框图介绍输入部分过压保护电路高频滤波电路低压保护及缓冲放大器屏蔽驱动电路导联选择起搏脉冲抑制与定标电路肌电滤波、时间常数电路、封闭电路与电极异常检测脉宽调制、光电耦合、解调电路后级放大及灵敏度控制电源电路电源控制电路交直流电源选择
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⋆电池电压指示电路
心电图机的主要性能参数
心电图
心脏在机械性收缩之前,首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表,使体表的不同部位产生不同的电位。在体表放置两个电极,分别用导线连接到心电图机的两端,就会按心脏激动的时间顺序,将体表两点间的电位差记录下来,形成一条连续的曲线,就是心电波形,简称心电图。 **P波:**由心房的激动所产生,前一半主要由右心房所产生,后一半主要由左心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s,最高幅度不超过2.5mm。 **QRS波群:**反映左、右心室的电激动过程,称QRS波群的宽度为QRS时限,代表全部心室肌激动过程所需要的时间,正常人最高不超过0.10s。 **T波:**代表心室激动后复原时所产生的电位影响。在R波为主的心电图上,T波不应低于R波的1/10。 **U波:**位于T波之后0.02-0.04S出现宽而低的波,波幅多在0.05mV以下,波宽约0.20S。 主要器件电极:是从人体取得心电信号的敏感元件 导联(lead):临床上为了统一和便于比较所获得的心电图波形,对描记的心电图的电极位置和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定,人们将这种电极组和其联接到放大器的方式称为心电图导联或导联。 国际标准十二导联:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1~V6 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 标准导联 aVR、aVL、aVF 加压单极肢体导联 V1~V6 单极导联 导联标准导联的三种假设: 1)人体的左肩、右肩及臀部三点与心脏的距离相等,构成等边三角形的三个顶点,肢体上任何一点的电位等于该肢体与体腔连处的电位 2)等边三角形的中心为心脏,并与三角形在同一平面上 3)体腔是一个均匀导电的、相对心脏来说是很大的球形容积导体
双极导联:用来测量两点间电位差的导联。 单极导联:探测心脏某一局部区域电位变化时,用一个电极安放在靠近心脏的胸壁上(叫作探查电极),另一个电极放置在远离心脏的肢体上(称为参考电极),探查电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化。使参考电极在测量中始终保持为零电位,称这种导联为单极肢体导联,简称为单极导联。 威尔逊中心端首先由威尔逊(Wilson)提出在三个肢体上各串联一只5kΩ的电阻(可在5~300kΩ之间选,称为平衡电阻),使三个肢端与心脏间的电阻数值互相接近,因而把它们连接起来获得一个接近零值的电极电位端,称它为Wilson中心电端。 在单极导联基础上,当记录某一肢体单极导联心电波形时,将该肢体与中心电端之间所接的平衡电阻断开,改进成增加电压幅度的导联形式,称为单极皮肤加压导联,简称加压导联。 优点:加压导联所获得的心电波形形状不变,而波形幅度增加50% 将威尔逊中心电端与放大器负极相连 测量电极安放在胸前预订的六个位置
心电图机基本结构:输入部分、放大部分、记录部分、走纸部分、控制部分、电源部分 输入部分包括电极、导联线、过压保护及高频滤波器、导联选择器 导联作用:将电极上的心电信号送到放大器的输入端 输入保护及高频滤波器:既要保护病人安全,又要避免因病人进行除颤治疗或施行高频电刀手术而损坏同时使用的心电图机。 低压和高压保护,高频滤波 导联选择器的功能:将同时接触人体各部位的电极的导联线,按需要换成某种导联方式 缓冲放大器:提高电路的输入阻抗,减少心电信号衰减和匹配失真 放大部分的作用是将幅度为μV级、频率为0.05~100赫兹的心电信号放大到可以观察和记录的水平 前置放大器:低噪声、高输入阻抗、高抗干扰能力、低零点漂移、线性工作范围(放大差模、抑制共模) 起搏脉冲抑制电路:对于安装起搏器的病人,其起搏器的输出脉冲幅度较高,有可能会阻塞后级放大器,该电路可以使脉冲被二极管和电容滤掉 1mV标准信号发生器:产生标准幅值为1mV的电压信号,作为衡量心电图波形幅值的标准 时间常数电路:将直流极化电压滤除,校正静态工作点 中间放大器:中间放大器在R C耦合电路之后,称为直流放大器。它不受极化电压的影响,增益可以较大,一般由多级直流电压放大器组成。 功率放大器:功率放大器的作用是将中间放大器送来的心电信号电压进行功率放大,以便有足够的电流去推动记录器工作(只适用于模拟式心电机) 记录部分包括记录器、热描记器(简称热笔)及热笔温控电路。 走纸传动机构带动记录纸并使它沿着一个方向做匀速运动的机构称为走纸传动装置,它包括电机与减速装置及齿轮传动机构。 电源部分电源采用220V/110v交流市电经整流、滤波及稳压构成的稳定直流电源供电 电路框图介绍前置心电放大电路 A 101 A_{101} A101~ A 109 A_{109} A109组成高压保护电路,一端接地,高于保护电压的高压可对地短路,从而保护机器 高频滤波电路
输入线与屏蔽层之间有分布电容
测试导联的连接方式:
标准导联连接方式:
加压导联:
胸导联:
起搏脉冲抑制电路由D112、C108、C109组成 作用:防止起搏脉冲阻塞后级放大器 安装了起搏器的病人也需要做心电图,而起搏器输出脉冲比心脏自身电信号幅度高,有可能会阻塞心电图机后级放大器,故要采用起搏脉冲抑制电路,它是一个具有限幅作用的高频滤波电路,限幅幅度约为0.7V。 而正常心电经第一级放大后远小于这个幅度,故起搏抑制电路对正常心电没有任何影响; 通常情况下需要在三运放电路的两个同相端间产生一个1mV标准电压信号,经过前置器三运放电路20倍放大倍数放大,在三运放输出端得到一个20mV标准电压信号,现在的放大是在三运放第二级同相端产生一个10mV标准电压信号, 经第二级同相放大,放大倍数为2,在输出端得到20mV等效效果 当MPU接收按键1MV定标命令后。光电耦合开关PC103的CAL定标置1,将LINE1串联至15KΩ电阻 R 149 R_{149} R149与+9V电源相连,并通过可变电阻和电阻 R 143 R_{143} R143加到加到放大器IC116B同相输入端。 此时IC115A、IC115B的两个运放输出为0,则后续电阻与IC116B构成同相比例电路,放大倍数为2 肌电滤波、时间常数电路、封闭电路与电极异常检测⋆ \star ⋆ 电极异常检测电路:检测电路由IC123(LM358 双运算放大器)构成,图中左上方部分,IC123A 和IC123B 分别构成两个比较器,IC123A参考电压为约 6.8V,IC123B参考电压为约 -6.8V (1)当电极接触异常时,电极耦合的干扰电压幅度超过 350mV(考虑经前置放大约20 倍)时,当干扰大于+350mV时,IC123A输出负电平,导致二极管D114导通;当干扰小于-350mV时,IC123B输出负电平,导致二极管D115导通,只要D114或者D115有一个导通,PC1O1(TLP650 光电耦合器)输入级导通,输出级导通,使输出(PMW OUT信号)为零。 即光电耦合输出零信号至主放大及后级电路,CPU检测到长时间零信号时,判断该电极接触异常。 (2)当电极接触正常时,电极耦合的心电信号电压不超过 5mV(考虑经前置放大约20 倍)时,比较器输出高电平,二极管D114、D115 全部截止,该检测电路断开,正常心电信号送入PC1O1输入级。 时间常数电路:C124和R113组成,时间常数等于3.9秒大于3.2秒的要求,低频截止频率等于 1 2 π R 113 C 124 = 0.04 H z \frac{1}{2\pi R_{113}C_{124}}=0.04Hz 2πR113C1241=0.04Hz,故心电图机可以记录最低心电频率成分为0.04Hz,符合心电心电频率范围,时间常数越大,低频截止频率就越低,能通过的心电低频成分就越低; 肌电滤波电路:由三极管V104和电容C103,电阻R115和R165组成,构成一个高频滤波电路,当MYO高电平时,正9伏电源使D113导通,从而使V104导通,将高频滤波器接入,滤波器截止频率为43HZ,接入后将肌电成分滤掉,同时也将心电中的高于43HZ的成分滤掉,因此只有在肌电干扰很严重的时候才选择性接入。 封闭电路:由V102、V103组成。 心电检查时进行导联切换,相当于心电图机输入电极在变换位置,因为各个电极的极化电压不一样,这种不同极化电压在 切换导联 时相当于一个跃变电压被前置放大器放大,并通过级间耦合电容送到后级放大器,使记录笔跃出记录范围,然后再按指数规律慢慢回到零位,因此需要在导联切换时需要同步将后级放大器封闭(放大器输入端接地)并将电容C124上的充电电荷快速放掉(CPU发出INST信号) 脉宽调制、光电耦合、解调电路光电隔离电路:隔离功能是由光电隔离器件PC101实现,当脉宽调制电路输出高电平时,发光二极管截止,不发光,光敏二极管没有光电流,三极管截止,集电极输出高电平,反之输出低电平,因此光电隔离电路输出与脉宽调制电路输出完全一致。经解调电路恢复出模拟的心电信号,实现了心电信号的电气隔离。 三角波发生器是由比较器IC118A和积分器IC118B构成的,比较器输出只有高电平和低电平两个状态。上电时,假定IC118A输出高电平,因为
C
120
C_{120}
C120两端电压不能突变,因此
V
01
=
0
V_{01}=0
V01=0; 利用理想运放条件虚短可知IC118B反相端为地电平,因此
R
173
R_{173}
R173上有红色箭头所示电流,给
C
120
C_{120}
C120充电,因为IC118B反相端电位始终为零,V01必向负电位方向线性减小, 当V01和V03共同作用下IC118A同相端电位低于零电位时,比较器IC118A输出V03翻转输出低电平(负);此时
R
173
R_{173}
R173上有蓝色箭头所示电流,给
C
120
C_{120}
C120反向充电,V01电位逐渐升高,当V01和V03共同作用下IC118A同相端电位高于零电位时,比较器IC118A翻转输出高电平(正);重复上面过程,形成三角波。 灵敏度控制和陷波电路是否接入的控制器件为IC122(4053模拟开关),4053有三组二选一开关,三组开关分别有一位控制位独立控制,其中Y决定是否接入陷波器,Y和Y1接通时不接入陷波器,Y和Y0接通时接入陷波器; X、Z联合控制放大倍数,X、Z共有四个状态组合,而放大倍数只有三种,因此有两个状态合并为一个状态;电路中增益(1)增益(2)和抗50HZ控制信号是单片机根据按键动作产生的控制信号 电源电路
当采用交流供电方式时,LED302~304均不工作;当采用电池供电时,三个LED开始工作。 当电池电量充足时,三个LED全部点亮。 当电池电量下降时,LED304和LED303依次熄灭。 电池电量进一步下降,LED302开始闪烁。 工作原理:电池正常工作时,IC301A或门输出为1,Q302导通,V303导通,则3个LED均导通 电池电压足够高时,当F点电位高于2.5V时,各路输出使3个LED灯点亮 若H点电压 |
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