康复治疗床的心电信号控制器设计

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摘要

康复治疗床通过心电信号控制器检测患者的心电信号，根据心电信号智能调整治疗状态，达到最佳的治疗效果。心电信号控制器由无线充电供电模块、心电信号处理模块、信号的Wi-Fi发送模块，本文重点介绍心电信号模块的设计。

【关键词】康复治疗床 心电信号 Wi-Fi

康复治疗床可用于术后、老年人、肢体受伤者进行康复运动治疗，治疗床具有自适应调整功能，即根据设定的工作范围与患者的心电信号，智能控制康复治疗床的工作频率与运动幅度。当心电信号正常时提高工作频率与工作幅度，当心电信号出现异常趋势时，降低工作频率与幅度，甚至停止运动治疗，确保患者安全，达到最佳治疗效果。

1 设计需求

1.1 功能需求

康复治疗床采用无线充电与无线数据传输的统一设计标准。所以心电信号控制器的供电由无线功率接收器给锂电池充电，充电后由锂电池供电;心电信号控制器通过电极获取心电信号经过滤波放大以及ADC处理，将心电信号的波形数据按照系统设定的Modbus通讯协议通过Wi-Fi通讯模块发送给康复治疗床的主控制系统。

1.2 性能参数

I导联+右腿驱动电路的心电信号采集;体积小便携;无线信号传输;无线充电;每5ms传输一次心电信号。

2 关键技术分析

2.1 心电信号放大

心电信号具有如下典型特征，即：

（1）信号幅度小，在0.05-5mV之间;

（2）阻抗高，在几十到几十万欧姆之间;

（3）频率低，在0.05-100Hz之间;

（4）不稳定因素多，如环境变化，个体差异等。

MCU在进行AD转换时，其输入范围为0-3.3V，所以系统的信号放大器的放大倍数约为1000，由于人体的高阻抗存在，为获取较好的心电信号，放大电路的输入阻抗要求高，另外放大器的带通范围为0-100Hz。

2.2 心电信号滤波

心电信号的干扰信号多，故滤波电路的设计是关键，首先是肌电干扰，肌电信号的频率为5-2KHz，与心电信号重叠，相对心电信号来说为高频干扰;其次是工频干扰，由于市电采用50Hz交流电，人体的分布电容与电极之间会感应产生工频干扰，需要采用50Hz的陷波电路滤除工频干扰;再次是基线漂移，由于电极与皮肤的接触电阻分压以及人体组织器官运动导致心电信号发生变化，产生高频干扰。所以心电信号的硬件滤波有低通、高通、限波电路，以及软件滤波算法。

3 设计说明

3.1 心电信号控制器总体设计

心电信号控制器如图1所示构成，其中无线充电电路接受无线功率发射器的电能，转换为直流电对锂电池进行充电，充完后控制器由锂电池供电，电源变换模块是将锂电池的直流转换为心电信号放大器所需的+5V和-5V，以及MCU即STM32嵌入式系统所需的+3.3V，Wi-Fi数据传送模块的+5V。

3.2 心电信号处理模块设计

如图2所示，前置放大电路从电极RA、LA獲取心电信号，利用差分三运放进行专业放大，同时通过取样心电信号利用运放产生反相的肌电驱动信号送给PL。低通滤波器与高通滤波器组成系统的带通滤波器，通频带范围为0.05-100Hz。主运放用于放大信号，因为在前置放大器的放大倍数为10，所以主运放的放大倍数为100。电压抬升电路将有+有-的心电信号进行直流抬升，使其转换为全+的电压信号。

3.3 MCU控制模块设计

设计中的MCU从系统的处理速度、稳定性、可靠性、性价比以及存储空间等方面进行综合考虑采用意法半导体公司的STM32F103RBT6，具有72MHzde时钟频率，双路12ADC，三个16定时器，1个PWM，128KFLASH，84个中断。STM32在系统中的作用：

（1）进行信号的数字滤波，

（2）对心电信号进行AD转换，

（3）将数字化的心电信号用ModBus协议通过Wi-Fi发送给康复治疗床的主控系统。

3.4 前置放大电路设计

前置放大电路以AD620位核心器件，AD620内置三运放差分放大器，外接元件少，使用简单可靠，输入阻抗达10G欧姆，电压温漂低至1uV/℃，噪声电压低至0.28uV，放大倍数可通过外置反馈电阻R5（如图3）方便调节，本电路配置放大倍数为10，其共模抑制比（CMRR）可达100dBo信号RA、LA从AD620的-IN、+IN输入，从OUT输出给下级电路。OP07、R1、R2、R3、R4、C1构成右腿驱动电路，从R3，R4的分压中得到输入心电信号的肌电信号分量，通过反相放大器进行处理输出给PL作用于患者大腿，用于动态抵消肌电信号的干扰。

3.5 高通滤波电路设计

如图4所示，高通滤波采用由C11、R13组成的一阶RC滤波电路，其中C11=4.7uF，R13=1MΩ，将RC的值代入式（1）中，计算得到高通截止频率为0.05Hz，即低于0.05Hz的信号不能进入电路。

3.6 低通滤波电路设计

如图4所示，低通滤波采用有R14、C12组成的一阶滤波电路，其中R14=15KΩ，C12=0.1uF，将RC的值代入式（2）种，计算得到低通截止频率为108Hz，即高于108Hz的信号不能通过电路。

3.7 电压抬升电路设计

电压抬升电路由R21、R22、R23、R24以及运放OP07构成，如图5所示，利用运算放大器的虚短与虚断原理，根据电路的伏安定律可构建方程式（3），其中Vc为R21、R22对+5V的分压，通过调节R21，R22可改变Vc的大小，将方程式（3）化解为方程式（4）可知，V_out不仅与V_in有关，更提高了一个固定的电压值。

4 测试

测试条件为供电采用6800MA锂电池5V大容量聚合物充电电池，示波器采用泰克150M双踪示波器。测试方法为利用电极探头RA、LA、PL连接人体，在心电信号控制器的AD转换输入端获取心电信号的模拟信号，连接到示波器进行观察，观测波形如图6所示。

5 结语

康复治疗床的心电信号控制器主要用于患者的心率以及心脏的供血情况，采用RA、LA、PL的三电极连接法，简化的系统的功能，测试表明，波形清晰的展示了患者的心电信号，实现了预期的要求，满足了系统的功能要求。

参考文献

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