1、实验一与实验二血氧饱和度检测仪设计实验 第一部分 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
2、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及Win7(32位及64位)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
3、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。】第二部分 实验项目实验一 血氧饱和度测量仪设计实验一. 实验目的1.了解血氧饱和度测试的意义和无创伤测试基本原理。2.掌握血氧饱和度测试的基本方法。3.了解血氧探头的构成及特性。二. 实验的意义和原理1.血氧饱和度测定的意义血氧饱和度是衡量人体血液携带氧能力的重要参数。由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋
4、白所氧合是由多个环节组成，其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。监测动脉血氧饱和度可以对肺的氧合和血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要的意义。在临床实践中，估计动脉氧合能力有多种方法，最常用的是取动脉血，但这种方法需要动脉穿刺或者插管，且不能连续监测。无创伤检测动脉血氧饱和度的方法，是一种采用脉搏血氧测量法的动脉血氧饱和度测量方法，它的特点是能够在无创伤条件下实现连续测量动脉血氧饱和度，使用方便，应用前景广泛。2.脉搏血氧测量法基本建模原理脉搏血氧测量法的原理是基于光学定律-朗伯特比尔定律建立无创伤血氧饱和度测量的模型和基于光学脉搏容积描记法建立动脉组织的模型。比尔定律认为：光通过物
5、质时，它的强度会或多或少的减弱，这种现象叫做光的吸收。实验证明：当单色光通过溶液时，透射光的强度与溶液的浓度、厚度、入射光的波长有关。称为吸光度。换言之，如果我们测出吸光度，而厚度、入射光的波长已知，则可以计算出溶液的浓度。脉搏血氧测量正是利用了这一原理。在脉搏血氧测量法中，假设忽略动脉血管中其它成份影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb),则血氧饱和度SpO2的定义是： SpO2表示氧合血红蛋白含量；表示还原血红蛋白含量。两种血红蛋白在红光谱区吸收差别很大，而在近红外光谱区，吸收差别较小，所以不同氧饱和度的血液光吸收程度主要与两种血红蛋白含量比例有关。也就是说由于在红光谱区和
6、近红外光谱区里，氧合血红蛋白和还原血红蛋白有自已独特的吸收光谱，因此根据比尔定律可以决定血红蛋白含量的相对百分比，即血氧饱和度。为了把问题简化，脉搏血氧测定法假设的组织模型由两部份组成：无血组织（皮肤，骨骼，静脉血等）表现为固定的光吸收，即直流成份。而动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）则为脉动变化的光吸收，即交流变化的信号。假定光衰减量的变化完全是由于动脉容积搏动所引起，从而就可以从光的总衰减量中除去直流成份，用余下的交流成份进行分光光度分析，计算出动脉血氧饱和度。 SpO2K1R+K2R+K3式中，K1,K2,K3是经验常数，而R是在某个很小的时间间隔上，两种光电信号幅度
7、变化量之比。3.动脉血氧探头动脉血氧探头是由红光发光二极管、近红外发光二极管和高性能光敏二极管组成的混合光学传感器。使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为射入光源，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，测定通过手指的光传导强度，来计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。一般认为SpO2正常应不低于94。探头上壁固定两个并列的发光二极管，下壁有一个光电检测器将透过手指的红光和红外光转换成电信号，它所检测到的信号越弱，表示光信号穿透指尖时，被那里的组织、血液吸收掉的越多。4.电路实现原理图2. 71 动脉血氧饱和度测试电路原理图上图中，左上的标有(1)的部分是探头电路结构图。RED-LED是红光发
8、光二极管，IR-LED是近红外发光二极管，其右边是光敏二极管。右上的标有(2)的部分是发光管驱动电路。为了保证光源的稳定，发光二极管采用恒流源进行驱动。PC4,PC5是主板通过程序发出的控制信号，例如，当PC5=1时，Q14、Q10、Q15、Q17导通，+5V通过Q10的集电极加到红外管的阳极，Q15的集电极加到红外管的阴极，向近红外二极管提供稳定的电流，使之发光。同理，当PC4=1时，红光二极管获得电流发光。这样，PC4和PC5交替控制相应的电路工作，形成产生控制红光、红外光发光的时序信号。上图中下方标有(3)的部分是同步解调放大电路。负责将两路微弱的脉搏信号从干扰信号中检测出来，将信号同步
9、解调还原，再从中分离出交流信号AC,直流信号DC和放大滤波到一定数值，提供给计算机进行模数转换及处理。图中AD7是直流信号，AD6是交流信号。为了避免AD6出现负信号，在交流信号通道中，设有基准电平调整电路。三、实验步骤和测试结果图2.72 血氧饱和度测试电路布局图1、将血氧模板固定于主板上方，但模板上方的26芯插座(J5)与主板的26芯插座(J2)不连接。图2.73 血氧探头驱动电路布局图用连接线将模板PC4插孔及+5VA插孔与主板右侧的4.05V插孔相连。使模板获得电源，同时用连接线将模板右侧GND插孔与主板GND插孔相连，将模板下部GND插孔与PC5插孔相连。装上血氧探头，取下短路器J7
10、,使其开路。开启主板电源，用电流表测量I2(1)插孔与I2(2)插孔之间的电流，上面插孔I2(1)为正端，应为10mA左右，如果偏离，调整RW10。调整以后拔除连接线，插上J7。用连接线将PC5插孔与主板左侧的4.05V插孔相连，同时用连接线将模板右侧GND插孔与主板GND插孔相连，模板的下部GND孔与PC4插孔相连。取下短路器J6,使其开路。开启主板电源，用电流表测量I1(1)插孔与I1(2)插孔之间的电流，上面插孔I1(1)为正端，应为10mA左右，如果偏离，调整RW11。调整以后拔除连接线，插上J6。2、断开电源，将模板J5与主板J2用扁平线相连，PC4接+5VA,PC5接GND。接通电
11、源。图2.74交直流信号调理电路布局图将食指或中指放入血氧探头，用示波器观察V4输出，应有波形出现，其峰峰值应为4V左右。如果不是，调整RW9,一般RW9阻值在 30K-35K范围，可用万用表测量，测量方法将表笔放入连接RW9两端标注为1和2的两个插孔。然后观测VAC波形，其基准应在0V以上，以适应A/D转换的需要，幅度为04.5V,若不符合，调整RW7,一般RW7的2与1之间电阻为6K左右，2与3之间电阻为4K左右。测量RW7须将模板与主板连接断开。3、将手指放入血氧探头，用示波器观察VDC波形，调节RW8，使幅值为2.0V左右的直流信号，如前所述，这是从探头的输出信号中分离出来的直流分量，
12、如果幅值过大或过小，可调整放大器的反馈电阻RW8,一般，RW8阻值在 4.5K5.5K 之间。可预先调好，调整RW8的方法与RW9类似。4、拔除PC4,PC5上的连线。在实验箱主板USB指示灯亮的情况下，点击计算机主菜单“血氧饱和度实验”按钮进入血氧饱和度测试，显示如下：图 2.755、测试者将探头夹住手指，不要说话、动作，在实验箱主板USB指示灯亮的情况下，点击“测试” 按钮，血氧饱和度测试开始，此时从探头采集到的波形显示在屏幕上，其中显示的曲线分别为透射过来的红光波形和红外光波形。左边数码管显示血氧饱和度，右边数码管显示心率，且实时刷新。如下图所示： 此处插入测试图片图 2.766、当显示
13、的波形符合脉搏波形，可以点击“停止”按钮，此时屏幕上的波形停止滚动，显示当前的波形和当前的血氧饱和度及心率，若再点击“测试”按钮则继续测试，如下图所示：此处插入测试图片图 2.777、保存测试波形的方法：当测试结束（即点击“停止”按钮后，波形显示不再变化），点击“保存”按钮将测试的数据保存为文本文件，测试的波形将保存为“*.SP0”格式或者“*.txt”的文件。学生可在老师指导下编写计算机程序，调用文本文件。8、点击“打开”按钮可以打开已保存的文件，方法如下：图 2.78例如：选择zq.SP0文件，打开后显示界面如下：此处插入图片图 2.799、实验完毕，插线除去。四、实验总结（1）实验原理总
14、结（2）实验过程总结（3）实验心得与创新性设想实验二 脉搏波波速测试仪设计实验一. 实验目的 1、了解脉搏波波速的测量意义和原理。2、掌握脉搏波波速的测量方法。二.实验的意义和原理 1、测量脉搏波波速的意义心脑血管疾病是导致死亡的主要疾病之一，心脑血管疾病发病的主要原因与动脉的病变有关，动脉病变是心脑血管疾病的病理基础。目前治疗的手段与方法中往往忽视了病变的关键血管壁的改变，随着对心血管病变的研究逐渐深入，人们意识到血管壁的病变是各种心血管事件发生的基础。我们知道动脉弹性的改变早于结构改变，早期发现和干预血管病变的进展是延缓和控制心血管事件的根本措施，有研究表明，大动脉功能和结构的损害，是导致
15、早期血管改变，发生包括高血压在内的许多心血管病的危险因素，而动脉僵硬度已被认为是心血管病独立的危险因子，已经成为研究的热点课题。截止目前，用于评价大动脉的结构和功能的方法已有很多。如血管造影或其它成像技术等有创方法可精确评价动脉管腔或分心动脉壁结构，但是这些方法由于操作复杂、费用高昂，需要非常精密的设备，限制了其在临床中的应用；另外，还有一些无创检测方法，如超声技术（高分辨率超声、超声多普勒、超声示踪）和计算机分析图象信号和（或）超声信号，来研究某些动脉轴和位点的功能和结构，这些相对复杂的技术仅用于某些实验室。在无创方法中，脉搏波速度（PWV）的测定已经在较长的时间内广泛用于评价动脉壁扩张性和
16、硬度的一种有效手段。该方法无创伤、操作简单、结果准确、重复性好，可广泛用于临床治疗和流行病学的研究，并且，该方法非常适合于家庭使用和社区医疗服务推广应用。作为判定心血管疾病的重要依据。2、脉搏波波速与血管性能健康人的血管是一个弹性腔，在每个心动周期中, 动脉内的压力及血管的充盈程度发生周期性的变化, 这种周期性变化不停地向外周血管传播。用压力传感器可以记录到表浅动脉的搏动,从而得到压力脉搏波。图2.80所示为压力传感器测得的桡动脉脉搏波，图中各个特征点的生理学意义分别为：a波：心房收缩波；b点：主动脉开放点；c点：主动脉压力最高点；d点：主动脉弹性扩张降压点；e点：左心射血停止点；e1点：左心
17、舒张开始点；f点：二尖瓣开放点。图2.80心室射血产生的压力波动沿动脉树传播，速度由动脉壁的弹性和几何性质及所含液体的特征（密度）决定。由于血液是含在弹性管道（动脉血管）中的不可压缩的液体，能量传播主要发生在动脉壁上而不是通过血液进行，因此动脉壁的性质、厚度和动脉腔径是影响脉搏波传导速度（PWV）的主要因素。事实上，已经证实弹性管道中的PWV与管壁弹性相关。若血管出现了硬化现象，则血流的速度会加快。硬化程度越高，速度越快。通过分析两个不同地方的脉搏波的波形信息，可以得出两路波形的时间差，再测量出两个测量点之间的距离，就可以得到血流的速度。例如，上臂至心脏及踝关节到心脏动脉间的脉搏传播速度(ba
18、PWV)，其标准是1400cm/S，数值越高，大脑、心血管疾病的发病风险越大。测量方法是：首先同步检测上肢与脚踝部位的脉搏波，记录波形图，得出两个相同点上波形的延迟时间，并测出血管长度，利用公式baPWV=来计算波速。 3、脉搏传感器脉搏传感器采用了半导体应变片式压力传感器，它的感压结构采用带波纹的金属橡胶膜片，这种特殊结构可尽量增加其位移/ 压力比；检测探头设计了一个液囊耦合腔，它不仅可以调节传感器的阻尼比，而且还可作为脉波信号传递的匹配介质，这样的设计可获得比较理想的动态特性。测量时，通过对传感器施加一定的预压力来获取被测点的脉搏波。4、电路实现原理由前置放大器、信号调理电路（滤波、放大）
19、、A/D转换电路等组成，单片机在程序控制下进行两路脉搏波同步采样；将其转换成数字量后由单片机通过USB接口将脉搏波数据传送到计算机。经过以上的处理可得到完整性好、失真小、基线稳定、振幅适中的脉搏波形，专家系统根据输入的两个脉搏波测量点之间的距离、其他生理参数（血压、身高、体重）及脉搏波参数数据库中的数据，对人体动脉硬化程度进行检测，同时对其他心血管疾病做出诊断。在做出诊断的同时，能给用户提出相应的治疗和预防措施，得出所需要的结果。 图2。81 脉搏波波速测试电路原理图5 PWV的计算方法本系统中利用压力传感器同时测量人体手腕动脉和脚腕动脉两个不同的脉搏波，将数据传送给计算机，计算机经过上述一系
20、列处理然后，得到两路脉搏波波形的特征点。通过统计分析两组波形相邻最低点的时间差，如图2。82，便可以得到两路脉搏波传播的时间差t，然后分别测量出心脏到手腕测量点的距离La和心脏到脚腕动脉测量点的距离Lb输入计算机，脉搏波波速可计算为：上面求出的PWV主要反应了脉搏波在下肢动脉血管中的传播速度，本系统中也是利用该PWV来诊断动脉硬化，因此，主要反应了下肢主动脉的动脉硬化程度。使用者也可以测量其他任意一段动脉血管中脉搏波的传导速度，并可以记录每次测量的结果，通过系统给出的变化趋势图，能够很清楚的看出该段动脉血管的弹性变化情况。在测量时，测量点的选择要注意：测量点的脉搏要强烈并且在体表就能感觉到；两
21、个测量点要有一定落差，身体左右部分同等高度的位置不要同时测量，比如说同时测量左右手腕的桡动脉，因为实际上从心脏到该点的距离是相等的，测出的PWV接近于零。 图。82 两路脉搏波波形三、实验步骤与实验结果 图2.83 脉搏波波速测试电路布局图 1.将脉搏波模板固定于主板上方，但模板上方的26芯插座(J5)与主板的26芯插座(J2)不连接。用万用表测量RW7-RW10的阻值，应符合以下数值。RW7,RW9为6.5K左右，RW8,RW10在7K-8K之间。 图2.84 放大增益电位器布局图调整方法为：虚线位置不插信号连接线，用万用表笔插在对应的1和2两个信号连接孔进行测量。 图2.85 基线调整电位
22、器布局图同样，调整方法为：虚线位置不插信号连接线，用万用表笔插在对应的1和2两个信号连接孔进行测量。 2.电位器阻值调整好以后，用信号连接线将虚线所示连接起来。并将模板与主板连接起来，开启主板电源。 图2.86 脉搏波波速测试电路布局图 插入两个传感器，这时用示波器观察PW1Vc和PW2Vc点波形，可以看见是一条直线，即基线，基线波形幅度应为1.5V左右，如果过小，调整RW8和RW10。两路测试电路是完全对称的，其对应点的波形应完全一样。将主板与计算机相连，在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击菜单上的“脉搏波速实验”按钮进入脉搏波速测试，显示如下：图 2.873.测试者坐在椅子上，将senso
23、r1(左边)探头用绑带绑在手腕部，sensor2(右边)探头用绑带绑在脚腕部，不要说话、动作，在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“测试” 按钮，脉搏波速测试开始，此时从探头采集到的波形显示在屏幕上，其中显示的蓝色和绿色曲线分别为手腕动脉脉搏波，脚腕动脉脉搏波。如下图所示： 此处插入图片图 2.884、当显示的波形符合脉搏波形，可以点击“停止”按钮，此时屏幕上的波形停止刷新，请等待数秒显示当前的波形，通过点击“测试”按钮继续测试，如下图所示：此处插入图片图 2.895、点击“计算”按钮可以计算脉搏波速，提示您：“您是否已经输入个人信息？选是则继续计算，选否则重新输入。”如下图所示：此处插入图片
24、图 2.90选“是”则用您早前输入的人体信息参与计算脉搏波速，显示如下：此处插入图片图 2.91选“否”则重新输入人体信息后计算脉搏波速，如下图所示：图 2.926、可以手动取点来计算脉搏波速：在打开脉搏波速文件或停止测试后，界面上显示脉搏波形时，先选中一部分波形将之放大，左键单击上图蓝色的波形，自左向右，自上而下的拖动鼠标至下图绿色的波形上，此时出现虚线的窗口，如下图所示：图 2.93放开左键，则窗口中显示您选中的放大后的部分波形，显示如下：图 2.94如若重新选择要放大的波形，则右键点击上图的波形出现菜单：“清除描点”，之后重新选择波形，或者直接在波形的其他区域内选择，显示如下：图 2.9
25、5在放大的波形窗口中，左键单击蓝色波形窗口，出现蓝色的虚线，该线则为您选中的波形起始处，可单击其他点来最终确认波形起始点；左键单击绿色波形窗口，用同样的方法确定波形起始点，该线为绿色的虚线，显示如下：图 2.96右键点击原始的波形窗口出现菜单：“计算”，显示如下：图 2.97提示您：“您是否已经输入个人信息？选是则继续计算，选否则重新输入。” 如下图所示：图 2.98选“是”则用您早前输入的人体信息参与计算脉搏波速，显示如下：图 2.99选“否”则重新输入人体信息后计算脉搏波速，显示如下：图 2.100如若重新选择要放大的波形，则右键点击上图的波形出现菜单：“清除描点”，显示如下：图 2.1017、保存测试波形的方法：在测试结束后（即点击“停止”按钮后，波形显示不再变化），点击“文件（File）”菜单将测试的数据保存为“*.txt”文件或者“*.pwv”格式的文件。学生可在老师指导下编写计算机程序，调用文本文件。图 2.1028、点击“打开”按钮可以打开已保存的文件，方法如下：图 2.103例如：选择1.pwv文件，打开后显示界面如下：图 2.104打开后可如第4，5选取要放大的波形，取点后计算脉搏波速。9、实验完毕，插线除去。
