生物医学工程大实验报告

生物医学工程大实验报告

It was last revised on January 2, 2021

心

实验目的

1.

电检测实验

复习放大器,滤波器等相关知识, 了解心电测量的原理，并学习用生

理信号采集系统记录人体心电图。 2. 3. 能力. 4.

学习正常心电图中各波的命名与波形，了解其生理意义。

要求掌握心电测量电路的硬件实现方法，锻炼电路板的焊接与调试

实验器材

信号发生器，电源，示波器，电机夹，导线若干，电路板一块

实验原理

1. 心脏的基本构造和心电图(ECG)

心脏处于人体的循环系统的中心，主要由心肌构成，心肌是可兴奋组织，它的收缩和舒张是人体血液循环的动力；心肌将心脏分隔成左，右心房和心室四个心腔，腔间有瓣膜控制血液在房室间的流动，通过动脉血管将氧和酶等各种营养物质供给全身组织，并将静脉回流带来的组织代谢废物运走。

心脏是自律性器官，有特殊起博心肌细胞和神经传导树支(束)，包括窦房结，结间束，房室结，房室束，左右束支；在起博心肌细胞(窦房结内)的自律作用下，通过房、室、神经束的传导使心肌收缩和舒张完成心脏的博动；另外，参于循环系统调节的有：交感神经，兴奋时通过肾上腺

素使心率加快，而副交感神经兴奋时使心率变慢，还有化学性的体液因素也可影响心脏的博动。

神经细胞元的放电过程已得到实验认证，心脏特殊起博心肌细胞博动和神经传导树支(束)的传导过程都是神经细胞元放电和传导的过程，因此，可通过在人体体表层安放灵敏度很高的电极接受这些微弱的心脏电活动，称为ECG(electrocardiogram)---心电图，早在1903年就发现心电图及基本测量方法；心电图机检查人体的ECG，判断心脏活动正常与否仍是医院目前首选的检查手段。 标准ECG及参数如下：

典型心电图波形

目前ECG的测量技术已很成熟，标准ECG都打印在栅格纸上，标明X方向每格秒，Y方向每格.一般来说，P波表征心脏收缩期开始；QRS复合波是心室收缩的结果，指示心室收缩期开始；T波是心室舒张的结果，将延续到下一个P波止.

ECG测量基本导联三角形(肢体)：

图

导联1右手接’-‘电极(白)

左手接’+’电极(红) 导联2右手接’-‘电极(白)

左脚接’+’电极(红) 导联3左手接’-‘电极(白)

左脚接’+’电极(红)

全为右脚接地，这就是所谓右脚驱动导联接法，这是肢体导联ECG测量法；另外常用的还有三电极胸导联，白的’-‘电极贴在右胸，黑的地电极贴在右胸白电极下18公分处，红的’+’电极贴在左下与黑电极对称处，此测量法为2导联ECG；不同导联接法测量的ECG波形不同，表征的医学意义也不同；实际上ECG已经有用>12导联测量的心电图机，24小时动态ECG记录仪也是医院常用的仪器. 2.心电信号的电特征分析

心电信号的频率范围在以内，而90%的EEG频谱能量集中在之间，心电信号频率较低，大量是直流成分。人体信号是一种弱电信号，信噪比低。噪声干扰主要包括50Hz工频干扰，电极接触的噪声，人为运动，肌电干扰，基线漂移以及呼吸时的EEG幅值变化。

实验步骤

1.电路设计 1）一级放大电路

一级放大电路采用差分放大电路，对心电信号进行初步放大，同时阻断50Hz工频干扰。 2）二级放大电路

将由第一级放大器放大后的信号进一步放大，同时用低通滤波器进行滤波，减小噪声的干扰。 3）带通滤波器

用带通滤波器对由第二级放大电路放大的信号进行滤波处理。 2.电路板焊接

按照电路图连接电路，注意焊点不要虚焊，线路不要连错。 3.电路板调试

首先在输入端接入由信号源输出的信号，然后分别测量各个放大器的输出是否与设计意图相符，如果不符则检查电路故障。 4.心电测量

用电极夹夹住左右手腕，保持安静。将电极夹的另一端接入电路板的输入端，电路板的输出端与示波器连接，显示心电信号。 实验结果

实验总结

1. 电路板焊接

电路板焊接的时候要保证焊接的质量，我们的板子因为焊接的质量不好，存在虚焊，焊锡太多等现象，导致出现了电路短路或断路的情况，给后面的调试带来了很多麻烦。所以在焊接的时候要注意焊点的质量。

除此之外，也要注意电路的连接。电路连接的简洁不仅可以在检查的过程省去很多麻烦，还可以减少噪声。 2. 电路板调试

电路板调试的时候要一级一级调试，保证前一级信号的输入输出正确后，再调试下一级。在调试的过程中要注意输入信号的各个数据处于一个合适范围，并且注意给运放加电源。

血氧饱和度信号采集

实验目的

1. 掌握血氧饱和度传感器的使用方法

2. 掌握怎样用血氧饱和度传感器检测人体血氧饱和度 3. 掌握信号采集、处理、放大、输出等过程 4. 了解血氧饱和度的控制信号 5. 了解血氧饱和度的波形和计算过程

实验内容

1. 熟悉血氧饱和度传感器使用方法和工作原理

2. 熟悉血氧饱和度物理测量原理 3. 熟悉血氧饱和度的数学模型和计算原理

实验器材

1. 血氧饱和度传感器 2. 示波器

实验原理

1. 血氧测量原理

氧是维系人类生命的基础，心脏收缩和舒张使得人体的血液脉动地流过肺部，一定量的还原血红蛋白与肺部中摄取的氧气结合成氧和血红蛋白，另有2%的氧溶解在血浆里。这些血液通过动脉一直输送到毛细血管，然后再毛细血管中将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢，血氧饱和度是血

液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2 Hb浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占的百分数。因此，检测动脉血氧饱和度可以对肺的氧合血红蛋白携氧能力进行估计。

血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的重要参数。血氧饱和度的测量目前广泛应用有透射法、双波长光电检测技术，检测红光和红外光通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比IIR/IR和非脉动组织光吸收的稳定分量值，通过计算可得到血氧饱和度值SPO2，这里采用透射法双波长光电检测技术。由于光电信号的脉动规律与心脏搏动的规律一致，所以根据检出信号的周期可同时确定脉率，因而亦称该方法为脉搏血氧饱和度测量。这种测量方法用指套式血氧饱和度传感器测量红光和红外光波长光强度经过手指后的变化，计算其中的脉动量与直流量后，查表可以计算出血氧饱和度值。

脉搏血氧饱和度的测量是将血氧浓度的光电检测技术与容积脉搏描记技术结合在一起来实现无创连续血氧浓度检测。透射式脉搏血样检测多以手指、耳垂等作为检测部位。当光透过手指时，由皮肤、肌肉、骨骼、静脉血和心舒期动脉血产生的吸光度A是恒定的。由心脏搏动，动脉血充盈引起血管容积变化从而形成脉动量产生的吸光度是与此相应变化的吸光度△A。当用660nm、940nm波长的恒定光照射手指时，运用Lamber-Beer定律并根据吸光度变化的比及功能氧饱和度的定义，可推导出动脉血氧饱和度：

式中：α1、β1，α2、β2是对应660nm，940nm波长的HbO2、Hb的吸收光系数，△A1，△A2是对应与660nm，940nm波长的吸收光度变化量。下表显示成人与孩童分别在660nm、940nm波长时大致的吸光系数。 波长 660nm 940nm 2. 光源切换

设计中采用双波投射光电检测方法来测量血氧饱和度，所以必须是无光、660nm的红光和940nm的红外光交替产生并采集得到各不同光时段的信号，通过减去无光时光电信号可以去除环境光的影响，并得到红光与红外光去除环境光影响后通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比。这里各种光的交替切换通过对单片机的PF0，PF1端口编程得到。 3. 电流电压转换

血氧传感器输出信号为微弱电流信号，输出电流在1uA左右，经过I-V转换电路后为电压信号。其中AD795具有很好的直流特性，它的输入偏置电流只有1pA,是精确的电流电压转换放大芯片，满足电流放大要求。C1与R3并联，起低通滤波作用并防止振荡；后接C6，R7进行高通滤波，滤除直流分量；再接二阶低通滤波以滤除杂波，此时660nm和940nm的光信号已经转为滤波后的电压信号。 4. 电压放大

经过电流电压转换和高通低通滤波后所得的电压信号由AD620R采集并进行放大。放大倍数为 G=2+1=

Hb 成人 婴幼儿 HbO2 成人 婴幼儿 5. 调零及滤波

因光电的直流分量较大，高通滤波截止频率过低会影响正确信号的波形，这里由加法电路的原理设计了调零电路来去除部分直流分量，并进行低通滤波和放大来改善波形。 6. 电压跟随其的应用

经过有源二阶低通滤波后所得的信号可能不是很稳定，在这里我们应用了电压跟随器，它的作用是限制最大输出电压、加大电流输出和减小输出阻抗等。 7. 50Hz工频滤波

本功能模块电路的输出信号同样需要经过50Hz工频滤波，电路的输出信号送至模数转换器，经模数转换后送至单片机微处理器进行处理，最后送至LCD显示，因此从LCD可见同步的检测波形。

实验步骤 1.

功能板安装。先关电，把血氧功能板通过上下两个板间插件固定在

主板上；

2.

血氧功能板固定在主板上后，此处电源线和信号输出线都通过上下

两个板间插件和主板连接在一起了，打开电源； 3.

在不接传感器的情况下，把示波器的探头一端与P6相连，另一端接

地。观察示波器现实的信号。如果信号不在“0V”时，通过调节旋转电位器RP1，同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节电位器，之后，关电取下示波器的探头；

4. 以上二步完成后把血氧传感器接到主板的输入端J15，手指插入血

氧传感器的指套中，开通电源。血氧传感器所测的波形就可以在LCD上显示了； 5.

可以用示波器依次测试P1、P2、P3、P4、P5、P6，根据所测试的情

况很容易得到各功能块的作用； 6.

在显示界面上选择“血氧信号采集”项，按“采样”键，进入血氧信号显

示界面。 实验结果

握力信号采集功能

实验目的

1. 掌握握力传感器的使用方法 2. 掌握能量的转换过程

3. 掌握信号的采集、处理放大、传输过程 4. 了解握力信号采集的硬件电路

实验内容

1.

通过握力传感器检测握力的大小，并通过能量转换、信号采集、放

大、滤波、50Hz陷波、A/D转换、单片机处理后从LCD输出。可以更直观的观测到我里的变换的波形； 2.

本实验适用于生物医疗实验和体力实验。

实验器材

1. 示波器 2. 握力传感器

实验原理

1. 配套传感器为握力型传感器

传感器直接把握力的大小转换为对应的电信号。所得电信号非常微弱，需要经过放大和滤波处理。 2. 二级信号的采集和放大

在一般信号放大的应用中通常只需要通过差动放大器放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度的变化就更加复杂。 3. 二级放大

由于传感器所对应的电信号非常微弱。这就需要用到后级放大，放大电路选用了通用的单运算放大器LF356.其放大是在第一级的放大倍数基础上进行放大的。采用同相放大，放大倍数为： VO=R213/R212+1=20

同相比例放大电路如图。输入信号电压Ui经过电阻R加到集成运放的同相端，Rf为串联反馈电阻，R=R1//Rf。同相比例器的电压增益为 同相比例放大电路

同相比例放大电路属于电压串联反馈，具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于放大系统的前置放大级。

同相比例器电路原件参数的选取与反比例器的基本相同。需要注意的是，由于从相同端输入信号，运算放大器输入端不存在“虚地”，但两个输入端之间有“虚短”特性，因此运放的两个输入端相当于同时作用着信号幅度相等的共模信号，这就要求输入信号的大小不能超过运放的共模输入范围。

4. 信号处理

信号由AD620R采集进本系统含有大量的杂波并经过了放大，现在急需把这些杂波去除掉。在这里我应用了10Hz的二阶低通滤波。这样既去除了杂波也满足了我们的需求。 握力二阶低通滤波电路

实验步骤

握力功能测试电路布局如下： 1.

功能板安装。先关电源，把呼吸功能板通过上下两个板间插件固定

在主电路板上； 2.

握力功能板固定在主板上后，此处电源线和信号输出线都通过上下

两个板间插件和主板连接在一起了，打开电源，功能板上工作指示灯点亮表示功能板正常工作；再不接传感器的情况下，把示波器的探头一端与P2相连，另一端街GND。观察示波显示的信号。如果信号不在“0V”时，调节旋转电位器RP1，同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节电位器RP1。之后，关电取下示波器的探头； 3.

用连线吧P2和P3连接起来，应用第二级放大。第二级放大是在第

一级放大的基础上进行放大的，从此信号从U2的6号脚输出共放大了514倍； 4.

用导线把P4和P5连接起来，给信号进行低通滤波，本处使用的是

有源二阶低通滤波，频率为10Hz，只允许通过低于10Hz以下对我们有用的经过处理的信号；

5. 以上四步完成后把握力传感器接到主板输入端J15上，开通电源。

使用握力传感器就可以在LCD上显示波形了。可以用示波器依次测试P2、P3、P4、P5，根据所测试的情况很容易得到各功能块的作用； 6.

在显示界面上选择“握力信号采集”项，按“采样”键，进入握力信号

显示界面。 原理图：

握力后级放大调零电路： 示波器图：