微機在醫(yī)學儀器中的應用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上心電圖(ECG) 50V-50mV0005-100Hz.3dB腦電圖(EEG) 2-10V(頭皮1-100Hz(頭皮)胃電圖(EGG) 10V-80mV 0-1Hz人體生理信號的特點：幅值小，約從幾微伏到幾毫伏。頻率低，約從0.01 Hz到10kHz.隨機性強，易為干擾與噪聲所掩敲.設計要點：熟悉電子儀器的工作原理，掌握微機硬件和軟件，而且要認真考慮到醫(yī)療儀器對人體的絕對安全，包括電氣的安全與人體接觸部位的消毒及其有效性。安全與有效是任何醫(yī)療儀器所必須遵循的規(guī)則現(xiàn)代醫(yī)療器械發(fā)展的總趨勢可用"直觀、無創(chuàng)、高效、經(jīng)濟"八個字來慨括格雷碼與普通二進制相比

2、，其優(yōu)點是，格雷碼中的數(shù)當它從一種位模式步進到另一種時，它只改變一位。與自然二進制的情況相比，在測量連續(xù)的角位置時，它減小了不確定性。精確表示及恢復的條件是，信號必須頻帶有限，而且采樣頻率不能低于信號最高頻率的2倍。f.>2fm內(nèi)插：應用離散時間上的數(shù)值重建信號的過程稱為內(nèi)插。(1)零階保待或單點內(nèi)插，(2)線性或兩點內(nèi)插(3)低通內(nèi)插·零階保護內(nèi)插后的信號被低通濾波一般n 位轉(zhuǎn)換器需要n+1個電阻.并且LSB電阻必須是反饋電陽的2" 倍。例如電阻R值為5 kO.因此，一個8位的D/A轉(zhuǎn)換器需要9個電阻，范圍從5kO到1.28MO<256X5kO).轉(zhuǎn)換器誤差：

3、"失調(diào)"或"零點誤差"定義為傳輸函數(shù)偏離零點的模擬值"斜率"或"增益"誤差：傳輸函數(shù)的斜率偏離它的理想值積分非線性誤差：失調(diào)誤差與增益誤差都為零時.傳輸函數(shù)對理想直線特性的最大偏移微分非線性誤差：任一量化單元對其理想模擬值的偏差。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精度較高，抗干擾能力較差雙斜積分A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換速度很慢，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力較強并行或特高速A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換精度低，抗干擾能力強數(shù)據(jù)采集的核心內(nèi)容是把模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。因此，數(shù)據(jù)來集系統(tǒng)中的關鍵器件就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱

4、A/D轉(zhuǎn)換器或ADC.此外，一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一般包括下列各種器件:傳感器(Transducers)、信號修整電路、模擬多路器、S/H電路、程序控制定序器等當"保持"指令到達時.開關S斷開，電容器C上的電壓及S/H電路輸出電壓均保持在.保持"指令到達瞬間的模擬俏號值。選用A/D轉(zhuǎn)換器一般要考慮三個主要因素:速度、精度與價格。接口是連接微處理器芯片(CPU)與外圍芯片(如程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器等)及做處理機與外部設備(如鍵盤、顯示器)之間的橋梁。它能減輕CPU的負擔，使CPU能夠更充分地發(fā)揮任務管理、數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷的作用，從而提高整機的工作效率和儀器的功能。接口

5、大體可分為兩大類:專用接口與通用接口。只讀存儲器可分為固定只讀存儲器(ROM)、可編程序只讀存儲器(PROM)和可擦寫只讀存儲器(EPROM)三種。數(shù)據(jù)輸入行地址列地址數(shù)據(jù)輸入/出行列讀、寫地電源不連接 I/O接口結構典型的I/O接口(8IC55， 82C55 及82C5l)內(nèi)部結構主要包含:數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器，此外還有總線緩沖器、譯碼器及聯(lián)絡控制邏輯等。它們的作用如下。I)數(shù)據(jù)寄存器緩沖器)它包括數(shù)據(jù)輸入寄存器和數(shù)據(jù)輸出寄存器。由于外部設備與 CPU的數(shù)據(jù)處理速度不同，通常把傳輸數(shù)據(jù)暫存在這些緩沖器中，以便CPU和外設之間數(shù)據(jù)交換時能協(xié)調(diào)工作。2) 控制寄存囂(控制口)它的作

6、用是存放CPU發(fā)來的控制命令(控制字)和其他的信息。這些控制命令包括設置接口的工作方式，設定某些參數(shù)及功能。3) 狀態(tài)寄存幡(狀態(tài)口)它的作用是保存設備的現(xiàn)行狀態(tài)信息，提供給CPU判斷使用。這些狀態(tài)信息有輸出數(shù)據(jù)"準備好"、設備"忙"或"閑"、數(shù)據(jù)錯誤檢測等。以上三種寄存器是接口中最主要的寄存器，為了便于對它們的訪問，每個寄存輯都有一個地址代碼，即喘口地址。4) 總錢罐沖帽它包括數(shù)據(jù)總線和地址總錢緩沖或驅(qū)動)邏輯電路、譯碼棉及聯(lián)絡控制電路，是為 CPU和外設之間進行信號轉(zhuǎn)換和按用戶要求進行正確I/O設計的.I/O接口的功能1) I/O

7、數(shù)據(jù)緩沖器 用以解決主機高速和外設低速的矛盾，使CPU和外設在交換倩息時取得同步和速度匹配。2) 信息格式轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換。因為CPU所處理的是并行數(shù)據(jù)，而有的外設只能處理串行數(shù)據(jù)。因此，接口就應具有數(shù)據(jù)"并""串"和"串""并"的轉(zhuǎn)換能力。另外，在串行通信中，接口還應完成電平轉(zhuǎn)換功能，EIA電平與TTL也平的相互轉(zhuǎn)換。3) 提供狀態(tài)信號為微機提供外設的狀態(tài)信號，如設備"準備好"、"忙"或"閑"等。4) 設備選擇微機系統(tǒng)一般帶有多臺外設，而CPU在同一時間里

8、只能與一臺外設交換信息，這就要借助接口中的地址譯碼電路對外設進行尋址。5） 時序控制1/0接口還能提供時序控制功能。有的接口具有自己的時鐘發(fā)生器，以廣泛地滿足 CPU和外設在時序方面的要求。6) 可編程用戶可以通過編程確定它們的工作方式。電氣特性包括信號邏輯電平、傳輸速率、I/O阻抗等。為抑制傳輸過程中的共模噪聲干擾，RS-232C采用較高傳輸電壓士5-士15 V.常用的有士12 V和士10V，而且采用負邏輯電平，即邏輯O 電平規(guī)定為十5-+15V，邏輯1 為一5-15V.因此RS-232C標準接口與TTL/CMOS電平之間必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換?？偩€上的設備可完成的功能發(fā)送者: 用來向其他設備發(fā)送

9、倩息。但總線上不允許有兩個以上的發(fā)送者同時工作。接收者: 接收來自其他設備的信息?？偩€上可以有多個接收者同時工作?？刂破? 主要功能是，確定掛在總線上哪些設備應該發(fā)送信息和哪些設備應該接收信息。如果系統(tǒng)中的控制器不止一個，則其中必有一個是系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器具有"總線清除"和"允許遙控"等特殊功能，并規(guī)定不能有兩個或兩個以上的控制器同時工作。總線信號交換技術為了保證倍息可靠地異步傳遞。在IEEE-488接口系統(tǒng)中，每傳遞一個數(shù)據(jù)字節(jié)，不管它是設備消息還是接r1i內(nèi)息，在發(fā)送者與接受者之間必須進行一次三線掛鉤過程?？偩€上的三錢掛鉤由DAV、NRFD、ND

10、AC這三條線控制，其中DAV線由發(fā)送者驅(qū)動，DAV=l時表示雙向數(shù)據(jù)總線是有般的。NRFO和NDAC線均由接受者驅(qū)動?？偩€上的設備對這兩條線在邏輯上都是"線或"關系。當總錢上的所有接收者都處于可接收狀態(tài)時，NRFD=0。當總線上所有接收者均接收完生存時，NDAC="O"。圖4.56所示的是IEEE-488總錢信號交換的時序閣，下面結合陽來說明蘭線掛鉤的工作過程。從開始，發(fā)送者測試NRFO與NOAC兩線的狀態(tài)，若同時為低，則將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上。這時發(fā)送者監(jiān)視NRFO錢，以等待每一個設備都釋放此線，團中虛線表示一個接一個設備準備好接收數(shù)據(jù)，最后到處，所有設

11、備準備就緒，NRFD線變高。于是發(fā)送者使OAV線有效，接收者一旦識別到這一點，便立即將NRFD拉回到低電平，這意味著在結束處理此數(shù)據(jù)字節(jié)之前不準備接收別的數(shù)據(jù)。這時發(fā)送者又監(jiān)視NDAC線，直至所有接收者均接收到數(shù)據(jù)字節(jié)為止。當所有接收者將數(shù)據(jù)字節(jié)接收完畢時NDAC線變高。發(fā)送者識別到這一狀態(tài)后就使DAV線無效，井撤銷數(shù)據(jù)信息，同時所有接收者開始把各自的NDAC線變低電平，以便開始接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)。至此，一次三線掛鉤工作完成。此后，按此定時關系重復進行。從上述可見，該定時關系有較大的靈活性，如果總線上的是快速設備，則字節(jié)傳輸速度就快;如果是慢速設備，則會使傳輸過程進行得慢一些。這意味著快速與慢

12、速設備可同時掛在總線上，這是三線掛鉤技術最重要的特點。字符存儲由CGRAM、CGROM和DDRAM三部分構成嘖墨印字技術是利用一個壓紙卷筒和輸紙進給系統(tǒng)輸送紙張，當紙通過噴墨打印頭時，讓墨水通過細嘖嘴，在強電場下以高速墨水束噴到紙上，形成點陣頭構成字符或圖氣泡產(chǎn)生原理BJ噴墨打印機是利用膜沸騰現(xiàn)象來使加熱元件表面產(chǎn)生和消失氣泡的。所謂膜沸騰現(xiàn)象是指加熱物體與液態(tài)易蒸發(fā)物質(zhì)接觸時，在加熱體和液體的界面會暫時產(chǎn)生具有一定厚度的蒸汽層(小氣泡層)，將加熱體與液體隔離，延緩了加熱體的熱散射，致使液體汽化速度減緩的現(xiàn)象。赤熱金屬線在水中的散熱時間關系曲線如圖6. 10所示。從曲線可以看出，在曲線D點以后

13、出現(xiàn)一段下降的趨勢，即隨著時間的增加，散熱量逐漸減小，這一現(xiàn)象正是蒸汽膜產(chǎn)生造成的，即產(chǎn)生了膜沸騰現(xiàn)象。產(chǎn)生膜沸騰現(xiàn)象的先決條件是加熱的脈沖電壓帽值要足夠高，脈沖寬度足夠小。激光打印機結構墨粉、感光鼓或稱曬鼓)、顯影軋輥、初級高壓電暈放電線生命參數(shù)信號監(jiān)測部分包括心電、脈搏、血氧飽和度、血壓、體溫、呼吸等監(jiān)測模塊。血壓測量采用振動元創(chuàng)血壓測量.通過單片機控制氣泵和電磁間來實現(xiàn)血壓的自動測量。脈搏、血氧飽和度的監(jiān)視IJ 采用光電技術檢測出透過手指的紅和紅外兩種不同的波長光信號的脈動及直流成分來進行分析o 呼吸檢測電路是利用呼吸阻抗法原理，借用測量心電的胸部監(jiān)護電極，果用高頻激勵脈沖使呼吸波信號調(diào)

14、制在其之上，然后對被調(diào)制伯號進行解調(diào)、放大、濾坡、獲得呼吸曲線，再通過波形變換轉(zhuǎn)換HI反應呼吸頻率的數(shù)字倩號來完成檢測任務的。體溫檢測來用ADC590溫度傳感掘。心電信號經(jīng)放大、濾波處理后，一路供波形顯示，另一路再經(jīng)被形變換為數(shù)字俏號，便于心率提取。采血儀采血時，由直流電機帶動抽氣泵向外抽氣，導致密封的緩沖瓶及采血試管中空氣量減少，氣壓降低，產(chǎn)生負壓，將血液均句地吸入來血試管內(nèi)。當電機停止旋轉(zhuǎn)時，緩沖瓶及來血試管內(nèi)的氣壓立即恢復到正常氣壓，采血停止。電機的啟停通過單片機 AT89C2051 控制.在本機和來血試管之間設置了韁沖瓶，主要是防止血液流入本機，避免儀棉出現(xiàn)故障?；赑C機的醫(yī)學儀棚的

15、一般組成如閣8. 1 所示，它主要由五部分組成:傳感器、生物醫(yī)學借號放大黯且控制接口$八/D數(shù)據(jù)來集電路FPC機(包括主機、顯示器、鍵盤、鼠標)，打印機(撒光打印機或嘖墨打印機h高速數(shù)字倩號處理電路基于PC機的醫(yī)學儀器的一般組成它主要由五部分組成:傳感器、生物醫(yī)學借號放大黯且控制接口$八/D數(shù)據(jù)來集電路FPC機(包括主機、顯示器、鍵盤、眠標)，打印機(撒光打印機或嘖墨打印機h高速數(shù)字倩號處理電路。高速數(shù)字借號處理電路只是在需要高速處理數(shù)據(jù)的儀晤中才使用，例如，在超聲多普勒血流儀、數(shù)字式 B坦、誘發(fā)電位儀中都使用高速數(shù)字信號處理電路I/O接口設計注意用戶所用I/O接口地址不得與PC機內(nèi)部使用的I

16、/O接口地址重復，否則將影響系統(tǒng)正常運行。PC機采用AO-A9進行地址譯碼，因此端口地址號為000H-3FFH，共1 024個，其000H-1FFH為系統(tǒng)全部占用，200H-3FFH為系統(tǒng)部分占用，所以用戶必須查閱所用PC機的說明，使用200H-3FFH中PC機系統(tǒng)未占用的部分。用戶所用的中斷請求線也不得與PC機內(nèi)部使用的中斷請求線重復。一般使用IRQ3-IRQ7中未接有外部設備的中斷請求線，若這幾條中斷請求線已被占用，則使用附加擴展槽上的系統(tǒng)未使用的中斷請求線，例如，IRQ10-IRQ12。從擴展槽引向用戶擴展板的PC機總線都要經(jīng)過驅(qū)動，例如，地址總線、控制總線都要用74LS244驅(qū)動，數(shù)據(jù)

17、總線要經(jīng)過74LS245雙向驅(qū)動.利用超聲多普勒原理，當反射的超聲波遇到運動的血流運動物體 運動方向后，由血球產(chǎn)生的反射倩號舍引起多菁勒頻移.對回波倩號進行分析處理后，就能得到血流的速度、方向等倩息.經(jīng)顱多菁勒血流儀是將超聲探頭置于頭顱骨的某些孔洞就較蹲的區(qū)域處，將超聲射入顱內(nèi)，人射的超聲搜可直接作用于顱內(nèi)的腦動脈、前動脈、基底動脈等。心電模塊圖8. 35所示的是心電模塊的硬件框圖。 CPU1采用三路AID轉(zhuǎn)換器分別來樣心電倩號、呼吸信號及溫度信號。以250Hz的頻率分時采樣12導聯(lián)的心電信號:以60Hz的頻率采樣呼吸信號。該模塊巧妙利用一對RA和LA(左、右手)電極同時測取心電信號和呼吸阻抗

18、信號，然后分路進行處理。一旦RA、LA或LL中任一電極脫落，導聯(lián)脫落檢測電路會立即測出并通知CPU1，CPU1獲取轉(zhuǎn)換后的心電、無創(chuàng)血壓、呼吸數(shù)據(jù)再進行心率、心律失常類別判斷、呼吸率等計算。測量體溫時，由于體溫變化很慢，為防止漂移，采用壓頻變換器 (VFC)將熱敏電阻應變橋測出的緩變電壓換成相應的頻率，通過光電隔離后反變換 (F/C)恢復出體溫變化信息，經(jīng)AID變換送CPU10CPU1計算出相應的體溫值，最后把所有的數(shù)據(jù)原始的心電、無創(chuàng)血壓、呼吸數(shù)據(jù)、心率、呼吸率、體溫、心律變異類型、導聯(lián)脫落等通過串行口送至 PC機無創(chuàng)血壓通常在監(jiān)護儀中采用柯氏青法和測振法來實現(xiàn)血壓的自動檢測?？率锨喾ù嬖谡`

19、差大，重復性差，易受噪聲干擾等缺點，而測振法具有較好的抗干擾能力，能比較可靠地判斷血壓，實現(xiàn)血壓的自動檢測，因而本系統(tǒng)采用測振法實現(xiàn)血壓測量。圖8. 36所示的是血壓模塊硬件框圖，通過充氣袖套在檢測部位以 20mmHg的增量逐級施加外力，當外力超過預設值后，開始以4-5mmHg的減量逐級減壓.在減壓過程中檢測袖套靜壓和氣袖內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動。當氣袖靜壓高于收縮壓Ps時，動脈被壓閉，此時因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細小的振蕩波;當氣袖靜壓小于收縮壓Ps時，波幅增大;氣袖壓等于平均壓時，動脈管壁處于去負荷狀態(tài)，波幅達到最大值;當氣袖壓力小于舒張壓Pd以后，動脈管壁在舒張期已充分擴展

20、，管壁剛性增加，因而被幅維持在較小的水平。為此，只要在氣袖放氣過程中連續(xù)測定振蕩波，振蕩波的包絡線所對應的氣袖壓力就間接地反映了動脈血壓。檢測過程中，壓力傳感器獲取的壓力電信號被分解為袖套的靜壓信號和脈搏波振蕩信號，它們都經(jīng)AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給CPU2處理，CPU2完成各種計算，得出Ps、Pm和Pd，以串行口方式發(fā)送給PC機。一旦Pd被檢測到，同時打開所有放氣閥使袖套快速放氣，完成一次測量過程。脈搏血氧飽和度CSp02)血氧模板采用手指探頭檢測，如圖8.37所示，探頭的光電檢測器是一個光電管，能產(chǎn)生正比于透射到它上面的紅光和紅外光強度的電流，但它不能區(qū)分這兩種光。為此，用一個定時電路

21、來控制兩個LED的發(fā)光次序。光電流信號被轉(zhuǎn)換成電壓倩號，井經(jīng)放大、濾波、信號基線電平變換和去直流分量等倩號處理過程后，加到一個具有自動增益調(diào)整功能的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，然后由積分電路對倩號電欖壩分，其輸出經(jīng)AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CPU對數(shù)字量進行復雜的處理，例如，數(shù)字撞波，計算兩種光電信號的幅度等，井求出SpOz，從脈動信號中還能計算出心率。最后，以串行口方式與PC通倩，每秒從串行口送出60個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包由5個字節(jié)構成，這些數(shù)據(jù)中包含了Sp02 值、心率數(shù)據(jù)。QRS波酵的檢出和定位QRS波群的檢出和定位是進行心律失常分析的基礎，目前主要有三種方法:一是基于 R波具有最大斜率這一特點

22、的斜率法； 二是建立在匹配相關上的模板法 三是基于R波具有17Hz中心頻率的濾波法。斜率法簡單，但檢出的正確性稍低。模板法不僅要占據(jù)一部分EPROM存儲空間且計算時間長。撞波法的算法稍復雜，經(jīng)研究尚能滿足我們的要求。濾波法算法思路是基于QRS波群的頻帶是以17Hz為中心這一事實，分別設計高通濾波器和低通濾波囂將QRS波群的信號撞出，再侄非線性變換使有用倩號得以強化，最后再識別定位，從而檢出QRS波群?？垢蓴_技術動態(tài)心電圖中含有七種不同類型的干擾，即工頻干擾、基錢摞移、電極接觸噪'、電極極化噪聲、肌電子擾、放大電路內(nèi)部噪聲及運動干擾.其中最主要的是工頻干擾和基錢摞移.按照美國最新標準的要

23、求，動態(tài)心電圖頻帶應不窄子0.67-40Hz或0.67-60Hz(嬰兒).。軟件工頻陷波算法應用較多的有移動 Notch濾波掘和自適應匹配濾波囂.前者雖算法十分簡便，但當工頻一旦偏離 0.5Hz以上即告無敢。后者去除噪聲的效果很好，但算法復雜。其他的算法大多存在波表非線性失真、算法復雜就Q值低等問題.基錢漂移也是動態(tài)心電圖中不可避免的問題之一.如通過限制頻帶的方法抑制基錢摞移，則系統(tǒng)的頻帶將過窄。記錄器硬件設計上有兩大難點。大容量數(shù)據(jù)存儲。以三通道，200Hz果樣，8位分辨率來計算，需要記錄的數(shù)據(jù)量約為50M日，若直接記錄，存儲囂成本是十分昂貴的，因此，采用合適的數(shù)據(jù)壓縮方法，可以大大減少對存儲容量的要求，這要求單片機具有很強的運算能力.低功耗民時間運作.由于果用電池供電21 h，電調(diào)供應是有限的，另外，果用數(shù)據(jù)壓縮的方法運算量很大，功能問題也要考慮. SPI總錢介紹串行外圍設備接口SPI(Serial PeripheralInterface)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線是一種三線制同步式串行總錢，其物理結構是相當?shù)湫偷?。因其硬件配?在各種串行接口中)較為"完整"，所以，與SPI有關的軟件就相對簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。它基本上由三根連線，即OJ