摘 要

经济的飞速发展，社会竞争压力不断增大，导致心血管疾病（cardiovasculardisease，简称CVD）成为影响人类身体健康最大的不利因素。心电图（electro-cardiogram，简称ECG）是在心血管、心脏病诊断中用到的最常用的方法，按照采集电极在人体放置位置的不同一般分为十二个导联，称为“标准十二导联体系”，根据多导联信号的不同表现可以诊断相关疾病。对于心脏病和心血管疾病，用得最多的就是心电图机，心电图机技术最初从国外引进国内，已经有100多年的发展历史。社会竞争压力不断在变大，人们的休息时间在减少，再加上饮食和睡眠的不规律，心血管疾病和心脏病的爆发率越来越高，这加大了对心电监护的需求，特别是适合家用便携式的心电监护设备。一般心电监护系统主要由两部分组成，第一是心电信号的模拟采集^[1]，模拟采集通过电极在人体采集信号，用的最多是12导联方法，第二是对采集回来的心电信号进行处理，通过心电波形来判断心脏健康情况。由于十二导联的心电体系较复杂，本文从标准导联心电图开始研究，包括心电信号的采集部分和基于SOPC的心电信号预处理部分。本文具体研究内容包括心电信号的基础知识介绍，干扰信号的分析，心电信号的采集，心电信号的预处理和心电图的动态显示。

关键词：心电信号；SOPC；模拟采集；数字滤波；FPGA

Abstract

Now with the economic development, social competitive pressure is increasing, leading to cardiovascular disease (cardiovasculardisease, referred to as CVD) become unfavorable factors affect human health maximum. ECG (electro-cardiogram, short ECG) is the most commonly used method in the cardiovascular, used in the diagnosis of heart disease, according to the different collection electrode placement in the human body is generally divided into a 12-lead, known as the "standard twelve lead linking system ", depending on the performance of multi-lead signal can diagnose related diseases. For heart disease and cardiovascular disease, is the most used ECG, ECG machine technology was originally imported from abroad, domestic, has more than 100 years of history. Continued competitive pressures in society becomes larger, it is time to rest in the reduction, coupled with irregular eating and sleeping, cardiovascular disease and heart disease outbreak increasing rate, which increased the demand for ECG, particularly suitable for home portable ECG device. Usually ECG monitoring system mainly consists of two parts, the first is the ECG analog acquisition, analog acquisition through the electrode signal acquisition in the body, is the most widely used 12-lead method, and the second is collected back ECG processing by ECG waveform to determine heart health. Since the 12-lead ECG system is more complex, the paper began to study from the standard lead ECG, including ECG signal acquisition part and SOPC based ECG signal preprocessing section. Specific studies include article describes the basics of ECG analysis interference signals, ECG signal acquisition, preprocessing dynamic ECG and ECG displays.

Key Words: ECG; SOPC; analog acquisition; digital filtering; FPGA

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

1.4 本章小结 3

第2章 心电信号基础 4

2.1 心电图各波形意义 4

2.2 心电信号的噪声分析 5

2.3 心电图导联体系 5

2.3.1 标准导联 6

2.3.2 加压单极肢体导联 6

2.3.3 胸导联 7

2.4 本章小结 8

第3章 心电信号模拟采集电路设计 9

3.1 心电信号采集思路 9

3.2 模拟采集电路方案 9

3.3 心电信号模拟采集电路实现 10

3.3.1 输入缓冲器 10

3.3.2 前置放大电路 11

3.3.3 高通放大电路 13

3.3.4 低通滤波器 14

3.3.5 抗工频干扰电路 16

3.3.6 抬压电路 17

3.3.7 右腿驱动电路 17

3.4 心电信号AD转换芯片 18

3.5 本章小结 18

第4章 基于SOPC的心电信号处理 19

4.1 SOPC技术 19

4.2 DE1-SOC介绍 19

4.3 基于Quartus II的设计流程 20

4.4 AD7928的状态机编写 21

4.4.1 有限状态机设计技术 21

4.4.2 AD7928状态机采样控制 22

4.5 FIR数字滤波 23

4.6 NiosII软核控制系统 28

4.7 本章小结 30

第5章 结论与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

附录A 33

附录B 34

附录C 35

附录D 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

人类社会在不断的进步，人们的生活水平大大提高，社会竞争压力变大，人们的休息时间在不断地减少，这一系列的变化都使得心血管疾病（cardiovascular disease，简称CVD）成为了威胁人类身体健康的最大因素。在我国和一些发达国家，人口老龄化越来越严重，心血管疾病的爆发率越来越高。根据《中国心血管病报2014》统计调查显示，近年来我国心血管疾病的患病率持续上升，全国心血管病患者总数已高达2.9亿人；2013年居民疾病死因构成中，在城市心血管疾病占41.9%，而在农村则上升至44.8%，远高于其他疾病。而由于心血管疾病一旦恶化并急剧发作，将会对人体产生严重的，危及生命的伤害，因此早发现，早治疗将会明显降低死亡率，改善预后。在目前心血管疾病诊断技术中，心电图（electrocardiogram，简称ECG）检查是最经典，最常用的重要方法。心电信号对于心脏的工作状态的反映是多层次和多方面的,医生能够以此为根据客观地观测心脏的实际生理状况,因此心电信号在心血管疾病的诊断和分析上具有非常重要的意义，心电分析系统作为很实用的辅助工具，将会大大减轻医生的负担，改善人类的身体健康。

心电信号自20世纪初首次由荷兰莱顿大学的生理学家Einthoven应用弦线电流计描记以来，广泛应用于临床医学，已为人类健康做出了非常大的贡献。但是心电信号与其他生物电信号一样，具有随机性（无法用具体数学表达式表示），微弱性（mV量级），低频性（集中在0.05~100Hz）的特点，非常容易受外界干扰。目前现在的滤波技术还不成熟，还没有完全发挥心电信号的潜在优势；近年来，随着数字滤波技术和计算机技术的发展，心电信号研究经久不衰，人们对于心电信号的检测和处理能力已大有改进，对于心脏病的自动化诊断技术也已逐渐应用，但是仍然不能脱离医生的经验判断。因此，在心电信号的检测和处理问题上，需要更进一步的改善。