医学仪器原理及设计实验报告概要.docx
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医学仪器原理及设计实验报告概要
现代医学电子仪器原理与设计
实验报告
班级:
生医111班
姓名:
学号:
实验时间:
11–16周
实验地点:
信工楼A303
指导教师:
目录
实验一温度测量1
实验二脉搏测量5
实验三血压测量7
实验四呼吸测量13
实验五心音测量16
实验六心电测试19
实验一温度测量
一、实验目的
掌握温度测量的硬件电路实现方法，以及测量所得信号的微机处理和显示方法。
二、实验内容
利用电阻式温度传感器构成的测温电路及LabJack硬件接口测量温度信号并传入微机中；利用LabView软件，设计虚拟仪器面板，将测得的信号通过显示器显示出来。
三、实验原理
1、测温电路图如下图所示：
其中温度传感器可视为电流随温度变化的电流源，电路输出电压与温度成正比。
2、测量电路输出的模拟电压通过labjack接口转化为数字信号输入微机中，这一AD转换功能由labjack硬件平台提供，labview软件内的labjack软件功能模块实现硬件接口的驱动和通信及信号处理等基本功能的实现。
3、如图所示，当温度变化时，温度传感器产生一线性电流，在电阻RC1上形成响应的电压，该电压经过U2进行一级和二级放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的线性电压。
四、实验步骤
1、接线：
将输出端AI1和GND用电线连接至labjack的AI1和GND端
2、调节硬件测温电路中的RC8电位器阻值（顺时针放大），从而调节输入信号幅度和电路的放大倍数，确定电路的电压输出幅度与温度变化之间的比例关系。
3、最终结果是：
当温度升高时，响应的电压显示曲线也响应增大；反之亦然，当温度降低时，响应的电压显示曲线也响应减小。
4、利用labview软件的设计平台及labjack提供的功能模块，设计温度监测及显示用虚拟仪器。
5、实验数据处理
测常温得数据：
changwen.dat
测手温得数据：
shouwen.dat
由matlab编程对数据进行标定，得出温度与电压的关系。
程序如下：
c=importdata（'changwen.dat'）;
d=importdata（'shouwen.dat'）;
x1=c.data（:
1）;
y1=c.data（:
2）;
a=mean（y1）
x2=d.data（:
1）;
y2=d.data（:
2）;
b=mean（y2）
subplot（1,2,1）
plot（x1,y1,'b'）;
title（'changwenfigure'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
subplot（1,2,2）;
plot（x2,y2,'b'）;
title（'shouwenfigure'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
K=tgent（a,15,b,30）
B=15-K*a
附：
求斜率功能函数
functiony=tgent（x1,y1,x2,y2）
%求两点连线的斜率
ifx1==x2
disp（'error:
斜率不存在'）
else
y=（y1-y2）./（x1-x2）;
end
运行结果如下：
由此可知，温度与电压关系为：
T=-17.1957V+98.5886
对labjack进行标定：
采用channelA,AI1端口
6、实验小结
初步学会了怎么使用labjack显示图像以及调试，实验中不断的出现小问题，然后再解决，有一个很小的问题难倒了大家，就不知道问题出现在哪里，后来有细心的同学发现了症结，结果是在计算的时候忘记输入一个乘号，还真是不能粗心。
实验二脉搏测量
一．实验目的
1．学会人体脉搏波的测量方法。
2．观察脉搏波与心电波的区别及相互关系。
3．观察运动对脉搏的影响。
二．实验原理
1．传感器：
是由无源的精密压力换能器和一个指套组成，通过绑在手指上可测量脉搏。
2．电路原理：
如图所示，因为该压力传感器是无源的，使用单向输入方式，即压力信号通过R61经U6A输入，U6B输入接地，当压力变化时通过差动放大电路（U7）进行放大，再经过U8后，在AI3端输出一个与压力成正比的线性电压波形。
三．实验步骤
1、接线：
将传感器通过JP01连接至测量电路，将AI3和GND连接至labjack的接口AI3和GND处。
2、通过调节电位器RP6来改变差动放大倍数（顺时针大），在U8输出端得到放大信号。
3、最终结果是：
在U8的输出端得到一个放大后的信号，该信号特点是：
当有脉搏时（压力增大）时，该信号曲线显示增大的信息；当无脉搏时（压力减小）时，该信号曲线幅度也响应减小。
四．实验内容
1、测量脉搏波的变化情况，同时计算脉搏频率。
2、与心电测量一起显示计算，观察两个波型的特点及相互关系。
5、实验数据处理
测得脉搏数据为“maibo.dat”
用MATLAB对数据进行处理，首先显示出脉搏波形，再通过滤波器进行滤波。
程序如下：
a=importdata（'maibo.dat'）;
x=a.data（:
1）;
y=a.data（:
2）;
subplot（1,2,1）
plot（x,y,'b'）;
title（'maibofigure（滤波前）'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
fs=500;Wp=2*pi*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30;
Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi;%归一化技术要求
[N,Wn]=buttord（Omip,Omis,Rp,Rs）;%确定滤波器的阶数
disp（['TheorderofButterworthFilteringis',num2str（N）]）;
[b,a]=butter（N,Wn）;%确定Butterworth滤波器转移函数系数向量
[H,w]=freqz（b,a,512）;%512点复频响应
y2=filter（b,a,y）;
subplot（1,2,2）
plot（x,y2,'b'）;
title（'maibofigure（滤波后）'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
实验结果：
由上图粗略估计，脉搏频率为82次/分钟。
六、实验小结
测量脉搏波的脉搏传感器是由无源的精密压力换能器和一个指套组成，通过绑在手指上可测量脉搏。
该信号的特点是当有脉搏时（压力增大）时，该信号曲线显示增大的信息；当无脉搏时（压力减小）时，该信号曲线幅度也响应减小；实验很顺利，因为有前一个实验的基础，不过在测手指时被测者不要乱动。
实验三血压测量
一、实验目的
1．掌握用柯式音的原理来测量人体血压。
2．利用LabView工具，实现电子血压计功能。
二、实验原理
如图所示，由IC2与其外接电阻电路构成一恒流源电路，其6端输出一恒定的电流，提供给压力传感器SE1的2端；IC4构成温度补偿电路，其输出端6端接至IC5的5端。
当血压信号通过SE1压力传感器接收并转换成电压信号传至IC5的2、3脚，调节RP1电位器大小来改变的放大倍数（顺时针信号放大），经过差动放大后输至IC3实现驱动输出。
三．实验步骤
1、接线：
将AI2和GND与labjack的AI2和GND端连接起来；IO0和GND与labjack的IO0和GND端连接起来；袖套通过三通阀与压力表、充气囊、放气阀及电充气泵连接起来，把一个出气口接入压力传感器（SE1）的上端，电充气泵的红线（或蓝色）接入J71的“5V”，黑线（或白线）接入J71的“IO0”，这样气泵受IO0控制，打开LJLogger程序，IO0为“1”时打气，“0”时停止。
2、调试与结果：
1）标定：
将袖套缠绕在白色塑料管上（注意：
对袖套进行充气时，必须绑在白色塑料管或手臂上，否则会破损），未充气时，即压力表指示为零时，调节软件参数使AI2端输出信号显示应为零；用气囊冲气至某一满量程值，压住放气阀，RP1可调节量程，使AI2端输出信号显示为某一压力值，比如120毫米汞柱电压为2V。
然后徐徐放气至完毕，基本得到电平与气压成正比的线形曲线。
2）测人体血压：
将袖套缠绕在人体上手臂上，通过气囊或气泵充气至大于收缩压时停止充气（大概140--180毫米汞柱），通过可调节的放气阀徐徐放气（可调节放气的速度），观察屏幕血压信号波形，当血压信号下降过程中出现第一次波动时，即为收缩压值；当继续放气时可看到电平波动由小到大再变小，直到电平没有波动即为舒张压值。
3、注意：
在使用LABJACK软件Ljstream时，在“ConfigureChannels”通道选者择中，四路全部选择AI2，即选择channeA:
AI2、channeB:
AI2、channeC:
AI2、channeD:
AI2，按Save&Exit返回主界面；
四、实验内容
利用LABVIEW软件实现电子血压计的功能，可显示压力变化过程，同时得到收缩压、舒张压及心率。
五、实验数据
1、标定：
测得血压为0时的电压数据为xueya0.dat，血压为100时的数据为xueya100.dat。
用matlab编程对数据进行处理，得到血压与电压的关系。
程序如下：
c=importdata（'xueya0.dat'）;
d=importdata（'xueya100.dat'）;
x1=c.data（:
1）;
y1=c.data（:
2）;
a=mean（y1）
x2=d.data（:
1）;
y2=d.data（:
2）;
b=mean（y2）
subplot（1,2,1）
plot（x1,y1,'b'）;
title（'xueya0figure'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
subplot（1,2,2）;
plot（x2,y2,'b'）;
title（'xueya100figure'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'P'）;
K=tgent（a,0,b,100）
B=100-K*b
由此可知：
血压P=483.1718V-503.3033
用labjack的channelA，AI2，设置如下图所示：
测得数据xueya.dat，用matlab编程绘图，程序如下：
f=importdata（'xueya.dat'）;
x3=f.data（:
1）;
y3=f.data（:
7）;
figure
plot（x3,y3,'b'）;
title（'xueyafigure'）;
由图可知，高压约为98Pa,低压约为30Pa。
而血压计所示高压约为110Pa，低压为60Pa左右，与标定的有一定误差。
6、实验小结
当给受试者加压时，要注意检压计读数，但徐徐放气时，第一次听到的血管音即代表收缩压，最后声音消失之前的血管音代表舒张压。
记下血压读数，放空压脉带，是压力降低为零，重复测压2-3次，记录平均值，问题就出现在了重复测压这个环节，因为受试者会因为前一次测压影响到后面的测量，会导致受试者血压越来越低，所以数据主要以第一次的为主。
实验四呼吸测量
一、实验目的
1．测量呼吸的气体压力、流速及流量。
2．观察运动对呼吸的影响。
二、实验原理
1．传感器：
是由一个压差换能器和一个差压阀组成，可测量呼吸波（潮气量），也可
以测呼吸流量。
2．电路原理
如图所示，当压力传感器上压力变化时，其电阻也响应线性变化，从而压力桥式测量电
路输出端电压发生变化，该变化电压通过连接器JP0进入由IC1A、IC1B、IC1C组成的差动放大电路进行一级放大，再经过IC1D进行二级放大后在AI0端输出一个与压力成正比的线性电压波形。
3、实验步骤
1、接线：
将传感器通过JP0连接至压力桥式测量电路，将AI0和GND连接至labjack的接口AI0和GND处。
2、通过调节电位器R3来改变差动放大倍数（顺时针信号放大），在IC1C输出端得到一级放大信号。
通过调节电位器R31来调节电路对称性（调零），实现对干扰信号的抑制。
3、最终结果是：
在IC1D的输出端得到一个二级放大后的信号，该信号特点是：
当压力增大时，该信号曲线显示增大的信息；当压力减小时，该信号曲线幅度也响应减小。
四、实验内容
1、测量呼吸时气体的压力
不使用差压阀，用一个三通的一端联入传感器的一个进气口，当气流经过三通的另
两端时，就可测量气流的压力，同时可测出呼吸的频率。
2、测量呼吸时气体的流速
使用差压阀，分别将差压阀的两个出口与传感器的两个进气口相连，当气流经过差
压阀的另两端时，就可测量气流的流速，同时对时间计算面积，就可测出呼吸的流量。
5、实验数据处理
测得呼吸数据为“huxi.dat”
用MATLAB对数据进行处理，首先显示出呼吸波形，再通过滤波器进行滤波。
程序如下：
A=importdata（'huxi.dat'）;
x1=A.data（:
1）;
y1=A.data（:
3）;
subplot（1,2,1）
plot（x1,y1,'b'）;
title（'huxifigure（滤波前）'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
fs=500;Wp=2*pi*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30;
Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi;%归一化技术要求
[N,Wn]=buttord（Omip,Omis,Rp,Rs）;%确定滤波器的阶数
disp（['TheorderofButterworthFilteringis',num2str（N）]）;
[b,a]=butter（N,Wn）;%确定Butterworth滤波器转移函数系数向量
[H,w]=freqz（b,a,512）;%512点复频响应
y2=filter（b,a,y1）;
subplot（1,2,2）
plot（x1,y2,'b'）;
title（'huxifigure（滤波后）'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
结果：
如图可知：
呼吸频率约为18次/分钟。
六、实验小结
线性电压波形与压力成正比，但呼气吹气较大时，波形会更加明显的波动，较小时，波动图形不是特别明显。
使用差压阀，分别将差压阀的两个出口与传感器的两个进气口相连，当气流经过差压阀的另两端时，就可测量气流的流速，也可测出呼吸的频率，同时对时间计算面积，就可测出呼吸的流速。
实验五心音测量
一．实验目的
1、学会人体心音波的测量方法。
2、观察心音与脉搏波及心电波的区别及相互关系。
3、观察运动对心音的影响。
二．实验原理
1．传感器：
是由无源的精密心音换能器组成，通过按或绑在胸前可测量心音。
2．电路原理：
如图所示，心音信号通过R61和R62经U6输入到的差动放大电路进行放大，RP61调节放大倍数（顺时针大），再经过U8在AI3端输出一个变化的电压/频率心音波形。
三．实验步骤
1、接线：
将传感器通过JP0连接至差动放大电路，将AI3和GND连接至labjack的接口AI3和GND处。
2、心音传感器的安放：
放在左胸上（最好紧贴皮肤），慢慢移动寻找最佳点。
最佳情况可以看到周期性、一定幅度的波群。
3、通过调节电位器RP61来改变差动放大倍数（顺时针大），在U7输出端得到的放大信号。
4、最终结果是：
在U8的输出端得到一个放大后的信号，该信号特点是：
当心音增大时，该信号曲线显示增大的信息，同时频率也变化；当心音减小时，该信号曲线幅度也响应减小。
四、实验数据处理
测得脉搏数据为“xinyincj.dat”
测得脉搏数据为“xindian.dat”
测得脉搏数据为“maibo.dat”
A=importdata（'xinyincj.dat'）;
B=importdata（'xindian.dat'）;
C=importdata（'maibo.dat'）;
x1=A.data（:
1）;
y1=A.data（:
2）;
x2=B.data（:
1）;
y2=B.data（:
3）;
x3=C.data（:
1）;
y3=C.data（:
2）;
fs=500;Wp=2*pi*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30;
Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi;%归一化技术要求
[N,Wn]=buttord（Omip,Omis,Rp,Rs）;%确定滤波器的阶数
disp（['TheorderofButterworthFilteringis',num2str（N）]）;
[b,a]=butter（N,Wn）;%确定Butterworth滤波器转移函数系数向量
[H,w]=freqz（b,a,512）;%512点复频响应
y4=filter（b,a,y1）;
subplot（3,1,1）
plot（x1,y4,'b'）;
title（'xinyinfigure（滤波后）'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V1'）;
y5=filter（b,a,y2）;subplot（3,1,2）
plot（x2,y5,'b'）;title（'xindianfigure（滤波后）'）;
xlabel（'time'）;ylabel（'V2'）;
y6=filter（b,a,y3）;
subplot（3,1,3）
plot（x3,y6,'b'）;
title（'maibofigure（滤波后）'）;
xlabel（'time'）;
ylabel（'V3'）;
运行结果如下：
五、实验内容
1、测量心音波的变化情况，同时计算心音频率。
从图片中可看出，大概是2s三次心跳，每次心跳时间为0.667s，心率为90次/分。
2、与心电及脉搏一起显示计算，观察各个波型的特点及相互关系。
脉搏波周期会稍微短一些，脉搏波的传播速度与动脉弹性、官腔的大小、动脉血压、血液的密度和粘性有关。
因为做实验时，测量的数据不是来自同一个人，如果人的动脉弹性小、官腔小、动脉血压高等都会导致脉搏波传播速度加快。
6、实验小结
第一心音发生在心脏收缩期开始，持续时间较长，比较有规律。
产生的原因包括心室肌的收缩，房室瓣突然关闭以及随后射血入主动脉等引起的振动。
第一心音的最佳听诊部位在锁骨中线第五肋间隙或在胸骨右缘；第二心音是在心动周期中，由于心肌收缩和舒张，瓣膜启闭，血流冲击心室壁和大动脉等因素引起的机械振动；对比三张图片，心音的波动周期与心电图波动周期基本一致。
实验六心电测试
一．实验目的
1．初步学会人体心电的测量方法。
2．掌握QRS波群的测量方法。
3．观察运动对心电的影响。
二．实验原理
如图所示，IC6A、IC6B、IC8A、IC8B、IC8C组成一差分放大电路，左手及右手的信号从P41和P42引入该差分一级放大电路两个输入端，右脚接入P43，在IC8C的8脚生成初步放大后的差动信号，该信号经过IC8D进行高低频滤波后，再通过IC7B外围电路中的R42调节放大倍数进行而二级放大，调节电位R4实现基线抬高电平至2.5V的直流电位，在AI6端形成直流电位在2.5v、交流信号大小在1v左右的信号，通过IC9实现隔离传输。
图中调节器R37用于调节差分放大器的放大倍数，该放大倍数为1+2R10/R37。
调节器R38用于调节电路对称性，从而抑制共模干扰信号。
IC7A与其外围电路构成信号反馈，抑制共模信号。
三．实验步骤
1．利用板上的信号源调试电路
⑴利用板上的电源为放大电路供电：
即对应连接JP40与J4（电源（模拟）），J4的-5V端接J40的-V端，J4的GND端接J40的GND端，J4的+5V端接J40的+V端。
⑵利用板上的信号源为放大电路提供信号：
信号源已经预调到158Hz左右，20mv左右的正弦信号，连接JP13的“信号”与JP41的“Signal”，连接JP13的“GND”与JP41的“GND”，连接JP42的“信号”与JP42的“GND”。
⑶连接LABJACK采样盒：
实验板上的AI4、AI5、AI6和GND分别与LABJACK对应相连，实验板的J8（心电信号）的“Signal”和“GND”与LABJACK的AI7和GND相连。
⑷打开LABJACK的软件Ljstream，在“ConfigureChannels”中选择channeA:
AI4、
channeB:
AI5、channeC:
AI6、channeD:
AI7，按Save&Exit返回主界面；屏蔽掉channeB、channeC、channeD的显示，只显示channeA（白色波形显示）,光标移至波形显示窗口按鼠标右键，去掉AutoScaleY前的√，修改Ｙ轴的量程为-0.4v至+0.4v；按动EnabelStream就可以看到一级放大电路信号（AI4）的情况，调节电位器R37使AI４在?
.3V左右（顺时针信号放大）；鼠标右键选择AutoScaleY前的√，选择channeB的显示（红色波形显示），调节电位器R42使AI５信号幅度为?
v左右（顺时针信号大）；
选择channeC的显示（黄色波形显示），调节R4使AI6（与ＡI5反向）的信号的基线（中心线）为2.0v与2.5v之间（顺时针信号抬高），；选择channeD的显示（蓝色波形显示），这时候可以看到完整AI7的信号，这样调节电路结束。
2．测量人体的心电
⑴去掉JP41、JP42接线柱（这些接线柱只用于电路的调试）上所有的接线。
⑵使用电池为放大电路供电：
用两节9v叠层电池接到两个电池扣上（JP49），对应连接JP40和J4（电源（电池）），J4的-9V端接J40的-V端，J4的GND端接J50的GND端，J4的+9V端接J40的+V端。
⑶连接LABJACK采样盒：
实验板的J8（心电信号）的“Signal”和“GND”与
LABJACK的AI7和GND相连，其它线一律断开。
⑷接入心电电极：
把夹在左手腕内侧处的电极夹插入P41；把右手腕内侧处的电极夹插
入P42；把夹在右脚腕内侧处的电极夹插入P43。
人两手平放在大腿上，安静等待1-2
分钟。
⑸打开LABJACK的软件Ljstr
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