河工大現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器實驗報告

1、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器課程實驗指導(dǎo)河北工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2016年春季實驗一 血氧飽和度測量儀設(shè)計實驗一. 實驗?zāi)康?.了解血氧飽和度測試的意義和無創(chuàng)傷測試基本原理。2.掌握血氧飽和度測試的基本方法。3.了解血氧探頭的構(gòu)成及特性。二. 實驗的意義和原理1.血氧飽和度測定的意義血氧飽和度是衡量人體血液攜帶氧能力的重要參數(shù)。由于氧通過呼吸進入細胞進而被血紅蛋白所氧合是由多個環(huán)節(jié)組成，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均可導(dǎo)致供氧障礙。監(jiān)測動脈血氧飽和度可以對肺的氧合和血紅蛋白攜帶能力進行估計，在臨床上具有重要的意義。在臨床實踐中，估計動脈氧合能力有多種方法，最常用的是取動脈血，但這種方法需要動脈穿刺或者

2、插管，且不能連續(xù)監(jiān)測。無創(chuàng)傷檢測動脈血氧飽和度的方法，是一種采用脈搏血氧測量法的動脈血氧飽和度測量方法，它的特點是能夠在無創(chuàng)傷條件下實現(xiàn)連續(xù)測量動脈血氧飽和度，使用方便，應(yīng)用前景廣泛。2.脈搏血氧測量法基本建模原理脈搏血氧測量法的原理是基于光學(xué)定律-朗伯特比爾定律建立無創(chuàng)傷血氧飽和度測量的模型和基于光學(xué)脈搏容積描記法建立動脈組織的模型。比爾定律認為：光通過物質(zhì)時，它的強度會或多或少的減弱，這種現(xiàn)象叫做光的吸收。實驗證明：當(dāng)單色光通過溶液時，透射光的強度與溶液的濃度、厚度、入射光的波長有關(guān)。稱為吸光度。換言之，如果我們測出吸光度，而厚度、入射光的波長已知，則可以計算出溶液的濃度。脈搏血氧測量正是

3、利用了這一原理。在脈搏血氧測量法中，假設(shè)忽略動脈血管中其它成份影響僅考慮氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb),則血氧飽和度SpO2的定義是： SpO2表示氧合血紅蛋白含量；表示還原血紅蛋白含量。兩種血紅蛋白在紅光譜區(qū)吸收差別很大，而在近紅外光譜區(qū)，吸收差別較小，所以不同氧飽和度的血液光吸收程度主要與兩種血紅蛋白含量比例有關(guān)。也就是說由于在紅光譜區(qū)和近紅外光譜區(qū)里，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白有自已獨特的吸收光譜，因此根據(jù)比爾定律可以決定血紅蛋白含量的相對百分比，即血氧飽和度。為了把問題簡化，脈搏血氧測定法假設(shè)的組織模型由兩部份組成：無血組織（皮膚，骨骼，靜脈血等）表現(xiàn)為固定的光吸收，即

4、直流成份。而動脈血管（由氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白組成的動脈血液）則為脈動變化的光吸收，即交流變化的信號。假定光衰減量的變化完全是由于動脈容積搏動所引起，從而就可以從光的總衰減量中除去直流成份，用余下的交流成份進行分光光度分析，計算出動脈血氧飽和度。 SpO2K1R+K2R+K3式中，K1,K2,K3是經(jīng)驗常數(shù)，而R是在某個很小的時間間隔上，兩種光電信號幅度變化量之比。3.動脈血氧探頭動脈血氧探頭是由紅光發(fā)光二極管、近紅外發(fā)光二極管和高性能光敏二極管組成的混合光學(xué)傳感器。使用波長660nm的紅光和940nm的近紅外光作為射入光源，利用手指作為盛裝血紅蛋白的透明容器，測定通過手指的光傳導(dǎo)強度，來

5、計算血紅蛋白濃度和血氧飽和度。一般認為SpO2正常應(yīng)不低于94。探頭上壁固定兩個并列的發(fā)光二極管，下壁有一個光電檢測器將透過手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，它所檢測到的信號越弱，表示光信號穿透指尖時，被那里的組織、血液吸收掉的越多。4.電路實現(xiàn)原理圖2. 71 動脈血氧飽和度測試電路原理圖上圖中，左上的標(biāo)有(1)的部分是探頭電路結(jié)構(gòu)圖。RED-LED是紅光發(fā)光二極管，IR-LED是近紅外發(fā)光二極管，其右邊是光敏二極管。右上的標(biāo)有(2)的部分是發(fā)光管驅(qū)動電路。為了保證光源的穩(wěn)定，發(fā)光二極管采用恒流源進行驅(qū)動。PC4,PC5是主板通過程序發(fā)出的控制信號，例如，當(dāng)PC5=1時，Q14、Q10、Q15

6、、Q17導(dǎo)通，+5V通過Q10的集電極加到紅外管的陽極，Q15的集電極加到紅外管的陰極，向近紅外二極管提供穩(wěn)定的電流，使之發(fā)光。同理，當(dāng)PC4=1時，紅光二極管獲得電流發(fā)光。這樣，PC4和PC5交替控制相應(yīng)的電路工作，形成產(chǎn)生控制紅光、紅外光發(fā)光的時序信號。上圖中下方標(biāo)有(3)的部分是同步解調(diào)放大電路。負責(zé)將兩路微弱的脈搏信號從干擾信號中檢測出來，將信號同步解調(diào)還原，再從中分離出交流信號AC,直流信號DC和放大濾波到一定數(shù)值，提供給計算機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及處理。圖中AD7是直流信號，AD6是交流信號。為了避免AD6出現(xiàn)負信號，在交流信號通道中，設(shè)有基準(zhǔn)電平調(diào)整電路。三、實驗步驟和測試結(jié)果圖2.72

7、 血氧飽和度測試電路布局圖1、 將血氧模板固定于主板上方，但模板上方的26芯插座(J5)與主板的26芯插座(J2)不連接。圖2.73 血氧探頭驅(qū)動電路布局圖用連接線將模板PC4插孔及+5VA插孔與主板右側(cè)的4.05V插孔相連。使模板獲得電源，同時用連接線將模板右側(cè)GND插孔與主板GND插孔相連，將模板下部GND插孔與PC5插孔相連。裝上血氧探頭，取下短路器J7,使其開路。開啟主板電源，用電流表測量I2(1)插孔與I2(2)插孔之間的電流，上面插孔I2(1)為正端，應(yīng)為10mA左右，如果偏離，調(diào)整RW10。調(diào)整以后拔除連接線，插上J7。用連接線將PC5插孔與主板左側(cè)的4.05V插孔相連，同時用連

8、接線將模板右側(cè)GND插孔與主板GND插孔相連，模板的下部GND孔與PC4插孔相連。取下短路器J6,使其開路。開啟主板電源，用電流表測量I1(1)插孔與I1(2)插孔之間的電流，上面插孔I1(1)為正端，應(yīng)為10mA左右，如果偏離，調(diào)整RW11。調(diào)整以后拔除連接線，插上J6。2、 斷開電源，將模板J5與主板J2用扁平線相連，PC4接+5VA,PC5接GND。接通電源。圖2.74交直流信號調(diào)理電路布局圖將食指或中指放入血氧探頭，用示波器觀察V4輸出，應(yīng)有波形出現(xiàn)，其峰峰值應(yīng)為4V左右。如果不是，調(diào)整RW9,一般RW9阻值在 30K-35K范圍，可用萬用表測量，測量方法將表筆放入連接RW9兩端標(biāo)注為

9、1和2的兩個插孔。然后觀測VAC波形，其基準(zhǔn)應(yīng)在0V以上，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換的需要，幅度為04.5V,若不符合，調(diào)整RW7,一般RW7的2與1之間電阻為6K左右，2與3之間電阻為4K左右。測量RW7須將模板與主板連接斷開。3、 將手指放入血氧探頭，用示波器觀察VDC波形，調(diào)節(jié)RW8，使幅值為2.0V左右的直流信號，如前所述，這是從探頭的輸出信號中分離出來的直流分量，如果幅值過大或過小，可調(diào)整放大器的反饋電阻RW8,一般，RW8阻值在 4.5K5.5K 之間。可預(yù)先調(diào)好，調(diào)整RW8的方法與RW9類似。4、 拔除PC4,PC5上的連線。在實驗箱主板USB指示燈亮的情況下，點擊計算機主菜單“血氧飽和度

10、實驗”按鈕進入血氧飽和度測試，顯示如下：圖 2.755、 測試者將探頭夾住手指，不要說話、動作，在實驗箱主板USB指示燈亮的情況下，點擊“測試” 按鈕，血氧飽和度測試開始，此時從探頭采集到的波形顯示在屏幕上，其中顯示的曲線分別為透射過來的紅光波形和紅外光波形。左邊數(shù)碼管顯示血氧飽和度，右邊數(shù)碼管顯示心率，且實時刷新。如下圖所示： 圖 2.766、 當(dāng)顯示的波形符合脈搏波形，可以點擊“停止”按鈕，此時屏幕上的波形停止?jié)L動，顯示當(dāng)前的波形和當(dāng)前的血氧飽和度及心率，若再點擊“測試”按鈕則繼續(xù)測試，如下圖所示：7、 保存測試波形的方法：當(dāng)測試結(jié)束（即點擊“停止”按鈕后，波形顯示不再變化），點擊“保存”

11、按鈕將測試的數(shù)據(jù)保存為文本文件，測試的波形將保存為“*.SP0”格式或者“*.txt”的文件。學(xué)生可在老師指導(dǎo)下編寫計算機程序，調(diào)用文本文件。8、 點擊“打開”按鈕可以打開已保存的文件，方法如下：圖 2.789、實驗完畢，插線除去。四、實驗總結(jié)（1）實驗原理總結(jié)血氧飽和度是衡量人體血液攜帶氧能力的重要參數(shù)。由于氧通過呼吸進入細胞進而被血紅蛋白所氧合是由多個環(huán)節(jié)組成，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均可導(dǎo)致供氧障礙。監(jiān)測動脈血氧飽和度可以對肺的氧合和血紅蛋白攜帶能力進行估計，在臨床上具有重要的意義。（2）實驗過程總結(jié)實驗過程簡單，易于操作。（3）實驗心得與創(chuàng)新性設(shè)想通過本次實驗，明白了血氧飽和度測量的原

12、理。實驗二 脈搏波波速測試儀設(shè)計實驗一. 實驗?zāi)康腨J-02型醫(yī)學(xué)電子教學(xué)儀器綜合試驗箱 1、了解脈搏波波速的測量意義和原理。2、掌握脈搏波波速的測量方法。二. 實驗的意義和原理 1、測量脈搏波波速的意義心腦血管疾病是導(dǎo)致死亡的主要疾病之一，心腦血管疾病發(fā)病的主要原因與動脈的病變有關(guān)，動脈病變是心腦血管疾病的病理基礎(chǔ)。目前治療的手段與方法中往往忽視了病變的關(guān)鍵血管壁的改變，隨著對心血管病變的研究逐漸深入，人們意識到血管壁的病變是各種心血管事件發(fā)生的基礎(chǔ)。我們知道動脈彈性的改變早于結(jié)構(gòu)改變，早期發(fā)現(xiàn)和干預(yù)血管病變的進展是延緩和控制心血管事件的根本措施，有研究表明，大動脈功能和結(jié)構(gòu)的損害，是導(dǎo)致早

13、期血管改變，發(fā)生包括高血壓在內(nèi)的許多心血管病的危險因素，而動脈僵硬度已被認為是心血管病獨立的危險因子，已經(jīng)成為研究的熱點課題。截止目前，用于評價大動脈的結(jié)構(gòu)和功能的方法已有很多。如血管造影或其它成像技術(shù)等有創(chuàng)方法可精確評價動脈管腔或分心動脈壁結(jié)構(gòu)，但是這些方法由于操作復(fù)雜、費用高昂，需要非常精密的設(shè)備，限制了其在臨床中的應(yīng)用；另外，還有一些無創(chuàng)檢測方法，如超聲技術(shù)（高分辨率超聲、超聲多普勒、超聲示蹤）和計算機分析圖象信號和（或）超聲信號，來研究某些動脈軸和位點的功能和結(jié)構(gòu)，這些相對復(fù)雜的技術(shù)僅用于某些實驗室。在無創(chuàng)方法中，脈搏波速度（PWV）的測定已經(jīng)在較長的時間內(nèi)廣泛用于評價動脈壁擴張性和硬

14、度的一種有效手段。該方法無創(chuàng)傷、操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好，可廣泛用于臨床治療和流行病學(xué)的研究，并且，該方法非常適合于家庭使用和社區(qū)醫(yī)療服務(wù)推廣應(yīng)用。作為判定心血管疾病的重要依據(jù)。2、脈搏波波速與血管性能健康人的血管是一個彈性腔，在每個心動周期中, 動脈內(nèi)的壓力及血管的充盈程度發(fā)生周期性的變化, 這種周期性變化不停地向外周血管傳播。用壓力傳感器可以記錄到表淺動脈的搏動,從而得到壓力脈搏波。圖2.80所示為壓力傳感器測得的橈動脈脈搏波，圖中各個特征點的生理學(xué)意義分別為：a波：心房收縮波；b點：主動脈開放點；c點：主動脈壓力最高點；d點：主動脈彈性擴張降壓點；e點：左心射血停止點；e1點：左心舒

15、張開始點；f點：二尖瓣開放點。圖2.80心室射血產(chǎn)生的壓力波動沿動脈樹傳播，速度由動脈壁的彈性和幾何性質(zhì)及所含液體的特征（密度）決定。由于血液是含在彈性管道（動脈血管）中的不可壓縮的液體，能量傳播主要發(fā)生在動脈壁上而不是通過血液進行，因此動脈壁的性質(zhì)、厚度和動脈腔徑是影響脈搏波傳導(dǎo)速度（PWV）的主要因素。事實上，已經(jīng)證實彈性管道中的PWV與管壁彈性相關(guān)。若血管出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象，則血流的速度會加快。硬化程度越高，速度越快。通過分析兩個不同地方的脈搏波的波形信息，可以得出兩路波形的時間差，再測量出兩個測量點之間的距離，就可以得到血流的速度。例如，上臂至心臟及踝關(guān)節(jié)到心臟動脈間的脈搏傳播速度(baP

16、WV)，其標(biāo)準(zhǔn)是1400cm/S，數(shù)值越高，大腦、心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險越大。測量方法是：首先同步檢測上肢與腳踝部位的脈搏波，記錄波形圖，得出兩個相同點上波形的延遲時間，并測出血管長度，利用公式baPWV=來計算波速。 3、脈搏傳感器脈搏傳感器采用了半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器，它的感壓結(jié)構(gòu)采用帶波紋的金屬橡膠膜片，這種特殊結(jié)構(gòu)可盡量增加其位移/ 壓力比；檢測探頭設(shè)計了一個液囊耦合腔，它不僅可以調(diào)節(jié)傳感器的阻尼比，而且還可作為脈波信號傳遞的匹配介質(zhì)，這樣的設(shè)計可獲得比較理想的動態(tài)特性。測量時，通過對傳感器施加一定的預(yù)壓力來獲取被測點的脈搏波。4、電路實現(xiàn)原理由前置放大器、信號調(diào)理電路（濾波、放大）、

17、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，單片機在程序控制下進行兩路脈搏波同步采樣；將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后由單片機通過USB接口將脈搏波數(shù)據(jù)傳送到計算機。經(jīng)過以上的處理可得到完整性好、失真小、基線穩(wěn)定、振幅適中的脈搏波形，專家系統(tǒng)根據(jù)輸入的兩個脈搏波測量點之間的距離、其他生理參數(shù)（血壓、身高、體重）及脈搏波參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，對人體動脈硬化程度進行檢測，同時對其他心血管疾病做出診斷。在做出診斷的同時，能給用戶提出相應(yīng)的治療和預(yù)防措施，得出所需要的結(jié)果。 圖2。81 脈搏波波速測試電路原理圖5 PWV的計算方法本系統(tǒng)中利用壓力傳感器同時測量人體手腕動脈和腳腕動脈兩個不同的脈搏波，將數(shù)據(jù)傳送給計算機，計算機經(jīng)過上述一系列

18、處理然后，得到兩路脈搏波波形的特征點。通過統(tǒng)計分析兩組波形相鄰最低點的時間差，如圖2。82，便可以得到兩路脈搏波傳播的時間差t，然后分別測量出心臟到手腕測量點的距離La和心臟到腳腕動脈測量點的距離Lb輸入計算機，脈搏波波速可計算為：上面求出的PWV主要反應(yīng)了脈搏波在下肢動脈血管中的傳播速度，本系統(tǒng)中也是利用該PWV來診斷動脈硬化，因此，主要反應(yīng)了下肢主動脈的動脈硬化程度。使用者也可以測量其他任意一段動脈血管中脈搏波的傳導(dǎo)速度，并可以記錄每次測量的結(jié)果，通過系統(tǒng)給出的變化趨勢圖，能夠很清楚的看出該段動脈血管的彈性變化情況。在測量時，測量點的選擇要注意：測量點的脈搏要強烈并且在體表就能感覺到；兩個

19、測量點要有一定落差，身體左右部分同等高度的位置不要同時測量，比如說同時測量左右手腕的橈動脈，因為實際上從心臟到該點的距離是相等的，測出的PWV接近于零。 圖。82 兩路脈搏波波形三、實驗步驟與實驗結(jié)果 圖2.83 脈搏波波速測試電路布局圖 1.將脈搏波模板固定于主板上方，但模板上方的26芯插座(J5)與主板的26芯插座(J2)不連接。用萬用表測量RW7-RW10的阻值，應(yīng)符合以下數(shù)值。RW7,RW9為6.5K左右，RW8,RW10在7K-8K之間。 圖2.84 放大增益電位器布局圖調(diào)整方法為：虛線位置不插信號連接線，用萬用表筆插在對應(yīng)的1和2兩個信號連接孔進行測量。 圖2.85 基線調(diào)整電位器

20、布局圖同樣，調(diào)整方法為：虛線位置不插信號連接線，用萬用表筆插在對應(yīng)的1和2兩個信號連接孔進行測量。 2.電位器阻值調(diào)整好以后，用信號連接線將虛線所示連接起來。并將模板與主板連接起來，開啟主板電源。 圖2.86 脈搏波波速測試電路布局圖 插入兩個傳感器，這時用示波器觀察PW1Vc和PW2Vc點波形，可以看見是一條直線，即基線，基線波形幅度應(yīng)為1.5V左右，如果過小，調(diào)整RW8和RW10。兩路測試電路是完全對稱的，其對應(yīng)點的波形應(yīng)完全一樣。將主板與計算機相連，在實驗箱USB指示燈亮的情況下，點擊菜單上的“脈搏波速實驗”按鈕進入脈搏波速測試，顯示如下：圖 2.873.測試者坐在椅子上，將sensor

21、1(左邊)探頭用綁帶綁在手腕部，sensor2(右邊)探頭用綁帶綁在腳腕部，不要說話、動作，在實驗箱USB指示燈亮的情況下，點擊“測試” 按鈕，脈搏波速測試開始，此時從探頭采集到的波形顯示在屏幕上，其中顯示的藍色和綠色曲線分別為手腕動脈脈搏波，腳腕動脈脈搏波。如下圖所示： 4、當(dāng)顯示的波形符合脈搏波形，可以點擊“停止”按鈕，此時屏幕上的波形停止刷新，請等待數(shù)秒顯示當(dāng)前的波形，通過點擊“測試”按鈕繼續(xù)測試，如下圖所示：5、點擊“計算”按鈕可以計算脈搏波速，提示您：“您是否已經(jīng)輸入個人信息？選是則繼續(xù)計算，選否則重新輸入?！比缦聢D所示：選“是”則用您早前輸入的人體信息參與計算脈搏波速，顯示如下：選

22、“否”則重新輸入人體信息后計算脈搏波速，如下圖所示：圖 2.926、可以手動取點來計算脈搏波速：在打開脈搏波速文件或停止測試后，界面上顯示脈搏波形時，先選中一部分波形將之放大，左鍵單擊上圖藍色的波形，自左向右，自上而下的拖動鼠標(biāo)至下圖綠色的波形上，此時出現(xiàn)虛線的窗口，如下圖所示：圖 2.93放開左鍵，則窗口中顯示您選中的放大后的部分波形，顯示如下：圖 2.94如若重新選擇要放大的波形，則右鍵點擊上圖的波形出現(xiàn)菜單：“清除描點”，之后重新選擇波形，或者直接在波形的其他區(qū)域內(nèi)選擇，顯示如下：圖 2.95在放大的波形窗口中，左鍵單擊藍色波形窗口，出現(xiàn)藍色的虛線，該線則為您選中的波形起始處，可單擊其他

23、點來最終確認波形起始點；左鍵單擊綠色波形窗口，用同樣的方法確定波形起始點，該線為綠色的虛線，顯示如下：圖 2.96右鍵點擊原始的波形窗口出現(xiàn)菜單：“計算”，顯示如下：圖 2.97提示您：“您是否已經(jīng)輸入個人信息？選是則繼續(xù)計算，選否則重新輸入?！?如下圖所示：圖 2.98選“是”則用您早前輸入的人體信息參與計算脈搏波速，顯示如下：圖 2.99選“否”則重新輸入人體信息后計算脈搏波速，顯示如下：圖 2.100如若重新選擇要放大的波形，則右鍵點擊上圖的波形出現(xiàn)菜單：“清除描點”，顯示如下：圖 2.1017、保存測試波形的方法：在測試結(jié)束后（即點擊“停止”按鈕后，波形顯示不再變化），點擊“文件（Fi

24、le）”菜單將測試的數(shù)據(jù)保存為“*.txt”文件或者“*.pwv”格式的文件。學(xué)生可在老師指導(dǎo)下編寫計算機程序，調(diào)用文本文件。圖 2.1028、點擊“打開”按鈕可以打開已保存的文件，方法如下：圖 2.103例如：選擇1.pwv文件，打開后顯示界面如下：圖 2.104打開后可如第4，5選取要放大的波形，取點后計算脈搏波速。9、實驗完畢，插線除去。實驗項目三：心電測量功能模塊實驗一、實驗的目的和任務(wù)： 1、了解并初步學(xué)會人體心電的測試功能模塊的基本原理和設(shè)計方法。2、掌握QRS波群的測量方法。3、觀察運動對心電的影響。4、計算公式心率= 60000 / (波形R2的X軸位置 - 波形R1的X軸位置

25、) * 5.282) * 波形放大比率 -式 1.1Q-T間期= (波形T的X軸位置 - 波形QRS的X軸位置) * 5.282 /波形放大比率 -式 1.2P-R間期=(波形QRS的X軸位置 - 波形P的X軸位置) * 5.282 / 波形放大比率 -式 1.3QRS間期= (波形S的X軸位置 - 波形QRS的X軸位置) * 5.282 /波形放大比率 -式 1.4QTC系數(shù)= (波形T的X軸位置 - 波形QRS的X軸位置) * 5.282 / (波形R2的X軸位置 - 波形R1的X軸位置) -式 1.5 5、對保存的二進制文件讀取數(shù)據(jù)的方法：（openfilename：文件名稱，xdtDa

26、ta：數(shù)組）Open openfilename For Binary Access Read Write As #1 Get #1, 1, xdtData Close #1二、實驗原理圖1.1 心電測試電路原理圖如圖1.1所示，U19- U23組成一差分放大電路和信號切換電路，心電信號通過導(dǎo)聯(lián)引入跟隨器輸入端，由于心電信號幅度小，為了減少干擾，在跟隨器輸入端對心電信號進行低通濾波，濾除信號中的高頻部分。CD4052的功能是在不同的時刻控制不同的信號輸出，U22配以阻容組成差分放大電路。在U23的輸出端形成初步放大后的差動信號Vo, 該信號經(jīng)過C47和R77高通濾波，再經(jīng)過U24二階低通濾波后和

27、二次放大后，形成完整的心電采集信號XDVb,由RW6將其直流電位抬高2V左右輸出，其目的是避免出現(xiàn)負信號，以適應(yīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的需要。MAX295的作用是信號濾波。三、實驗步驟圖1.2 心電測試電路布局圖1、測量“差分放大調(diào)整電位器”RW4的阻值，應(yīng)為1.45K左右，調(diào)整方法，測量RW4兩插孔間電阻，調(diào)整RW4，直至電阻達到目標(biāo)值。如下圖所示：圖2 差分放大調(diào)整2、測量“二級放大調(diào)整電位器”RW5的阻值，應(yīng)為15K左右，調(diào)整方法與RW4相同。如下圖所示：圖1.3 二級放大調(diào)整3、測量“基準(zhǔn)調(diào)整電位器”RW6的阻值，1和2插孔之間的電阻應(yīng)為4K左右。此電位器是為抬高直流電平所設(shè)置，當(dāng)無輸入信號時

28、，電路輸出直流電平應(yīng)為1V-1.5V，若偏離此值，調(diào)整RW6。如下圖所示：圖1.4 基準(zhǔn)調(diào)整4、將四節(jié)2號電池放入電池盒，電池盒引出線與心電測試模塊下方的電池插座(J2)相連，測量電源電壓值，其正電壓應(yīng)大于+4.5V，負電壓值應(yīng)小于-4.5V。否則說明電池電壓不足，斷開系統(tǒng)電源，更換電池。由于負電源是由正電源通過電路轉(zhuǎn)換得到，故負電源的絕對值一般比正電源小0.5V左右，這是正常情況。5、為增強人體皮膚電信號，尤其是春、秋、冬季節(jié)，在測試前需要在導(dǎo)聯(lián)金屬部分涂擦生理鹽水（或用5%的食鹽兌水）或酒精，也可將鹽水或酒精涂在導(dǎo)聯(lián)所接觸的皮膚表層。6、將有紅色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接人體右手，綠色夾子與導(dǎo)

29、聯(lián)相連接右腿，黃色夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接左腿，白色夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接左手，此接法稱為標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)，它是以兩肢體間的電位差為所獲取的體表心電信號，可以測三組心電信號。由程序控制模擬開關(guān)進行切換，三組信號分別是：VI=VL-VR ， VII=VF-VR， VIII=VF-VL（注：VL：左手,VR：右手,VF：左腿,RL:右腿）。7、用示波器觀察XDVc,應(yīng)觀察到類似的如下波形:圖1.5 標(biāo)準(zhǔn)心電波形上、下肢體導(dǎo)聯(lián)應(yīng)良好接觸，人體仰臥或靜坐，手臂放置平穩(wěn)，不與導(dǎo)體桌面或其他物體接觸。8、放大成形的心電信號需要將其直流電位抬高，一般2V左右，可通過調(diào)整RW6實現(xiàn)。9、不同的人體心電波形會出現(xiàn)差異, 這是正常

30、現(xiàn)象。圖2.63所示的P、Q、R、S、T各個波形組成的周期為理想波形周期，在很多情況下，波形可能會缺失某個波或某個波不明顯。10、由于不同的人體生理電信號差異較大，所以放大倍數(shù)有時需要調(diào)整，調(diào)整放大倍數(shù)通過調(diào)整RW5和RW6實現(xiàn)。調(diào)整時先斷開連接插線，調(diào)整完畢后再將插線連好。11、在做心電測試實驗之前，了解一下心電測試實驗的基本功能是有必要的。心電測試實驗分為“單組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試”和“三組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試”。無論是“單組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試”還是“三組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試”，測試數(shù)據(jù)均可保存為文件，測試數(shù)據(jù)可反復(fù)調(diào)出顯示。單組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試數(shù)據(jù)可作橫向和縱向放大，放大倍數(shù)最大為8倍，同時

31、可在保存后的波形上人工選定波形的特征點，如“P波的起點”、“QRS波群的起點”、“S波的末點”、“T波的末點”，在所有特征點人工標(biāo)定好后，可以計算出脈率、QT間期、QTC系數(shù)、PR間期、QRSD間期等參數(shù)值。12、心電測試實驗（1） 單組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試。測試者將有紅色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接人體右手，綠色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接右腿，黃色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接左腿，白色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接左手。不要說話、動作，選擇“單組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試”。在實驗箱USB指示燈亮的情況下，點擊“測試” 按鈕，這時測試者的心電波形顯示在計算機的屏幕上（如圖6），測試者在認為心電波形符合時，可點擊“停止”按鈕，

32、同時可對測試的心電波形保存。（2）三組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試。測試者將有紅色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接人體右手，綠色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接右腿，黃色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接左腿，白色標(biāo)志的夾子與導(dǎo)聯(lián)相連接左手。不要說話、動作，選擇“三組電位差(導(dǎo)聯(lián))測試”。在實驗箱USB指示燈亮的情況下，點擊“測試” 按鈕，這時測試者的心電波形顯示在計算機的屏幕上（如圖7），測試者在認為心電波形符合時，可點擊“停止”按鈕，同時可對測試的心電波形保存。13、保存心電測試波形的方法：在測試結(jié)束后（即點擊“停止”按鈕后，波形顯示不再變化），點擊菜單“文件(&File)”下的子菜單“數(shù)據(jù)保存為xdt文件(&Sa

33、ve)”，心電測試的波形將保存為“*.xdt”格式的文件。點擊菜單“文件(&File) ”下的子菜單“數(shù)據(jù)保存為txt文件(&Conserve)”，將測試的心電波形數(shù)據(jù)保存為文本文件。學(xué)生可在老師指導(dǎo)下編寫計算機程序，調(diào)用文本文件。14、打開已保存的文件，方法如下：圖1.8單組電位差(導(dǎo)聯(lián))波形例如：選擇11.xdt文件，打開后顯示界面如下：15、特征點人工標(biāo)定方法如下： 在波形顯示區(qū)域，在特征點確定的位置點擊鼠標(biāo)右鍵，標(biāo)定出各特征點。16、在所有特征點標(biāo)定好后，點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“計算”，可得出脈率、QT間期、QTC系數(shù)、PR間期、QRSD間期參數(shù)值，顯示如下：17、要想了解

34、各參數(shù)的含義，可將鼠標(biāo)放在參數(shù)名稱的位置，自動顯示參數(shù)的解釋意義。顯示如下：18、實驗完畢，拔除電池盒，卸下導(dǎo)聯(lián)，除去所有連接插線。四、實驗總結(jié)要求從實驗原理，實驗過程和實驗心得上進行全面總結(jié)。心電信號是人體心臟功能的重要體現(xiàn)，通過對心電信號的測量分析，有利于了解心臟的健康狀況。實驗中，通過認真閱讀實驗知道是以及在老師的指導(dǎo)下，在組員的配合下共同完成了心電信號的測量，得到的波形還是比較理想的。通過本次實驗，明白了心電測量的原理，心電導(dǎo)聯(lián)以及右腿驅(qū)動電路的作用。實驗項目四 血壓測量功能模塊實驗一、實驗?zāi)康?、掌握血壓測量功能模塊和電子血壓計的原理及實現(xiàn)方法。2、了解用于測量血壓的壓力傳感器的特性

35、。二、實驗內(nèi)容使用充氣泵、放氣閥、壓力傳感器、腕帶等材料，經(jīng)過充氣和放氣過程獲得傳感器輸出的壓力信號，通過對壓力信號的識別與處理，計算出人體收縮壓和舒張壓，血壓數(shù)據(jù)傳到PC機上顯示。三、實驗原理圖2.1 血壓測量電路原理圖 圖2.2 波形圖1、 血壓傳感器為壓力傳感器，測量范圍：40 mmHg280mmHg，測量精度：靜態(tài)壓力±3 mmHg。2、由U17/A構(gòu)成的電路給傳感器供電，傳感器輸出信號送到U17/B進行放大，RW2用于零點調(diào)整，U17/B的輸出信號: XYVd=R53*(Vout+ - Vout-)/R51 + R53*VSR/ R51，它送到U17/C比較器的負端，其正端

36、為一個積分信號，積分信號受程序發(fā)出的XY50Hz信號控制, 如圖2.1所示。在每個周期的高電平期間Q8導(dǎo)通，積分電容C58放電，時間大約為2ms，在18 ms的低電平期間，積分電容充電波形如圖2.2中的圖2所示，當(dāng)積分電容上的信號幅度超過傳感器的輸出信號時，比較器U17/C輸出翻轉(zhuǎn)(圖2.2中的圖3), 再經(jīng)過Q9的反相, 最后輸出一串頻率為50Hz的占空比變化的波形給單片機(圖2.2中的圖4), 其高電平的寬度取決于U17/C的翻轉(zhuǎn)時間，亦取決于壓力傳感器的輸出信號幅度。 檢測原理：開始充氣加壓到180mmHg ( 24Kpa )，然后放氣，壓力降低P（根據(jù)一次血壓檢測占用時間確定），保持采

37、集一個以上脈跳的值，取其峰值P和當(dāng)前壓力值Pc。重復(fù)以上步驟直至壓力降低到50mmHg以下。在峰值P中找出最大值Pmax，Pmax對應(yīng)的壓力值Pc就是平均動脈壓Pm，然后根據(jù)經(jīng)驗公式Pi = Pmax×k計算出Pi，k為經(jīng)驗系數(shù)，k < 1，Pi對應(yīng)的壓力值即舒張壓Pd，再由公式Ps3×Pm / 2Pd / 4計算出收縮壓Ps。3、計算機通過對XYOUT波形的識別、處理，得出壓力值，依據(jù)一定的模型，計算出人體的收縮壓、舒張壓和心率。4、進氣泵和放氣閥分別由單片機發(fā)出的PWM和PUMP信號控制，通過三極管等器件構(gòu)成的驅(qū)動電路驅(qū)動泵和閥動作。5、LP2951用于產(chǎn)生4.0

38、5V的基準(zhǔn)電源，一方面作為部分電路的工作電源,另一方面通過精密電阻分壓，獲得VIR、VSR、VAR等幾個不同的電壓值，作為控制信號或參考信號。四、實驗步驟血壓測試電路(右上角為信號源電路)布局如下：圖2.3 血壓測試電路布局圖1、測試系統(tǒng)工作電源4.05電壓，若實際值偏離±0.05V以上，應(yīng)調(diào)整RW3，使其達到或接近4.05V。圖 2.4 電源調(diào)整2、在壓力傳感器空載狀態(tài)下,調(diào)節(jié)RW1,使得U17的1腳輸出信號VIN+為1.50v，此為滿度調(diào)整。調(diào)節(jié)RW2，使得U17的10腳電壓為340mv，此為零點調(diào)整。 圖2.5 滿度與零度調(diào)整3、將袖帶固定于腕關(guān)節(jié)部位。4、用示波器觀察有關(guān)測試

39、點其波形應(yīng)與圖2.2中的圖1圖4所示。5、分別測左手腕和右手腕的血壓。6、在實驗箱USB指示燈亮的情況下，先按主板左上方“血壓測試”鍵，然后點擊“血壓實驗”按鈕進入血壓測試，顯示如下：圖 2.6 血壓測量待機圖測試方法：測試者在血壓手腕帶正確固定好后，點擊“測試” 按鈕，血壓測試開始，此時USB指示燈熄滅，測試者等待USB指示燈重新點亮?xí)r，點擊“數(shù)據(jù)”按鈕，讀取血壓的測試值。顯示如下：圖 2.7 血壓測量圖若計算機提示“血壓測試失敗，請檢查后重新測試”， 將袖帶固定于腕關(guān)節(jié)部位后重復(fù)步驟7。8、右上角為信號產(chǎn)生電路，可產(chǎn)生50Hz左右的方波、正弦波、三角波，用示波器觀察PA,PB,PC信號連接

40、孔，可看到相應(yīng)波形，調(diào)整RW20,RW22,RW23對其幅度有影響。9、實驗結(jié)束，將所有連線除去。四、實驗總結(jié)要求從實驗原理，實驗過程和實驗心得上進行全面總結(jié)。血壓測量實驗是使用充氣泵、放氣閥、壓力傳感器、腕帶等材料，經(jīng)過充氣和放氣過程獲得傳感器輸出的壓力信號，通過對壓力信號的識別與處理，計算出人體收縮壓和舒張壓，血壓數(shù)據(jù)傳到PC機上顯示。實驗項目五 肺功能參數(shù)測試模塊實驗一、 實驗?zāi)康?、掌握無創(chuàng)檢測肺功能參數(shù)模塊電路實現(xiàn)原理和設(shè)計方法。2、通過實驗了解肺功能參數(shù)的定義及其臨床意義。3、掌握肺功能傳感器的使用方法。二、實驗內(nèi)容肺功能傳感器獲取的信號經(jīng)放大調(diào)整后，進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，波形圖可在PC

41、機上顯示，同時PC機對波形處理后得出相關(guān)的各項參數(shù)。三、 實驗原理圖 3.1 肺功能參數(shù)測試電路原理圖圖3.2 輸出信號(直流電位未抬高)圖3.3 輸出信號(直流電位已抬高)1、肺功能檢查通常分為三類：成像類、生化類和動力學(xué)肺功能參數(shù)測量。本實驗采用第三類測量方法，以呼吸系統(tǒng)動力學(xué)原理測量有關(guān)肺功能參數(shù)，如呼氣肺活量、用力肺活量等，綜合評估這些參數(shù)，能有效反映肺臟、氣管、支氣管等呼吸道器官的狀態(tài)及其調(diào)節(jié)功能。2、肺功能參數(shù)測試電路見圖3.1。肺功能測試傳感器采用差壓式孔板流量傳感器,氣流通過孔板在孔板兩端形成的壓力差反映了氣流流量的大小,通過傳感器的氣流流速不同,其輸出電壓信號不同，傳感器腔的

42、直徑為20mm，中間小擋氣流孔的直徑為12mm。設(shè)氣流流速為I(單位L/MIN)，輸出信號為Vin(單位mv),根據(jù)標(biāo)定結(jié)果得到如下擬合曲線。1) 當(dāng)Vin>=0(mv), -式 2.82) 當(dāng)Vin<=0(mv), -式 2.93、人在吹吸氣過程中，通過傳感器獲得與氣流信號相對應(yīng)的電壓信號。電壓信號經(jīng)過電壓跟隨器U28以后進入放大電路，作為傳感器與放大電路之間的緩沖與阻抗匹配。電壓跟隨器的突出優(yōu)點是具有極高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。U29將傳感器的輸出信號進行放大； U29/A第一級輸出為：FVa=(RW7/R83)×(VIN+ - VIN-)； -式 2.10U29

43、/B第二級輸出為: FVb= FVa×(1+RW8/R87+RW8/R88)+RW8×5/R87 -式 2.11式中RW8×5/R87為上拉電壓。呼吸氣時，傳感器輸出信號有正負，需要將基準(zhǔn)電位抬高，以避免出現(xiàn)負信號送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的情況出現(xiàn)。4、如上所述，U29的輸出信號FVb實際上表示的是氣體流量參數(shù)I，經(jīng)MCS-51單片機處理后，測試數(shù)據(jù)通過USB口傳到PC機，PC機將氣體流量參數(shù)、流速參數(shù)代入一系列的積分公式，計算出若干項表征肺功能的參數(shù)，參數(shù)的具體含義見肺功能測試結(jié)果的注釋。5、肺功能參數(shù)計算公式：找出波形特征點：a、b、c、d、e、f 圖3.4 波形特征點圖flowdata：采樣值轉(zhuǎn)換后的流量值，公式中的常數(shù)k為經(jīng)驗系數(shù)最大肺活量= -式 2.12用力肺活量= -式 2.13最大呼氣流量=|flowdata(e點X軸)| -式 2.14最大呼氣中段流量= k *用力肺活量 -式 2.15四、實驗步驟 肺功能參數(shù)測試電路布局圖如圖3.5：圖3.5 肺功能參數(shù)測試電路布局圖1、用連接線將主板和模板相連，連接方法是：將連接線兩頭的插頭分別對應(yīng)的插到主板和模板的插座上，如3.6圖所示，主板插座與其相同：、圖3.6 肺功能模塊插座示意圖2、依照原理圖將電阻用插線連接。各由三個電阻構(gòu)成的“R