医学仪器原理及设计实验报告.docx

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1、现代医学电子仪器原理与设计实验报告班 级:生医 111 班实验时间:11 - 16 周实验地点:信工楼 A303 指导教师:实验一温度测量 . 1实验二实验三实验四实验五实验六脉搏测量. 5血压测量. 7呼吸测量. 13心音测量. 16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

2、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51 、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

3、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。五、实验数据处理测常温得数据：cha ngwe n.dat 测手温得数据：shouwe n. 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:cha ngwe n.dat);shouwe n. dat);y1=c.data(:,2); a=mea

4、n( y1)c=importdata( d=importdata( x1=c.data(:,1);x2=d.data(:,1); y2=d.data(:,2); b=mea n( y2)subplot(1,2,1) plot(x1,y1, b);title( cha ngwe n figure);xlabel( ylabel(time );V1);subplot(1,2,2);plot(x2,y2, b);title( xlabel( ylabel(shouwe n figure); time );V1);K=tge nt(a,15,b,30)B=15-K*a附：求斜率功能函数fun ctio

5、ny=tge nt(x1,y1,x2,y2)%求两点连线的斜率if x1=x2disp( error: elsey=(y1-y2)./(x1-x2);end运行结果如下：斜率不存在)Command Windowcha ngwe n figure4.5shouwe n figure4.44.34.24.143.93.83.73.60100300400time200time由此可知，温度与电压关系为： 对labjack 进行标定:采用 channelA,AI1 端口T=-17.1957V+98.5886六、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

6、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

7、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五、实验数据处理测得脉搏数据为“ maibo.dat ”用 MATLAB

8、 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( maibo figure( xlabel( ylabel(V1);滤波前);time );fs=500;Wp=2*pi*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30; Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi; N,Wn=buttord(Omip,Omis,Rp,Rs); disp( The order of Butter

9、worth Filtering is b,a=butter(N,Wn);量H,w=freqz(b,a,512); y2=filter(b,a,y); subplot(1,2,2)plot(x,y2, b);title(maibo figure(滤波后); xlabel( time );ylabel( V1);实验结果：%归一化技术要求%确定滤波器的阶数,n um2str(N);%确定 Butterworth滤波器转移函数系数向%512 点复频响应maibo figure( 滤波后)0.80.60.4V0.2I II-0.2time-0.4 L023timeI16由上图粗略估计，脉搏频率为 82

10、 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25RWUAK5GTOOiOi 102 IDQ IOI TO2100I3斗567JNINEJJNINoirri OlTTi DOT 3OUT 4 ： ：N !OUT?CTJ

11、IMPIvcc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） 至 IC3 实现驱动输出。三. 实验步骤IC5 的 2、，经过差动放大后输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

12、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“ 100”，这样气泵受IO0 控制， 打开LJLogger 程序，100 为“ T 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， 使 AI2 端输出信号显示为某一压力值，比如RP1 可调节量程，120 毫米汞柱电压为 2V。然后徐徐放气至完

13、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“ Con figure Cha nn els 通道 选者择中，四路全部选择 AI2，即选择 channeA:AI2、channeB:AI2、channeC:AI2、 chann

14、eD: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( d=importdata(xueya0.dat xueya100.datx1=c.data(:,1);y1=c.data(:,2);a=mea n( y1)x2=d.data(:,1);y2=d.data(:,2)

15、;b=mea n( y2) subplot(1,2,1)plot(x1,y1,b);title(xueya0 figure);xlabel( time);ylabel(V1);subplot(1,2,2);plot(x2,y2,b); title(xueya100 figurexlabel( time);ylabel(V1);xlabel( time);ylabel( P);K=tge nt(a,0,b,100)B=100-K*bxueyaO figure1.265xueyalOO figuretimetime由此可知：血压 P=483.1718V-503.3033用 labjack 的 ch

16、annelA, AI2，设置如下图所示:圜| Channel CoriifigAnalog Input Configuration门A.SamMpalenduaDlata-Tlie input voltage is Rv -TtieEntryBaled outpLit value IE -Ea-ch equiatig1! must hve a semicobn at the endr-If your equation has an em theoutput will be zerorYou c-an select text and use百匚v te |Save & ExitCancel测得数

17、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);figureplot(x3,y3, b);title( xueya figure );xueya figure12010080604020140010 2030time40506070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。六、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

18、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。一、实验目的实验四呼吸测量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 的差动放大电路进行一级放大，再经过力成

19、正比的线性电压波形。JPO 进入由 IC1A、IC1B、IC1C 组成IC1D 进行二级放大后在 AI0 端输出一个与压三、实验步骤1、接线：将传感器通过JPO 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。通过调节电位器抑制。R31 来调节电路对称性（ 调零），实现对干扰信号的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

20、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，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。当气流经过差五、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,

21、2,1) plot(x1,y1, b);title( huxi figure(滤波前);xlabel( ylabel(time );V1);fs=500;Wp=2*pi*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30; Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi; N,Wn=buttord(Omip,Omis,Rp,Rs);disp( The order of Butterworth Filteri ng isb,a=butter(N,Wn);%归一化技术要求%确定滤波器的阶数,n um2str(N);%确定 Butterworth滤波器转移函数系数向量H,w=freqz(

22、b,a,512); y2=filter(b,a,y1);subplot(1,2,2)plot(x1,y2, b); title( huxi figure(滤波后);%512 点复频响应xlabel( ylabel(结果：time );V1);timehuxi figue（滤波前）huxi figure（滤波后）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

23、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 JPO 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、

24、 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(xi nyi ncj.dat);B=importda

25、ta(xi ndia n.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);yfs3=5C0.0d;aWtap(=:,2*)p; i*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30; Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi;% N,Wn=buttord(Omip,Omis,Rp,Rs); %disp(The order of Butterworth Filteri ng is ,nu mb2,ast=r(bNu

26、)tt)e;r(N,Wn);%移函数系数向量H,w=freqz(b,a,512);%512 y4=filter(b,a,y1);subplot(3,1,1) plot(x1,y4,b);title(xinyin figure(滤波后); xlabel(time);ylabel(V1);y5=filter(b,a,y2); subplot(3,1,2) plot(x2,y5,b);title(x in dia n figure( xlabel(time); ylabel(V2); y6=filter(b,a,y3);subplot(3,1,3) plot(x3,y6,b);title(maibo

27、 figure(滤波后); xlabel(time);ylabel(V3);运行结果如下：归一化技术要求确定滤波器的阶数确定 Butterworth点复频响应滤波后);滤波器转5；xinyin figure（ 滤波后） ,r_t= V 叫帆*单泸邮枷諒刑沁勺倒严岬却加. -5 - r 11f丿1-10:1c:012345timexindian figure（ 滤波后）0.5 012time345maibo figure（ 滤波后）f.time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、

28、 与心电及脉搏一起显示计算，观察各个波型的特点及脉搏波的传播速度与动脉弹性、 官腔的大小、动脉血相互关系。液的密度和粘性有关。因为做实验时，测量 如果人的脉搏波周期会稍微短一些， 动脉弹性小、官腔小、动脉血压高等都会导压、血的数据不是来自同一个人， 致脉搏波传播速度加快。六、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

29、波动周期与心电图波动周期基本一致。实验六心电测试实验目的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+J-51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

30、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。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IC7A 与其外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。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 J

31、P13 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。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。 打开 LABJACK 的 软 件 Ljstream ,在 “ Con figure Cha nn els ” 中选择channeA:AI4、channeB:AI5、channeC:AI6、channeD:AI7

32、，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 V,修改Y 轴的量程为-0.4v 至+0.4v ; 按动Enabel Stream 就可以看到一级放大电路信号（AI4）的情况，调节电位器R37 使AI 4 在?.3V 左右（顺时针信号放大）；鼠标右键选择 AutoScaleY 前的V,选择channeB 的显示（红色波形显示），调节电位器R42 使 AI 5 信号幅度为？v 左右（顺时针信号大）； 选择channeC 的显示（黄

33、色波形显示），调节R4 使 AI6 （与A I5 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。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。连接LABJACK 采样

34、盒：实验板的 J8 （心电信号）的“ Signal ”和“ GND 与LABJACK 勺 AI7 和 GND 相连，其它线一律断开。接入心电电极：把夹在左手腕内侧处的电极夹插入 入 P42 ;把夹在右脚腕内侧处的电极夹插入P41 ；把右手腕内侧处的电极夹插P43。人两手平放在大腿上，安静等待1-2分钟。打开 LABJACK 的软件 Ljstream ，在“ Con figure Cha nn els 中选择 AI7，按动 En abelStream 就可以看到该路信号的情况，看到放大电位器R42 及调对称性（去噪声）的电位器大电位器R37，直到看到理想的心电信号。AI7 的信号不理想，请先小范

35、围调节二级R38，还不够理想再范围调节一级放四、实验内容编写 LABVIEW 程序，主要功能有：显示心电波形、检测QRS 波群并记数及自由发挥的功能。注意：用于人体实验时请使用电池供电！，与 LabJack 的连线只接 J8 的两根线，其它线一律断开。实验调试过程固 Ustream Chanriel CoriifigPIUstrejm V1.07Enable StreamLocal ID10.0249channelA0.03490-GM1Scan RstEr1100 00Number of Scans.j|100Actual Scan Rate|100.0Scan BacklogGraph H

36、istorychanrwlB? 7rr # 5ans channelC Scaled Data2.2160O.CWOl幅 SecoHdhBnnelD3.71912.216013.7191O DemoQCo,Ur*it?ii,IO Stiate Read00000 12 3Save Cuirrent Settings 1ExitErrorFile Prefix Q Write To Ale j Current Data Ale% non&四、实验数据处理A=importdata(x in dia n. dat); x1=A.data(:,1);y1=A.data(:,3); subplot(1,

37、2,1) plot(x1,y1,b);title(xindian figure(滤波前);xlabel(time);ylabel(VI); fs=500;Wp=2*pi*50/fs;Ws=2*pi*60/fs;Rp=0.25;Rs=30;Omip=Wp/pi;Omis=Ws/pi; N,Wn=buttord(Omip,Omis,Rp,Rs);% 归一化技术要求% 确定滤波器的阶数disp(The order of Butterworth Filtering is ,num2str(N);b,a=butter(N,Wn);H,w=freqz(b,a,512); y2=filter(b,a,y1); subplot(1,2,2) plot(x1,y2,b);title(xiandian figure(滤波后);xlabel(time);ylabel(V1);%确定 Butterworth 滤波器转移函数系数向量%512 点复频响应xindian figure( 滤波前)time五、实验小结通过这次实验使我明白了心电电路的工作原理， 以及测量心电需要的注意事项和 心电图各部分所代表的意义；在实验过程中，遇到了电路连接错误，但通过我们 两个人的合作和请教老师最终正确连接了电路。