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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許鴻義
研究生(外文):Horng-yih Shu
論文名稱:心電圖訊號量測系統之製作與分析
論文名稱(外文):Design and Analysis of Electrocardiogram Measuring System
指導教授:吳尚德
指導教授(外文):Shang-Teh Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:78
相關次數:
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本論文的研究方向為製作一微弱訊號的量測系統,並且以人體心臟的生物電訊號做為測試對象。
本論文在心電圖訊號量測系統的製作方面,主要以兩大部分來探討。第一,設計量測放大電路,以解決使用電極片量測所導致的問題,並對量測放大電路所需使用之元件作分析與最佳選擇。第二,濾波器的引用,用以消除量測微弱的生物電訊號時,雜訊對輸出訊號的影響。並利用軟體模擬與硬體訊號測試來窺探濾波器的性能。
在量測系統性能分析方面,利用心電圖量測模擬系統驗證此量測系統可消除電極offset電壓、60Hz雜訊與2kHz以外的頻率雜訊,使得心電圖訊號清晰可判讀。在心電圖量測當中,可以觀測出量測系統的濾波器將雜訊濾除並得到一清晰可判讀的心電圖波。隨著探討其波段的成分與各種波段的傳遞時間,我們可以判斷此波形為人體的心電圖波。
A measuring system for weak electrical signals is built and analyzed in the thesis. Its performance is tested on the recording of electrocardiogram (ECG).
The measurement system is divided into two parts. The first one is an amplifying circuit that solves the recording problems associated with electrodes. The second part includes a low-pass filter and a notch filter that attenuate the signal-contaminating noises. The filtering circuits are analyzed both using computer simulation and real-time testing.
To examine the performance of the measurement signals, we first test it on a set of artificial ECG signals out of a data acquisition board generated by computer programs. The system is shown to be capable of eliminating offset voltage of the electrodes, 60Hz power-line noise, and signals of frequency higher than 2kHz. The system is then used to detect human ECG. From the analysis of the signals it can be confirmed that the measured waveforms are indeed wanted ECG signals.
目 錄
頁次
中文摘要……………………………………………………………………….……i
英文摘要…………………………………………………………………………….ii
誌謝………………………………………………………………………………….iii
目錄………………………………………………………………………………….iv
表目錄……………………………………………………………………………….vii
圖目錄……………………………………………………………………………….viii

一、序論…………………………………………………………………………….1
1.1 研究動機與目的…………………………………………………………..1
1.2文獻回顧…………………………………………………………………...2
1.3各章概要…………………………………………………………………...3
二、心電圖波的基本原理與電極量測…………………………………………….4
2.1 電和心臟…………………………………………………………………..4
2.1.1心臟的極化與量測…………………………………………………4
2.1.2 心臟的細胞種類…………………………………………………...5
2.2 向量的簡介………………………………………………………………..5
2.3 十二導程…………………………………………………………………..6
2.4 心電圖波的判讀…………………………………………………………..7
2.4.1 PR區間…………………………………………………………...9
2.4.2 QRS波組…………………………………………………………9
2.4.3 T波………………………………………………………………..10
2.5 電極………………………………………………………………………..11
2.5.1 醫療平面電極介紹………………………………………………...11
2.5.2 電極電位…………………………………………………………...11
2.5.3 電極量測引起記錄問題…………………………………………...12
2.5.4 結論………………………………………………………………...12
三、放大電路之設計與分析……………………………………………………….13
3.1 差動放大器的選用………………………………………………………..13
3.1.1 精度與雜訊比較 ………………………………………………….13
3.1.2 交流量測精度與頻寬的比較……………………………………...15
3.1.3 共模拒斥比(CMRR)的比較……………………………………17
3.2 儀器放大器的精度調整技術……………………………………………..18
3.2.1 精度與補償電路…………………………………………………...18
3.2.2 校正方式的選用及其比較………………………………………...21
3.3 AC-Couple電路設計…………………………………………………….22
3.3.1 DC Restorator之IC的選用與模組頻率響應圖………………...23
3.3.2 與二階的高通濾波器做比較……..………………..……………...25
3.4 量測十二導程之電路設計………………………………………………26
3.4.1 標準雙極導程(Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ)……………………………………26
3.4.2 單極肢體導程(加壓)AVR、AVL、AVF……………………….27
3.4.3 單極胸導程…………………………………………………………27
3.5 緩衝器……………………………………………………………………...28
3.5.1 緩衝器之精度比較…………………………………………………28
3.6 結論………………………………………………………………………...30
四、濾波器的引用…………………………………………………………………..31
4.1 60Hz凹口濾波器設計……………………………………………………31
4.1.1 EWB軟體模擬…………………………………………………….32
4.1.2 硬體測試……………………………………………………………34
4.2 500Hz低通濾波器設計…………………………………………………..36
4.2.1 元件搭配的原則……………………………………………………36
4.2.2 低通濾波器截止頻率的取用準則…………………………………38
4.2.3 低通濾波器階數的選用與比較……………………………………40
4.3 增加凹口濾波器的效用評估……………………………………………...43
4.4 軟體模擬與分析…………………………………………………………...45
4.5 濾波器的實體測試與性能評估…………………………………………...47
五、心電圖量測模擬系統…………………………………………………………..49
5.1量測模擬系統架構…………………………………………………………49
5.2 程式設計…………………………………………………………………...54
5.2.1 產生類比輸出訊號…………………………………………………54
5.2.2 連續取樣訊號與頻譜分析………………………………….……...55
5.3 實驗結果與比較…………………………………………..……………….56
5.4 實驗討論………………………………………………………………..….60
六、心電圖實測……………………………………………………………………..61
6.1 由INA128+DC Restorator輸出端之觀察………………………………...63
6.2 由低通濾波器輸出端之觀察……………………………………………...64
6.3 由三級凹口濾波器輸出端之觀察………………………………………...66
6.4 第三級凹口濾波器輸出波形之分析……………………………………...68
6.5 實驗討論…………………………………………………………………...70
七、結論與未來展望………………………………………………………………..71
7.1 結論………………………………………………………………………...71
7.2 未來展望…………………………………………………………………...72


參考文獻……………………………………………………………………………..73
附錄A………………………………………………………………………………..74
自傳………………………………………………………………………….……….78



































表目錄
頁次
表3-1 差動放大電路(741或OP07)的放大倍率調配表………………….….13
表3-2 差動放大電路(INA128)的放大倍率調配表……………………….….14
表3-3 差動放大電路的精度比較表……………………………………………...14
表3-4 差動放大電路之輸出雜訊比較表………………………………………...14
表3-5 差動放大電路的交流訊號量測精度與頻寬比較表……………….……..16
表3-6 CMRR之比較表…………………………………………………………...17
表3-7 INA128放大倍率調配表………………………………………………….18
表3-8 差動放大電路(INA128)電壓補償直流量測精度比較表……………..19
表3-9 差動放大電路(INA128)電壓補償交流量測精度比較表……………..20
表3-10 不同校正方法的放大精度比較表…………………………………….…21
表3-11 DC Restorator使用不同IC之模組輸出情況………………………….....23
表3-12 緩衝器經offset電壓調整之精度比較表……………….……………….29
表3-13 緩衝器經offset電壓調整之交流量測精度比較表………………….….29
表4-1 品質與凹口深度的比較圖表………………………………………..……31
表4-2 一個實體60Hz 凹口濾波器調整可變電阻的凹口深度估算表………...34
表4-3 四種R、C搭配設定截止頻率的分析表………………………………...36
表4-4 四種R、C搭配設定截止頻率的頻率響應圖表…………….…………..37
表4-5 截止頻率評估表……………………………………………..……………38
表4-6 三種截止頻率之系統頻率響應圖表……………….…………………….39
表4-7 不同階低通濾波器+60Hz凹口濾波器之頻率響應圖表………………...42
表4-8 加不同級數的凹口濾波器之凹口深度比較表………………………..…44
表5-1 雜訊影響心電圖訊號評估表……………………………………………..60













圖目錄
頁次
圖2-1(A)電極量測去極化波(B)電極量測再極化波………………………..4
圖2-2 心臟的細胞及傳導結構……………………………………………….…..5
圖2-3 額平面之六個肢體導程,與橫切面的六個胸前導程……………….…..6
圖2-4 量測人體的電極位置……………………………………………….……..7
圖2-5 量測到的心電圖波………………………………………………….……..8
圖2-6 電極的相對位置與量取去極化波……………………………………..….8
圖2-7 心室的再極化在心電圖上產生T波………………………………..……10
圖2-8 銀-氯化銀平面電極的實際樣品………………………………………….10
圖3-1 差動放大電路(741或OP07)的直流量測…………………………….13
圖3-2 差動放大電路(INA128)的直流量測………………………………….14
圖3-3 差動放大電路(741或OP07)的交流量測…………………………….15
圖3-4 差動放大電路(INA128)的交流量測………………………………….16
圖3-5 差動放大電路(INA128)經電壓補償的直流精度測試電路………….19
圖3-6 差動放大電路(INA128)經電壓補償的交流精度測試電路………….20
圖3-7 INA128+DC Restorator 架構圖…………………………………………..23
圖3-8 INA128+DC Restorator輸出波形……………….………………………..24
圖3-9 INA128+DC Restorator頻率響應量測電路…………….………………..24
圖3-10 INA128+DC Restorator之頻率響應圖………………………………….24
圖3-11 INA128+二階高通濾波器之模組……………………………………….25
圖3-12 INA128+二階高通濾波器模組之頻率響應…………………………….25
圖3-13 INA128+二階高通濾波器模組之輸出波形…………………………….25
圖3-14 Einthoven三角形…………………………………………………………26
圖3-15 中心端連接方式………………………………………………………….27
圖3-16 Wilson Network……………………………………………………………28
圖3-17 緩衝器(741、OP07及OPA177)經offset電壓調整之精度測試……29
圖3-18 緩衝器(741、OP07及OPA177)經offset電壓調整之交流測試…….29
圖3-19 生物電訊號放大電路……………………………………………………..30
圖4-1 使用OP07之60Hz 凹口濾波器電路……………………………………..31
圖4-2 模擬-60Hz凹口濾波器的60Hz輸入訊號與濾波後輸出訊號之波形……32
圖4-3 模擬- 60Hz、30mV(rms)交流輸入訊號的功率頻譜……………….………33
圖4-4 模擬-60Hz濾除後輸出訊號的功率頻譜…………………………………..33
圖4-5 一個實際60Hz凹口濾波器之輸入60Hz訊號與其輸出情形………..….35
圖4-6 不同可變電阻百分比時真實的60Hz凹口濾波器之頻率響應圖………..35
圖4-7 二階Butterworth低通濾波器電路……………………………………..….36
圖4-8 未設定截止頻率的低通濾波器+60Hz凹口濾波器模組…...……………..38
圖4-9 500Hz二階Butterworth低通濾波器+60Hz凹口濾波器……………..….40
圖4-10 500Hz四階Butterworth低通濾波器+60Hz凹口濾波器……………….40
圖4-11 500Hz六階Butterworth低通濾波器+60Hz凹口濾波器……………….41
圖4-12 500Hz四階Butterworth低通濾波器+3個60Hz凹口濾波器之電路….43
圖4-13 模擬-輸入合成訊號波形…………………………………………………45
圖4-14 模擬-合成訊號經模組濾波後的輸出訊號波形…………………………45
圖4-15 模擬-輸入合成訊號的頻譜分析…………………………………………46
圖4-16 模擬-濾波器模組濾波後之輸出訊號的頻譜分析………………………46
圖4-17 實際濾波器模組………………………………………………………….47
圖4-18 實際濾波器頻率響應圖…………………………………….……………48
圖5-1 量測模擬系統的架構圖…………………………………………………...49
圖5-2 量測模擬系統之電路圖……………………………………………….…..51
圖5-3 加法器與分壓電阻+量測系統的實際硬體模組………………………….52
圖5-4 量測模擬系統的實驗流程圖……………………………………………...53
圖5-5 人機介面與合成輸出訊號圖形…………………………………………...54
圖5-6 連續取樣與頻譜分析之人機介面與圖形範例…………………………...55
圖5-7(a)合成訊號與頻譜分析圖(雜訊振幅1V)…………………………...56
圖5-7(b)輸入合成訊號與雜訊後,量測系統的輸出訊號與頻譜分析圖(雜訊振幅1V)………………………………………………………………...57
圖5-8(a)合成訊號與頻譜分析圖(雜訊振幅2V)…………………………...58
圖5-8(b)輸入合成訊號與雜訊後,量測系統的輸出訊號與頻譜分析圖(雜訊振幅2V)………………………………………………………………...59
圖6-1 心電圖實測架構圖………………………………………………………..61
圖6-2 心電圖實測電路圖………………………………………………………..62
圖6-3 心電圖實測硬體……………………………………………………….….62
圖6-4(a) 心電圖實測-觀察INA128+DC Restorator輸出端之波形大小…….63
圖6-4(b) 心電圖量測-觀察INA128+DC Restorator輸出波形之雜訊大小….64
圖6-5(a) 心電圖實測-觀察低通濾波器輸出端之波形大小……………….…65
圖6-5(b) 心電圖實測-觀察低通濾波器輸出波形之雜訊大小……………….65
圖6-6(a) 心電圖實測-觀察第一級凹口濾波器輸出端之波形大小………….66
圖6-6(b) 心電圖實測-觀察第二級凹口濾波器輸出端之波形大小………….67
圖6-6(c) 心電圖實測-觀察第三級凹口濾波器輸出端之波形大小………….67
圖6-7(a) 心電圖實測-觀察第三級凹口濾波器輸出訊號的心跳率………….68
圖6-7(b) 心電圖實測-觀察第三級凹口濾波器輸出訊號的QRS波………...69
圖6-7(c) 心電圖實測-觀察第三級凹口濾波器輸出訊號的T波…………….69
圖6-8 量測十二導程的接地參考點改進方法…………………………………..70
圖A1(a) 直流訊號源………………………………………………………….74
圖A1(b) 741C的1000倍輸出電壓………………………………………….75
圖A1(c) OP07的1000倍輸出電壓………………………………………….75
圖A1(d) INA128的1000.4倍輸出電壓……………………………………..76
圖A2(a) AC訊號源…………………………………………………………...76
圖A2(b) INA128之0.2mV(rms)的500倍輸出電壓…………………….77
圖A2(c) INA128之0.2mV(rms)的1000倍輸出電壓…………………...77
參考文獻
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