现代医学仪器与设备 课程实验指导秋季Word格式文档下载.docx

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图1心电测量功能模块的电路原理图

如图1所示，U19-U23组成一差分放大电路和信号切换电路，心电信号通过导联引入跟随器输入端，由于心电信号幅度小，为了减少干扰，在跟随器输入端对心电信号进行低通滤波，滤除信号中的高频部分。

CD4052的功能是在不同的时刻控制不同的信号输出，U22配以阻容组成差分放大电路。

在U23的输出端形成初步放大后的差动信号Vo,该信号经过C47和R77高通滤波，再经过U24二阶低通滤波后和二次放大后，形成完整的心电采集信号XDVb,由RW6将其直流电位抬高2V左右输出，其目的是避免出现负信号，以适应模/数转换电路的需要。

MAX295的作用是信号滤波。

三、实验步骤

图2.59心电测试电路布局图

1、测量“差分放大调整电位器”RW4的阻值，应为1.45K左右，调整方法，测量RW4两插孔间电阻，调整RW4，直至电阻达到目标值。

如下图所示：

图2.60差分放大调整

2、测量“二级放大调整电位器”RW5的阻值，应为15K左右，调整方法与RW4相同。

图2.61二级放大调整

3、测量“基准调整电位器”RW6的阻值，1和2插孔之间的电阻应为4K左右。

此电位器是为抬高直流电平所设置，当无输入信号时，电路输出直流电平应为1V--1.5V，若偏离此值，调整RW6。

图2.62基准调整

4、将四节2号电池放入电池盒，电池盒引出线与心电测试模块下方的电池插座（J2）相连，测量电源电压值，其正电压应大于+4.5V，，负电压值应小于-4.5V。

否则说明电池电压不足，断开系统电源，更换电池。

由于负电源是由正电源通过电路转换得到，故负电源的绝对值一般比正电源小0.5V左右，这是正常情况。

5、为增强人体皮肤电信号，尤其是春、秋、冬季节，在测试前需要在导联金属部分涂擦生理盐水（或用5%的食盐兑水）或酒精，也可将盐水或酒精涂在导联所接触的皮肤表层。

6、将有红色标志的夹子与导联相连接人体右手，绿色夹子与导联相连接右腿，黄色夹子与导联相连接左腿，白色夹子与导联相连接左手，此接法称为标准肢体导联，它是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电信号，可以测三组心电信号。

由程序控制模拟开关进行切换，三组信号分别是：

V

=VL-VR，V

=VF-VR，V

=VF-VL（注：

VL：

左手,VR：

右手,VF：

左腿,RL:

右腿）。

7、用示波器观察XDVc,,应观察到类似的如下波形:

图2.63标准心电波形

上、下肢体导联应良好接触，人体仰卧或静坐，手臂放置平稳，不与导体﹑桌面﹑或其他物体接触。

8、放大成形的心电信号需要将其直流电位抬高，一般2V左右，可通过调整RW6实现。

9、不同的人体心电波形会出现差异,这是正常现象。

图2.63所示的P、Q、R、S、T各个波形组成的周期为理想波形周期，在很多情况下，波形可能会缺失某个波或某个波不明显。

10、由于不同的人体生理电信号差异较大，所以放大倍数有时需要调整，调整放大倍数通过调整RW5和RW6实现。

调整时先断开连接插线，调整完毕后再将插线连好。

11、在做心电测试实验之前，了解一下心电测试实验的基本功能是有必要的。

心电测试实验分为“单组电位差（导联）测试”和“三组电位差（导联）测试”。

无论是“单组电位差（导联）测试”还是“三组电位差（导联）测试”，测试数据均可保存为文件，测试数据可反复调出显示。

单组电位差（导联）测试数据可作横向和纵向放大，放大倍数最大为8倍，同时可在保存后的波形上人工选定波形的特征点，如“P波的起点”、“QRS波群的起点”、“S波的末点”、“T波的末点”，在所有特征点人工标定好后，可以计算出脉率、QT间期、QTC系数、PR间期、QRSD间期等参数值。

12、心电测试实验

（1）单组电位差（导联）测试。

测试者将有红色标志的夹子与导联相连接人体右手，

绿色标志的夹子与导联相连接右腿，黄色标志的夹子与导联相连接左腿，白色标志的

夹子与导联相连接左手。

不要说话、动作，选择“单组电位差（导联）测试”。

在实验箱

USB指示灯亮的情况下，点击“测试”按钮，这时测试者的心电波形显示在计算机的

屏幕上（如图2.64），测试者在认为心电波形符合时，可点击“停止”按钮，同时可对

测试的心电波形保存。

图2.64单组电位差（导联）波形

（2）三组电位差（导联）测试。

测试者将有红色标志的夹子与导联相连接人体右手，绿色标志的夹子与导联相连接右腿，黄色标志的夹子与导联相连接左腿，白色标志的夹子与导联相连接左手。

不要说话、动作，选择“三组电位差（导联）测试”。

在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“测试”按钮，这时测试者的心电波形显示在计算机的屏幕上（如图2.65），测试者在认为心电波形符合时，可点击“停止”按钮，同时可对测试的心电波形保存。

图2.65三组电位差（导联）波形

13、保存心电测试波形的方法：

在测试结束后（即点击“停止”按钮后，波形显示不再变化），点击菜单“文件（&

File）”下的子菜单“数据保存为xdt文件（&

Save）”，心电测试的波形将保存为“*.xdt”格式的文件。

点击菜单“文件（&

File）”下的子菜单“数据保存为txt文件（&

Conserve）”，将测试的心电波形数据保存为文本文件。

学生可在老师指导下编写计算机程序，调用文本文件。

14、打开已保存的文件，方法如下：

图2.66单组电位差（导联）波形

例如：

选择11.xdt文件，打开后显示界面如下：

图2.67单组电位差（导联）波形

15、特征点人工标定方法如下：

在波形显示区域，在特征点确定的位置点击鼠标右键，标定出各特征点。

图2.68单组电位差（导联）波形

16、在所有特征点标定好后，点击鼠标右键，选择“计算”，可得出脉率、QT间期、QTC系数、PR间期、QRSD间期参数值，显示如下：

图2.69单组电位差（导联）波形

17、要想了解各参数的含义，可将鼠标放在参数名称的位置，自动显示参数的解释意义。

显示如下：

图2.70单组电位差（导联）波形

18、实验完毕，拔除电池盒，卸下导联，除去所有连接插线。

实验项目二血压测试功能模块实验

一、实验目的

1、掌握电子血压计的原理及实现方法。

2、了解用于测量血压的压力传感器的特性。

二、实验内容

使用充气泵、放气阀、压力传感器、腕带等材料，经过充气和放气过程获得传感器输出的压力信号，通过对压力信号的识别与处理，计算出人体收缩压和舒张压，血压数据传到PC机上显示。

三、实验原理

图2.51血压测量电路原理图

图2.52波形图

1、血压传感器为压力传感器，测量范围：

40mmHg～280mmHg，测量精度：

静态压力±

3mmHg。

2、由U17/A构成的电路给传感器供电，传感器输出信号送到U17/B进行放大，RW2用于零点调整，U17/B的输出信号:

XYVd=R53*（Vout+-Vout-）/R51+R53*VSR/R51，它送到U17/C比较器的负端，其正端为一个积分信号，积分信号受程序发出的XY50Hz信号控制,如图2.52所示。

在每个周期的高电平期间Q8导通，积分电容C58放电，时间大约为2ms，在18ms的低电平期间，积分电容充电波形如图2.52中的图2所示，当积分电容上的信号幅度超过传感器的输出信号时，比较器U17/C输出翻转（图2.52中的图3）,再经过Q9的反相,最后输出一串频率为50Hz的占空比变化的波形给单片机（图2.52中的图4）,其高电平的宽度取决于U17/C的翻转时间，亦取决于压力传感器的输出信号幅度。

检测原理：

开始充气加压到180mmHg（24Kpa），然后放气，压力降低△P（根据一次血压检测占用时间确定），保持采集一个以上脉跳的值，取其峰值P和当前压力值Pc。

重复以上步骤直至压力降低到50mmHg以下。

在峰值P中找出最大值Pmax，Pmax对应的压力值Pc就是平均动脉压Pm，然后根据经验公式Pi=Pmax×

k计算出Pi，k为经验系数，k<

1，Pi对应的压力值即舒张压Pd，再由公式Ps＝3×

Pm/2－Pd/4计算出收缩压Ps。

3、计算机通过对XYOUT波形的识别、处理，得出压力值，依据一定的模型，计算出人体的收缩压、舒张压和心率。

4、进气泵和放气阀分别由单片机发出的PWM和PUMP信号控制，通过三极管等器件构成的驱动电路驱动泵和阀动作。

5、LP2951用于产生4.05V的基准电源，一方面作为部分电路的工作电源,另一方面通过精密电阻分压，获得VIR、VSR、VAR等几个不同的电压值，作为控制信号或参考信号。

四、实验步骤

血压测试电路（右上角为信号源电路）布局如下：

图2.53血压测试电路布局图

1、测试系统工作电源4.05电压，若实际值偏离±

0.05V以上，应调整RW3，使其达到或接近4.05V。

图2.54电源调整

2、在压力传感器空载状态下,调节RW1,使得U17的1脚输出信号VIN+为1.50v，此为满度调整。

调节RW2，使得U17的10脚电压为340mv，此为零点调整。

图2.55满度与零度调整

3、对压力传感器加压40Kpa,调节RW2,使得U17的10脚输出电压为1140mv,卸压，即传感器空载,调节RW2，使得U17的10脚输出电压为340mv。

若没有条件加压可以不做。

4、将袖带固定于腕关节部位。

5、用示波器观察有关测试点其波形应与图2.52中的图1～图4所示。

6、分别测左手腕和右手腕的血压。

7、在实验箱USB指示灯亮的情况下，先按主板左上方“血压测试”键，然后点击“血压实验”按钮

进入血压测试，显示如下：

图2.56

测试方法：

测试者在血压手腕带正确固定好后，点击“测试”按钮，血压测试开始，此时USB指示灯熄灭，测试者等待USB指示灯重新点亮时，点击“数据”按钮，读取血压的测试值。

图2.57

若计算机提示“血压测试失败，请检查后重新测试”，将袖带固定于腕关节部位后重复步骤7。

8、右上角为信号产生电路，可产生50Hz左右的方波、正弦波、三角波，用示波器观察PA,PB,PC信号连接孔，可看到相应波形，调整RW20,RW22,RW23对其幅度有影响。

9、实验结束，将所有连线除去。

实验项目三呼吸参数功能测量模块实验

一、实验目的

1、掌握无创检测肺功能参数的电路实现原理和设计方法。

2、通过实验了解肺功能参数的定义及其临床意义。

3、掌握肺功能传感器的使用方法。

肺功能传感器获取的信号经放大调整后，进行模/数转换，波形图可在PC机上显示，同时PC机对波形处理后得出相关的各项参数。

三、实验原理

图2.30肺功能参数测试电路原理图

图2.31输出信号（直流电位未抬高）

图2.32输出信号（直流电位已抬高）

1、肺功能检查通常分为三类：

成像类、生化类和动力学肺功能参数测量。

本实验采用第三类测量方法，以呼吸系统动力学原理测量有关肺功能参数，如呼气肺活量、用力肺活量等，综合评估这些参数，能有效反映肺脏、气管、支气管等呼吸道器官的状态及其调节功能。

2、肺功能参数测试电路见图2.30。

肺功能测试传感器采用差压式孔板流量传感器,气流通过孔板在孔板两端形成的压力差反映了气流流量的大小,通过传感器的气流流速不同,其输出电压信号不同，传感器腔的直径为20mm，中间小挡气流孔的直径为12mm。

设气流流速为I（单位L/MIN），输出信号为Vin（单位mv）,根据标定结果得到如下拟合曲线。

1）当Vin>

=0（mv）,

--------式2.8

2）当Vin<

--------式2.9

3、人在吹吸气过程中，通过传感器获得与气流信号相对应的电压信号。

电压信号经过电压跟随器U28以后进入放大电路，作为传感器与放大电路之间的缓冲与阻抗匹配。

电压跟随器的突出优点是具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗。

U29将传感器的输出信号进行放大；

U29/A第一级输出为：

FVa=（RW7/R83）×

（VIN+-VIN-）；

--------式2.10

U29/B第二级输出为:

FVb=FVa×

（1+RW8/R87+RW8/R88）+RW8×

5/R87

--------式2.11

式中RW8×

5/R87为上拉电压。

呼吸气时，传感器输出信号有正负，需要将基准电位抬高，以避免出现负信号送入模/数转换电路的情况出现。

4、如上所述，U29的输出信号FVb实际上表示的是气体流量参数I，经MCS-51单片机处理后，测试数据通过USB口传到PC机，PC机将气体流量参数、流速参数代入一系列的积分公式，计算出若干项表征肺功能的参数，参数的具体含义见肺功能测试结果的注释。

5、肺功能参数计算公式：

找出波形特征点：

a、b、c、d、e、f

图2.33

flowdata：

采样值转换后的流量值，公式中的常数k为经验系数

最大肺活量=

--------式2.12

用力肺活量=

--------式2.13

最大呼气流量=|flowdata（e点X轴）|--------式2.14

最大呼气中段流量=k*用力肺活量--------式2.15

肺功能参数测试电路布局图如图2.34：

图2.34肺功能参数测试电路布局图

1、用连接线将主板和模板相连，连接方法是：

将连接线两头的插头分别对应的插到主板和模板的插座上，如2.35图所示，主板插座与其相同：

、

图2.35肺功能模块插座示意图

2、依照原理图将电阻用插线连接。

各由三个电阻构成的“R83～R88组”分别与电路中R83～R88相对应，可从3个不同阻值的电阻中选择一个作为R83～R88,以R83为例说明其连接方法，其余与R83类似。

图2.36R83示意图

上面一个插孔有三条虚线分别与下端三个插孔相连，其下端所指向的3个插孔是3个不同的电阻选择。

例如，如果将下端3个插孔的中间一个与上端插孔相连，则R83为3.3K电阻，建议选择阻值如下：

R

R83

R84

R85

R86

R87

R88

阻值

3.3K

100K

15K

180K

15K

表2.2

3、放大倍数调整。

测量RW7阻值应为92～96K，如果偏离，则调整RW7。

调整方法是，在不接线的情况下，测量连接孔2和3之间电阻，调整电位器RW7，使其电阻达到目标值，测好以后用插线将用虚线相连的两个连接孔1和2连起来。

图2.37放大倍数调整电位器示意图

4、测量RW8阻值应为6K左右，如果偏离，调整RW8。

调整方法与RW7相同。

图2.38基准电位调整电位器示意图

5、不接肺功能传感器，将主板右侧信号源引入本模板，可引入的信号有：

PA（正弦波）,PB（三角波）,PC（方波）,通过调整RW23,RW22,RW20来改变信号源的峰-峰值,一般为20～30mV（出厂时已调好），用此信号源代替传感器的输入信号，正端用插线接入Vin+连接孔，负端（GND）接入Vin-连接孔。

用示波器观察输出信号Fvb，Fvb峰-峰值应为2.5～3.5V左右。

也可使用外部信号源。

使用信号源的目的主要是测试电路的放大功能，由于电路结构不同，使用信号源时，输出与输入波形比较可能会不同。

6、去除信号源，接肺功能测试传感器，用纸咬嘴套在传感器吹嘴上，用嘴对着传感器腔体先吸后吹，即吸足气后，猛力快速用最高呼气流量向传感器内吹气，得到的波形如图2.32所示。

7、吹吸气时，用示波器观察Fva、Fvb，可见波形如图2.31或图2.32所示，调整RW7改变放大倍数，输出波形幅度随之改变。

调整RW8，除改变放大倍数外，同时还改变输出信号的直流基准电位；

一般基准电位确定在2.0～2.2V，当不施加传感器信号时，可在U29/B的输出端测得直流电位为2V左右；

可观察到输出信号波形上下移动。

进行本实验后，应将电位器恢复到本实验第3，4条所推荐的电阻值。

8、肺功能信息输入

点击菜单“肺功能”下的子菜单“肺功能信息”进入肺功能信息输入，显示如下：

图2.39

以上各参数的具体含义：

姓名（学号）、年龄、身高、体重、性别，分别为被测试者的姓名（学号）、年龄、身高、体重、性别。

9、肺功能测试

在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“肺功能实验”按钮进入肺功能测试，显示如下：

图2.40

具体测试方法：

测试时测试者平静呼吸，然后用力吸气，紧接着用力呼气，点击“停止”按钮，显示如下：

图2.41

选择测试者的信息，点击“信息”按钮，以确认测试者的信息参数，再点击“专家”按钮，计算得出测试结果，显示如下：

图2.42

点击各超链接可查阅参数的医学含义，如点击“最大肺活量”，显示如下：

图2.43

测试结束后，可点击菜单“文件（&

Conserve）”，将测试的波形数据保存为文本文件。

10、实验结束，将所有连接线除去。

实验项目四脉搏信号测量功能模块实验

1、掌握血液循环系统血流动力流变学参数无创检测及实现方法。

2、掌握检测心血管传感器特性和使用方法。

3、掌握表征心血管参数波形及特征点的识别方法。

二、实验内容

通过心血管传感器，检测人体脉搏信号，经单片机处理以后，其脉搏信号波形可在PC机上实时显示，也可对脉搏信号波形的某些特征点进行编辑。

图2.8脉搏波动信号链

图2.8是一例测试成功的脉搏波动链图。

基线平稳，振幅适中，标志点明确，拐点清晰和细节分明。

要想获取正确的脉图，除了必须将心血管传感器放于桡动脉搏动最强位置外，还必须对心血管传感器施加适当的预静压，所加的最佳预静压值应该获取最大的信号振幅，且保证脉搏波不发生畸变。

为了描述实测脉图信号的振幅衰减和波形失真，我们定义两个判别系数：

--------式2.3

--------式2.4

式中（bc）P0和（bf）P0分别为最佳预静压P0时心脏收缩期主动脉最高压力点的脉压振幅和舒张期二尖瓣关闭点的脉压振幅；

（bc）p和（bf）p分别为实测预静压P时相对应的值。

为振幅衰减系数，它反应由于预静压不当所引起的信号幅度衰减；

为波形失真系数，它反应过度预静压引所起的血流被阻断而产生的波形失真。

图2.9振幅衰减系数和波形失真系数与预静压的关系

由图2.9所示，在P<

P1区间内，<

<

1，检测信号幅度太小，当P>

Ps时，<

1，并随p的增加而迅速变小，波形严重失真，所以测试不能获得有效信号；

在P1--P2区间内，0.707，1，脉图有效，但常会使标志点的识别困难；

在P2--Po区间内，是预静压最佳测试区，该区间约有50mmHg的压力宽度，测试者很容易控制并获取正确的脉图。

仪器建议的最佳预静压是被测者的舒张压Pd。

在完成脉图的取样、量化及存贮操作后，脉图信号的处理包括基线零漂补偿，幅值归一化，脉图标志点识别以及脉图输入参数的确定；

其次还需对脉图求面积以及对面积求重心，然后按弹性腔模型导出的公式进行数据运算，最后显示、存贮和打印输出参数。

所有功能的实现由微处理器完成操作，现在对脉图标志点识别处理方法加以说明。

脉图波形识别采用模式识别技术中的句法模式识别法来实现。

脉搏波形基本上是一维信号，图2.10所示为一个心搏周期所截的典型脉波，脉图的标志点和曲线具有明确的血流动力流变学的生理涵义，它们的对应关系如图所示：

图2.10完整的典型脉搏波形图

a波：

左心房收缩开始点

c点：

主动脉最高压力点

m，n点：

主动脉振荡点

　e点：

左心室停止射血点

e1点：

左心室舒张降压点

e2点：

主动脉瓣关闭点

f点：

二尖瓣关闭点

g波：

主动脉弹性回缩波　　

　a’波：

左心房收缩开始

心脏收缩期时段T1

心脏舒张期时段T2

图2.11心血管参数测试电路原理图

1、心血管参数测试电路如图2.11所示，传感器为压力传感器，基于脉压法原理，测量范围0～50g，精度误差≤5%F.S，灵敏度≥20mV/F.S。

所测得的人体脉搏信号为毫伏级，需要进行放大。

U28为差动放大电路，U29为放大及直流电位抬高电路；

U28的输出为:

XXVc=（RW7/R83）*（VI+-VI-）；

--------式2.5

U29的输出为:

XXVf=（R87/RW8）*XXVc*（R89/R88）；

--------式2.6

同时将XXVf的基准电位抬高：

5V*R89/（RW9+R90）--------式2.7

抬高输出信号基准电位的目的是避免输出信号出现负电位，如图2.12所示。

因为A/D转换器只接受0~5V的输入模拟电压，一般将直流电位抬高1.5V左右即可。

图2.12U29的1脚的输出信号（直流电位未抬高）

图2.13U29的7脚的输出信号（直流电位抬高）

2、本功能模块电路的输出信号送至模/数转换器的输入端，MCS-51内的心血管测试模块

实时地将测试数据通过USB口送到PC机，PC机依据所确定的数学模型，对测试的数

据进行分析、鉴别、