现代医学仪器课程实验指导河北工业大学电气与自动化学院生物医学工程专业2012年3月前言 医学仪器综合实验箱简介YJ-02型医学电子教学仪器综合实验箱以高性能的W78E516单片机作为核心控制器件，配以外存储器、接口器件、模/数转换等电路实现模拟信号的采集、转换和处理，以及各种状态的检测和控制。实验箱由温度测试、心血管功能测试、肺功能测试、握力测试、血压测试、心电测试、脉搏波波速测试、血氧饱和度测试等实验组成，实验箱采用模块设计。主板电路布局见图1.1。主板包含血压测试、心电测试两个实验模块。所有实验均由单片机配合程序分别控制完成，实验数据通过USB口上传到PC机。实验箱右侧上方有一个通讯指示灯(LED)，当实验箱与PC机联机通讯成功时通讯指示灯点亮，表示实验箱与PC机处于联机通讯测试状态。实验箱应用软件应用于32位win9X或Win2000或WinXP平台，显示器屏幕推荐分辨率为1024*768，实验数据、曲线和参数均可在PC机上显示和保存。图1.1 电路布局图本实验箱供电电源为直流+10V+18V/1A，由外部提供。在实验前，用导线将电源引入实验箱左上侧的两个标有+15V和GND字样的接线柱，正端接红色接线柱，负端接黑色接线柱。打开PCB板上的电源开关，电源指示(绿色)灯亮，表明电源接通，可以正常操作。当出现异常时，应首先关闭电源，再检查相关电路，正常后再重新开启电源。实验前用USB连接线将实验箱的USB口与PC机USB口相连。在PC机退出联机通讯操作之前，不要关闭实验箱电源。【实验时，严禁带电装卸集成电路或更换元器件。严禁在联机通讯状态带电拔USB通讯线。拔传感器时，不要用手直接拉传感器线，应握住传感器根部插头拔除。禁止将插线或其它导体放置于实验箱PCB板上，以免造成短路，损坏器件。】实验项目一：心电测量功能模块实验实验的目的和任务： 1、了解并初步学会人体心电的测试功能模块的基本原理和设计方法。2、掌握QRS波群的测量方法。3、观察运动对心电的影响。实验原理： 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。如下图所示：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。如下图所示：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：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：40 mmHg280mmHg，测量精度：静态压力3 mmHg。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18 ms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 = Pmaxk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Ps3Pm / 2Pd / 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：9999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