医学仪器实验指导书.docx
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医学仪器实验指导书
电气与电子工程学院
医学仪器
实验指导书
陈戈华王盛慧编写
长春工业大学
2009年3月
学生实验守则
一、实验态度应严谨认真，注意保持实验室安静、整洁。
二、使用仪器前，应先了解其性能和方法，不得擅自动用。
三、爱护仪器设备，如有损坏丢失，应立即报告教师除按规定的酌情赔偿外，还应作书面检查。
四、凡使用电源的实验，必须经教师检查电路同意后、才能接通电源.实验完毕后,应先切断电源，再拆电路，注意安全用电，保障自身安全。
五、实验过程中，不要用手去触摸集成电路的管脚，以免损坏集成电路芯片。
六、实验结束后，应将仪器整理还原，桌面收拾整洁，待教师检查并同意后，才能离开。
严格按照实验操作规程完成整个实验项目。
学生实验操作规程
一、实验前的预习
1.实验前必须仔细阅读教材，着重理解实验原理，实验仪器的构造和使用方法，认真并思考实验方案和实施计划。
2.在实验记录本内写出预习报告，包括实验名称、实验目的、实验原理要点，实验仪器数据记录表格等。
1.不做预习并且无预习报告者不准做实验。
二、课堂实验
1.熟悉所作仪器、量具等器件的性能及操作规定，全面思考实验方案。
2.按操作步骤和要求认真调试仪器，仔细观察和分析实验现象，准确测量并如实记录原始数据，做到手脑并用。
3.简单故障应自己排除。
4.实验完成后估算实验数据，判断数据是否合理可靠。
5.实验原始数据须经教师当场评分。
三、实验报告的书写
1.按实验报告的格式及要求认真书写。
2.原始数据必须是真实，伪造数据者，此报告不及格。
3.必须独立完成，抄袭他人报告者，此份报告不及格。
实验一人体温度检测实验
一、实验目的
1.掌握温度传感器的使用方法
2.掌握如何用温度传感器检测人体的温度
3.掌握信号的处理、放大、传输过程
4.了解温度值是如何显示的
二、实验内容
1.通过温度传感器检测人体温度，温度的变化导致传感器电阻的变化，进而转换为电信号、然后进行信号采集；
2.通过观察LCD或者示波器能够观测到温度变化，通过万用表测量相应传感器的阻值变化，根据电路分析电压信号的变化，以及用万用表测量电压信号的变化（数字温度传感器18B20除外）；
3.获得温度传感器测量数据。
三、实验设备
1.HR-SW1教学实验箱，PentiumII以上的PC机；
2.温度传感器及温度传感器转换模块。
四、实验原理及分析
1.热敏电阻传感器电路原理及分析
本实验选用常温（25℃）下其阻值为2K的NTC型热敏电阻，常见的还有5k、10k的，为负温度系数，测量电路如图1-1所示。
图1-1热敏电阻测量电路
常见的NTC型热敏电阻，阻值与温度的关系如下表所示：
表1-12kNTC型热敏电阻阻值与温度关系
温度（℃）
-20
-10
0
10
20
25
30
40
50
阻值（K）
19.26
10.97
6.482
3.960
2.494
2.00
1.613
1.068
0.724
表1-210kNTC型热敏电阻阻值与温度关系
温度（℃）
-20
-10
0
10
20
25
30
40
50
阻值（K）
96.29
54.85
32.41
19.80
12.47
10.00
8.066
5.342
3.618
在测量温度的过程中，可根据其阻值变化，而引起其分压值的改变。
经过运算放大器信号处理电路后，最终输出一个正向、与温度变化大小有关的电压。
2.PT100铂电阻电路原理及分析
PT100铂电阻温度传感器测量电路如图1-2、1-3所示。
图1-25mA恒流源电路
图1-3铂电阻测温放大电路
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好,Pt100铂电阻分度表如下表所示:
3.DS18B20数字温度传感器电路
DS18B20内集成了一个温度传感器、64位ROM、9个字节RAM、三个字节EERAM（掉电可保存），可将温度信号转换为数字信号直接输出。
DS18B20与外部的接口为单总线方式，即数据的输入、输出及同步均由同一根线完成。
其温度测量范围为-55℃—125℃，在-10℃—80℃范围内精度为±0.5℃，输出的温度值可编程为9—12位。
DS18B20电路很简单，由一片DS18B20和一只4.7K的上拉电阻构成。
VD接电源，3V—5V；GND为地；DQ为数据的输入输出。
DQ作为输出时为漏极开路，必须加一4.7K的上拉电阻。
DS18B20引脚如图1-4所示。
图1-4DS18B20引脚图
五、实验步骤
下位机实验步骤：
1．在实验箱上插上温度模块；
2．连接J45，A/D输入连线；
3．连接RT热敏电阻；
4．记录测量数据；
5．连接Pt100铂电阻；
6．记录测量数据；
7.连接18B20数字温度传感器；
8.记录测量数据。
上位机实验步骤：
1．打开生物医学传感器信号采集系统软件
点击开始—>程序—>生物医学传感器信号采集,运行生物医学实验软件。
如图1-5所示。
图1-5运行生物医学实验软件
2．设置串口通道
根据实际硬件连接，选择正确串口，默认为COM1。
如图1-6所示。
图1-6串口设置
3．选择温度信号采集界面
温度信号采集界面主要表征在某一时刻开始，测得的生物体体温变化曲线。
根据光标所在位置，可读取在某一时刻的测量值。
如图1-7所示。
图1-7体表温度测量界面
六、实验结果
1.记录温度传感器的测量值，填写表1-3；
表1-3人体温度检测实验结果
实验次数
热敏电阻
铂电阻
DS18B20
环境温度
传感器阻值
—
温度（℃）
人体温度
传感器阻值
—
温度（℃）
2.分析温度测量电路中各部分的主要作用，分析实验结果；
3.在同一温度环境下，三种温度传感器测量结果存在差异，为什么会出现这种现象呢？
4.撰写实验报告。
实验二握力检测实验
一、实验目的
1.掌握桥式压力传感器的工作原理
2.掌握信号的采集、处理放大、传输过程
3.掌握其硬件电路原理
二、实验内容
1.认真学习ARM启动的流程，单步执行程序，查看各寄存器的变化。
三、实验设备
1.HR-SW1教学实验箱，PentiumII以上的PC机；
2.握力传感器与握力传感器模块。
四、实验原理及分析
弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
传感器的性能对测量系统有着很大的影响。
本实验采用桥式压力传感器，其结构如下图所示。
图2-1桥式压力传感器
其中3脚是供电电流的正输入端，2脚为负输入端，1、4脚分别为输出端的负极和正极。
温度对于压力传感器的影响主要体现在两个方面:
对电阻值的直接影响；与基底材料的热膨胀系数不同导致的附加应力。
桥式压力传感器能很好的解决这些问题。
传感器的测量部分需要提供一个稳定的恒流源，参见温度模块恒流源部分。
其放大电路如图2-2所示。
图2-2握力传感器放大电路
信号经过放大电路后，不可避免的会引入各种噪声。
不但如此，由于握力信号本身接近直流，所以加入3Hz低通滤波电路和同向比例放大电路，滤除频率较高的干扰和噪声，提高信噪比。
如图2-3所示。
图2-33Hz低通滤波电路
五、实验步骤
下位机实验步骤：
1.把握力传感器模块插入实验箱主版上。
2.将握力传感器连接到握力传感器模块上。
3.检查无误后，接通电源。
4.施加外界压力（握力），观察示波器显示信号。
5.记录实验数据。
上位机实验步骤：
1．打开生物医学传感器信号采集系统软件
2．设置串口通道
3．选择手提握力信号采集界面
手提握力信号采集界面主要表征在某一时刻开始，测得的手部握力变化曲线。
根据光标所在位置，可读取在某一时刻的测量值。
如图2-4所示。
图2-4手提握力测量曲线
六、实验结果
1.记录握力传感器的测量值，填写表2-1；
表2-1握力检测实验结果
实验次数
峰值
（1）
1时间
（1）
峰值
（2）
时间
（2）
VOUT1（电压）
VIN2（电压）
实验结果（握力）
2.依据实验数据，简述握力传感器的特点，分析如何消除温度对测量的影响；
3.分析测量点电压变化的原因，各部分电路的主要作用；
4．撰写实验报告。
实验三心电检测实验
一、实验目的
1.掌握生物电放大器的原理
2.掌握心电信号的采集、处理放大、传输过程
3.了解简单心电图的波形
二、实验内容
1.通过测量电极直接拾取人体I导联的心电信号，信号经过放大，低通、高通和带阻滤波器，A/D转换采集后送至上位机，进行波形显示；
2.观察心电波形。
三、实验设备
1.HR-SW1教学实验箱，PentiumII以上的PC机；
2.心电12导联电极及心电模块。
四、实验原理及分析
人体心电信号是非常微弱的生理低频信号，通常最大的幅值不超过4mV，信号频率在0.05～200Hz之间。
1、前端输入缓冲
由于人体处在很强的电磁干扰环境中，所以前置放大器是整个系统设计的关键，关系到提取信号的好坏，所以必须采用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的放大器，前置放大电路采用差动放大电路，能更好的抑制共模干扰。
相关电路如图3-1、3-2。
图3-1前端输入缓冲电路图3-2AD620内部电路结构
2、高通滤波电路
由于电极极化电压的不平衡、前置放大器的失调漂移以及人体的动作等因素，前置放大器输出有很大的直流或低频分量，会引起心电信号的基线漂移，不利于后续电路的处理。
所以采用一个RC高通滤波器来滤除这些直流和低频分量，如下图所示。
高通滤波器的截止频率为O.O5Hz。
。
图3-3一阶O.O5Hz高通滤波器电路
3、50Hz陷波器
心电信号中的干扰以交流50Hz干扰最为严重，工频干扰由周围的仪器设备及体内分布电容等引起。
由于工频干扰会以差模形式进入放大器，前置放大电路输出的心电信号中会混有较强的工频干扰。
电路中采用50Hz双T陷波器来解决这个问题。
图3-450Hz陷波电路
4、低通滤波
心电信号的幅度一般在1mV左右，而A/D转换器的输入范围为0-2.5V，心电信号中除了混有较高频率的肌电干扰外还有开关电容滤波带来的开关噪声。
所以在50Hz陷波之后采用了低通滤波器同时进行比例放大电路来提高增益。
图3-5120Hz二阶低通滤波电路
五、实验步骤
下位机实验步骤：
1．在实验箱上插上心电模块；
2．连接J45，A/D输入连线和12导联电极；
3．；测量SHORT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4各点波形。
4．观察心电波形。
上位机实验步骤：
1．打开生物医学传感器信号采集系统软件，设置串口通道；
2．选择心电测量界面
心电测量界面主要表征在某一时刻开始，测得的心电变化曲线。
根据光标所在位置，可读取在某一时刻的测量值。
如图3-6所示。
图3-6心电测量界面
六、实验结果
1.根据各测量点波形分析测量电路中各部分的主要作用；
2.通过滤波器的输入和输出波型分析并与理论计算对比；
3．撰写实验报告。
实验四人体呼吸检测实验
一、实验目的
1.掌握呼吸传感器的工作原理
2.掌握呼吸压力和频率的测量方法
3.了解呼吸信号的波形处理
二、实验内容
1.利用呼吸传感器检测呼吸波形，并通过能量转换把它变成电信号，信号经过采样、放大、可选择低通滤波器、第二级放大后，在主板上实现50Hz工频滤波、A/D转换后送LED实现输出；
2.测量呼吸信号的波形数据。
三、实验设备
1.HR-SW1教学实验箱，PentiumII以上的PC机；
2.呼吸传感器及呼气传感器模块。
四、实验原理及分析
本次实验所选用的呼吸传感器模块采用半导体压力传感器，我们知道呼吸压十分微小,其与大气压强之差约为毫米汞柱（0.133kPa）数量级。
检测呼吸压,对传感器灵敏度的要求很高,还要求传感器有足够的线性度。
本次实验所选用的离子注入式Ｘ型硅压力传感器。
能提供一个精确的，直接与外加压力成正比的线性电压输出，是标准的无偿型压力传感器，只需简单的调零就可正常工作，引脚如图3-1所示。
图3-1传感器的外形及管脚功能
呼吸信号检测放大电路如图3-2所示。
图3-2呼吸信号检测放大电路
五、实验步骤
下位机实验步骤：
1．在实验箱上插上呼吸模块；
2．连接J45，A/D输入连线；
3．连接呼吸传感器；
4．测量VOUT波形。
记录测量数据；
上位机实验步骤：
1．打开生物医学传感器信号采集系统软件
2．设置串口通道
3．选择呼吸测量界面
六、实验结果
1.记录呼吸传感器的测量值，填写表3-1；
表3-1人体呼吸检测实验结果
实验次数
峰值
（1）
1时间
（1）
峰值
（2）
时间
（2）
峰值（3）
时间（3）
实验结果
2.依据实验数据，分析呼吸测量电路中各部分的主要作用，分析实验结果；
3.撰写实验报告。
实验五血氧饱和度实验
一、实验目的
1.掌握血氧饱和度传感器的工作原理
2.掌握血氧信号的采集、控制、处理放大、传输过程
3.掌握血氧饱和度的计算方法
4．了解比尔定律相关原理
二、实验内容
1.通过血氧饱和度传感器获得双光吸光度信号，该信号经过放大，低通、高通滤波器，分离出4路信号，A/D转换采集后送至上位机进行计算，然后显示波形和血氧饱和度含量；
2.测量记录血氧饱和度含量数据。
三、实验设备
1.HR-SW1教学实验箱，PentiumII以上的PC机；
2.血氧饱和度传感器及血氧模块。
四、实验原理及分析
氧是生命活动的基础，一定量的脱氧血红蛋白（Hb）与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白（HbO2），及时检测动脉中氧含量是否充分，是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。
一般通过测量血氧饱和度来判断人体血液中的含氧量。
血氧饱和度是指血液中的血红蛋白实际结合的氧气（氧含量）占血液中的血红蛋白所能结合氧气的最大量（氧容量）的百分比。
因此，血氧饱和度的定义可表示为:
式中CHbO2、CHb分别表示组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。
1、脉搏血氧饱和度的测量原理
图5-1氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线
光学法是研究组织中血液成份的简单可靠的方法。
由于人体动脉的搏动能够引起测试部位血液流量的变化，从而引起光吸收量的变化（AC），而非血液组织（皮肤、肌肉、骨骼等）的光吸收量通常认为是恒定不变的（DC），见图5－1。
脉搏血氧饱和度测量技术就是利用这个特点，通过检测血液容量波动引起的光吸收量的变化，并且消除非血液组织的影响来求得血氧饱和度（（Sp02），这种测试方法简单易行。
两者之比就是双波长吸光度变化之比。
首先得到这四个量，然后再根据此公式计算血氧饱和度。
A、B为仪器常数，与传感器结构、测量条件有关。
另外在实际测量中，由于生物组织是一个强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学介质，因此无法用一个严格的公式来描述，所以较简单的方法是通过测量双光束吸光度变化之比，然后通过经验定标曲线最终获取血氧饱和度。
2、电路测量原理
（1）光源驱动及控制
光源可以采用脉冲驱动，两路光源交替发光，可以使发光二极管处于瞬时发光状态，从而大大提高发光管的瞬时发光强度，同时降低功耗。
检测电路可采用对两路光响应电平一致的单一光敏元件接收，再经同步检波技术提取两路信号分别处理。
这种方式虽然电路相对复杂，但其抗干扰能力强，同时可降低发光管的平均电流，提高它的使用寿命。
本课题就是采用这种方法，也就是光的调制方法。
光源驱动电路的结构如下图所示。
图5-2光源驱动放大电路
它的作用是产生序列脉冲，驱动两个波长分别为660nm和890nm的发光二极管（LED）。
发光管的发光频率选定为工频的整数倍（这里为100Hz）以降低电源干扰。
单片机产生频率为200Hz的方波，控制两个并联的发光二极管LED1和LED2按时序发光和熄灭，形成红光、红外光和环境光三个时间区域。
在环境光时间段内，两发光管均无电流通过（不发光）;在红光和红外光时间区域内，仅对应的发光管有电流通过（发光）。
在后面的预处理电路中，还可以根据不同的时序来去除环境光的干扰以及分离红光和红外光。
透过动脉血管的光信号经过传感器的接收器件（光电池）后转换为电信号，该信号是一个混合信号，它包括红光、红外光和环境光信号。
由于该信号比较微弱，先用一个由OP07组成的预放大电路将信号放大。
（2）切换分离部分
为了消除外界环境光的干扰，由一个运放和模拟开关CD4052组成，如图5-3所示。
其原理是:
模拟开关SW1进行切换控制，当SW1断开，运放的同相输入端为高阻抗输入，输入信号未经衰减而输入，使其反相输入端电位为正电位，输入和输出电位相同，相当于一个同相缓冲器；当SW1开关闭合，运放此时作为反向放大器工作，增益为1，输入信号和输出信号反向。
经过此电路后环境光信号转换为与有用信号相反的信号，再通过后面低通滤波电路的积分作用使两信号极性相反的成分相减，从而从有用的复合信号中除去环境光信号的干扰。
SW2使红光和红外光分离，使红光和红外光分别在各自的信号通道内进行处理。
图5-3同步检波的正负极性切换电路
（3）滤波部分
由于人体容积脉搏波的主要频率分量一般在0.1—50Hz之间，因此采用低通滤波器来消除容积脉搏波信号中高频噪声的干扰。
为了得到更好的滤波效果，采用了一个截止频率为40Hz的低通滤波器，这样在不改变脉搏波主要成分的同时，可以尽量消除由于外界电磁场、电源引起的干扰，以及削弱由于血管振动和身体运动引起的伪差干扰从而便于脉搏波的准确检出和测量。
由于低通滤波器具有积分作用，所以两个通道的信号分别经过低通滤波器以后，有用信号（红光信号或红外光信号）与背景噪声相抵消，消除了环境光和电子噪声的干扰，提高了信噪比。
低通滤波器的输出信号真正反映出与光强成正比的电压信号。
见图5-4,红外光电路与其完全相同，VOUT3输出红光直流分量（交流信号成分较小可不记）。
图5-4红光40Hz低通滤波电路
经过低通滤波后容积脉搏波信号含有伏特级的直流信号和毫伏级的容积脉搏波交流信号，将此信号采集进单片机后就可以作为计算脉搏血氧饱和度所需要的直流成分。
为了获得计算脉搏血氧饱和度所需要的交流成分，还需要将低通滤波后容积脉搏波信号进行高通滤波，滤去直流成分。
高通滤波器采用了截止频率为0.1Hz的二阶高通滤波器，如图6-4所示，红外光电路与其完全相同。
最后，将高通滤波后的信号进行交流放大就可以采集进单片机作为计算脉搏血氧饱和度所需要的交流成分。
图5-5红光0.1Hz二阶高通滤波器
红外光部分的电路与红光的这部分电路相同。
五、实验步骤
下位机实验步骤：
1．在实验箱上插上心电模块；
2．连接J45，A/D输入连线；
3．连接血氧饱和度传感器；
4．测量VOUT2、VOUT3、VOUT4各点波形及电压。
上位机实验步骤：
1．打开生物医学传感器信号采集系统软件
2．设置串口通道
3．选择血氧测量界面
六、实验结果
1.记录呼吸传感器的测量值，填写表3-1；
表3-1人体血氧饱和度实验结果
实验次数
峰值
（1）
1时间
（1）
峰值
（2）
时间
（2）
峰值（3）
时间（3）
VOUT3（电压）
VOUT4（电压）
VOUT5（电压）
VOUT6（电压）
实验结果（SpO2）
2.依据实验数据及各测量点波形，分析呼吸测量电路中各部分的主要作用，根据所测电压计算验证实验结果；
3.撰写实验报告。
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